NO134925B - - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning til målfølg-

ning a<y> en' gjenstand innenfor et begrenset område av rommet, og særlig målsøkning innenfor en plan flate i dette område.

En vanlig fremgangsmåte som anvendes når det gjelder å holde kontinuerlig oppsyn, med en gjenstand innen et visst om-

råde er å "illuminere" området med en stråle som på en eller annen måte. er fokusert, og som beveges gjentatt over området. Påvisningsutstyret mottar reflektert stråling fra gjenstanden,

og posisjonen av denne bestemmes ut fra strålens bevegelse som er kjent.

For å påvise gjenstander som er små i forhold ti] det fast-lagte .område, er det; ønskelig, å ha en smalt fokusert stråle som passerer over gjenstanden; Dette oppnås vanligvis ved et foku-seringssystem i kombinasjon med stråling av høyest mulig fre-

kvens . Denne kombinasjon gjør det hensiktsmessig å benytte elek-tromagnetisk stråling med. frekvens i det synlige område. Slik stråling vil i det følgende bli kalt "optisk stråling" eller "lys", og omfatter såvel infrarøde som ultrafiolett stråling.

Vanlige kilder for optisk.stråling har meget stor båndspredning

slik at mottakerapparatet som benytter kun en. liten del av båndet,

er begrenset.til å skulle motta stråling med lav styrke: For praktisk bruk må strålen fokuseres gjennom et optisk system til et punkt■ i' avsøknihgsområdéts plan, og dette' punkt avsøker planet i et raster. Dersom omradet skal avsøkes i løpet av kort tid innebærer,dette betydeligé begrensninger av de muligheter av-søknings.systemet byr på. Et formål med foreliggende oppfinnelse er å komme frem til et -forenklet apparat til.avsøkning av mål .

innen et plan i rommet../

Stråiingskilden kan. fortrinnsvis være ,en laser og i den , følgende beskrivelse benyttes uttrykket "flat stråle" for å be tegne en stråle som utsettes for betraktelig spredning kun i ett plan, hvilket plan er loddrett på strålens akse.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjengitte' trekk og vil i det følgende bli forklart nærmere under henvis-ning til tegningene der: Fig. 1 er et perspektivriss av det optiske system for, ■

må lsøkningsanordningen,

fig. 2 (a), 2(b) og 2(c) viser alternative avsøknings-',

systemer,

fig. 3 og 4 viser.den .form for informasjon som målsøk-ningssystemet gir,

fig. 5 illustrerer bruk av målsøkningssystemet,

fig. 6 viser operasjonsprinsippet for en modifisert form av anordningen på fig. 1 anvendt på systemet på fig. 5, - '

fig. 7(a)og 7(b) er-henholdsvis oppriss;'og planriss av alternative former av det modifiserte arrangement, vist på fig. 5 .

På fig. 1 er vist et apparat 10 som omfatter en laser 11

som består av en optisk strålingskilde og som kontinuerlig.kan utstråle lys i spektrets synlige del, og som er anordnet slik at lyset som sendes ut i en smal stråle med parallelle sider,' spres av et optisk system som består av et sylindrisk speil- 12. - Speilet 12 er anordnet slik at strålen reflekteres fra dets kon-' vekse flate og spres i horisontalplanet, men ikke i vertikal-planet.

En trommel 13 av gjennomskinnelig materiale er sekskantet

i tverrsnitt og har et midtre hulrom 14 med sirkulært tverr-

snitt som går langs lengdeaksen 15. Hver av de seks langsgående flater 16 er belagt med sølv over halve bredden slik at det er avvekslende seks reflekterende og seks lysgjennomslippende flater rundt trommelens overflate. Alternativ kan annenhver-, f late på trommelen i sin helhet være sølvbelagt.

Trommelen 13 er montert med lengdeaksen 15 horisontal og loddrett på den divergerende stråles lengdeakse, slik at denne treffer enten en reflekterende eller gjennornslippende del av

én trcmmellate. Når strålen treffer en gjennomslippende del- av trommelveggen, går den gjennom til det midtre hulrom 14, hvor et stasjonært anbrakt, plant speil 17 avbøyer strålen til en retning som er overveiende parallell med trommelaksen og ut gjennom

trommelenden. En annen trommel 18 liknende trommelen" 13, men

uten noe midtre hulrom, er montert på en aksel som er horisontal, men loddrett på akselen 15 og slik at den avbøyde stråle avskjæres av en av flatene på trommelen 18. Tromlene 13 og 18 og det plane speil 17 utgjør den bevegelige reflektoranordning.

Ved operasjon er tromlene 13 og 18 anordnet slik at de kan rotere synkront om sine respektive akser med konstant hastig-het.' Når strålen avbrytes av en del av den reflekterende flate 16 på trommelen 13, avbøyes den med en vinkel til horisontalen slik at den avskjæres av et plan 20 nedenfor tromlene. Når trommelen 13 roterer, vil skjæringsvinkelen mellom strålen og den reflekterende trommelflate øke kontinuerlig slik at strålen beveger seg over planet i den retning som er vist med pilen 21, det vil si på tvers av strålens største breddedimensjon.

Det bemerkes at fordi den smale stråle av laser ikke fokuseres for å frembringe den flate stråle, vil den være "i fokus" i ethvert plan, det vil si at strålen har en uendelig fokusdybde. Den eneste parameter som varierer med strålens dybde er strålens bredde i den ene retning.

Etterat strålen er blitt reflektert og beveget over et plan 20 ved hjelp av trommelen 13, vil en lysgjennomslippende

.del av neste trommelflate skjære strålen, og denne passerer gjennom trommélveggen og avbøyes av speilet 17 mot trommelen 18. Synkroniseringen mellom tromlene sikrer at på dette tidspunkt vil en reflekterende del av en flate på trommelen 18 nettopp begynne å avskjære den avbøyde stråle. Strålen reflekteres igjen ved overflaten og avbøyes nedover og loddrett på den første stråle og skjæres av planet 20. Trommelens rotasjon bevirker at denne annen strålen beveger seg over planet 20 i en retning på

tvers av dens største breddedimensjon og loddrett på den første stråles bevegelse, i retning av pilen 23. Etterhvert som begge - tromler roterer, avsøkes planet 20 således av de to stråler i innbyrdes loddrette retninger.

Lys som faller på et objekt i det avsøkte område reflekteres.i alle retninger. Mottakerapparater (ikke vist) f.eks. en fotomultiplikator og detektor, hensiktsmessig plasert nær laser-kilden, registrerer når et objekt er blitt krysset av en stråle og ved å forbinde det tidspunkt i avsøkningen da kryssing finner sted med det tidspunkt i den ortogonale avsøkning da kryssing

også finner -sted, kan objektets posisjon innen det avsøkte om-

råde bestemmes, nøyaktig, som ovenfor mrvnt, har strålen en uendelig fokusdybde slik at alle objekter innenfor- det avsøkte område registreres likt, uansett deres avstand fra de, roterende tromler.

Ved kjente optiske prinsipper er avsøkningsvinkelen lik

to ganger den vinkel hvorigjennom trommelen beveger seg for å bringe den påfølgende-trommelflate inn i strålen, og for en n-flatet trommel med fullt reflekterende flater blir denne vinkel-en lik 2 x ^^° I dette tilfellet er bare halvparten av hver

n .v '. trommelflate; reflekterende slik at avsøkningsvinkeléhfreduserés

til —— . De tromler 13 og 18 er anordnet slik at... de har det antall trommelflater som gir en .avsøkningsvinkel nødvendig for å dekke det -område som er av interesse. Antallet/trommelflater behøver ikke å være likt på de to'.tromler, f.eks.\dersom det .

avsøkte område 'er rektangulært, og i dette tilf él-le • opprettholdes synkronisering'ved å rotere tromlene med hastigheter i f or-holdet mellom antall flater på tromlene. \ ■.,'. •-..

Skjønt 'én relativt lav-effekts laser er i stand' til å. frembringe en .intens stråle med meget lite tverrsnitt .er denne v'.. ,.fordel snart .tapt dersom, strålen- spres for meget.' 'i den; fore-,

;. liggende oppfinnelse må laserstrålen nødvendigvis /spres' i en ', retning såvel som utsettes for:en rekke refleksjoner-før den når mottakerapparatet., Intensiteten av det påviste lys vil derfor være særdeles lav,' men det kan foretas en rekke;mddifiksjoner for å redusere muligheten av et falskt signal.

Strålen som. passerer gjennom den gjennomslippende del- ' ;' l av en trommelflate 16 brytes ved,begge flater og gjennom en vari- - abel innfallsvinkel når trommelen 13 roterer og treffer derfor speilet 17 i forskjellige vinkler og posisjoner. Den''å'vbøyde stråle beveger-seg derfor i forhold til den reflekterende flate'■ V;V|, av trommelen 18 bg gir en ikke-lineær avsøkningsbane. Den rela- ; tive bevegelse av den avbøyde stråle kan elimineres- ved å. ut-' ';; • -forme indre'; og .ytre trommelf later..parallellehvilket kun med- ';-.■ fører en konstant, forskyvning av strålen. Dette ..kan gjøres enten ./' ;-v-'--ved å utforme huTrbmmet 14 heksagonalt, dét vil" siv:méd vegger ■ ).';

" parallelle ..ytterf.låtene 16 (ikke vist) , eller ved'å gjøre de ' .<;>

gjennomslippende partier av "flatene 16 parallelle med det sirku-'• 'lærsylindriské hulromsom vist på fig. 2(a). Dersom kilden ér

sirkulært polarisert, kan strålen anordnes slik at den treffer de krumme gjennomslippende partier av flaten ved Brewster-vinkelen (B på fig. 2(a)), hvilket praktisk talt eliminerer lystap på grunn av refleksjon ved trommelflåtene. Dersom slike refleksjonstap reduseres, kan det være hensiktsmessig å anbringe et speil 17 utenfor trommelen 13. Fig. 2(b) viser et slikt arrangement hvori strålen sees å passere to ganger gjennom trommelveggen. Fig 2(c) viser et alternativt arrangement hvori speilet 17 er montert nær trommelen 13. Strålen gis en spredning slik at en del av denne treffer speilet såvel som trommelen. Dette har den fordel at man unngår tap som følge av at strålen passerer gjennom trommelmaterialet. Speilet 17 er ikke begrenset i stør-relse eller anbringelsesmåte. Anbringelse av speilet 17 i avstand fra trommelen 13 kan imidlertid medføre en reduksjon i den effektive avsøkte flate som følge av at de to avsøkninger ikke dekker det samme område. Denne reduksjon har ingen særlig be-tydning medmindre objektflåtene befinner seg meget nær avsøk-ningssystemet, i hvilket tilfelle en korreskjon bør innføres ved å gi speilet 17 en helning.

Dersom systemet skal benyttes for kontinuerlig å holde kontakt med et objekt innen det avsøkte omrade, kan dette objekt være påmontert høyreflekterende flater som er anordnet slik at de konsenterer det mottatte lys tilbake til mottakerapparatet. Dersom det er kjent at objektet utsettes for små rotasjonsbeveg-elser om en hvilken som helst akse bortsett fra lysstrålens akse, kan de reflekterende flater være anordnet i en "hjørne-kubus". For at det innfallende lys returneres til et mottaker-apparat nær senderapparatet og ikke til senderapparatet, må det reflekterte lys defokuseres enten ved hjelo av linser eller ved ikke-ortogonale flater på "hjørnekubusen", eiler ved diffuse reflektorer.

Det fundamentale system som hittil er beskrevet er mangel-fullt i den henseende at dersom mer enn ett objekt befinner seg i avsøkningsområdet kan ikke objektets posisjon bestemmes en-tydig. For eksempel er det på fig. 3 vist to objekter A og B og de øyeblikkelige posisjoner av stråler som avs-iker i x- og y-retningen og avskjæres av planet. Strålen som. avsøker i /.-retningen registrerer to objekter som ligger aller annet sted på linjene xl og x2. Strålen som avsøker i y■-■retningen registrerer to objekter som ligger ett eller annet sted på linjene xl og. x2. Strålen som avsøkar i y-retningen, registrerer et objékt som ligger på linjen yl og et objekt-som ligger på -linjen ' y2. Fordi skjæringen. mellom x- og y-linjene representerer et :: objekt er. det klart åt de to objekter A og B også kunne antas å befinne seg i posisjoner C og D. '....'

Denne tvetydighet kan elimineres på forskjellige måter. For et lite antall objekter "kan det innføres en tredje avsøk- ; ningsretning i en vinkel til de to øvrige, som vist på fig;.. 3, .-ved den stiplede linje Z. Påvisning av objekter A og B ved', linjene zl og z2 eliminerer tvetydigheten.

Når antallet obje.kter øker, kan det imidlertid oppstå .riye uklarheter. Som vist..på fig.4, dersom det er et tredje og fjerde obj ekt.-.ved- henholdsvis^'E og - F, ville ved x-avsøkning fulgt av;'y-avsøkning kunne registreres at der er et objekt ved E eller' et.' - ved F, men det er ikke klart hvorvidt det er to objekter. Dersom det innføres en avsøkning i z-retningen, kan man påvise et objekt',ved E, men hvorvidt det er et, obj ekt ved F, vil ikke. være sikkert fordi avsøkningen også registrerer objektet ved B.. Når derfor antallet objekter øker, må man innføre ytterligere avsøk-ningsretninger for å eliminere mulige tvetydigheter.

Dersom det således ikke er kjent hvor mange objekter, som er i sikte eller hvordan.de er anbrakt innbyrdes, må man ta i' bruk andre metoder for å eliminere f ler tydigheter . ■',

Den reflekterende del av objektet kan kodes slik at idet . strålene treffer objektet, reflekteres et karakteristisk signal' for hver stråle fra objektet. En slik lode kan omfatte en rekke strimler med innbyrdes kontraster hvor antallet strimler og \ '. deres,bredde skiller mellom individuelle objekter. Mottaker-, systemet krever imidlertid en større båndbredde for å tolke de-kodede signaler enn hva som kreves for kun å påvise et signal....

Alternativt kan man skille mellom flere objekter med .. kjente opprinnelige posisjoner ved å sammenlikne avstanden mellom suksessive posisjoner,av hvert objekt og kombinere tvetydige " punkter med antatte punktert Dersom objektenes respektive baner krysser hverandre, må .'objektenes retning tas i betraktning, ved-' slike antagelser. Vv"

De stadig mer avanserte midler som benyttes i ovennevnte metoder for å skille mellom forskjellige mål kan elimineres.med fordel dersom objektet- er i stand til å medføre mottakertempe-ratur. Det kreves da mer instrumentering ved objektet, men posrsjonsidentifisering av objektet er nøyaktig og lettes ved. er økt signalstyrke.

Et tilfelle hvor et kraftig signal kreves og hvor objektet er i; stand til å medføre mottakerapparatur er ved kalibrering av. et instrumentlandingssystem for et luftfartøy. Et såkalt blindlaridingssystem, det vil si et system som er uavhengig av fly<y>erens innsikt, avhenger av kjennskap til høyde, posisjon og hindringer mellom fartøyet og rullebanen. Høyden og <p>osi-sjonen kan bestemmes ved standardinstrumenter. Når fartøyet nærmer seg, kan førerén bestemme sin posisjon og følge en bestemt nedstigiringsbane til 'rullebanen. Blindlandingssystemet krever' kalibrering ved installering og periodisk rekalibering for å opprettholde, den spesifiserte nøyaktighet, og slik rekalibrering tar også i betraktning forandringer i omgivelsene under flyets bane for å sikre at denne fortsatt er klar.

Denne kalibrering kan enkelt gjøres ved å føre et fly 24 med det nødvendige mottakerutstyr installert langs en forut-bestemt bane til rullebanen 25 under gode siktforhold og ved å sammenholde instrumentavlédningene med ytre posisjonsbestemmel-ser. Fig. 5 viser et arrangement hvori en laserstråle splittes opp og. gir linjebilder 26, 27 i to ortogonaie retninger, hvor hvert bilde avsøker innflyvningsbanen fra en posisjon 28 nær landingspunktet 29.

Avsøkningen skjer ved hjelp av en roterende trommelanord-ning liknende hva som er vist på fig. 1, men hvor strålene modu-leres i forhold til deres avsøkningsvinkel, og hvor de regi-strerte lyssignaler, når disse er demodulert, gir en nøyaktig posisjon av flyet i forhold til lyskilden. Det avsøkte område behøver ikke å strekke.seg langt forbi den direkte innflyvnings-linje og avsøkningsvinkélen er derfor tilsvarende liten, f.eks. +3°^ En trommel med mange flater som vist på fig. 1, vil da måtte ha 120 flater, og fordi nødvendigheten av å kunne oppta den utsendte stråle krever en viss minimumsstørrelse på flatene, ville en trommel med 120 flater bli uhensiktsmessig stor. Dess-uten vil strålemodulering som må gjøres for hver flate, være vanskelig med så mange flater.

Fig. 6 viser et prinsipp hvorved et avsøkningssystem som benytter et lite antall-trommelf later kan benyttes<1>, idet avsøknirigsvinkelen holdes liten-ved hjelp avet sylindrisk -speil 30 . Figuren viser hvordan en. stråle.'som divergerer- i et plan loddrett på figuren og spres.:over en vinkel på f.eks.-..60° mellom de helt opptrukne og de strékpunkterte linjer fra et punkt. • mellom den krumme flate og dennes/brennpunkt 31, reflekteres som en tilsynelatende kilder 32 med en 6° avsøkningsvinkel • (vist', med strékede linjer) bak flaten. Det er derfor mulig å benytte en 6-flatet trommel"med en avsøkningsvinkel på 60? slik som vist på fig.-1, for å gi eh effektiv- avsøkningsvinkel- på +3° fra -•"■'."■''." -sentrum av innf lyvningsbanen.... ' ...

Fig. 7 (a) :6g 7 (b) er henholdsvis oppriss og p-lanriss av /••"</>, et arrangement; som' gjør bruk-.-ay.'prinsippet pa fig. '6, men hvor : lyskilden er montert 1 en alternativ posisjon bak speilflaten -" ,

En sylindrisk konkav linse 33 gir strålen tilstrekkelig divergens til å'kunne benyttes' iv. stedet for spéilet:->'12 på fig.-. v-1; Kun anordningen for å frembringe et enkelt linjebilde er ; vist, det vil 'si trommelen ;13 d<g> speilet 30, et plant speil 17 . i"; trommelen 13 og :en-annen trommel -18, liknende de komponenter • .

: som er vist-.på;; fig:: 1 benyttes-'-f or?'å gi det ortogonalé bilde.

Mottakerapparatet benyttet i ovenfor beskrevne- systemer, ; kan være følsomt for og påvirkes avlys som ikke kommer fra : laseren,f.eks. dagslys, men ettersom laserens signal.er begrenset.til et meget smalt frekvensområde, kan mottakeren være, : forsynt med et smalbåndfilter fora skille ut slike tilfeldige feilkilder.

Operasjonsfrekvensen av lasersenderen og mottakerapparatet kan - sammenpasses for å-gi forskjellige frekvenser for lyset i■hver retning slik at de to uavhengige avsøkninger kan utføres '

simultant. For å oppnå dette er det nødvendig å anordne tromme1-'•'flater- 13 slik at disse er halvt-sølvbelagt, det .vil si semi- , .

■transparente'. ''-.v-

Claims (5)

1. - 1. Anordning .til målfølgning av en .gjenstand innenfor et begrenset område av rommet, omfattende en optisk strålingskilde (11)> et optisk system (12) som er innrettet til å forme strålingen fra kilden til en flat divergent stråle og et mot-takersystem som påvirkes når strålen bestråler gjenstanden, karakterisert ved bevegelige reflektoranord-ninger, omfattende minst to tromler (13, 18) som hver har en flerhet av fasetter (16), der den første (13) av-tromlene er dreibare om sin lengdeakse (15) og ligger i strålingsbanen,

   slik at innfallende stråling på trommelen avvekslende reflekteres mot det nevnte område og slippes gjennom av fasettene,

   idet den del av strålen som reflekteres mot området bringes til å avsøke dette i en første avsøkningsretning (21) på tvers av retningen for strålens største spredning, avbøyningsanordninger (17) som er anbrakt slik at de mottar stråling som.fasettene på den første trommel (13) slipper gjennom og avbøyer den flate stråle mot den annen trommel (18) som er dreibar om sin lengde

   akse, og er innrettet til å reflektere i det minste an del av den stråling som faller inn på dens fasetter, mot. dat nevnte område, og til å bringe strålingen til å avsøke området i en andre avsøkningsretning (23) på tvers av retningen for strålens største spredning, der de første og andre avsøkningsretninger har en bestemt vinkel i forhold til hverandre, slik at mottakeren påvirkes når strålen bestråler gjenstanden i hver av-søkningsretning for å angi posisjonen av gjenstanden «innenfor det begrensede område.
2. 2. Anordning som angitt i krav 1,karakterisert v e d at hverannen fasett rundt den første trommej '- tr helt reflekterende og helt gjennomslippende for den optiske stråling.
3. 3. Anordning som angitt i krav 1,karakterisert v e d at en på forhånd bestemt del av hver fasett på den første trommel er helt reflekterende for den optiske stråling og resten av fasetten slipper den optiske stråling gjennom.
4. 4. Anordning som angitt .i et hvilket som helst av kravene 1-3, karakterisert ved at avbøyningstrsordningen for strålen er anbrakt inne i den. første trommel og sr innrettet til', å avbøye strålebanen etterat strålen har sluppe t1 gjennom en fasett på trommelen.
5. 5. Anordning som angitt i krav 4, karakterisert

   , v e d.at ombøyningsanordnirigen på strålen har. en plan'reflekter- .

   ende flate. '"• ^ 1