NO168212B

NO168212B - TWO-SHEET OPTICAL INHIBITION SYSTEM WITH A GYRO ROTOR AS STABLE REFERENCE

Info

Publication number: NO168212B
Application number: NO85851174A
Authority: NO
Inventors: William S Griffin
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Priority date: 1983-08-01
Filing date: 1985-03-22
Publication date: 1991-10-14
Also published as: NO168212C; NO851174L

Description

Foreliggende oppfinnelse angår styresystemer for siktelinjer (LOS) og mer bestemt et to-akset optisk treghets referansesystem, der rotoren i en gyro med to frihetsgrader benyttes til å skape en stabil referansestråle for siktelinjen. The present invention relates to control systems for lines of sight (LOS) and more specifically a two-axis optical inertial reference system, where the rotor in a gyro with two degrees of freedom is used to create a stable reference beam for the line of sight.

Siktelinje systemer er i stor utstrekning blitt anvendt tidligere for å styre innretningen av en arbeidsmekanisme langs en arbeidsakse. For eksempel kan en kanon få sitt boresikte rettet inn mot et ønsket mål i overensstemmelse med den optiske akse for en kikkert som anvendes av en obser-vatør som betrakter et ønsket mål i forhold til et rett-vinklet sett akser som skjærer hverandre på den optiske akse i et trådkors som sitter i kikkerten. Kanonen kan være montert på en panservogn, et fly eller et skip som er utsatt for tilfeldige bevegelser i forhold til siktelinjen. Bevegelsene har tilbøyelighet til å vanskeliggjøre betrakt-ningen av målets posisjon slik observatøren ser det. Line of sight systems have largely been used in the past to control the alignment of a work mechanism along a work axis. For example, a cannon can have its boresight aligned with a desired target in accordance with the optical axis of a scope used by an observer viewing a desired target in relation to a right-angled set of axes that intersect on the optical axis in a reticle that sits in the binoculars. The gun can be mounted on an armored vehicle, an aircraft or a ship which is subject to random movements in relation to the line of sight. The movements have a tendency to make it difficult to consider the target's position as the observer sees it.

Et annet eksempel er stabilisering avsiktelinjen i forover-søkende infrarøde systemer (FLIR) eller TV systemer. Disse systemer er i typiske tilfeller montert på bevegelige plattformer så som helikoptere, fly, panservogner, lastebiler og kampkjøretøyer. Bevegelse av kjøretøyene og vibrasjoner i disse, forstyrrer siktelinjen (LOS) for det optiske system. Slike forstyrrelser av den optiske siktelinje fører til at betraktningssystemenes bilder blir sløret og ubrukelige. Another example is stabilizing the line of sight in forward-looking infrared systems (FLIR) or TV systems. These systems are typically mounted on moving platforms such as helicopters, planes, armored vehicles, trucks and combat vehicles. Movement of the vehicles and vibrations in them disturb the line of sight (LOS) of the optical system. Such disturbances of the optical line of sight cause the viewing systems' images to become blurred and unusable.

Vanlig praksis for å komme frem til stabilisert siktelinje-styring, er (1) byggeanordningen av kostbare, nøyaktige komponenter (2) anvendelse av et ekstra sett fine, vernier slingre-bøyler som det optiske utstyr er montert på eller (3) ut- Common practice to achieve stabilized line-of-sight guidance is (1) the construction of expensive, precision components (2) the use of an additional set of fine vernier wobble brackets on which the optical equipment is mounted or (3) out-

vikle en egen plattform med fire slingrebøyer som skaper en stabil referansestråle som siktelinjen i det optiske hovedsystem (panservognsikte, FLIR) blir knyttet til og styrt av. wrap a separate platform with four wobble buoys that create a stable reference beam to which the line of sight in the main optical system (armored vehicle sight, FLIR) is linked to and controlled by.

Hver av disse konvensjonelle metoder til oppnåelse av for-bedret stabilitet for siktelinje, har sine fordeler. Bruk av mer kostbart førsteklasses utstyr vil hurtig drive omkostningene for systemet til upraktiske høyder. Selv om man har slike komponenter og utstyr, vil forskjellige virkninger, Each of these conventional methods of achieving improved line-of-sight stability has its advantages. Using more expensive premium equipment will quickly drive the cost of the system to impractical heights. Even if one has such components and equipment, different effects,

så som friksjon i pakninger for lågere, omhyldning på kabler og bevegelse av et fundament, fremdeles føre til uakseptabel skjelving av siktelinjen. Bruk av et ytterligere sett fine slingrebøyler, vil skape en dramatisk bedring i siktelinjens stabilitet, men ved en pris på tilnærmet det dobbelte eller mer enn dét, sammenlignet med det opprinnelige system i slingrebøyler. Videre vil systemets størrelse og vekt vanligvis mer enn fordobles. such as friction in gaskets for bearings, sheathing of cables and movement of a foundation, still lead to unacceptable shaking of the line of sight. Using an additional set of fine wobble bars will create a dramatic improvement in line of sight stability, but at a cost of approximately double or more, compared to the original system of wobble bars. Furthermore, the system's size and weight will usually more than double.

Anvendelse av en adskilt stabil optisk referanse i slingre-bøyler (vanligvis fire slingrebøylesystemer) vil gi den høyeste grad av stabilisering av siktelinjen som kan oppnås med teknikkens stand. Den adskilte optiske referanse kan benyttes på den ene av to måter: Som en lyskilde (en stabil lyskilde montert på plattformen) eller som en stabil referanseflate (en flate er montert på plattformen). I den første utførelse blir referanse lysstrålen rettet fra den adskilte stabile plattform gjennom det optiske linsesett i det optiske system hvis siktelinje skal stabiliseres. En vinkeldetektor i systemets optiske linsesett, påviser bevegelse av referansestrålen og bringer et strålestyrende speil i det optiske linsesystem til å bevege seg slik at systemets siktelinje blir stabilisert. Application of a separate stable optical reference in wobble hoops (typically four wobble hoop systems) will provide the highest degree of line of sight stabilization achievable with the state of the art. The separated optical reference can be used in one of two ways: As a light source (a stable light source mounted on the platform) or as a stable reference surface (a surface is mounted on the platform). In the first embodiment, the reference light beam is directed from the separate stable platform through the optical lens set in the optical system whose line of sight is to be stabilized. An angle detector in the system's optical lens set detects movement of the reference beam and causes a beam steering mirror in the optical lens system to move so that the system's line of sight is stabilized.

I den annen utførelse blir en lyskilde anbragt i det optiske linsesett i det system hvis siktelinje skal stabiliseres. Lyskilden forplanter seg gjennom det optiske linsesett og reflekteres fra flaten som er montert på den stabile plattform. Den returnerende stråle føles av en vinkelføler som er montert ved lyskilden. Skjelving i returstrålen ved vinkelføleren angir at komponentene i det optiske linse- In the second embodiment, a light source is placed in the optical lens set in the system whose line of sight is to be stabilized. The light source propagates through the optical lens set and is reflected from the surface mounted on the stable platform. The returning beam is sensed by an angle sensor mounted at the light source. Jitter in the return beam at the angle sensor indicates that the components of the optical lens

sett beveger seg. Denne skjelving føles av vinkelføleren og det frembringes et elektrisk signal som igjen bevirker set moves. This tremor is felt by the angle sensor and an electrical signal is produced which in turn causes

at et strålestyrende speil beveger seg for å stabilisere siktelinjen for det optiske linsesett. that a beam steering mirror moves to stabilize the line of sight of the optical lens set.

Selv om den stabiliserte plattform når den bygges inn i et samlet autoinnrettende system øker den nøyaktighet hvormed siktelinjen kan stabiliseres, er en slik plattform forholds-vis tung, kostbar, forbruker store elektriske energimengder, krever stor plass eller er store forøvrig og har tilbøyl.ighet til å være følsomme overfor vibrasjoner i omgivelsene. Although the stabilized platform when built into an integrated auto-aligning system increases the accuracy with which the line of sight can be stabilized, such a platform is relatively heavy, expensive, consumes large amounts of electrical energy, requires a lot of space or is otherwise large and prone to to be sensitive to vibrations in the environment.

De følgende patenter er typiske for tidligere kjente siktelinje systemer som benytter stabile plattformer for styring av innretningen. U.S. patent nr. 4.108.551 beskriver et periskop apparat med et stabilisert kanonsiktehode, anbragt utenfor et kjøretøy og et sikterør inne i dette og et stabiliseringsgyroskop i kanon siktehodet for å stabilisere et reflekterende speil og for å svinge et hus som inneholder speilet for retningsformål ved å bevirke en presesjon av gyroskopet om en passende akse. U.S.patent nr. 3.853.405 beskriver en strålingsenergi anordning som skal angi når en på forhånd bestemt akse er i flukt med en kilde til strålingsenergi og en kikkert som anvendes på anordningen og er montert med et sett slingrebøyler for at kikkerten skal bli ufølsom overfor bevegelser i et prosjektil eller en bærerakett som er utstyrt med anordningen. The following patents are typical of previously known line-of-sight systems that use stable platforms for controlling the device. U.S. patent no. 4,108,551 describes a periscope apparatus with a stabilized cannon sight head, placed outside a vehicle and a sight tube inside it and a stabilizing gyroscope in the cannon sight head to stabilize a reflecting mirror and to swing a housing containing the mirror for directional purposes by causing a precession of the gyroscope about a suitable axis. U.S. Patent No. 3,853,405 describes a radiant energy device to indicate when a predetermined axis is aligned with a source of radiant energy and a scope used on the device and mounted with a set of rocker arms to render the scope insensitive to movement in a projectile or launch vehicle equipped with the device.

U.S. patent nr. 3.997.762 beskriver et ildledningssystem U.S. patent no. 3,997,762 describes a fire control system

for en panservogn der man har en sikteanordning og en tilknyttet drivmekanisme, samt en kanon som er tilsluttet drivmekanismen, der drivmekanismene for kanonen og sikte-anordningen er uavhengig av hverandre og gjør bruk av gyro referansesignal for innretningen. U.S.patent nr. 4.062.126 går ut på et system som hindrer forskyvning av et mål-sikteelement ved å benytte etpar gyroskop der hvert gyroskop innbefatter en stabilisert plattform som styrer elementeposisjonene. U.S.patent nr. 3.723.005 beskriver et visuelt sikteapparat som benytter en laser- for an armored vehicle where you have an aiming device and an associated drive mechanism, as well as a cannon which is connected to the drive mechanism, where the drive mechanisms for the cannon and the aiming device are independent of each other and make use of the gyro reference signal for the device. U.S. Patent No. 4,062,126 relates to a system that prevents displacement of a target aiming element by using a pair of gyroscopes where each gyroscope includes a stabilized platform that controls the element positions. U.S. Patent No. 3,723,005 describes a visual sighting apparatus that utilizes a laser

generert sikteanordning, et speil i slingrebøyler og en datamaskin som reagerer på hastighetsmåle-signaler og av-standsmåle-signaler fra gyrofølere og lasersikte-anordningen for å stille inn det slingrebøyleopphengte speil. U.S. patent nr. 4.027.540 omhandler en optisk treghetsstabili-sator der den indre slingrebøyle bærer gyrorotoren og der et speil står diagonalt i et justeringsvindu for å slippe inn lys. U.S.patent nr. 3.415.157 beskriver et innretningssystem for en kanon med en teleskopisk søker som er lagret i slingrebøyler for to bevegelsesgrader i forhold til et kjøretøy og med hastighetsgyroer koblet til teleskopet for å avgi feilsignaler som angir forskyvning av teleskopet fra en tregtietsreferanseakse der feilsignalene benyttes både til.å stabilisere bilde av målet som resultat av tilfeldige bevegelser og til å holde kanonens boresikt rettet inn i forhold til treghetsreferanseaksen. generated aiming device, a mirror in wobble bars and a computer that responds to speed measurement signals and range measurement signals from gyro sensors and the laser aiming device to adjust the wobble bar suspended mirror. U.S. patent no. 4,027,540 deals with an optical inertial stabilizer in which the inner wobble bracket carries the gyro rotor and in which a mirror stands diagonally in an adjustment window to admit light. U.S. Patent No. 3,415,157 discloses an alignment system for a gun with a telescopic sight mounted in rocker arms for two degrees of movement relative to a vehicle and with rate gyros coupled to the telescope to provide error signals indicating displacement of the telescope from a trade reference axis where the error signals is used both to stabilize the image of the target as a result of random movements and to keep the cannon's boresight aligned in relation to the inertial reference axis.

Typiske andre utførelser av innretningssystemer for siktelinjen innbefatter de følgende patenter.. U.S.patent nr. 4.020.739 beskriver et ildledningssystem med et flatt speil montert på munningen av en kanon som skal siktes inn og en lyskilde som retter en lysstråle mot et bevegelig speil som reflekterer strålen perpendikulært på munningsspeilet bare ved fravær av innstillingsfeil mellom kanon og periskop for alle kanonens stillinger. Den reflekterte stråle fra munningsspeilet måles og det frembringes feilsignaler som benyttes til å stille inn et bevegelig kjøre-tøy i en skytters periskop for å sette skytteren istand til å sikte inn kanonen nøyaktig. U.S.patent nr. 3.918.813 beskriver et optisk betraktnings-og innretningssystem som benytter en strålespaltende kubus i det optiske system, der den flate av den nevnte kubus som vender fra kollimatoren er reflekterende. I U.S.patent nr. 4.142.799 beskrives det en gyrorotor for utligning av kanonens siktefeil på grunn av mistilpasning mellom kanonmunningens akse og den optiske akse for et tilknyttet siktesystem og det benyttes en reflektor som er festet til munningsdelen av kanonløpet. U.S.patent nr. 4.246.705 beskriver et laser-basert våpensimulator-system for bestemmelse av treff/bom som opptrer ved simulert avfyring av våpenet. Typical other embodiments of line-of-sight alignment systems include the following patents.. U.S. Patent No. 4,020,739 describes a fire control system with a flat mirror mounted on the muzzle of a gun to be aimed and a light source that directs a beam of light onto a movable mirror that reflects beam perpendicular to the muzzle mirror only in the absence of misalignment between cannon and periscope for all gun positions. The reflected beam from the muzzle mirror is measured and error signals are produced which are used to align a moving vehicle in a gunner's periscope to enable the gunner to aim the gun accurately. U.S. patent no. 3,918,813 describes an optical viewing and alignment system that uses a beam-splitting cube in the optical system, where the surface of said cube facing away from the collimator is reflective. In U.S. patent no. 4,142,799, a gyrorotor is described for compensating the cannon's aiming error due to misalignment between the axis of the cannon muzzle and the optical axis of an associated aiming system, and a reflector is used which is attached to the muzzle part of the barrel. U.S. Patent No. 4,246,705 describes a laser-based weapon simulator system for determining hits/misses that occur during simulated firing of the weapon.

Det som ønskes er derfor å komme fram til et innretningssystem for en siktelinje der man oppnår fordelene ved gyro-skopstabiliserte plattformer (d.v.s. høy nøyaktighet og stabilitet) uten deres medfølgende ulemper. Disse ulemper er i typiske tilfeller høye omkostninger, stort kraftforbruk, øket vekt, stort volum og servofeil som normalt er knyttet til kompliserte styresystemer. What is desired is therefore to arrive at an alignment system for a line of sight in which the advantages of gyro-stabilized platforms (i.e. high accuracy and stability) are achieved without their accompanying disadvantages. These disadvantages are in typical cases high costs, high power consumption, increased weight, large volume and servo errors which are normally linked to complicated control systems.

Ved foreliggende oppfinnelse er man kommet frem til et to-akset optisk treghetsreferanse-system for siktelinjen, With the present invention, a two-axis optical inertial reference system for the line of sight has been arrived at,

der overflaten av rotoren i en gyro med to frihetsgrader, where the surface of the rotor in a gyro with two degrees of freedom,

et speil som er montert på rotorflaten, eller en referansekilde som er montert på rotoren, benyttes som en stabil optisk referanse. Sikting på referansen foregår ved å betrakte den gjennom et vindu i gyroens hus. Da rotoren i gyroreferansen har en endelig vinkel for sin bevegelse i forhold til huset, er gyrohuset fast montert på en bevegelig flate. En indre stabilisert treghetsplattform (gyrorotoren) blir dermed oppnådd uten behov for utvendige servobetjente slingrebøyler siden gyrorotoren på grunn av sin egen treg-het søker å peke i en retning. Gyro dreiemomentanordninger benyttes for å presere rotorens spinneakse. Dette danner et middel for svingning av rotorens bindeakse og dermed bevegelse av siktelinjen i det optiske system til den ønskede retning. a mirror mounted on the rotor surface, or a reference source mounted on the rotor, is used as a stable optical reference. Aiming at the reference is done by looking at it through a window in the gyro's housing. As the rotor in the gyro reference has a finite angle for its movement in relation to the housing, the gyro housing is fixedly mounted on a movable surface. An internally stabilized inertial platform (the gyrorotor) is thus achieved without the need for external servo-operated sway bars since the gyrorotor, due to its own inertia, seeks to point in one direction. Gyro torque devices are used to adjust the rotor's spin axis. This forms a means for swinging the rotor's binding axis and thus moving the line of sight in the optical system to the desired direction.

I en første utførelsesform der det er frembragt en stabil referansestråle som resten av et utvendig optisk system er nær knyttet til, er en gyro montert tett ved et periskop/ strålespalter, en innretningskombinasjon laser/styrespeil, In a first embodiment where a stable reference beam is produced to which the rest of an external optical system is closely linked, a gyro is mounted close to a periscope/beam splitter, a device combination laser/steer mirror,

en vinkeldetektor, en hjørnekubus og en lysmodulator. En innretningsstråle frembringes av laseren og strålen spaltes av den nedre halvdel av periskop/strålespalteren. Grovt an angle detector, a corner cube and a light modulator. An alignment beam is produced by the laser and the beam is split by the lower half of the periscope/beam splitter. Gross

regnet en halvdel av strålen blir sendt til den øvre halvdel av periskop/strålespalteren der strålen igjen blir spaltet med omtrent en-halvdel rettet mot gyrorotoren hvorfra den reflekteres. Når strålen kommer tilbake til periskop/strålespalteren, blir strålen igjen spaltet og en halvdel av det gjenværende sendes ut som utgangen, nemlig referansestrålen for siktelinjen (LOS). Den ytre del av returstrålen blir returnert gjennom periskopet der den passerer gjennom den nedre strålespalter og blir til et bilde på vinkeldetektoren. Det finnes anordninger som holder den utkommende siktelinje-stråle perpendikulær på gyrorotorens flate. approximately one-half of the beam is sent to the upper half of the periscope/beam splitter where the beam is again split with approximately one-half directed at the gyrorotor from which it is reflected. When the beam returns to the periscope/beamsplitter, the beam is again split and half of what remains is sent out as the output, namely the line-of-sight (LOS) reference beam. The outer part of the return beam is returned through the periscope where it passes through the lower beam slit and becomes an image on the angle detector. There are devices that keep the outgoing line-of-sight beam perpendicular to the surface of the gyro rotor.

En andre utførelsesform har en stabil referanse flate (gyrorotor) i et optisk system, hvorfra en autoinnrettende stråle kan reflekteres og dermed danne en stabil referansestråle som systemets siktelinje kan refereres til. En innretnings-kilde og en vinkeldetektor er montert nær ved en ende av systemets optiske bane. Referanseflaten er stabilisert i utgangsrommet ved den annen ende av det optiske linsesett. Innretningsstrålen sendes gjennom systemets optiske bane, reflekteres fra den stabile referanseflate og returnerer til detektoren. Kildestrålen blir også samplet ved kilden og den danner bilde på detektoren slik at den kan sammenlignes mot det som returnerer fra den stabile flate. Mistilpasning mellom de to stråler ved detektoren angir at autoinnretnings-strålen ikke står perpendikulært på flaten. Vinkelen på styrespeilet blir korrigert for å bringe de to flekker til A second embodiment has a stable reference surface (gyrorotor) in an optical system, from which an auto-aligning beam can be reflected and thus form a stable reference beam to which the system's line of sight can be referred. An alignment source and an angle detector are mounted near one end of the system's optical path. The reference surface is stabilized in the exit space at the other end of the optical lens set. The alignment beam is sent through the system's optical path, reflected from the stable reference surface and returns to the detector. The source beam is also sampled at the source and it forms an image on the detector so that it can be compared against what returns from the stable surface. Mismatch between the two beams at the detector indicates that the auto-alignment beam is not perpendicular to the surface. The angle of the steering mirror is corrected to bring the two spots together

å falle sammen. to fall together.

Da bruken av gyrorotor til frembringelse av en stabil siktelinje ikke krever etpar slingrebøyler (med tilhørende drivanordninger, elektronikk og ledningsføring) blir anordningen i henhold til oppfinnelsen fysisk mindre og lettere enn tidligere kjente stabiliserte plattformer. As the use of a gyrorotor to produce a stable line of sight does not require a pair of sway bars (with associated drive devices, electronics and wiring), the device according to the invention is physically smaller and lighter than previously known stabilized platforms.

Det er klart at innbygning av anordningen i henhold til oppfinnelsen som endel av et større totalsystem gjør det større system mindre og lettere. Da antall komponenter som kreves blir redusert, får man også besparelse i omkostningene. Foreliggende oppfinnelse reduserer også . servofeil som er knyttet til normale løsninger der plattformen har to akser og de små dimensjoner og lave vekt for anordningen gjør det praktisk mulig å anvende denne i systemer der dette tidligere var upraktisk. En ytterligere fordel med den tanke som ligger til grunn for oppfinnelsen er at større nøyaktighet oppnås fordi feilene og den dynamiske reaksjon for servoanordninger som normalt driver slingrebøylene for en vanlig plattform, er eliminert. It is clear that incorporating the device according to the invention as part of a larger total system makes the larger system smaller and lighter. As the number of components required is reduced, there is also a saving in costs. The present invention also reduces . servo errors that are linked to normal solutions where the platform has two axes and the small dimensions and low weight of the device make it practically possible to use this in systems where this was previously impractical. A further advantage of the idea underlying the invention is that greater accuracy is achieved because the errors and dynamic response of servo devices which normally drive the wobble bars of a conventional platform are eliminated.

Fordelene ved foreliggende oppfinnelse sammenlignet med vanlige stabiliserte plattformer med to slingrebøyler er betydelige. Ingen ytterligere mekaniske eller elektriske komponenter er tilføyet for både å oppnå den ønskede stabiliserte optiske referanse og for å gjøre anordningen meget enklere enn vanlige stabiliserte plattformer. Fordi de små dimensjoner og innebyggede robusthet for de fleste tørre avstemte gyroer med to frihetsgrader, som er den foretrukkende gyro for anvendelse ved foreliggende oppfinnelse, kan anordningen skape en stabilisert optisk referanse på mange områder der vanlige stabiliserte plattformer nu er upraktiske. The advantages of the present invention compared to conventional stabilized platforms with two sway bars are significant. No additional mechanical or electrical components are added to both achieve the desired stabilized optical reference and to make the device much simpler than conventional stabilized platforms. Because of the small dimensions and built-in robustness of most dry tuned two-degree-of-freedom gyros, which is the preferred gyro for use in the present invention, the device can create a stabilized optical reference in many areas where conventional stabilized platforms are now impractical.

Bruken av gyrorotor som den stabile, optiske referanse eller stabiliserte plattform i henhold til den lære som ligger til grunn for oppfinnelsen, gjør det mulig å The use of the gyrorotor as the stable, optical reference or stabilized platform according to the teachings underlying the invention makes it possible to

komme frem til en stabilisert referansestråle slik at man får vesentlige forbedringer i det totale system når det gjelder vekt, volum og komplisert oppbygning. Videre vil det spesielle servostyretrekk i henhold til oppfinnelsen gjøre det mulig for systemets komponenter å være fleksibelt, i stedet for stivt montert, noe som reduserer systemets omkostninger ytterligere. arrive at a stabilized reference beam so that you get significant improvements in the overall system in terms of weight, volume and complicated structure. Furthermore, the special servo steering mechanism according to the invention will make it possible for the system's components to be flexible, instead of rigidly mounted, which further reduces the system's costs.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjengitte trekk og vil i det følgende bli forklart nærmere under henvisning til tegningene der: Figur 1 viser et delvist snitt igjennom en gyro med to frihetsgrader modifisert i henhold til den lære som ligger til grunn for foreliggende oppfinnelse, The invention is characterized by the features reproduced in the claims and will be explained in more detail in the following with reference to the drawings therein: Figure 1 shows a partial section through a gyro with two degrees of freedom modified according to the teachings underlying the present invention,

figur 2 viser skjematisk og forenklet det optiske utstyr for oppnåelse av en stabil referansestråle i henhold til den første utførelsesform for oppfinnelsen, figure 2 shows schematically and simplified the optical equipment for obtaining a stable reference beam according to the first embodiment of the invention,

figur 3 viser en forenklet gjengivelse, der man ser en typisk pakning av gyroen som en stabil referanse, figure 3 shows a simplified rendering, where a typical packing of the gyro is seen as a stable reference,

figur 4 viser en modifikasjon av det optiske utstyr som er vist på figur 3, figure 4 shows a modification of the optical equipment shown in figure 3,

figur 5 viser skjematisk det optiske utstyr for en andre utførelsesform i henhold til oppfinnelsen der man har en gyro med to frihetsgrader og med en flate på gyrorotoren, figure 5 schematically shows the optical equipment for a second embodiment according to the invention where one has a gyro with two degrees of freedom and with a surface on the gyro rotor,

figur 6 viser stabilisering av en siktelinje i et FLIR (foroverletende infrarødt) system som benytter prinsippene ifølge oppfinnelsen og figure 6 shows stabilization of a line of sight in a FLIR (forward looking infrared) system which uses the principles according to the invention and

figur 7 er en forenklet gjengivelse av foreliggende oppfinnelse benyttet for å frembringe en stabilisert siktelinje for en kanon. Figure 7 is a simplified representation of the present invention used to produce a stabilized line of sight for a cannon.

De samme henvisningstall viser til de samme deler på hver av figurene. The same reference numbers refer to the same parts in each of the figures.

Det skal nu vises til figur 1 som er et delvis snitt gjennom en gyro 10 som benyttes i foreliggende oppfinnelse. Reference should now be made to figure 1 which is a partial section through a gyro 10 which is used in the present invention.

I den foretrukne utførelsesform omfatter gyroen en modifisert gyro med to frihetsgrader, f.eks. den avstempte Conex gyro som fremstilles av Kearfott, en avdeling av Singer Company, Little Falls, New Jersey,men andre tilsvarende oppbyggede gyroer kan benyttes. Conex gyroen har en gyrorotor 12 som omfatter en magnetisk returbane med høy-perme-abilitet. Adskilte dreiemomentmagneter som er montert på gyroens hus skaper de magnetfelt som tiltrekker rotoren og bringer den til å presere til den ønskede pekeretning. En overflate 19 på rotoren er polert eller på annen måte gitt en reflekterende overflatebehandling. Et opphengningssystem forbinder rotoren med en ende av en motoraksel som, på sin side, er festet til en motor 21 og sørger for vinkelfriheten om de to perpendikulære akser. In the preferred embodiment, the gyro comprises a modified gyro with two degrees of freedom, e.g. the detuned Conex gyro manufactured by Kearfott, a division of the Singer Company, Little Falls, New Jersey, but other similarly constructed gyros may be used. The Conex gyro has a gyro rotor 12 which includes a magnetic return path with high permeability. Separate torque magnets mounted on the gyro housing create the magnetic fields that attract the rotor and cause it to precess to the desired pointing direction. A surface 19 of the rotor is polished or otherwise given a reflective surface treatment. A suspension system connects the rotor to one end of a motor shaft which, in turn, is attached to a motor 21 and ensures angular freedom about the two perpendicular axes.

Gyroen 10 er modifisert ved fastlodding eller feste på annen måte av en forlengelse 14 til et eksisterende gyrohus 16. En åpning 20 er tatt ut i forlengelsen og et klart vindu 18 The gyro 10 is modified by soldering or otherwise attaching an extension 14 to an existing gyro housing 16. An opening 20 is taken out in the extension and a clear window 18

er festet i åpningen med festemidler på vanlig måte. Åpningen 20 og vinduet 18 gir optisk adgang til den reflekterende flate 19 på rotoren 12. Selv om denne modifikasjon er beskrevet for en Conex gyro, kan lignende modifikasjoner gjøres på andre modeller eller andre produsenters gyroer, slik at gyrorotoren blir tilgjengelig for en innfallende lysstråle. Selv om det foretrekkes at flaten 19 på rotoren benyttes som referanseflate for å skape den stabile optiske referansestråle, kan andre oppbygninger benyttes, f.eks. et speil som er festet til rotorflaten, eller en referansekilde f.eks. en LED, montert på rotoren. is fixed in the opening with fasteners in the usual way. The opening 20 and the window 18 provide optical access to the reflective surface 19 of the rotor 12. Although this modification is described for a Conex gyro, similar modifications can be made to other models or other manufacturers' gyros, so that the gyro rotor becomes accessible to an incident light beam. Although it is preferred that the surface 19 of the rotor is used as a reference surface to create the stable optical reference beam, other structures can be used, e.g. a mirror attached to the rotor surface, or a reference source e.g. an LED, mounted on the rotor.

Figur 2 viser et forenklet optisk opplegg for en første ut-førelsesform for oppfinnelsen til frembringelse av den nød-vendige stabile referansestråle som en hovedstråle stabiliseres til. Det skal påpekes at på dette punkt holdes rotoren 12 i en stort sett fast stilling. Huset 16 er, på den annen side, fast montert på en bevegelig del, f.eks. et kanontårn. Forskyvningsfeil mellom gyroens rotor og dens hus, benyttes til frembringelse av et elektrisk feilsignal. Feilsignalet anvendes for å drive et servosystem som driver kanontårnet. Kanontårnet tvinges dermed til å peke i samme retning som gyroens rotor peker i. Figure 2 shows a simplified optical arrangement for a first embodiment of the invention for producing the necessary stable reference beam to which a main beam is stabilized. It should be pointed out that at this point the rotor 12 is held in a largely fixed position. The housing 16 is, on the other hand, fixedly mounted on a movable part, e.g. a cannon tower. Displacement errors between the gyro's rotor and its housing are used to generate an electrical error signal. The error signal is used to drive a servo system that drives the gun turret. The gun turret is thus forced to point in the same direction as the gyro's rotor is pointing.

I denne utførélsesform er gyroen 10 montert nær inntil en strålespalter 30 av periskoptypen, en innretningslaser 32, In this embodiment, the gyro 10 is mounted close to a beam splitter 30 of the periscope type, an alignment laser 32,

et strålestyrende speil 34, en vinkeldetektor 36, en hjørne-kubus 38 og en modulator 40. Strålespalteren 30 innbefatter nedre og øvre strålespalterkubuser 52 resp. 56. I den viste utførelsesform, omfatter modulatoren 40 en vanlig rotasjons-motor 42 og et hakkehjul 44 som er montert på rotasjons-motoren 42. Andre teknikker kan benyttes for å modulere en lysstråle, herunder innbefattet bruk av elektro^gptlske modulatorer. Laseren 32 omfatter i et typisk^ tilfelle en helium-neon laser som sender ut en lysstråle 50 med en bølgelengde på 6322Å. a beam guiding mirror 34, an angle detector 36, a corner cube 38 and a modulator 40. The beam splitter 30 includes lower and upper beam splitter cubes 52 resp. 56. In the embodiment shown, the modulator 40 comprises a conventional rotary motor 42 and a chopper wheel 44 which is mounted on the rotary motor 42. Other techniques can be used to modulate a light beam, including the use of electrical modulators. In a typical case, the laser 32 comprises a helium-neon laser which emits a light beam 50 with a wavelength of 6322 Å.

Under drift blir strålen 50 reflektert av det strålestyrende speil 34 mot den nedre del av periskopet 30 og strålespalteren 52, der omtrent en halvdel av strålen rettes om strålen 54 mot den øvre halvdel av periskopet 30 der lysstrålen faller inn på strålespalteren 56. Strålespalteren 56 får en halvdel av strålen 54, betegnet med henvisningstallet 58 til å passere gjennom vinduet 18 og til å falle inn på flaten 19 på gyrorotoren 12. Strålen 58 reflekteres av flaten 19 og kommer tilbake til periskopet 30 og faller inn på strålespalteren 56. Strålen 58 blir igjen spaltet slik at en halvdel av strålen som utgang danner referansestrålen 60 for siktelinjen og den annen halvdel blir ført tilbake som strålen 62 til strålespalteren 52. Strålen 62 passerer gjennom strålespalteren 52 og danner et bilde med en linse 64 på vinkeldetektoren 36. Vinkeldetektoren 36 er vanlig og avgir et elektrisk signal hvis verdi er proporsjonal enten med forskjellen i vinkelforhold mellom en referansestråle og en elektrisk nullstilling eller med forskjellen i vinkelstillinger for to lysstråler som faller inn på overflaten av detektoren 36. Den elektriske utgang fra detektoren 36 er koblet til en servoforsterker 66 hvis utgang driver et strålestyrende speil 34. During operation, the beam 50 is reflected by the beam guiding mirror 34 towards the lower part of the periscope 30 and the beam splitter 52, where approximately half of the beam is directed around the beam 54 towards the upper half of the periscope 30 where the light beam falls onto the beam splitter 56. The beam splitter 56 gets one half of the beam 54, designated by the reference numeral 58 to pass through the window 18 and to be incident on the surface 19 of the gyro rotor 12. The beam 58 is reflected by the surface 19 and returns to the periscope 30 and is incident on the beam splitter 56. The beam 58 becomes again split so that one half of the beam as an output forms the reference beam 60 for the line of sight and the other half is returned as the beam 62 to the beam splitter 52. The beam 62 passes through the beam splitter 52 and forms an image with a lens 64 on the angle detector 36. The angle detector 36 is common and emits an electrical signal whose value is proportional either to the difference in angular ratio between a reference beam and a electrical zero position or with the difference in angular positions of two light beams incident on the surface of the detector 36. The electrical output from the detector 36 is connected to a servo amplifier 66 whose output drives a beam guiding mirror 34.

Ved å måle bevegelsen av returstrålen 62 bort fra en elektrisk nullstilling på vinkeldetektoren 36, frembringes det feilsignaler som driver det strålestyrende speil 34 via en servosløyfe til den nye rotorvinkelstilling i huset 16. Selv om det ikke er vist, er servosløyfeanordningen videre slik at speilet 34 kan drives i to retninger som er i rett vinkel på hverandre. Innstillingen av speilet 34 sørger derfor for den dynamiske kompensasjon i utgangsreferansestrålen 60 og ville være alt som er nødvendig for en nøyaktig drift av systemet hvis laseren 32, vinkeldetektoren 36, strålespalteren 52 og linsen 64 var fast montert i forhold til hverandre. Uten den faste montering er imidlertid ytterligere kompensasjon nødvendig, fordi man ikke ville kjenne til om utgangsstrålen 60 var perpendikulær på gyroens rotorflate som er referansen for systemets siktelinje eller om noen av de mellomliggende deler vibrerte. Hvis således vinkeldetektoren 36 skulle vibrere i forhold til rotoren 12, ville detektoren 36 kreve at utgangsstrålen 60 skulle følge seg og dermed oppvise de samme vibrasjonsvinkler. På samme måte ville alle bevegelser av laseren 32, periskopet 30 etc. gi falske anvisninger hvis man ikke hadde noen kompensasjon. By measuring the movement of the return beam 62 away from an electrical zero position on the angle detector 36, error signals are produced which drive the beam guiding mirror 34 via a servo loop to the new rotor angular position in the housing 16. Although not shown, the servo loop arrangement is further such that the mirror 34 can be operated in two directions that are at right angles to each other. The adjustment of the mirror 34 therefore provides for the dynamic compensation in the output reference beam 60 and would be all that is necessary for an accurate operation of the system if the laser 32, the angle detector 36, the beam splitter 52 and the lens 64 were fixedly mounted in relation to each other. Without the fixed mounting, however, further compensation is necessary, because one would not know if the output beam 60 was perpendicular to the rotor surface of the gyro which is the reference for the system's line of sight or if any of the intermediate parts vibrated. Thus, if the angle detector 36 were to vibrate in relation to the rotor 12, the detector 36 would require the output beam 60 to follow and thus exhibit the same vibration angles. Similarly, all movements of the laser 32, the periscope 30 etc. would give false directions if one had no compensation.

Dette problem er overvunnet ved å føre en del 70 av strålen 50 fra innretningslaseren 32 gjennom den nedre strålespalter This problem is overcome by passing a portion 70 of the beam 50 from the alignment laser 32 through the lower beam splitter

52 til hjørnekubusen 38 og reflektere strålen 70 tilbake 52 to the corner cube 38 and reflect the beam 70 back

fra hjørnekubusen som en stråle 72. Hjørnekubusen 38 virker på sin vanlige måte ved å reflektere lysstrålen tilbake i samme retning den kom fra, uansett innfallsvinkelen. Strålen 70 blir så reflektert fra strålespalteren 52 til vinkeldetektoren 36. En lysmodulator 40 mellom hjørnekubusen from the corner cube as a beam 72. The corner cube 38 works in its usual way by reflecting the light beam back in the same direction it came from, regardless of the angle of incidence. The beam 70 is then reflected from the beam splitter 52 to the angle detector 36. A light modulator 40 between the corner cube

38 og den nedre strålespalter 52 modulerer strålen 72 slik 38 and the lower beam splitter 52 modulates the beam 72 like this

at den kan skjeldnes fra strålen 62 som kom tilbake fra gyrorotoren 12. Vinkeldetektoren 36 vil dermed påvise to that it can be distinguished from the beam 62 that returned from the gyro rotor 12. The angle detector 36 will thus detect two

skarpstilte lysstråler eller flekker, en kontinuerlig bølge (returstrålen 62 fra gyrorotoren) og en modulert (strålen 72 som returnerer fra hjørnekubusen 38). Speilet 34 blir stilt inn av servosløyfen inntil flekkene dekker hverandre, og dette skjer bare når utgangsreferansestrålen 60 er perpendikulær på gyrorotorens flate 19. I og med at innretning av de to flekker i forhold til hverandre angir at utgangsreferansestrålen 60 er perpendikulær på gyrorotorens flate, noe som bestemmes av lovene for geometrisk optikk, er detaljene ved dette ikke omhandlet her. focused light beams or spots, a continuous wave (the return beam 62 from the gyro rotor) and a modulated one (the beam 72 returning from the corner cube 38). The mirror 34 is adjusted by the servo loop until the spots cover each other, and this only happens when the output reference beam 60 is perpendicular to the surface 19 of the gyro rotor. Since the alignment of the two spots in relation to each other indicates that the output reference beam 60 is perpendicular to the surface of the gyro rotor, something which is determined by the laws of geometrical optics, the details of which are not discussed here.

Under bruk blir forskjellen mellom de to stråleflekker som During use, the difference between the two beam spots becomes

er gjengitt på vinkeldetektoren 36 benyttet for å drive det strålestyrende speil 34, for dermed å muliggjøre overlagring av flekkene så lenge de ligger et eller annet sted i detek-torens synsfelt. Det eneste krav, sett fra et standpunkt som gjelder stabilisering av referansestrålen, er at de skal overlagres. Dermed kan vinkeldetektoren 36 og laseren 32 is reproduced on the angle detector 36 used to drive the beam-guiding mirror 34, to thereby enable the spots to be superimposed as long as they lie somewhere in the detector's field of view. The only requirement, from the point of view of stabilization of the reference beam, is that they must be superimposed. Thus, the angle detector 36 and the laser 32 can

ha vibrasjoner i forhold til gyrorotoren og dette vil ikke innvirke på referansestrålens stabilitet under forutsetning av at servosløyfen som driver det strålestyrende speil reagerer tilstrekkelig hurtig til å kompensere for de for-styrrende bevegelser. Videre kan periskop/strålespalteren 30 ha bøyebevegelser og dermed mistilpasse dens reflekterende flater, uten av dette innvirker på utgangsstrålens stabilitet. Som forklart ovenfor er det eneste krav at de to flekker på vinkeldetektoren 36 skal holdes lagret på hverandre ved bevegelse av det strålestyrende speil 34. Det skal påpekes at hvis hver del som er vist i det optiske skjema var stivt festet, ville den nevnte kompensasjon ikke være nødvendig. have vibrations in relation to the gyrorotor and this will not affect the stability of the reference beam, provided that the servo loop that drives the beam steering mirror reacts quickly enough to compensate for the disturbing movements. Furthermore, the periscope/beam splitter 30 can have bending movements and thus misfit its reflective surfaces, without this affecting the stability of the output beam. As explained above, the only requirement is that the two spots on the angle detector 36 should be kept stored on each other by movement of the beam guiding mirror 34. It should be pointed out that if each part shown in the optical diagram was rigidly fixed, the aforementioned compensation would not be necessary.

Det sistnevnte trekk gjør det mulig å benytte deler av lavere kvalitet som ikke behøver være nøyaktig rettet inn i forhold til hverandre, noe som byr på de følgende fordeler. Man oppnår reduksjon i omkostningene og forgivningen blir forenklet. Man kan slappe av på fremstillingstoleranser. Følsomme deler, så som vinkeldetektoren 36 og periskopet 30, kan monteres mykt, f.eks. med elastomeriske isolasjonsputer i stedet for å være stivt festet i et hardt metallhus. Kravene til oppbygningen av deres omgivelser, kan det derfor slappes på. The latter feature makes it possible to use parts of lower quality which do not need to be precisely aligned in relation to each other, which offers the following advantages. A reduction in costs is achieved and the provision is simplified. One can relax on manufacturing tolerances. Sensitive parts, such as the angle detector 36 and the periscope 30, can be soft mounted, e.g. with elastomeric insulating pads instead of being rigidly fixed in a hard metal housing. The requirements for the construction of their surroundings can therefore be relaxed.

Fordi lysflekkbildet på vinkeldetektoren 36 fra rotorflaten 19 ikke blir modulert, kan det oppstå problemer siden slike signaler kan drive og nullpunktet forflytte seg i servo-systemer. Dette problem kan oppheves ved å modulere laseren 32 med en frekvens som er forskjellig fra frekvensen for hakkehjulet 44. I et typisk tilfelle vil man velge laser-modulasjonsfrekvensen betydelig høyere enn frekvensen for moduleringen av returstrålen 72 fra hjørnekubusen 38 slik denne frekvens blir bestemt av hakkehjulet. Selv om det ikke skal tolkes som en begrensning, har et forhold på 10 til 1 vist seg å være brukbart. Med denne teknikk, blir begge flekkbilder på vinkeldetektoren 36 modulert og systemet vil i seg selv være fritt for nullpunkt-forskyvninger. Because the light spot image on the angle detector 36 from the rotor surface 19 is not modulated, problems can arise since such signals can drift and the zero point moves in servo systems. This problem can be eliminated by modulating the laser 32 with a frequency that is different from the frequency of the chopper wheel 44. In a typical case, one would choose the laser modulation frequency significantly higher than the frequency of the modulation of the return beam 72 from the corner cube 38 as this frequency is determined by the chopper wheel . Although not to be construed as a limitation, a ratio of 10 to 1 has been found to be workable. With this technique, both spot images on the angle detector 36 are modulated and the system itself will be free of zero point shifts.

I denne kompensasjonsmodus arbeider vinkeldetektoren med In this compensation mode, the angle detector works with

å påvise begge innfaldne flekker når flekkene moduleres med elektroniske innretninger som er knyttet til detektoren. to detect both incident spots when the spots are modulated with electronic devices connected to the detector.

De modulerte signaler blir så elektrisk behandlet på en The modulated signals are then electrically processed on a

slik måte at det frembringes to signaler, svarende til de to flekker og hvert med en verdi som er proporsjonal med flekkens vinkelstilling på overflaten av detektoren 36. Signalene blir så koblet til en komparator som frembringer et differansesignal (feilsignalet som det er referert til tidligere) som så reduseres til null av servosløyfen i henhold til oppfinnelsen. in such a way that two signals are produced, corresponding to the two spots and each with a value that is proportional to the spot's angular position on the surface of the detector 36. The signals are then connected to a comparator which produces a difference signal (the error signal referred to earlier) which is then reduced to zero by the servo loop according to the invention.

Figur 3 viser en typisk ikke-optimalisert oppbygning 74 for det oppsett som er vist på figur 2. Detaljer ved anordningen av understøttelsen for periskop/strålespalteren 30 og hjørnekubusen 38 er utelatt for oversiktens skyld. Det enkle to-aksede strålestyrende speil 34 er erstattet med to galvanometere 76 og 78 av hensyn til sammenpakningen. Laseren 32 og modulatoren 40 er montert utenfor oppbygningen 74 og man har optisk adgang til disse gjennom et utgangsvindu 80 og en åpning 82. For sammenligningens skyld har oppbygningen på figur 3 omtrent 4% av volumet og 10% av vekten (basert på plattformens volum og vekt) av en typisk tidligere kjent stabilisert treghetsreferanseplattform. Figure 3 shows a typical non-optimized structure 74 for the setup shown in Figure 2. Details of the arrangement of the support for the periscope/beam splitter 30 and the corner cube 38 are omitted for the sake of clarity. The simple two-axis beam guiding mirror 34 has been replaced with two galvanometers 76 and 78 for reasons of compactness. The laser 32 and the modulator 40 are mounted outside the structure 74 and one has optical access to these through an output window 80 and an opening 82. For the sake of comparison, the structure in Figure 3 has approximately 4% of the volume and 10% of the weight (based on the platform's volume and weight) of a typical previously known stabilized inertial reference platform.

Når den elektronikk det er behov for til drift av den foreliggende plattform er innbefattet og sammenlignes med foreliggende oppfinnelse, blir sammenligningen ennu mer fordelaktig. Disse egenskaper når det gjelder lav vekt og lite volum, muliggjør bruk av ideen med stabilisert referansestråle for autoinnretning av siktelinjen i henhold til oppfinnelsen på områder der dette ikke tidligere har vært praktisk. For å sørge for maksimal virkningsgrad, er den foretrukne diameter for rotoren den samme som for den ønskede autoinnrettende stråle. Dette krav er lett å tilfredsstille på grunn av den generelle tilgjengelighet av gyroer med to frihetsgrader og med rotorstørrelser som passer til de autoinnrettende referansestråler som benyttes i systemer med høy presisjon for utpeking og søking. When the electronics needed to operate the present platform are included and compared to the present invention, the comparison becomes even more advantageous. These properties, in terms of low weight and small volume, enable the use of the idea of a stabilized reference beam for auto-alignment of the line of sight according to the invention in areas where this has not previously been practical. To ensure maximum efficiency, the preferred diameter of the rotor is the same as that of the desired auto-aligning beam. This requirement is easily satisfied due to the general availability of two-degree-of-freedom gyros with rotor sizes that match the auto-aligning reference beams used in high-precision pointing and searching systems.

Et viktig trekk er at periskopet 30 ikke behøver å være nøyaktig. Fleksible bevegelser av deler som skaper mistilpasning mellom de to strålespaltende flater, kan tillates fordi justeringen av styrespeilet 34 på figur 2 eliminerer denne mistilpasning. An important feature is that the periscope 30 does not have to be accurate. Flexible movements of parts which create misalignment between the two beam-splitting surfaces can be permitted because the adjustment of the guide mirror 34 in Figure 2 eliminates this misalignment.

For å illustrere systemets ufølsomhet overfor mistilpasning To illustrate the system's insensitivity to misfit

av dets deler, viser figur 4 en alternativ utførelse der en strålespalter 86 i form av en flat plate og en strålespalter 84 i form av en kubus, erstatter det strålespaltende periskop som er vist på de foregående figurer. Denne utførel-sesform for ideen er i typiske tilfeller benyttet når delene må være adskilt med store avstander, slik at periskopet blir upraktisk. Som et alternativ kan anordningen på figur 4 være ønskelig når strålespalteren 86 i et typisk tilfelle er utgangsvinduet for betraktningssystemet (som omhandles på figur 6 nedenfor) og innsetning av et strålespaltende of its parts, Figure 4 shows an alternative embodiment where a beam splitter 86 in the form of a flat plate and a beam splitter 84 in the form of a cube replace the beam splitting periscope shown in the previous figures. This embodiment of the idea is typically used when the parts must be separated by large distances, so that the periscope becomes impractical. As an alternative, the arrangement of Figure 4 may be desirable when the beam splitter 86 is in a typical case the output window for the viewing system (which is dealt with in Figure 6 below) and insertion of a beam splitter

periskop, ville føre til uønsket vekt og volum av systemet. En stråleutvider 88 bestående av linsene 89 og 90 benyttes for å utvide laserstrålen med den lille diameter (i typiske tilfeller 1-1,5 mm) opp til gyrorotorens diameter (i typiske tilfeller 25 mm). Det bestemte utstyr som velges, avhenger av slike faktorer som muligheter for å pakke delene tett sammen og mulighetene for å få tak i delene. periscope, would lead to unwanted weight and volume of the system. A beam expander 88 consisting of lenses 89 and 90 is used to expand the laser beam with the small diameter (in typical cases 1-1.5 mm) up to the diameter of the gyro rotor (in typical cases 25 mm). The particular equipment selected depends on such factors as the ability to pack the parts tightly together and the ability to obtain the parts.

Figur 5 viser en utførelse av ideen med autoinnrettende stråle for stabilisering av siktelinjen for en panservogn med stabilisert toppmontert enhet 100 (kalt en SHMU). Et tårn 101 er montert på panservognens skrogdel 102 på Figure 5 shows an embodiment of the auto-aligning beam idea for stabilizing the line of sight of an armored vehicle with a stabilized top-mounted unit 100 (called a SHMU). A turret 101 is mounted on the armored car's hull part 102 on

vanlig måte. Et utgangsvindu 103 finnes i toppenheten 100 som vist. usual way. An exit window 103 is provided in the top unit 100 as shown.

En kildelaser.32 frembringer en referansestråle 106 som passerer gjennom strålespalteren 108 (eller en periskop-formet strålespalter av den type som er vist på figur 2). A source laser 32 produces a reference beam 106 which passes through the beam splitter 108 (or a periscope-shaped beam splitter of the type shown in Figure 2).

En del 110 av laserstrålen kommer ut fra strålespalteren A portion 110 of the laser beam emerges from the beam splitter

108 på aksen og fortsetter langs systemets optiske bane som vist. Ved enden av den optiske bane, faller strålen 110 inn på en flate 19 på rotoren 12 i en gyro 10, og reflekteres tilbake gjennom den optiske bane, samt spaltes i to stråler av strålespalteren 108. En spaltet stråle 114 detekteres av vinkeldetektoren 36. Den annen del av strålen 106 fra kildelaseren 32 avspaltes av strålespalteren 108 mot hjørnekubusen 38 som strålen 116 som returnerer i den samme retning som den kom inn med, uansett innfallsvinkelen. Den returnerte stråle 116 blir sendt gjennom strålespalteren 108 også for å danne bilde av en flekk på 108 on the axis and continues along the optical path of the system as shown. At the end of the optical path, the beam 110 falls onto a surface 19 of the rotor 12 of a gyro 10, and is reflected back through the optical path, as well as split into two beams by the beam splitter 108. A split beam 114 is detected by the angle detector 36. The another part of the beam 106 from the source laser 32 is split off by the beam splitter 108 towards the corner cube 38 as the beam 116 which returns in the same direction with which it entered, regardless of the angle of incidence. The returned beam 116 is passed through the beam splitter 108 also to image a spot on

en vinkeldetektor 36 med linsen 64. De to flekker det dermed blir bilde av på vinkeldetektoren 36, blir sammenlignet. Hvis flekkene ikke blir overlagret hverandre, skaper vinkeldetektoren 36 et feilsignal som forklart ovenfor for styrespeilet 34 via servoforsterkeren 68, som tvinger flekkene til å falle sammen. Sammenfallende flekker betyr at laserstrålene 110 og dermed den optiske siktelinje som er an angle detector 36 with the lens 64. The two spots that are thus imaged on the angle detector 36 are compared. If the spots are not superimposed on each other, the angle detector 36 creates an error signal as explained above for the control mirror 34 via the servo amplifier 68, which forces the spots to coincide. Coinciding spots mean that the laser beams 110 and thus the optical line of sight which is

angitt med henvisningstallet 120, er stabilisert perpendikulært på overflaten av rotoren 12. Denne flate er så stabil som den samlede stabilitet av gyrorotoren som i virkeligheten er referanse for en hvilken som helst treghetsplattform. Dermed vil også laserutgangsstrålen og utgangen for siktelinjestrålen 120 som kommer ut fra tårnet 101 ved hjelp av et halvvinkelspeil 122, også være like stabile. I et typisk tilfelle vil dette ligge rundt 5 mikroradianer eller bedre for en typisk liten, billig gyro som er i almindelig anvendelse på billige, stabile rakettplatt-former. Denne grad av stabilisering er bedre enn en størrel-sesorden når det gjelder egenskaper, sammenlignet med egen-skapene for de vanlige anordninger som benyttes i et for-søk på å stabilisere halvvinkelspeilet 122 ved hjelp av en gyro. Samtidig blir det mulig å oppnå en slik stabilisering med deler som koster mindre enn halvparten av delene i en vanlig anordning. denoted by the reference number 120, is stabilized perpendicular to the surface of the rotor 12. This surface is as stable as the overall stability of the gyro rotor which is in fact the reference for any inertial platform. Thus, the laser output beam and the output for the line of sight beam 120 coming out of the tower 101 by means of a half-angle mirror 122 will also be equally stable. In a typical case this will be around 5 microradians or better for a typical small, cheap gyro in common use on cheap, stable rocket plate forms. This degree of stabilization is better than an order of magnitude in terms of characteristics, compared to the characteristics of the usual devices used in an attempt to stabilize the half-angle mirror 122 by means of a gyro. At the same time, it becomes possible to achieve such stabilization with parts that cost less than half of the parts in a normal device.

Betraktningssystemet kan være enten endel av en vinkelføler 36 eller av et adskilt betrakterbånd som er montert på vinkelføleren. Når det gjelder et separat betraktnings-system, blir det behov for en ytterligere strålespalter mellom kubusspalteren 108 og vinkelføleren 36. The viewing system can be either part of an angle sensor 36 or of a separate viewer band which is mounted on the angle sensor. In the case of a separate viewing system, an additional beam splitter is needed between the cube splitter 108 and the angle sensor 36.

En andre utførelsesform for ideen med autoinnretning er vist på figur 6. Ved denne bruk, stabiliseres siktelinjen for en foroverletende infrarød (FLIR) anordning. Dette kan f.eks. være en foroverletende infrarød anordning som er montert på et helikopter. Et utgangsvindu 130 i den foroverletende infrarøde anordning benyttes i denne utførelse som ett av de tre hjørner av en hjørnekubus. Når dette gjøres, kan utgangsvinduet for den foroverletende infrarøde anordning benyttes til å sample referansestrålen og gyroen A second embodiment of the auto-alignment idea is shown in Figure 6. In this application, the line of sight of a forward-looking infrared (FLIR) device is stabilized. This can e.g. be a forward-looking infrared device mounted on a helicopter. An output window 130 in the forward-looking infrared device is used in this embodiment as one of the three corners of a corner cube. When this is done, the output window of the forward looking infrared device can be used to sample the reference beam and the gyro

kan pakkes inne i huset for den foroverletende infrarøde anordning slik at man får et mindre samlet pakningsvolum. Det lille pakningsvolum for foreliggende oppfinnelse, gjør en slik siktelinjestabilisering av den lukkede sløyfe i can be packed inside the housing for the forward-looking infrared device so that a smaller overall packing volume is obtained. The small packing volume of the present invention enables such line of sight stabilization of the closed loop i

den foroverletende infrarøde anordning praktisk mulig. the forward looking infrared device practically possible.

En vanlig autoinnrettende plattform ville være upraktisk A regular auto-aligning platform would be impractical

for slik anvendelse. for such use.

Bruk av foreliggende oppfinnelse for FLIR bildestabilisering, som vist på figur 6, byr på fordeler utover å forbli fordelene ved bedre billedkvalitet. Den første er at speil 132 for kompensasjon av billedbevegelse som vanlig benyttes i f Urenheter av høy kvalitet, idag arbeider i en åpen sløyfe og får sine signaler fra en gyro som er montert på FLIR plattformen. Da speilet 132 i en vanlig FLIR arbeider i åpen sløyfe, må innstillingsnøyaktigheten for speilet som en funksjon av drivspenningen, være meget høy. Et typisk to-akset speil 132 med båndbredde, innstillings-tilbakekobling og de nødvendige servosløyfer, er ganske kostbart og den elektronikk som kreves for å betjene speilet, tar uønsket plass og krever uønsket forbruk av strøm. Use of the present invention for FLIR image stabilization, as shown in Figure 6, offers advantages beyond the remaining advantages of better image quality. The first is that mirror 132 for compensation of image movement, which is normally used in high-quality impurities, today works in an open loop and receives its signals from a gyro which is mounted on the FLIR platform. As the mirror 132 in a normal FLIR works in open loop, the setting accuracy of the mirror as a function of the drive voltage must be very high. A typical two-axis mirror 132 with bandwidth, tuning feedback and the necessary servo loops is quite expensive and the electronics required to operate the mirror take up unwanted space and require unwanted consumption of power.

Med foreliggende oppfinnelse kan det benyttes et speil With the present invention, a mirror can be used

132 med mye lavere kvalitet, fordi speilet nu er innenfor autoinnretningssløyfen. Innstillingstransduktorer kan være meget mindre nøyaktige og behøver bare frembringe de signaler som kreves for å stabilisere speilets bevegelse. Nøyaktigheten og kvaliteten i de bøyelige deler som bærer speilet, kan settes ned. Forskjellige speilløsninger, f.eks. par enaksede galvanometere eller meget billige piezoelektriske bimor speil, kan benyttes i stedet for speilet 132. 132 with much lower quality, because the mirror is now inside the auto-align loop. Alignment transducers can be much less accurate and only need to produce the signals required to stabilize the mirror's movement. The accuracy and quality of the flexible parts that carry the mirror can be lowered. Different mirror solutions, e.g. pairs of uniaxial galvanometers or very cheap piezoelectric bimor mirrors can be used instead of the mirror 132.

Utgangsvindu 130 benyttes som en av de tre flater av en hjørnekubus som returnerer sondestrålen til vinkeldetektoren 36 i autoinnretningssystemet. Gyroen i henhold til foreliggende oppfinnelse, er forskjellig fra de gyroer som vanligvis benyttes for å stabilisere FLIR plattformer. Output window 130 is used as one of the three faces of a corner cube which returns the probe beam to the angle detector 36 in the auto alignment system. The gyro according to the present invention is different from the gyros that are usually used to stabilize FLIR platforms.

Den er imidlertid sammenlignbar når det gjelder omkostninger og rotor-til-hus signalene benyttes til å stabilisere FLIR plattformen på en måte som tilsvarer den som tidligere er blitt benyttet for vanlige gyroer. Den standard FLIR anordning blir modifisert ved tilføyelse av laserkilden 32, However, it is comparable in terms of cost and the rotor-to-housing signals are used to stabilize the FLIR platform in a manner similar to that previously used for conventional gyros. The standard FLIR device is modified by adding the laser source 32,

en strålespalte 136, en vinkeldetektor 36, en hjørnekubus 38 og etpar reflekterende flater 138. Laserkilden omfatter en HeNe laser som arbeider ved IR bølgelengden på 3.391 ym. Strålespalteren 136 er montert like foran et sveipespeil a beam slit 136, an angle detector 36, a corner cube 38 and a pair of reflective surfaces 138. The laser source comprises a HeNe laser which works at the IR wavelength of 3,391 ym. The beam splitter 136 is mounted just in front of a sweeping mirror

137, og innfører laserens sondestråle i FLIR systemets optiske bane og sampler strålen når den returnerer fra gyroen 12. To ytterligere reflekterende flater 138 som er montert nær ved utgangsvinduet 130 og som begge står i rett vinkel på hverandre, kompletterer den samplende hjørnekubus. Gyroen 10 representerer, som nevnt tidligere, ingen forandring i omkostninger i stedet for å være en tilføyelse til maskinvaren, mens speilet 132 og speilelektronikken vil ha en lavere pris enn maskinvaren som normalt benyttes i de fleste foroverletende infrarøde systemer som har høy presisjon. 137, and introduces the laser's probe beam into the optical path of the FLIR system and samples the beam as it returns from the gyro 12. Two further reflective surfaces 138 which are mounted close to the exit window 130 and which are both at right angles to each other, complete the sampling corner cube. The gyro 10, as mentioned earlier, represents no change in cost instead of being an addition to the hardware, while the mirror 132 and the mirror electronics will have a lower price than the hardware normally used in most forward-looking infrared systems that have high precision.

Under drift vil laseren 36 frembringe en stråle som faller During operation, the laser 36 will produce a beam that falls

inn på strålespalteren 38 og som, på sin side, retter endel av den innfalne stråle til strålespalteren 136. En halvdel av strålen fra strålespalteren 136 rettes av de eksisterende FLIR komponentene, innbefattende speilet 132 og teleskopet onto the beamsplitter 38 and which, in turn, directs part of the incident beam to the beamsplitter 136. Half of the beam from the beamsplitter 136 is directed by the existing FLIR components, including the mirror 132 and the telescope

139 mot utgangsvinduet 130. Vinduet 130, i kombinasjon med de to speil 138, reflekterer strålen mot gyrorotoren 12 i samme retning som strålen hadde da den forlot teleskopet 139. Den reflekterte laser lysstråle som er innført i den optiske bane med det infrarødt reflekterte innføringsvindu 130, blir rettet tilbake til strålespalteren 136 og derfra mot vinkeldetektoren 36, på en måte som er beskrevet tidligere. Tilhørende feilsignaler frembringes og blir koblet til 139 towards the exit window 130. The window 130, in combination with the two mirrors 138, reflects the beam towards the gyro rotor 12 in the same direction as the beam had when it left the telescope 139. The reflected laser light beam which is introduced into the optical path with the infrared reflected entry window 130 , is directed back to the beam splitter 136 and from there to the angle detector 36, in a manner described previously. Corresponding error signals are generated and connected

speilet 132 via den tidligere beskrevne servosløyfe på en slik måte at man får en stabilisert FLIR siktelinje. Selv om det ikke er vist i de optiske skjemaer, er det fordelaktig om vinkeldetektoren 36 er stivt montert på FLIR føleren 140. the mirror 132 via the previously described servo loop in such a way that a stabilized FLIR line of sight is obtained. Although not shown in the optical diagrams, it is advantageous if the angle detector 36 is rigidly mounted on the FLIR sensor 140.

Referansegyroen kan være montert på utsiden av vinduet 130, The reference gyro can be mounted on the outside of the window 130,

i stedet for at den monteres inne i selve FLIR konstruksjonen. Dette avlaster FLIR vinduet 130 fra kravet om å sample stråle-utgangen fra sonden. Felgen av dette er et økt volum på utstyret. instead of it being mounted inside the FLIR construction itself. This relieves the FLIR window 130 of the requirement to sample the beam output from the probe. The consequence of this is an increased volume of the equipment.

En ytterligere anvendelse av autoinnretningstanken i henhold til oppfinnelsen, er vist på figur 7 i forbindelse med en kanon 144, med et løp 141 og et kåmmer 143. Sikteretningen for enden av kanonløpet 141, måles og sammenlignes med den stabile siktevinkel for gyrorotoren. Slik avbøyning og sammenligning er ofte nødvendig for å korrigere for dårlig fastlagt retning for slike store kanonløp av den type som anvendes i panservogner og som haubitsere eller for hurtig-skytende kanoner av middels kaliber som anvendes i luftvern. For eksempel vil oppvarming på grunn av solen, avkjøling A further application of the auto-alignment tank according to the invention is shown in figure 7 in connection with a cannon 144, with a barrel 141 and a comb 143. The aiming direction at the end of the cannon barrel 141 is measured and compared with the stable aiming angle of the gyro rotor. Such deflection and comparison is often necessary to correct for poorly determined direction for such large gun barrels of the type used in armored vehicles and as howitzers or for fast-firing guns of medium caliber used in anti-aircraft. For example, warming due to the sun, cooling

på grunn av vind, avbøyning på grunn av kjøretøyets bevegelse og oppvarming som skyldes avfyring av en rekke skudd, hver for seg eller i kombinasjon, bøye et kanonløp fra dets akse og dermed redusere nøyaktigheten av løpets avfyringer til verdier som ikke kan aksepteres. Ved å montere en flate 142 ved enden av kanonløpet 141, kan dets siktevinkel måles og korrigeres for å utligne de nevnte virkninger fra omgivelsene . due to wind, deflection due to the movement of the vehicle and heating resulting from the firing of a series of shots, individually or in combination, bend a cannon barrel from its axis and thus reduce the accuracy of the barrel's firing to unacceptable values. By mounting a surface 142 at the end of the barrel 141, its aiming angle can be measured and corrected to compensate for the aforementioned effects from the surroundings.

Anordningen som er vist på figur 7, utgjør en referanseflate 142 for sikting langs aksen, der det benyttes de tidligere beskrevne prinsipper i henhold til oppfinnelsen. Videre utgjør den samme optiske systembane en andre siktemulighet for kammeret 143 på kanonen 144, slik at en krumning av løpet av første orden kan anslås. Nøyaktigheten ved dette, er av størrelsesordenen 20-50 mikroradianer og representerer tilnærmet en forbedring på en til en-og-en-halv størrelses-orden, sammenlignet med de nuværende siktenøyaktigheter i vanskelige omgivelser. En innretningsstråle 145 overføres ved en kombinasjon av de optiske elementer som skal beskrives i det følgende. The device shown in Figure 7 constitutes a reference surface 142 for aiming along the axis, where the previously described principles are used according to the invention. Furthermore, the same optical system path constitutes a second sighting possibility for the chamber 143 of the gun 144, so that a curvature of the barrel of the first order can be estimated. The accuracy of this is of the order of 20-50 microradians and represents approximately an improvement of one to one-and-a-half orders of magnitude, compared to the current sighting accuracies in difficult environments. An alignment beam 145 is transmitted by a combination of the optical elements to be described below.

Laseren 32 frembringer en stråle som faller inn på et strålestyrende speil. 34, der strålen rettes mot en strålespalter 147 i en periskop/strålespalter 146. Den spaltede stråle fortsetter oppad til en ytterligere strålespalter 149. ~- r. En-halvdel av denne stråle blir innfallende på den reflekterende flate av gyrorotoren 12 og reflekteres tilbake gjennom strålespalteren 149 til en strålespalter 157 i en periskop/ strålespalter 153. En halvdel av denne stråle blir rettet oppad og blir reflektert mot en speilflate 154 som er montert på kammeret 143 for kanonen 144 og blir reflektert på nytt gjennom perioskop/strålespalteren 153 og en linse 64' til en detektor 36'. Den annen halvdel av strålen som ikke reflekteres i strålespalteren 153, passerer gjennom denne til strålespalteren 155. En halvdel av denne stråle rettes mot og forflyttes av perioskopet 160 for å falle inn på speilflaten 142. Denne stråle blir reflektert tilbake fra flaten 142 The laser 32 produces a beam which falls on a beam guiding mirror. 34, where the beam is directed towards a beam splitter 147 in a periscope/beam splitter 146. The split beam continues upwards to a further beam splitter 149. ~- r. One-half of this beam is incident on the reflecting surface of the gyrorotor 12 and is reflected back through the beamsplitter 149 to a beamsplitter 157 in a periscope/beamsplitter 153. One half of this beam is directed upwards and is reflected against a mirror surface 154 mounted on the chamber 143 of the gun 144 and is reflected again through the periscope/beamsplitter 153 and a lens 64' to a detector 36'. The other half of the beam that is not reflected in the beam splitter 153 passes through this to the beam splitter 155. One half of this beam is directed towards and moved by the perioscope 160 to fall on the mirror surface 142. This beam is reflected back from the surface 142

av periskopet 160 til strålespalteren 155 og dermed til en første vinkeldetektor 36 gjennom en linse 64. of the periscope 160 to the beam splitter 155 and thus to a first angle detector 36 through a lens 64.

Endel av den tidligere nevnte utgående laserstråle som Part of the previously mentioned outgoing laser beam which

faller inn på strålespalteren 155 og som ikke ble rettet mot periskopet 160, blir reflektert tilbake fra hjørnekubusen 38 gjennom et modulerende hjul 44, for å danne et ytterligere flekkbilde på vinkeldetektoren 36. Vinkeldetektoren 36 frembringer et feilsignal som reaksjon på to innfaldne flekker og driver en servoforsterker 162 slik at den styrer det strålestyrende speil 34 på den måte som er beskrevet ovenfor. Ved at dette gjøres, holdes den utgående referansestråle perpendikulær på gyrorotorens overflate og den vil dermed bli stabil. Som forklart ovenfor, danner strålen som returnerer fra flaten 154 på kammeret 143 et bilde på en andre vinkeldetektor 36' gjennom periskop/strålespalteren 153 og linsen 64'. Vinkeldetektoren 36' sørger for å frembringe et signal som representerer vinkelstillingen for strålen som reflekteres fra flaten 154 i forhold til det elektriske nullpunkt på vinkeldetektoren 36'. På denne måte vil de to • vinkelstillinger for speilflåtene 142 og 154 bli sammenlignet. incident on the beam splitter 155 and which was not directed at the periscope 160, is reflected back from the corner cube 38 through a modulating wheel 44, to form a further spot image on the angle detector 36. The angle detector 36 produces an error signal in response to two incident spots and drives a servo amplifier 162 so that it controls the beam steering mirror 34 in the manner described above. By doing this, the outgoing reference beam is kept perpendicular to the surface of the gyrorotor and it will thus become stable. As explained above, the beam returning from the surface 154 of the chamber 143 forms an image on a second angle detector 36' through the periscope/beamsplitter 153 and the lens 64'. The angle detector 36' ensures to produce a signal that represents the angular position of the beam reflected from the surface 154 in relation to the electrical zero point on the angle detector 36'. In this way, the two • angular positions of the mirror floats 142 and 154 will be compared.

Forskjellen mellom signalene som fremkommer som et resultat The difference between the resulting signals

av sammenligningen, vurderes av vanlig beregningsutstyr for å gi en indikasjon om løpets mistilpasning. Selv om oppfinnelsen her er beskrevet under henvisning til de foretrukne utførelsesformer, skal det påpekes for fagfolk på området at forskjellige forandringer kan gjøres og likeverdige komponenter kan settes inn uten at man derved går utenom den sanne ånd og ramme for oppfinnelsen. I tillegg kan mange modifikasjoner gjøres for tilpasning til en bestemt situasjon eller til materialer når det gjelder den lære som ligger til grunn for oppfinnelsen, uten at man dermed avviker fra denne. of the comparison, is assessed by common calculation equipment to give an indication of the race's mismatch. Although the invention is described here with reference to the preferred embodiments, it should be pointed out to those skilled in the art that various changes can be made and equivalent components can be inserted without thereby departing from the true spirit and scope of the invention. In addition, many modifications can be made to adapt to a specific situation or to materials in terms of the teaching underlying the invention, without thereby deviating from it.

Claims

Two-axis optical inertia reference system for producing eh stabilized optical reference, characterized in that it comprises: a gyro (10) with two degrees of freedom and a gyro rotor (12). devices (18, 20) which provide optical access to the gyro rotor (12) and devices (32) including an electromagnetic energy source for producing a beam (50) of electromagnetic energy and for directing the beam (50) in an optical path towards a reflective surface (19) of the gyro rotor (12) at an angle, so that the energy reflected from the rotor is largely perpendicular to the surface and forms a stabilized reference beam (60).

2. System as stated in claim 1, characterized in that it includes an adjustable control mirror (34) inserted in the optical path (50, 54, 58) between the said source (32) and the gyro (10) to direct the said electric -tromagnetic energy beam (50) towards the gyro rotor (12).

3. System as stated in claim 2, characterized by devices (66) for adjusting the mirror (34) to compensate for changes in the position of the gyrorotor (12) so that the beam (50) is reflected mainly perpendicularly from the surface (19) of the gyrorotor (12) .

4. System as stated in claim 3, characterized in that the adjustment devices (16) include an angle detector (36) which reacts to the angular position of the reflected beam (58; 60) from the gyro rotor (12), which angle detector (36) produces an error signal in a first operating mode, where the error signal is proportional to the difference between an electrical zero position of the angle detector (36) and the angular position of the reflected beam (62).

5.

System as stated in claim 4, characterized in that part of the beam (50) is directed towards a corner cube (38) which is in the optical path in front of the gyro rotor (12), which corner cube (38) returns the incident beam (70) to the angle detector (36) at an angle representing the misalignment of the beam reflected from the surface (19) of the gyro rotor (12), due to movement of any of the parts forming the system with the exception of the gyro rotor (12).

6.

System as stated in claim 5, characterized in that the beam (72) which is returned from the corner cube (38) and part of the beam which is reflected from the surface (19) of the gyrorotor (12) falls on the angle detector (36).

7.

System as stated in claim 5, characterized in that the angle detector (36) produces an error signal in a second working mode, proportional to the difference in angular positions between the incident beams (62, 72), which servo loop (36, 66, 34) reacts to the error signal for to set the beam guide mirror (34) so that the two beams (62, 72) coincide, indicating that the reference beam (62) reflected from the surface (19) of the gyrorotor (12) is perpendicular to it.

8.

System as stated in claim 1, characterized in that the aforementioned source device (32) is present as part of the system so that a stable reference beam (62) is produced to which another optical system is carefully connected and controlled.

9. System as stated in claim 1, characterized in that the gyro rotor (12) in the system forms a stable reference surface (19) and in that the source device (32) produces an auto-aligning beam (50) for reflection from the reference surface (19).

10. System as specified in claim 9, characterized in that it is included in a FLIR-based detection system.