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Abstandszündeinrlchtung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Abstandszündeinrichtung für ein
sich auf ein Ziel zu bewegendes Objekt, bestehend aus einer optischen, nach der
Triangulationsmethode arbeitenden Entfernung meßeinrichtung, einezündeinrichtung
und einer die laufend gemessenen Abstandswerte für die Zündeinrichtung aufbereitenden
Auswerteeinrichtung, bei der die Entfernungsmeßeinrichtung einen op tischen Sender
und einen optoelektronischen Empfänger aufweist, deren gegenseitiger Abstand die
Triangulationsbasis darstellt un deren Gesichtsfelder bei kleinem Öffnungswinkel
einen gemeinsame: Bereich ausweisen, der den vorgegebenen Zündabstand mit umfaßt.
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Bei optronischen Sensoren dieser Art bereitet es Schwierigkeiten den
Zündzeitpunkt bei Erreichen des vorgegebenen Zündabstandes eines hiermit ausgerüsteten
Objekts vom Ziel mit der zu fordernden Genauigkeit in jedem Falle einzuhalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine einfache, einen geringen
technischen Aufwand mit sich bringende Lösung anzugeben die die geschilderten Anforderungen
an die Präzision der Abstand zündeinrichtung in hohem Maße gewährleistet.
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Ausgehend von einer Abstandszündeinrichtung der einleitend ber schriebenen
Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch g löst, daß di e die Entfernungsmeßeinrichtung
mit Mitteln zur rjnter-
drückung von Störungen durch Fremdlicht,
z.B. Sonne oder Brände ausgerüstet ist und daß die Auswerteeinrichtung aus der Hintereinanderschaltung
eines logarithmischen Kompressors, eines Differenziergliedes und einer Triggerschaltung
mit Schwelle besteht.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich als Kriterium
für das Erkennen des vorgegebenen Abstandes die Steilheit des pulsförmigen, am Ziel
reflektierten Meßsignals besser eignet als sein Amplitudenmaximum, daß die Steilheit
dann mit hoher Genauigkeit dem Zielabstand proportional ist, wenn das Meßsignal
vor seiner Differenzierung zur Gewinnung der Steilheit logarithmisch komprimiert
wird und daß zugleich dafür gesorgt wird, daß die Wahrscheinlichkeit der Verfälschung
des Meßsignals durch Fremdlicht gering ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform spricht die Triggerschaltung
der Auswerteeinrichtung nur an, wenn zu di e Steilheit im Zuge der Annäherung an
das Ziel bei abfallender Flanke des vom Ziel reflektierten und empfangenen Meßsignals
die Schwelle Uberschreitet.
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Die Mittel zur Unterdrückung von Fremdlicht bei der Entfernungsmeßeinrichtung
werden zweckmäßig sendeseitig durch eine von einem Hochfrequenzoszillator intensitätsmodulierten
optischen Lichtquelle, beispielsweise eine Lumineszensdiode und empfangsseitig neben
spektralerFilterungdurch ein dem eingangsseitigen optoelektronischen Wandler, beispielsweise
eine Photodiode, nachgeschaltetes, auf die Modulationsfrequenz abgestimmtes Schmalbandfilter
mit anschließendem Hüllkurvenmodulator verwirklicht.
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Anhand von in der Zeichnung dargestellten Diagrammen und einem Ausführungsbeispiel
soll die Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik noch näher erläutert
werden.
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Fig. 1 Ein die Triangulationsmethode erläuterndes Diagramm, Fig. 2
ein weiteres die Triangulationsmethode erläuterndes Diagramm,
Fig.
3 der Einfluß der Refelxionseigenschaften des am Ziel reflektierten Meßsignals auf
den Verlauf der Steilheit des Meßsignals bei einem vorgegebenen Zielabstand, Fig.
4 das Blockschaltbild einer Abstandszündeinrichtung nach der Erfindung.
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Im Diagramm nach Fig. 1 bedeuten S der Sender, E der Empfänger und
b die Triangulationsbasis der optischen Entfernungsmeßeinrichtung. Das Gesichtsfeld
von Sender und Empfänger ist sehr kle gehalten und weist in beiden Fällen den Öffnungswinkel
@ # auf. auf. Un ter der Annahme, daß sich die in einem Objekt angeordnete
Abstan zündeinrichtung, beispielsweise ein Geschoß, auf das Ziel zube wegt, und
der Zündzeitpunkt bei der Entfernung eO erreicht sein soll, wird bei zu großer Entfernung
vom Ziel kein Licht, das vom Sender ausgeht und am Ziel reflektiert wird, vom Empfänger
empfangen. Mit abnehmender Entfernung beginnt das am Ziel reflektierte und im Empfänger
empfangene Signal ab der Ebene A anzuwaci sen. In der Ebene Mo erreicht das empfangene
Signal ein Maximum, nimmt anschließend über die Ebene PO, die der Zündentfernung
eO entspricht, hinweg bis zur Ebene D ab um dann wieder ganz zu ver schwinden.
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Der sich daraus ergebende Verlauf der Signalamplitude A über der Entfernung
e ist in Fig. 2 dargestellt. Der Abstand dWe2 zwischei den Ebenen A' und mm und
der Abstand n e1 zwischen der Ebene Mg und D lassen sich einfach wie folgt berechnen.
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In den Gleichungen I.) und II.) bedeuten d der Durchmesser des bei
der Entfernung eM beleuchteten Fleckes der in Fig. 1 in Schraffur angegeben ist.
Da der Winkel Q sehr klein ist, gilt in Annäherung III.) d =
Gleichung
III.) in Gleichungen I.) und II.) eingesetzt ergibt
Die Maximalamplitude des Signals als Kriterium für die Abstandsbestimmung heranzuziehen
ist praktisch ungeeignet, weil dieses Maximum durch überlagerte Störungen, auch
wenn sie gering sind, nicht einwandfrei definiert ist und darüber hinaus dieses
Maximum auch relativ unempfindlich ist. Die Genauigkeit der Abstandsmessung läßt
sich dann verbessern, wenn an Stelle der Amplitude die Steilheit des Signalsverlaufs
als Kriterium ausgenutzt wird.
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Im Prinzip wäre die Bestimmung des Maximums in der Ebene Mo bei dem
die Steilheit durch Null geht sinnvoll. Die Amplitude würde in diesem Falle keine
Rolle spielen. In der Praxis läßt sich jedoch mit einfachen elektronischen Systemen
der genaue Nulldurchgang wegen der möglichen Unregelmäßigkeiten im Verlauf des impulsförmigen
Signals und wegen des überlagerten Rauschens nur schwer bestimmen, zumal die Vorzeichenänderung
der Steilheit eindeutig bestimmbar sein muß.
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Weitere der Erfindung zugrundeliegenden Überlegungen lassen es als
vorteilhaft erscheinen, den Zündabstand im Bereich negativer Steilheit der Kurve
festzulegen und zwar in der Ebene Po, der in Fig. 2 der Punkt P auf dem abfallenden
Ast des Meßsignals entspricht. Die Differenz des Abstandes eO gegenüber dem Abstand
eM im Amplitudenmaximum des empfangenen Signals ist in den Fig. 1 und 2 mit 4 eO
bezeichnet. Der Abstand a eO ist so gewählt, daß im Punkt P der abfallenden Flanke
des empfangenen Meßsignals die Steilheit, angegeben durch den Tangens des Winkels
Z O in diesem Punkt, am größten ist. Mittels einer dem differenzierten Signal nachgeschalteten
Schwellwertschaltung läßt sich in einfacher Weise die Zündung bei der Entfernung
eO auslösen, wenn mittels einer Schwelle dafür gesorgt wird, daß das differenzierte
Signal die Schwelle erst überschreiten kann, wenn die Steilheit den in Punkt P nach
Fig. 2 angegebenen Maximalwert erreicht hat. Bei der Festlegung der Schwelle muß
natürlich der nötige Rauschabstand berUcksichtigt sein.
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In Fig. 3 sind über. der Entfernung e die Kurzvenverläufe a1, a2 und
a3, dreier empfangener Meßsignale angegeben, deren maximale Amplituden sich infolge
unterschiedlicher Reflexionseigenschaften des ausgeleuchteten Ziels stark voneinander
unterscheiden. Wird davon ausgegangen, daß in jedem dieser drei Fälle die Steilheit,
ausgedrückt durch den Winkel d , den Winkelwert d O erreichen muß, um die Zündung
auszulösen, so ergibt sich in den verschiedenen Fällen ein unterschiedlicher Zündabstand
eO1, eO2 bzw. e030 Die entsprechenden Abstandsebenen sind mit Pol, Po2 unc Po3 bezeichnet.
Der Zündabstand ist um so kleiner, je geringer di Amplitude des reflektierten empfangenen
Meßsignals ist. Wie Fig.
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ferner zum Ausdruck bringt, ergeben sich bei den Kurvenverläufen a1,
a2 und a3 unterschiedliche Winkel od 1, α 2 und CL, 3 und damit unterschiedliche
Steilheiten bei der die Zündung erfolgen müßte, wenn der Zündabstand in Jedem Falle
gleich der Entfernung e03 = eO betragen soll.
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Diese Amplitudenabhängigkeit der Steilheit in Abhängigkeit vom Reflexionsfaktor
des Zieles läßt sich unterbinden, wenn das empfa gene Signal vor seiner Differenzierung
logarithmisch komprimiert wird.
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Die Signalamplitude A (e) läßt sich wie folgt darstellen.
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VI.) A (e) = k.r.f(e) Hierin bedeuten r der Reflexionsfaktor des Zieles,
e die Entfernung vom Ziel und k eine Konstante. Dabei kann davon ausgegangen werden,
daß die Funktion f (e) für das System bekannt ist. Es ergibt sich dann durch Logarithmierung
VII.) Log SA(e) = Log k + Log r + Log Sf(e) und durch Differenzierung VIII.) d Log
A(e) d Cf(e)
dabei ist vorausgesetzt, daß der Reflexionsfaktor keine
plötzlichen Änderungen erfährt, was im allgemeinen bei der praktischen Anwendung
solcher Abstandszündeinrichtungen gewährleistet ist.
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Da die Funktion f (e) für das System ekarakteristisch ist, kann auch
der Ausdruck Log f (e) genau definiert werden. Es ergibt sich dann IX.) Log [ Å(e)2
Log Log[f (e) = Log Uf(e) . = V . Log [f)J wobei V die Geschwindigkeit des Objektes
ist, mit der es sich auf das Ziel zu bewegt.
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Wie also nachgewiesen wurde, läßt sich die Messung des Zündabstandes
eO unabhängig vom Reflexionsfaktor r des Zieles durchführen. Da im praktischen Anwendungsfall
die Geschwindigkeit V in engen Grenzen bleibt, kann die Abhängigkeit der Steilheit
von ihr nur wenig stören.
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Beim Blockschaltbild nach Fig. 4 für eine Abstandszündeinrichtung
ist neben dem Sender S und dem Empfänger E der Entfernungsmeßeinrichtung, sowie
der Auswerteeinrichtung AW und der Zündeinrichtung ZE aucH das'Ziel'Z angedeutet,
an dem das vom Sender ausgehende Meßsignal reflektiert wird und in einem vorgegebenen
Entfernungsbereich vom Empfänger empfangen werden kann. Der Sender S weist eine
Strahlungsquelle 1 auf, beispielsweise eine Lumineszensdiode, die in ihrer Intensität
von der Schwingung eines Hochfrequenzoszillators 2 moduliert wird.
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Der Empfänger E weist eingangsseitig einen optoelektronischen Wandler
3 auf, beispielsweise eine Photodiode, der ein Schmalbandverstärker 4 nachgeschaltet
ist. Der Schmalbandverstärker ist mit seiner Mittenfrequenz auf die Frequenz des
sendeseitigen
Hochfrequenzoszillators abgestimmt. Dem Ausgang des
Schmalbandverstärkers 4 ist ein Hüllkurvendemodulator 5 nachgeschaltet dessen Ausgang
mit dem Eingang der Auswerteeinrichtung AW verbunden ist.
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Die Auswerteeinrichtung AW besteht aus der Hintereinanderschaltung
des logarithmischen Kompressors 6, des Differenziergliedes und der Triggerschaltung
mit Schwelle 8. Die logarithmische Kenr linie des logarithmischen Kompressors 6
kann beispielsweise mittels eines Diodennetzwerkes verwirklicht sein. Die Triggerschaltung
mit Schwelle kann ihrerseits aus einem mit einer Schwellwertspannung arbeitenden
Schmitt-Trigger bestehen. Die Wirkungsweise der Auswerteeinrichtung bedarf keiner
näheren Erläuterung mehr, zumal die hier stattfindende Umformung des Signals durch
die aus der mathematischen Betrachung bereits bekannten Ausdrück näher erläutert
ist.
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3 Patentansprüche 4 Figuren
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