DE3004250C2

DE3004250C2 - Optischer Annäherungssensor

Info

Publication number: DE3004250C2
Application number: DE19803004250
Authority: DE
Inventors: Gunther Dipl.-Phys. Dr. 8012 Ottobrunn Sepp
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1980-02-06
Filing date: 1980-02-06
Publication date: 1986-09-18
Also published as: DE3004250A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Annäherungssensor zur Steuerung eines Zündsignals, bestehend aus einem Lichtsender und einem Empfänger, die zueinander in einem bestimmten Abstand und einem Winkel stehen, bei dem das vom durch einen Sendestrahl beleuchtete Ziel zurückgestreute Licht durch eine Empfangsoptik auf einem positionserhpfindlichen Detektor als Lichtfleck fokussiert wird;

Durch die DE-OS 11 96 380 ist ein optischer Nahentfernungsmesser bekanntgeworden, bei dem der Ab* stand der das scharfe Bild des Objektes enthaltenden Bildebene von dem bildseitigen Brennpunkt des Entfernungsmesserobjektives als Maß für die Objektentfernung benutzt wird. Hier handelt es sich um einen reinen passiven und relativ langsam arbeitenden Entfernungsmesser, der unabhängige Beleuchtung und Kontraste im Ziel erfordert Mit diesem Gerät ist außerdem nur eine relativ geringe Störfestigkeit gegeben, und Umwelteinflüsse, wie Regen eto, rufen schon erhebliche Ungenauigkeiten hervor.

Durch die DE-OS 29 09 090 ist ein Entfernungsmeßsystem gemäß dem Gattungsbegriff bekanntgeworden. Hier wird lediglich die Entfernung mittels vier Einzeldetektoren bereichsweise gemessen. Mit diesem System ist es jedoch nicht möglich, zur Zielerfassung auch noch die Annäherungsgeschwindigkeit zu ermittein, sowie Störeinflüsse der Umwelt zu bewerten und zu eliminieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Annäherungssensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine genaue Bestimnvung der Zündauslösung und eine höhere Störfestigkeit gewährleistet und außerdem keine bewegten mechanischen Teile mehr benötigt.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 niedergelegten Maßnahmen gelöst Die weitere Ausgestaltung ergibt sich aus den Unteransprüchen. In der nachfolgenden Beschreibung sind zwei Ausführungsbeispiele abgehandeJf. Die Figuren der Zeichnung ergänzen die Beschreibung. Es zeigt

F i g. 1 ein Funktionsschaltdiagramm in schematischer Darstellung,

Fig. 2 ein Beispiel einer Meßkurve, wobei die einfallende Lichtintensität als Funktion des Abstandes vom zurückstreuenden Ziel dargestellt ist,

Fig.3 ein Beispiel einer differenzierten Meßkurve gemäß Fig.2 für das Meßprinzip zur Unterscheidung von Regen gegenüber dem Festziel Boden.

Wie die Fig.! schematisch zeigt, setzt sich der nach dem Triangulationsverfahren arbeitende optische Abstandssensor aus dem optischen Sender 10 und einer Sendeoptik 10a zusammen, wobei d.eier optische Sender vorzugsweise ein Laser- oder Lumineszenzdiodengerät ist. Dieser Senteeinheit ist ein Modulatortreiber 16 vorgeschaltet, der den Sender 10 gemäß den von der Steuer- und Auswerteeinheit 15 empfangenen Signalen betreibt.

Der ausgesendete, vorzugsweise eng gebündelte Meßstrahl 106 trifft z. B. in der Ebene A auf ein Ziel 11, das sich in Richtung des Sensors bewegt und erzeugt dort den Lichtfleck 12a. Das hiervor rückgestreule Licht 12 trifft nun auf den eindimensional positionsempfindlichen Detektor 13. dessen lineare Ausdehnung in der Zeichenebene von Fig. 1 liegt und dem ebenfalls eine Optik 13a — die Empfangsoptik — vorgeschaltet ist, und wird auf das eine Ende des Detektors abgebildet. Dem Lichtfleck 13/? auf dem Detektor 13 entspricht also ein Lichtfleck 12a in einer bestimmten Zielentfernung. Intensität und Position dieses Lichtfleckes 136 wird nun über einen Verstärker t4 auf eine Steuer- und Auswerteeinheit 15 gegeben, weiche während der Zielannäherung die momentane Lage und die Intensität des Lichtfleckes 136 feststellt und daraus die räumliche Entfernung der!Ebene A von:der .durch,die Ebene B bezeichneten Aüslöseentfernung bestimmt.

Der, von dem sich in Richtung der Ebene B bewegenden Ziel zurückgestreüte, Lichtfleck 12a bewegt sich nun infolge der geometrischen Anordnung von Sender und Empfänger immer näher auf die Seite des Senders hin, d. h. der Lichtfleck \3b wandert entsprechend dieser Bewegung immer näher auf das andere Ende des posi-

tionsempfindlichen Detektors und damit auf den Punkt zu, welcher freiwählbar dem optimalen Zündzeitpunkt entspricht In der Steuer- und Auswerteeinheit 15 wird nun die Zielannäherungsgeschwindigkeit aus der Position und der Geschwindigkeit der Positionsänderung des Lichtfleckes 136 auf dem Detektor abgeleitet und als Kriterium für die Störfreiheit des Empfangssignals verwendet Je nach der Art des Geschosses etc. und der beabsichtigten Mission ist der ihm eigene optimale Entfernungswert bei diesem Annäherungssensor einstellbar, so daß dieser Sensor sehr vielfältig verwendbar ist. Dies ist sowohl durch mechanische Einstellung von Abstand und Winkel zwischen Sender und Empfänger, als auch durch rein elektronische Wahl des entsprechenden Lichtfleckes [i3b) auf dem positionsempfindlicheri Detektor 13 möglich. Die Vorwahl kann sowohl vor dem Einsatz gemäß der speziellen Mission fest getroffen werden, als auch erst während der Zielannäherung, z. B. als Funktion der gemessenen Annäherungsgeschwindigkeif bestimmt werden. Dadurch kir.n gegebenenfalls eine individuelle Streuung der Annäherung-.geschwindigkeit als Folge spezieller Missionsprofile des Flugkörpers etc. kompensiert und dadurch seine Wirkung im Ziel optimiert werden.

Aus der Art, wie das vom Ziel zurückgestreute Licht sich im Detektorgesichtsfeld bewegt, kann durch Prädikation der zukünftige Verlauf der Bewegung des Zieles vorherbestimmt werden und dadurch kann nun das Ziel viel früher in bezug auf den optimalen Zündzeitpunkt erfaßt werden und damit kann auch der Zündvorgang selbst länger andauern.

Nun sind diese Geräte Umwelteinflüssen unterworfen, die das Meßsignal und damit auch die Zündauslösung negativ beeinflussen. Insbesondere lösen Regentropfen häufig Fehlentscheidungen der bisher bekannten Geräte aus und beeinträchtigen dadurch deren Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit ganz erheblich. Dies wird nun in einfacher Weise durch die vorliegende erfindungsgemeßen Maßnahmen ebenfalls beseitigt, denn der Detektor registriert die einfallende Lichtintensität als Funktion des Abstandes von einem zurückstreuenden Ziel (F i g. 2). Durch Differentiation dieser Meßkurve erhält man dann den in Fi g. 3 dargestellten Verlauf. Eine Zeilmessung zwischen dem ersten Maximum und dem folgenden Minimum mit Hilfe t'es Maximumdetektors erlaubt dann fehlerlos die Unterscheidung zwischen Regentropfen (v_max = 15m/sec) und dem Bodenziel (V > 25 m/sec).

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der eindimensional kontinuierlich empfindliche Detektor mit Verstärker durch eine lineare Anordnung von einzelnen Detektoren und nachgeschalteten Einzelverstärkern ersetzt. Der Zielabstand kann hier durch Interpolation der Lage des Intensitätsmaximums des Lichtflecks 13ώ auf der linearen Detektoranordnung abgeleitet werden. Aus der zeitlichen Änderung dieses Maximums kann ebenso wie bei der ersten vorbeschriebenen Ausgestaltung die Annäherungsgeschwindigkeit bestimmt werden (Fig.3). Dies kann aber auch dadurch geschehen, daß für jeden Einzeldetektor die Signalanstiegszeit 6p gemessen wird, die ja direkt;mit der Wanderurigsgeschwindigkeit des Lichtfleckes 13b über die Eirizeldetektoren zusammenhängt.

Beim Annähern des Sensors gegen einen Regentropfen entsteht ein prinzipiell anderer Signalverlauf am Positionsdetektor im Vergleich zur Annäherung an ein ausgedehntes Ziel. Da der Sendestrahl enggebündelt ist, wird der Regentropfen nur für eine relativ sehr kürze Zeit beleuchtet werden und dann wieder aus dem Sendestrahl heraustreten. Da in der Regel die Eigengeschwindigkeit des Annäherungssensors groß gegen diejenige des Regentropfens ist, ändern sich in dieser kurzen Zeit die Position des Lichtfleckes 12a und damit die am Detektor 13 ausgewertete Position des LichtReckes 13Z> nicht. Der Positionsdetektor registriert also nur ein nahezu ortsfestes kurzzeitiges Aufleuchten eines Lichtfleckes (F i g. 2). Auch bei vergleichbaren Geschwindigkeiten von Annäherungssensor und Regentropfen, z. B. wenn es sich um einen als Fallschirm niedergehenden Wirkkörper handelt, wird die Verweildauer eines Regentropfens im Sendestrahl nur kurz sein. Bei Annäherung an ein ausgedehntes Ziel hingegen wird ein sich in seinem Intensitätsverlauf hinreichend gut vorhersagbarer Lichtfleck 13έ> kontinuierlich über den Positionsdetektor hinweg wandern. Durch die Ausnützung dieser Eigenschaften in der Steuer- und Auswerteeinheit 15 wird nun eine hohe Störfestigkeit gewährleistet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Annäherungssensor zur Steuerung eines Zündsignals, bestehend aus einem Lichtsender und einem Empfänger, die zueinander in einem bestimmten Abstand und einem Winkel stehen, bei dem das vom durch einen Sendestrahl beleuchtete Ziel zurückgestreute Licht durch eine Empfangsoptik auf einem positionsempfindlichen Detektor als Lichtfleck fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des Detektors (13) zur automatischen Ermittlung des optimalen Zündauslösepunktes an eine Steuer- und Auswerteelektronik (15) weitergeleitet wird, in welcher gleichzeitig Zielentfernung und Annäherungsgeschwindigkeit ermittelt und die Störfreiheit des Signals überprüft wird und der optimale Zündauslösepunkt auf den gewünschten Zündabstand durch rein elektronische Vorwahl des Ortes des entsprechenden Lichtfleckes (13ty auf dem Detektor (13) abgestimmt wird.

2. Annäherungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (13) ein eindimensional kontinuierlich positionsempfindlicher Detektor ist, dessen lineare Ausdehnung in der durch den Sendestrahl und die Verbindungslinie zwischen Sender und Empfänger gebildeten Ebene liegt.

3. Annäherungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (13) eine lineare Anordnung von Einzeldetektoren ist und der Zielabstand durch ' Uerpolation der Lage des Intensitätsmaximums des Lichtfleckes [Wb) auf der linearen Detektoranordnung abgeleitet wird.

4. Annäherungssensor nach r-inem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der optima- !e Zündabstand erst während der Z'^f*^sⁿⁿsrⁱe^|*up^cr in Abhängigkeit von der gemessenen Annäherungsgeschwindigkeit durch rein elektronische Vorwahl eingestellt wird.

5. Annäherungssensor nach einem der Ansprüehe 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendestrahl (lOZ^der enggebündelte Strahl eines Halbleiterlasers ist.

6. Annäherungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswertelektronik (15) so gestaltet ist, daß ein kurzzeitig auf dem Detektor (13) aufleuchtender Lichtfleck (136,1 von einem kontinuierlich über den Detektor (13) hinwegwandernden und in seinem Intensitätsverlauf hinreichend gut vorhersagbaren Lichtfleck (13b)unterschieden wird.