DE102007002336A1 - Suchkopf für einen Lenkflugkörper zur Erfassung und Verfolgung eines Zieles und Verfahren zu dessen Anwendung - Google Patents

Abstract

Dual-Mode-Suchkopf für Lenkflugkörper mit einem 4-Quadranten-Detektor (12) zur Zielerfassung mittels der vom markierten Ziel (Z) reflektierten Laserpulse und mit einem die von dem markierten Ziel (Z) emittierte IR-Strahlung aufnehmenden bildgebenden IR-Bolometer (16), denen die über ein gemeinsames Eintrittsfenster aufgenommene Laser- und IR-Strahltungselektronik (20), die nach erfolgter Zielmarkierung zwecks Erzeugung der Lenksignale für die Endanflugphase des Lenkflugkörpers allein die von dem IR-Bolometer (16) gelieferten Signale zur Lenksignalerzeugung weiterverarbeitet; vgl. Fig. 1.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Suchkopf für Lenkflugkörper zum Erfassen und Verfolgen eines mittels Laserpulsen markierten Zieles, der einen die reflektierten Laserstrahlen und einen die vom Ziel emittierte IR-Strahlung aufnehmenden Detektor umfasst, deren Signale von einer Signalverarbeitungselektronik in die Zielanflugphase des Flugkörpers steuernde Lenksignale umgeformt werden sowie ein Verfahren zu dessen Anwendung.
• Solche Suchköpfe sind als sogenannte Dual-Mode-Suchköpfe bekannt, wie z. B. die US-PS 6 111 241 zeigt. Für die Aufnahme der von einem mittels Laserpulsen mit einer vorbestimmten Pulswiederholungsfrequenz markierten Ziel reflektierten Laserstrahlen ist als Detektor eine sogenannte PIN-Fotodiode vorgesehen; für die Aufnahme der von dem markierten Ziel emittierten IR-Strahlung ist als Detektor ein bildgebendes Brennebenen-Array vorgesehen. Der Auswertung der Signale dieser Detektoren dient eine Signalverarbeitungselektronik, welche diese Signale derart korreliert, dass nur der jeweils letzte Laserimpuls als zielmarkierendes Signal aus einem durch das Array bestimmten Zielbereich für die Lenksignalerzeugung benutzt wird, um den Flugkörper auf den das Ziel markierenden Laserspot zu lenken.
• Der technische Aufwand hierfür ist groß. Beide Detektoren müssen hierzu ein gleichgroßes Bildfeld aufweisen, so dass erhebliche Schwierigkeiten für die Optiken der Detektoren – reflektierte Laserimpulse liegen im Wellenbereich von 1.06 μm, emittierte IR-Strahlung liegt im Wellenbereich von 3–5 μm – entstehen.
• Darüber hinaus muss der bildgebende Detektor gekühlt werden. Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der Notwendigkeit, das zu erreichende Ziel bis zum Ende des Zielanfluges zu markieren. Auf diese Weise wird einem Gegner die Möglichkeit eröffnet, Abwehrmaßnahmen gegen den Standort des Laser-Designators einzuleiten.
• Obzwar ein derartiger Suchkopf in drei unterschiedlichen Modes betrieben werden kann, nämlich als semi-aktiver last-pulse-logic Sucher, als IR-Sucher oder als Laser-IR-korrelierter Sucher, haben in Folge der vorstehend genannten Nachteile solche Suchköpfe keinen Eingang in die Praxis gefunden.
• Hier setzt nun die Erfindung ein, deren Aufgabe es ist, einen neuen Dual-Mode-Suchkopf zu schaffen, der besser als bisher für den Einsatz in Verbindung mit selbst angetriebenen Lenkflugkörpern geeignet ist.
• Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
• Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Die Erfindung ermöglicht, den Laserspot-Sensor zur Entdeckung und Identifizierung eines lasermarkierten Ziels und einen ungekühlten bildgebenden IR-Sensor zur autonomen Zielverfolgung im Endanflug unter Bestimmung des Treffpunktes auf das Ziel über ein gemeinsames bispektrales Objektiv zu betreiben. Hierzu dient ein spektraler Strahlteilerspiegel und eine Relay-Optik im Lasersensorkanal, durch die das Bildfeld des Laserspot-Sensors weitgehend unabhängig von dem des IR-Sensors unter Kontrolle der optischen Aberration gewählt werden kann. Über eine Signalverarbeitungselektronik werden die Lenksignale in Abhängigkeit der Sensorsignale erzeugt und erfolgt der operationelle Ablauf der Zielaufschaltung und -verfolgung nach Abschuss des Lenkflugkörpers.
• Die erfindungsgemäße Ausbildung des Dual-Mode-Suchkopfes ist besonders vorteilhaft, da im Unterschied zu einem Suchkopf nur mit einem Laserspot-Sensor der IR-Sensor die Reduzierung der Zeit für die aktive Zielbeleuchtung auf ein Minimum erlaubt, nämlich bis zum Aufschalten des als Zieltrackers arbeitenden IR-Sensors. Ein Suchkopf mit nur einem bildgebenden IR-Sensor müsste dagegen zum Erreichen der operationell notwendigen Entdeckungs- und Identifizierungsreichweiten in deutlich aufwendigerer Technologie, nämlich mit gekühlten MCT- oder InSb-Sensoren hergestellt werden. Zur Entdeckung des Zieles müsste ein großes Sehfeld abgedeckt werden, zur Identifizierung muss eine hohe geometrische Auflösung realisiert werden. Dies erfordert einen teuren Sensor mit einer sehr großen Anzahl von Pixeln.
• Der Vorteil der Erfindung besteht also insbesondere darin, dass die Aufgaben der Entdeckung und Identifizierung des Ziels dem Laserkanal zugeordnet werden, wo sie von einem einfachen Detektor wie einer 4-Quadranten-Photodiode erledigt werden können. Da die geometrische Auflösung dieses Detektors außerhalb der Bildmitte sehr gering ist, lässt sich leicht eine passende Optik realisieren, die ein zur Detektion vorteilhaftes großes Bildfeld überträgt.
• Anschließend steuert der Lasersensor die Visierlinie so, dass das identifizierte Ziel im Sehfeld beider zueinander ausgerichteter Sensoren zentriert ist. Dann übernimmt ein dem IR-Bildsensor nachgeschalteter passiver Zieltracker die IR-Zielkontur in der Sensormitte, so dass die aktive Zielbeleuchtung ausgeschaltet werden kann. Für diese Aufgabe benötigt der IR-Bildsensor lediglich ein kleines Sehfeld. Die thermische und geometrische Auflösung des IR-Bildsensors reichen aus, um eine Tracker-Aufschaltung sicher zu ermöglichen. Dies stellt aber deutlich geringere Anforderungen an den Sensor und die zugehörige Bildverarbeitung als eine Identifizierung in derselben Zielentfernung.
• Der "einäugige" Aufbau mit gemeinsam genutztem bispektralen Objektiv ermöglicht eine besonders vorteilhafte kompakte Anordnung mit einfach zu realisierender Harmonisierung der optischen Achsen und ist zudem kostengünstig. In der Regel werden reflektive Optiken für bispektrale Abbildungen genutzt, wenn die abzubildenden spektralen Bereiche weit auseinander liegen (vgl. etwa US 7 049 597 ). Mit solchen Optiken lassen sich jedoch die erforderlichen kleinen Öffnungszahlen in beiden Sensorkanälen und die Sehfeldgröße von typisch etwa 10° im Laserkanal nur schwer erreichen. Mit den zur Verfügung stehenden refraktiven optischen Materialien (ZnS, ZnSe, BaF2) können dagegen durchaus bispektrale Optiken realisiert werden, die die genannten Kriterien erfüllen.
• Schließlich kann der Laserkanal auch mit einem aktiven Laser-Entfernungsmesser bestückt werden, was eine zusätzliche Anwendung eines integrierten Abstandszünders ermöglicht. Für den Gefechtseinsatz ist insbesondere vorteilhaft, dass die Ermittlung des Standortes des Laser-Designators und die Einleitung von Gegenmaßnahmen erschwert, wenn nicht gar unmöglich gemacht werden.
• Neben der beschriebenen Dual-Mode Betriebsart, bei der die beiden Sensoren sequenziell die Ablagesignale generieren, die zur Ausrichtung und Nachführung der Visierlinie in Bezug auf das Ziel dienen, sind natürlich weiterhin auch die einfachen Betriebsarten möglich: Steuerung durch den Lasersensor allein bei permanenter Zielbeleuchtung bis zum Einschlag oder rein passive Bekämpfung, indem ein Bediener das Ziel im Bild des IR-Sensors markiert und damit einen Zieltracker aufschaltet.
• Die Erfindung ist nachfolgend an Hand eines in der Zeichnung mehr oder minder schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.
• Es zeigen:
• 1 die Darstellung einer Flugkörpermission während des Zielanfluges
• 2 einen Schnitt durch einen Dual-Mode-Suchkopf gemäß der Erfindung
• 3 das Aufbauprinzip des Dual-Mode-Suchkopfes nach 2
• 4 eine schematische Darstellung der Bildfelder der Sensoren des Dual-Mode-Suchkopfes nach 2 und
• 5 das Blockschaltbild der Signalverarbeitungselektronik.
• Eine mögliche Flugbahn eines einen Dual-Mode-Suchkopf tragenden Lenkflugkörpers umfasst, wie 1 zeigt, eine beispielsweise durch Inertialnavigation gelenkte Anflugbahn A und eine nach dem Prinzip der Proportionalnavigation arbeitende suchkopfgesteuerte Endphasen-Flugbahn E, bis diese auf einem Ziel Z auftrifft. Der Lasersensor entdeckt und identifiziert das Ziel und zentriert es im Sehfeld durch Steuerung der Visierlinie, die etwa mit Hilfe eines 2-achsigen Gimbals ausgerichtet wird, auf dem der Dual-Mode Sensor montiert ist. Anschließend schaltet der IR-Bildsensor auf die IR-Zielkontur in der Bildmitte auf. Dann erfolgt der Übergang von der inertial gelenkten zur suchkopfgelenkten Flugbahn. Die Endphasenlenkung erfolgt von allein mittels des IR-Sensors, die Beleuchtung des Ziels durch den Laser-Designator entfällt.
• Hierzu umfasst der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnete Dual-Mode-Suchkopf, wie die 2 und 3 zeigen, einen 4-Quadranten-Detektor 12, eine Relay-Optik 13, einen spektralen Strahlenteiler 14 und einen IR-Sensor 16, dem ein gemeinsames Objektiv 18 zugeordnet ist. Der 4-Quadranten-Detektor 12 ist als InGaAs-Dioden-Kombination ausgebildet und arbeitet im Wellenbereich von 1.06 μm und 1.55 μm entsprechend der Wellenlänge des jeweils zur Zielmarkierung benutzten Lasers.
• Als IR-Sensor dient ein bildgebender Mikrobolometer-Sensor in Form eines ungekühlten Detektor-Arrays mit 160 × 120 Pixeln (Focal-Plane-Array Typ UL 02 051, Firma Ulis, Grenoble), das über den spektralen Strahlenteiler 14 von dem IR-Anteil der über das Objektiv 18 des Dual-Mode-Suchkopfes aufgenommenen Strahlung beaufschlagt wird.
• Die Relay-Optik 13 dient der Vergrößerung des Bildfeldes des Detektors 12, dessen Fläche kleiner als die des Sensors 16 ist, wie in 4 dargestellt. Die Relay-Optik 13 verkürzt also die Gesamtbrennweite des "Laserkanals" gegenüber der Brennweite des Objektivs 18.
• Der Dual-Mode-Suchkopf 10 umfasst ferner hier nicht dargestellte an sich bekannte Mittel zur Steuerung seiner Visierlinie 15.
• Die Signalverarbeitung des vorstehend beschriebenen Dual-Mode-Suchkopfes ist in 5 dargestellt und gliedert sich in eine analoge Signalaufbereitung mit dem 4-Quadranten-Detektor 12 und deren digitale Signalverarbeitung mittels der Signalverarbeitungselektronik 20. Bei dem zur Anwendung gelangenden InGaAs-Detektor sind die Kathoden in einem Sternpunkt zusammengeführt, im Gegensatz zu den sonst gebräuchlichen 4-Quadranten-Detektoren aus Germanium oder Silicium, bei denen die Anoden den Sternpunkt bilden. Aufgrund der gewählten Konfiguration wird der 4-Quadranten-Detektor 12 im Fotovoltaik-Mode betrieben. In Abhängigkeit von der einfallenden Strahlung fließt ein Strom durch die Detektordioden A1 bis A4. Die nachgestalteten Verstärker V1 bis V4 haben zwei Aufgaben: Erstens eine Impedanzanpassung und zweitens eine Verstärkung der Signalpegel. Die Ausgänge der Verstärker werden jeweils auf einen A/D-Wandler W1 bis W4 geführt. Deren Ausgangssignale werden dann in einer digitalen Signalverarbeitung 20 ausgewertet, der auch die Signale des IR-Bildsensors 16 zugeführt werden.
• Der vorstehend beschriebene Dual-Mode-Suchkopf mit seiner bispektralen Optik zeichnet sich durch eine kompakte, wenig Raum beanspruchende Bauform bei gleichzeitig hoher Suchleistung aus, so dass dieser auch bei kardanischer Lagerung lediglich einen Einbauraum von 70 mm Durchmesser und etwa 100 mm Einbaulänge beansprucht, also in hohem Maße einbautauglich für Lenkflugkörper ab Kaliber 75 mm ist. Die Aufschaltung des IR-Suchmodes erfolgt etwa bei 2 km bis 1,5 km Zielentfernung.

12

4-Quadranten-Detektor

13

Relais-Optik

14

Strahlenteiler

15

Visierlinie

16

IR-Sensor

18

Gemeinsames Objektiv

20

Signalverarbeitungselektronik

A

Anflugbahn

A1 bis A4

Detektordioden

E

Endphasen-Flugbahn

V1 bis V4

Verstärker

W1 bis W4

A/D Wandler

Z

Ziel

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• - US 6111241 [0002]
• - US 7049597 [0013]

Claims (10)

1. Dual-Mode-Suchkopf für einen Lenkflugkörper zur Erfassung und Verfolgung eines mittels Laserpulsen markierten Zieles (Z), der einen die reflektierten Laserstrahlen und einen die von dem Ziel (Z) emittierte IR-Strahlung aufnehmenden Detektor (12, 16) aufweist und mit einer Signalverarbeitungselektronik (20) die nach Zielmarkierung durch die Laserpulse die Zielanflugphase des Lenkflugkörpers steuernden Lenksignale liefert, gekennzeichnet durch einen auf die reflektierte Laserstrahlung ansprechenden 4-Quadranten-Detektor (12) und ein auf die vom Ziel (Z) emittierte IR-Strahlung ansprechendes ungekühltes bildgebendes IR-Bolometer (16), welche über ein gemeinsames bispektrales Objektiv (18) gespeist werden, dies alles in derartiger Anordnung, dass über die Signalverarbeitungselektronik (20) nach erfasster Laser-Zielmarkierung die Lenksignale für den Ziel-Endanflug des Lenkflugkörpers allein über die Signale des bildgebenden IR-Bolometers (16) erzeugt werden.
2. Dual-Mode-Suchkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die über das Objektiv eintretenden Strahlen über einen Strahlenteiler (14) spektral getrennt einem Laser- und einem IR-Kanal zuführbar sind und dass der 4-Quadranten-Detektor (12) und der Strahlenteiler (14) längs der optischen Achse (15) des Suchkopfes hintereinander liegend angeordnet sind.
3. Dual-Mode-Suchkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als bilderzeugendes Brennebenen-Array ein bildgebendes IR-Bolometer (16) verwendet ist, das in einem Wellenbereich von etwa 10 μm arbeitet.
4. Dual-Mode-Suchkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als 4-Quadranten-Detektor InGaAs-Dioden verwendet sind, die in einem Wellenbereich von 1.05 μm bis 1.55 μm arbeiten.
5. Dual-Mode-Suchkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Anpassung der Bildfelder von 4-Quadranten-Detektor (12) und bildgebendem IR-Bolometer (16) dem Strahlenteiler (14) eine die Gesamtbrennweite des Laserkanals gegenüber der Brennweite des Objektivs (18) verkürzende Relay-Optik (13) nachgeschaltet ist.
6. Dual-Mode-Suchkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Entdeckung und Identifizierung (Zielsignatur) des lasermarkierten Ziels (Z) auftretenden Analogsignale des 4-Quadranten-Detektors (12) über A/D-Wandler als digitale Signale der Signalverarbeitungselektronik (20) zuführbar sind, die nach Ermittlung der Zielsignatur auch die von dem als Brennebenen-Array ausgebildeten IR-Bolometer (16) gelieferten digitalen Signale in die den Zielendanflug des Flugkörpers steuernde Lenksignale umformt.
7. Dual-Mode-Suchkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Suchkopf über Mittel zur Steuerung seiner Visierlinie verfügt.
8. Verfahren zur Erfassung und Verfolgung eines von einem Lenkflugkörper zu erreichenden Ziels unter Verwendung eines mit einem Laser- und einem bildgebenden IR-Detektor (12, 16) ausgestatteten Suchkopfes, insbesondere eines Dual-Mode-Suchkopfes nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielaufschaltung auf ein mittels Laserpulsen markiertes Ziel (Z) durch folgende Phasen erfolgt: – Entdecken der am Ziel (Z) reflektierten Laserstrahlung durch den Detektor (12), – Ausrichtung der Visierlinie auf das Ziel (Z) durch Steuerung der Visierlinie mit Hilfe von Ablagesignalen, die die Signalverarbeitungselektronik (20) aus den Signalen des Detektors (12) erzeugt, – Aufschaltung der Signalverarbeitungselektronik (20) des Sensors (16) auf die IR-Kontur in einem wählbaren Bereich um die Bildmitte, – Nachführung der Visierlinie auf das Ziel (Z) durch Steuerung der Visierlinie mit Hilfe von Ablagesignalen, die die Signalverarbeitungselektronik (20) aus den Signalen des Detektors (16) erzeugt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Identifizierung einer zeitlichen Kennung in der Abfolge der Laserpulse die vom Detektor (12) aufgenommenen Signale in ihrer zeitlichen Abfolge mit der vorprogrammierbaren Kennung verglichen werden und nur bei erkannter Übereinstimmung die Aufschaltung des Detektors (16) auf eine IR-Kontur freigegeben wird.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgter Aufschaltung des Detektors (16) ein Signal an den Zielbeleuchter übermittelt wird, das zur Abschaltung des Zielbeleuchters genutzt werden kann.