DE102007014290A1 - Optisches System und Verfahren zur Geschossbahnnachbildung mittels Laserstrahl - Google Patents
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Abstract
Bei einem optischen System zur Geschossbahnnachbildung mittels Laserstrahls besteht die Aufgabe, ein robustes optisch-mechanisches System zur Schuss- und Treffersimulation bereitzustellen, das eine geringere Anfälligkeit gegenüber mechanischen Störungen aufweist, leicht und einfach im Aufbau ist und die Geschossballistik bei der Simulation berücksichtigt. Das optische System weist mehrere Sendekanäle zur Abgabe von Laserstrahlenbündeln und einen Empfangskanal zum Empfang von an einem Ziel reflektierter Strahlung auf, wobei für verschiedene Zielentfernungsbereiche unterschiedliche Sendekanäle vorgesehen sind, die in einer vertikalen Ebene unterschiedliche, den verschiedenen Zielentfernungsbereichen angepasste, fest vorgegebene Abstrahlrichtungen aufweisen.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches System zur Geschossbahnnachbildung mittels Laserstrahl mit mehreren Sendekanälen zur Abgabe von Laserstrahlenbündeln und einem Empfangskanal zum Empfang von an einem Ziel reflektierter Strahlung.
- Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Geschossbahnnachbildung mittels Laserstrahl.
- Duellsimulatoren sind Ausbildungsgeräte, mit denen die Wirkung der eigenen Waffe auf Ziele gefechtsmäßig dargestellt werden kann.
- Hierbei werden zur Simulation des scharfen Schusses Systeme verwendet, die aus einem Lasersender, dem Schusssimulator als aktives und einem Empfängersystem als passives Teil bestehen, wobei der aktive Teil an der Waffe und der passive Teil am gegnerischen Waffensystem oder bei Infanteristen an der Ausrüstung angebracht ist.
- Bekannte technische Lösungen, mit denen unter Beachtung der Geschossballistik eine Schuss- und Treffersimulation durchgeführt werden kann, weisen Nachteile auf, indem scannende Systeme mit mechanisch bewegten Teilen genutzt werden, die störanfällig und wenig schockresistent sind.
- Aus der
DE 100 50 691 A1 ist es zur Erzielung größerer Reichweiten bekannt, einen aus Laserimpulsen zusammengesetzten ersten Laserstrahl auszusenden und die Flugbahn des abgefeuerten virtuellen Schusses zu berechnen und fortlaufend die Abweichungen der Flugbahn von der Zielrichtung zum Schusszeitpunkt zu ermitteln. Der erste Laserstrahl wird entsprechend den Flugbahnabweichungen geschwenkt, die Laufzeit der von Ziel reflektierten Laserimpulse des ersten Laserstrahls gemessen und daraus die Zielentfernung bestimmt. - Stimmen berechnete Flugzeit eines abgefeuerten virtuellen Geschosses mit der vom Schusszeitpunkt bis zum Empfang der reflektierten Laserimpulse vergangenen Zeit innerhalb eines Toleranzbereiches überein, wird ein zweiter codierter Laserstrahl in die vom ersten Laserstrahl zuletzt eingenommene Senderichtung ausgesendet. Der Trefferschaden wird aus der Lage des den Laserstrahl empfangenen Detektors am Ziel und aus den durch die Codierung übermittelten Informationen berechnet.
- Die
US 4 959 016 A beschreibt einen Simulator, bei dem ein gepulster Laserstrahl vertikal gescannt wird, währenddessen die Pulswiederholrate als Funktion des Scanwinkels variiert wird. - Eine Strahlnachführung ist auch bei der
DE 31 08 562 A1 und derDE 35 43 698 A1 vorgesehen. DieDE 35 43 698 A1 beschreibt eine Vorrichtung mit einem Lichtscansystem und einer Entfernungsmesselektronik zum Vermessen der mit Reflektoren ausgerüsteten Ziele in Verbindung mit mindestens einem, auf alle Punkte im Scanbereich ausrichtbaren Informationslichtsender zur Informationsübertragung. Weitere Maßnahmen werden getroffen, um eine Zielverfolgung zu ermöglichen. - Gemäß der
EP 1 159 578 B1 wird der Sendestrahl nach Auslösen eines simulierten Schusses in einer Ebene geschwenkt. Dem Sendestrahl werden Informationen zur Position und vertikalen Ausrichtung der Waffe sowie der Waffen- und Geschossart aufmoduliert. Im Ziel werden aus der zum Ziel übertragenen Waffeninformation und der bekannten Zielposition der virtuelle Geschosseinschlag und die Entfernung zwischen Ziel und Waffe bestimmt. Stimmen Zielposition und berechneter Geschosseinschlag überein, wird ein Treffer angezeigt. - Von Nachteil ist der hohe technische Aufwand, der für die Ausstattung des Senders und des Ziels betrieben werden muss, um die Wirkung des Schusses am Ziel anzeigen zu können.
- Aufgabe der Erfindung ist es, ein robustes optisch-mechanisches System zur Schuss- und Treffersimulation bereitzustellen, das eine geringere Anfälligkeit gegenüber mechanischen Störungen aufweist, leicht und einfach im Aufbau ist und die Geschossballistik bei der Simulation berücksichtigt.
- Diese Aufgabe wird bei einem optischen System zur Geschossbahnnachbildung mittels Laserstrahl der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass für verschiedene Zielentfernungsbereiche unterschiedliche Sendekanäle vorgesehen sind, die in einer vertikalen Ebene unterschiedliche, den verschiedenen Zielentfernungsbereichen angepasste, fest vorgegebene Abstrahlrichtungen aufweisen.
- Dadurch werden bewegliche Teile vermieden, so dass eine hohe Stabilität des optischen Systems erreicht wird, mit dem sich auf einfache Weise für unterschiedliche Zielentfernungen die ballistische Geschossbahn simulieren lässt.
- Die Sendekanäle sind bevorzugt mit Sendeköpfen ausgestattet, wobei in jeden der Sendeköpfe mindestens eine, mit einer Laserstrahlungsquelle verbundene optische Faser geführt ist und jeder der Sendeköpfe strahlausgangsseitig mit einer Sendeoptik versehen ist.
- Ein für direktes Richten vorgesehener erster Sendekopf, in den eine einzelne, mit einer Laserstrahlungsquelle verbundene optische Faser geführt ist, weist als Sendeoptik eine strahlaufweitende Optik auf.
- Zur Berücksichtigung der Geschossballistik bei weiter entfernten Zielen sind in mindestens einen weiteren Sendekopf mindestens zwei der optischen Fasern geführt und mit fester gegenseitiger Ausrichtung in dem Sendekopf fixiert, wobei von den optischen Fasern ausgehende Laserstrahlenbündel durch die Sendeoptiken vertikal unterschiedlich gerichtet sind.
- Da insbesondere die optischen Fasern in dem Sendekopf zueinander ausgerichtet vergossen beziehungsweise verklebt sind, bilden die Sendeköpfe einfach justierbare, kompakte Systembestandteile, die zusammen mit einem Empfänger stabil auf einem gemeinsamen Träger aufgebracht sind und ihre Lage auch bei den hohen Beschleunigungen der Waffe nicht verändern.
- Vorteilhaft sind die Sendeköpfe auf dem gemeinsamen Träger in vertikaler Richtung unterschiedlich geneigt befestigt, wodurch die Laserstrahlenbündel definierte Überlappungsbereiche aufweisen.
- Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Geschossbahnnachbildung mittels Laserstrahl, das folgende Verfahrensschritte aufweist:
- – Anvisieren des Ziels und Aussenden von Laserentfernungsmessimpulsen aus mehreren, unterschiedlichen Zielentfernungsbereichen zugeordneten Sendekanälen,
- – Empfangen der vom Ziel reflektierten Strahlung und Ermittlung der Entfernung zum Ziel durch Laufzeitmessung,
- – Auswahl und Aktivierung mindestens eines Sendekanals, der dem Zielentfernungsbereich zugeordnet ist, in dem die ermittelte Zielentfernung liegt.
- Insbesondere ist es bei einem sehr steilen Verlauf der ballistischen Kurve von Vorteil, wenn für eine ermittelte Zielentfernung mehrere Kanäle zum Senden eines optischen Treffercodes ausgewählt werden.
- Bevorzugt erfolgt bei jedem simulierten Schuss im gesamten Wirkungsbereich der Waffe eine systeminterne Entfernungsbestimmung des Ziels mit allen Sendekanälen.
- Indem unterschiedliche Sendekanäle mit verschieden gerichteten Laserstrahlenbündeln verwendet und in Abhängigkeit von der ermittelten Zielentfernung eingeschaltet werden, lässt sich die Geschossballistik bei der Simulation auf einfache Weise berücksichtigen, so dass nicht nur im Nahfeld, sondern auch im Fernfeld eine zuverlässige Nachbildung der originalen Trefferwahrscheinlichkeit mit einem optimalen Laserstrahlprofil gewährleistet ist.
- Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
-
1 das Optikschema einer ersten Ausführungsform eines optischen Systems zur Geschossbahnnachbildung für kürzere Zielentfernungen -
2 den mechanischen Aufbau des Systems gemäß1 in einer perspektivischen Darstellung -
3 das Optikschema einer ersten Ausführungsform eines optischen Systems zur Geschossbahnnachbildung für größere Zielentfernungen -
4 den mechanischen Aufbau des Systems gemäß3 in einer perspektivischen Darstellung -
5 den Verlauf der Geschosskurve zur Visierlinie und zum Laserstrahl des Simulators bei korrekter Visiereinstellung -
6 den Verlauf der Geschosskurve zur Visierlinie und zum Laserstrahl des Simulators bei falscher Visiereinstellung -
7 ein Flussdiagramm für eine Schusssimulation - Das zur realitätsnahen, laserbasierten Geschossbahnnachbildung für Duellsimulatoren an Handfeuerwaffen größerer Reichweite geeignete optische System weist gemäß
1 und2 mehrere, unterschiedlichen Zielentfernungsbereichen zugeordnete Sendekanäle und einen Empfangskanal auf. - Hierfür sind auf einem gemeinsamen Träger
1 insbesondere zwei Sendeköpfe2 ,3 für die Sendekanäle und eine Empfängereinheit, bestehend aus einem Empfänger4 und einer Empfangslinse25 , für den Empfangskanal vorgesehen. Während der erste Sendekopf2 von einer als Laserdiode ausgebildeten ersten Laserstrahlungsquelle5 über eine erste optische Faser5 gespeist wird, sind für den Sendekopf3 zwei ebenfalls als Laserdioden ausgebildete und über optische Fasern7 ,8 angeschlossene Laserstrahlungsquellen9 ,10 vorgesehen. Die optischen Fasern6 ,7 ,8 sind in den Sendeköpfen2 ,3 , die strahlausgangsseitig mit Sendeoptiken11 ,12 abschließen, fest vergossen. - Während der erste Sendekopf
2 für das Nahfeld und somit für direktes Richten auf Zielentfernungen bis ca. 200–300 m vorgesehen ist, berücksichtigt der zweite Sendekopf3 die Geschossballistik, indem die beiden optischen Fasern7 ,8 durch die vorgeschaltete Sendeoptik12 in einer vertikalen Ebene in unterschiedliche Richtungen abstrahlen, so dass eine Schusssimulation für mittlere und größere Entfernungen durchgeführt werden kann. Die Sendeoptik11 des ersten Sendekopfes2 ist strahlaufweitend ausgebildet, um auf kurze Entfernungen im Ziel einen hinreichend großen Lichtfleck erzeugen zu können. - Wie
1 zu entnehmen ist, sind die Laserstrahlenbündel12.1 ,12.2 des zweiten Sendekopfes3 übereinander gelegt, d. h. sie weisen keinen Strahlungsüberlappungsbereich auf. Ein solcher besteht jedoch zwischen dem Laserstrahlenbündel12.1 des zweiten Sendekopfes3 zum Laserstrahlenbündel11.1 des ersten Sendekopfes2 . - Eine zweite Ausführung der Erfindung, wie sie in den
3 und4 gezeigt wird, weist für die für unterschiedliche Zielentfernungsbereiche vorgesehenen Sendekanäle drei Sendeköpfe13 ,14 ,15 und eine Empfängereinheit, bestehend aus einem Empfänger16 und einer Empfangslinse26 , für den Empfangskanal auf, wobei ein erster Sendekopf13 , wie bei der Ausführung gemäß1 ,2 , für das Nahfeld ausgebildet ist. Die beiden weiteren Sendeköpfe14 ,15 sind für Zielentfernungen ausgelegt, bei denen die Geschossballistik berücksichtigt werden muss. Deshalb sind in jeden der weiteren Sendeköpfe14 ,15 mehrere, in diesem Ausführungsbeispiel bevorzugt vier, von Laserstrahlungsquellen17 ausgehende optische Fasern18 ,19 eingelassen und parallel zueinander ausgerichtet jeweils im Sendekopf14 oder15 fest vergossen. Die strahlausgangsseitig angeordnete Sendeoptik20 ist für den Sendekanal13 zum direkten Richten als strahlaufweitende Optikausgebildet. Die Sendeoptiken21 ,22 der weiteren Sendeköpfe14 ,15 richten die ausgesendeten Laserstrahlenbündel14.1 bis14.4 und15.1 bis15.4 in unterschiedliche Höhen, so dass die Laserstrahlenbündel14.1 bis14.4 und15.1 bis15.4 in einer vertikalen Ebene unterschiedliche, verschiedenen Zielentfernungsbereichen angepasste, fest vorgegebene Strahlrichtungen aufweisen. Als Laserstrahlungsquellen eignen sich z. B. einzelne Laserdioden eines Laserdiodenbarrens, aus denen die Laserstrahlung in bekannter Weise in die optischen Fasern18 ,19 eingekoppelt wird. - Die Ausführung gemäß
3 ,4 ist gegenüber der Ausführung entsprechend1 ,2 dadurch verbessert, dass die Laserstrahlenbündel13.1 ,14.1 bis14.4 und15.1 bis15.4 aller Sendekanäle Strahlüberlappungsbereiche23 aufweisen. Das hat den Vorteil, dass nicht beleuchtete Fehlstellen vermieden werden können. - Hierfür sind insbesondere die beiden zueinander justierbaren Sendeköpfe
14 ,15 in einer vertikalen Ebene zueinander geneigt ausgerichtet, so dass sich die in unterschiedliche Richtungen abgegebenen Laserstrahlenbündel14.1 bis14.4 des einen Sendekopfes14 mit den Laserstrahlenbündeln15.1 bis15.4 des anderen Sendekopfes15 gegenseitig verzahnen (3 ). - Mit
24 ist in3 ,4 die in den Sendekopf13 geführte optische Faser bezeichnet. - Mit dem erfindungsgemäßen optischen System kann eine Schusssimulation in folgender Weise durchgeführt werden.
- Das Ziel wird zunächst durch Anvisieren mit der Waffe nach simulierter Schussauslösung mit allen Lasern beleuchtet, indem alle Sendekanäle einen Laserentfernungsmessimpuls aussenden. Sofern durch die Ausrichtung der Waffe das Ziel nicht völlig verfehlt wird, trifft ein Laserstrahlenbündel
11.1 ,12.1 ,12.2 ,13.1 ,14.1 bis14.4 oder15.1 bis15.4 mindestens eines Sendekanals auf das Ziel, so dass aus der Laufzeit des resultierenden und vom Empfänger4 ,16 registrierten Reflexes die Zielentfernung ermittelt werden kann. Da die Sendekanäle entsprechenden Zielentfernungsbereichen zugeordnet sind, indem das von diesem Sendekanal abgegebene Laserstrahlenbündel die bekannte waffenspezifische ballistische Kurve bei der festgestellten Entfernung schneidet, kann nachfolgend mindestens ein für die Schusssimulation zu verwendender Sendekanal bezüglich der festgestellten Zielentfernung ausgewählt werden. Mehrere Sendekanäle können insbesondere bei sehr großen Entfernungen ausgewählt werden, bei denen die ballistische Kurve sehr steil verläuft. In jedem Fall erfolgt die Sendekanalaktivierung entsprechend der Geschossballistik, d. h. zugeordnet zu einem Zielentfernungsbereich, in dem die festgestellte Zielentfernung liegt. Der aktivierte Sendekanal sendet einen optischen Treffercode zum Ziel. Eine Fehlbedienung der Visiereinrichtung der Waffe, z. B. falsche Visiereinstellung oder falscher Anhaltepunkt am Ziel, führen zum Fehlschuss (5 und6 ). Hierin sind die Geschosskurve als durchgängige Linie, die Visierlinie als Strich-Punkt-Linie und das Laserstrahlenbündel des Simulators als gestrichelte Linie dargestellt. - Über bekannte Verfahren werden die Sendekanäle und der Empfangskanal mittels Justiervorrichtungen zur Visierlinie der Waffe ausgerichtet. Bevorzugt wird der für das direkte Richten vorgesehene Sendekanal zur Visierlinie ausgerichtet.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- - DE 3543698 A1 [0009, 0009]
- - EP 1159578 B1 [0010]
Claims (8)
- Optisches System zur Geschossbahnnachbildung mittels Laserstrahl mit mehreren Sendekanälen zur Abgabe von Laserstrahlenbündeln und einem Empfangskanal zum Empfang von an einem Ziel reflektierter Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass für verschiedene Zielentfernungsbereiche unterschiedliche Sendekanäle vorgesehen sind, die in einer vertikalen Ebene unterschiedliche, den verschiedenen Zielentfernungsbereichen angepasste, fest vorgegebene Abstrahlrichtungen aufweisen.
- Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendekanäle Sendeköpfe (
11 –15 ) aufweisen, wobei in jeden der Sendeköpfe (11 –15 ) mindestens eine, mit einer Laserstrahlungsquelle (5 ,9 ,10 ,17 ) verbundene optische Faser (6 ,7 ,8 ,18 ,19 ,24 ) geführt ist und jeder der Sendeköpfe (11 –15 ) strahlausgangsseitig mit einer Sendeoptik (11 ,12 ,20 –22 ) versehen ist. - Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein für direktes Richten vorgesehener erster Sendekopf (
2 ,13 ), in dem eine einzelne, mit einer Laserstrahlungsquelle (5 ,17 ) verbundene optische Faser (6 ) geführt ist, als Sendeoptik (11 ,20 ) eine strahlaufweitende Optik aufweist. - Optisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einen weiteren Sendekopf (
12 ,14 ,15 ) mindestens zwei der optischen Fasern (7 ,8 ,18 ,19 ) geführt und mit fester gegenseitiger Ausrichtung in dem Sendekopf (12 ,14 ,15 ) fixiert sind, wobei von den optischen Fasern (7 ,8 ,18 ,19 ) ausgehende Laserstrahlenbündel (12.1 ,12.2 ,14.1 –14.4 ,15.1 –15.4 ) durch die Sendeoptiken (12 ,21 ,22 ) vertikal unterschiedlich gerichtet sind. - Optisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeköpfe (
14 ,15 ) in vertikaler Richtung unterschiedlich geneigt sind. - Optisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlenbündel (
13.1 ,14.1 –14.4 ,15.1 –15.4 ) definierte Überlappungsbereiche (23 ) aufweisen. - Verfahren zur Geschossbahnnachbildung mittels Laserstrahl mit einem optischen System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Anvisieren des Ziels und Aussenden von Laserentfernungsmessimpulsen aus mehreren, unterschiedlichen Zielentfernungsbereichen zugeordneten Sendekanälen, – Empfangen der vom Ziel reflektierten Strahlung und Ermittlung der Entfernung zum Ziel durch Laufzeitmessung, – Auswahl und Aktivierung mindestens eines Sendekanals, der dem Zielentfernungsbereich zugeordnet ist, in dem die ermittelte Zielentfernung liegt.
- Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem simulierten Schuss im gesamten Wirkungsbereich der Waffe eine systeminterne Entfernungsbestimmung des Ziels mit allen Sendekanälen erfolgt.
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