DE1448714C1 - Einrichtung zur Bestimmung der raeumlichen Winkellage einer Strahlungsquelle gegenueber einer Bezugsrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der räumlichen Winkellage einer Strahlungsquelle gegenüber einer Bezugsrichtung, die durch die Achse einer Sammeloptik definiert ist, welche die Strahlungsquelle auf einen Strahlungs-' detektor abbildet, vor dem sich eine mit konstanter Geschwindigkeit rotierende Zerhackerscheibe befindet, die strahlungsdurchlässige und strahlungsuridurchlässige Bereiche aufweist, deren Randkurven so gewählt sind, daß entsprechend dem Abstand der Strahlungsquelle von der, Bezugsachse Detektor-Signale unterschiedlicher Länge entstehen, während die Winkellage durch einen Vergleich der Phasenlage des vorgenannten Signals mit einer Bezugsphase gewinnbar ist.

Einrichtungen dieser Art sind bekannt. Sie werden hauptsächlich im militärischen Bereich eilige-^ setzt und sprechen auf Quellen nichtkohärenter elektromagnetischer Energie an, insbesondere auf optische Strahler, des Infrarotbercichs. In Luftab- ao wehrraketen dienen sie der räumlichen Winkellagebestimmung zu bekämpfender Luftfahrzeuge in bezug auf die Flugrichtung der Abwehrrakete oder deren Längsachse.

Die Fig. ι bis 5 dienen der näheren Erläuterung. des Aufbaus und der Funktion dieser bekannten Einrichtungen an Hand eines typischen Ausführungsbeispiels derselben.

In Fig. ι ist mit einem unterbrochen gezeichneten Strahl 1 die von einer nichtgezeigten, in der Zeichnung links von der gezeigten Einrichtung befindlichen Strahlungsquelle einfallende Strahlung symbolisiert. Sie gelangt zunächst auf einen Sammelspiegel 2, wird von diesem auf einen Sekundär-

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spiegel 3 reflektiert und schließlich auf einen Strahlungsdetektor 4, beispielsweise eine Infrarotzelle, geworfen. Der Sammelspiegel 2 und der Sekundärspiegel 3 sind auch durch eine andere an sich bekannte Sammeloptik ersetzbar und im folgenden als solche bezeichnet. Im Strahlengang vor dem Strahlungsdetektor 4 befindet sich eine mit konstanter Geschwindigkeit um die Symmetrieachse 8 der Sammeloptik rotierende Zerhackerscheibe 5, die gemäß ihrem in Fig. 2 gezeigten einfachen, jedoch typischen Ausführungsbeispiel einen strahlungsundurchlässigen, schraffiert gezeichneten herzförmigen Bereich 6, im übrigen einen strahlungsdurchlässigen Bereich aufweist. Wegen der herzförmigen Gestaltung des strahlungsundurchlässigen Bereichs entstehen entsprechend dem Abstand der Strahlungsquelle von der Achse 8, die die Bezugsachse darstellt, bei einfallender Strahlung Detektorsignale unterschiedlicher Länge. Die Winkellage der Strah-

ao lungsquelle ist durch einen Vergleich der Phasenlage der vorgenannten Detektorsignale mit einer Bezugsphase gewinnbar.

Aus der Richtung der Strahlungsquelle~fallt außer deren Nutzstrahlung bei der gezeigten Einrichtung im allgemeinen aus dem Hintergrund der Strahlungsquelle her eine flächenförmige Hintergrundstrahlung als Störstrahlung ein. Um den Einfluß dieser Störstrahlung zu eliminieren, ist es bekannt, dem strahlungsdurchlässigen Bereich der Zerhackerscheibe eine Rasterung zu geben, wie sie in Fig. 2 in Form einer Speichenrasterung 7 dargestellt ist. Solange die Zielstrahlung als punktförmig angesehen werden kann, entsteht am Detektor 4 ein Signal, wie es in Fig. 3 a gezeigt ist. Es besteht aus einer Folge von mit der Rasterungsfrequenz »hochfrequent« zerhackten Impulszügen 9, die der punktförmige Zielstrahler verursacht, und »niederfrequenten« Grundwellenanteilen gemäß Fig. 3 b, die durch einen flächenförmigen Hintergrundstrahler bedingt sind.

Durch ein auf die Rasterungsfrequenz abgestimmtes Filter werden nur die hochfrequenten Impulszüge 9 zur Auswertung durchgelassen. Die Länge der Impulszüge 9 bestimmt die Größe der radialen Ablage des Ziels, während die in Fig. 3 a durch 10 symbolisierte Phasenlage der Impulszüge 9 gegenüber einer Bezugsphase für die Richtung der Ablage maßgeblich ist.

In Fig. 4 ist das Spektrum der Zeitfunktion nach Fig. 3 a der am Detektor 4 stehenden, vom Ziel (der Nutzstrahlungsquelle) herrührenden Energie aufge-■ tragen. Hierbei ist ^₁ die Drehzahl der Zerhackerscheibe und f_T = f_x-n die »hochfrequente« Komponente, wobei η (ganzzahlig) die Zahl der Speichen, bezogen auf die Gesamtscheiben, ist. Selbstverständlich sind, herrüBrend von der rechteckförmigen Modulation, außer den beiden gezeichneten Seitenlinien /y ± f_± noch weitere Linien vorhanden, die aber ihrer geringen Amplitude wegen und der Deutlichkeit halber weggelassen wurden.

Fig. 5 zeigt das Blockschaltbild einer typischen Einrichtung bekannter Art für die Aufbereitung der Zielinformation. Die Infrarotzelle 11" entsprechend dem Detektor 4 in den bisher beschriebenen Einrichtungen steuert einen Bandpaßverstärker 12 an, der im wesentlichen außer f_T die beiden in Fig. 4 eingezeichneten spektralen Seitenlinien f_T ± f_t überträgt. Seine Ausgangsspannung wird einerseits in einem Demodulator 13 detektiert, um den Modulationsinhalt zu gewinnen, andererseits erfolgt Spit- 70· zengleichrichtung durch einen Gleichrichter 14 und Rückführung in den Verstärker 12 zur Verstärkungsregelung in an sich bekannter Weise. In einem Niederfrequenzbandpaßverstärker 15, der im wesentlichen nur die Frequenz f_t passieren läßt, erfolgt in an sich bekannter'Weise die Umwandlung der in der Impulsbreite enthaltenen Zielinformation in eine der Impulsbreite proportionale annähernd sinusförmige Spannung, die nach Betrag und Phase die Lage des Zieles bezüglich der optischen Achse und einer Bezugsebene kennzeichnet.

Weiter oben wurde in Verbindung mit der Beschreibung der Fig. 2 eine mit Speichen versehene Zerhackerscheibe angenommen, wobei die Speichen als Feinrasterung des durchlässigen Teils der Zerhackerscheibe bezeichenbar sind. Selbstverständlich sind auch andere Rasterungen dieser Scheibe als die gezeigte, z. B. schachbrettartige Rasterungen, möglich und im Gebrauch. Die speziell zu wählende optimale Rasterung hängt vom jeweiligen Anwendungsfall ab.

Infrarot-Zielsuchköpfe in Flugkörpern mit einer optimalen Rasterung der Zerhackerscheibe zu versehen, ist allerdings grundsätzlich unmöglich. Die in Betracht kommenden Ziele stellen nämlich nicht exakte Punkt-, sondern immer Flächenstrahler — wenn auch begrenzter Abmessungen im Vergleich zu ihren üblichen Hintergrundstrahlern — dar. In größerer Entfernung wird das Ziel trotzdem als Punktstrahler, bezogen auf die Abbildungs- 10a ebene, dargestellt. Im Verlauf des Annäherungsvorganges wächst das Bild und gelangt im allgemeinen in die Größenordnung der verwendeten Rasterung. Demzufolge sinkt der vom Ziel herrührende Anteil der vom Strahlungsdetektor abgegebenen »hochfrequenten« Komponente der Wechselleistung ab, ja es treten sogar Nullstellen dieser Komponente auf.

In Fig. 6ä, 6 b, 6 c ist für drei willkürlich, aber für die Beschreibung zweckmäßig gewählte abnehmende Abstände zum Ziel der zeitliche Verlauf der vom Strahlungsdetektor abgegebenen Leistung für den idealisierten Fall fehlender Hintergrundstrahlung dargestellt. Fig. 6 a zeigt den für einen Punktstrahler gültigen Verlauf. In Fig. 6 b erkennt man das Absinken der »hochfrequenten« Amplitude, die dann schließlich gemäß Fig. 6 c nur noch in Form von Oberwellen \^ron Z₁ vorhanden ist. Diese Oberwellen sind jedoch nicht zur Gewinnung einer Information über ein Ziel auswertbar, weil sie das Filter 12 in Fig. 5 nicht passieren können.

Um eine Vorstellung vom Verlauf der auswertbaren »hochfrequenten« Energie^ über die Entfernung zum Ziel L bei festgehaltenen Parametern (im wesentlichen Zielstrahler-Ausdehnung, öffnungswinkel der Optik, Zerhackerscheiben-Durchmesser,

Anzahl der Speichen und Lage des Bildes des Strahlers auf der Zerhackerscheibe) zu geben, erfolgt in Fig. 7 eine Darstellung des typischen Verlaufes derselben im doppelt-logarithmischen Maß-■5 stab. Man erkennt, daß mit Annäherung an das Ziel, also mit abnehmendem L, mit zunehmender Häufigkeit Einbrüche des Signals erfolgen. Die ersten dieser Einbrüche treten in so großer Entfernung vom Ziel, beispielsweise in ι km Entfernung,

ίο auf, daß sie noch die Flugbahn des Flugkörpers beeinflussen können. Allerdings ist durch die im Gesamtsystem des Flugkörpers notwendigerweise vorhandenen Zeitkonstanten der Steuer- und Regelkreise eine Überbrückung dieser Einbrüche möglieh. Dies gilt jedoch nicht in dem praktisch immer gegebenen Fall, daß sich im Öffnungsbereich der Sammeloptik außer dem Zielstrahler ein weiterer

. detektierbarer' Hintergrundstrahlungsschwerpunkt befindet, der dazu Anlaß gibt, daß während des Ausfallens der vom Ziel herrührenden Information Steuerkommandos aufgebaut werden, die der Lage dieses Hintergrundstrahlungsschwerpunktes entsprechen. Hierdurch werden ernstliche Störungen der Flugbahn des Flugkörpers verursacht. Dies geht auch aus Schießberichten hervor, in denen über den Einsatz von durch Infrarot-Zielsuchköpfe gelenkten Flugkörpern gegen durch Fackeln dargestellte Ziele und gegen wahre Ziele berichtet ist. Während die auch bei großer Annäherung noch als Punktstrahler wirkenden Fackeln einwandfrei getroffen wurden, zeigten sich beim Einsatz gegen- wahre Ziele starke Abweichungen von der richtigen Flugbahn und unzulässig große Tref fehler.

Der Erfindung liegt.die Aufgabe zugrunde, eine' Einrichtung der einleitend genannten Art so auszubilden, daß die an Hand der Fig. 6 erläuterten Nullstellen praktisch keinen Einfluß auf die sichere Arbeitsweise der Einrichtung ausüben, wobei in bekannter Weise zur Eliminierung des Einflusses einer Hintergrundstrahlung der durchlässige Bereich der Zerhaekerscheibe eine Feinrasterung aufweist.

Die Erfindung - besteht bei dieser Einrichtung darin, daß auf der Zerhaekerscheibe mindestens zwei sich jeweils über gleich große Winkel erstrekkende Paare von strahlungsdurchlässigen und strahlungsundurchlässigen Bereichen vorgesehen sind, von denen die strahlungsdurchlässigen Bereiche unterschiedliche Feinrasterungen aufweisen, daß an -dem Strahlungsdetektor zwei Auswertekanäle über je ein auf eine Feinrasterfrequenz abgestimmtes Bandfilter angeschlossen sind, die zusammen zwei unabhängige Lageinformationen liefern, und daß

- die beiden unabhängigen Lageinformationen mit einer Phasenverschiebung von i8o° in einem gemeinsamen Auswertekanal summiert werden.

Es sei zunächst noch einmal auf die Fig. 7 Bezug

. genommen. Dort war für eine bestimmte Parametergruppe der Signalverlauf bei einer bestimm- ten Rasterung über der Entfernung aufgetragen. Für sonst gleiche Parameter würde man bei einer anderen Rasterung (z.B. bei abweichender Anzahl der Speichen) zwar den gleichen grundsätzlichen Verlauf erhalten, jedoch würden sich.die Nullstellen gegenseitig ausschließen. In Fig. 8 ist der, sich analog'zu Fig. 7 einstellende Signal verlauf für die beiden Rasterungen dargestellt. Dieser Sachverhalt ist nochmals aus Fig. 9 zu ersehen. Hier ist die Läge der Nullstellen in der Entfernung L₀ über der Ablage α des Zieles, bezogen auf die optische Achse der Meßanordnung, dargestellt. Die ausgezogene Kurvenschar gilt für die eine Rasterung, die gestrichelte für die andere. Diese Rasterungen ent' sprechen beispielsweise derjenigen der Zerhaekerscheibe nach Fig. 10, die sich auszeichnet durch das -erfindungsgemäße Merkmal zweier sich über gleich große Winkel erstreckender Paare von strahlungsdurchlässigen und strahlungsundurchlässigen Bereichen, von denen die strahlungsdurchlässigen Bereiche unterschiedliche Feinrasterungen aufweisen. Während der Annäherung zum Ziel wird gemäß Fig. 8 vom rechten oberen Bereich auf einer beliebigen, vom Flugbahnverlauf abhängigen Kurve der linke untere erreicht. Von besonderem Interesse für die Steuerung sind hierbei die zuerst durchlaufenen Nullstellen. Wenn man annimmt, daß die Entfernung L₀ monoton abnimmt, so werden abwechselnd Nullstellen der einen und der anderen Rasterung wirksam. Durch Zusammenführen der beiden von den zwei verschiedenen Rasterungen herrührenden Zielinformationen kann man über den ganzen Flugbahnverlauf eine winkelmäßige Bestimmung des Zieles durchführen. Beim Abtasten eines Punktstrahlers durch Drehen der Zerhaekerscheibe nach Fig. 10 erhält man also mit einer Phasenverschiebung von i8o°, bezogen auf die Drehfrequenz f_v zweimal eine Information über die Lage des Zieles.

In Fig· ιΪa, lib, Hc sind wieder analog zur Fig. 6 für drei Abstände zum Ziel der zeitliche Ver^ lauf der detektierten Leistung dargestellt. Fig. 11 a zeigt wieder den für einen Punktstrahler gültigen Verlauf. In Fig. 11 b ist, der sich bei Annäherung zum Ziel einstellende Abfall der- »hochfrequenten« Amplitude abgebildet. In Fig.nc ist schließlich der Fall dargestellt, bei dem gerade eine der beiden Informationen nicht auswertbar wird. Auch bei diesen Beispielen ist der Übersichtlichkeit halber darauf verzichtet worden, eine zusätzliche Hintergrundstrahlung anzunehmen. Das_; durch diese Art von Zerhaekerscheibe nach Fig. 10 erzeugte Spektrum zeigt die Fig. 12. Man erkennt das Vorhandensein von zwei Trägerfrequenzen n_t · f_t und n₂ · Z₁ mit den um die Drehzahl ^₁ abgesetzten Seitenlinien. Die weiteren Seitenlinien sind der Übersichtlichkeit halber fortgelassen. 115/

Fig. 13 zeigt im Blockschaltbild die wesentlichen Teile einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die dieser Frequenzverteilung für die Verarbeitung der Empfangssignale angepaßt ist und bei der gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung an den Strahlungsdetektor zwei Auswertekanäle über je ein auf eine Feinrasterfrequenz abgestimmtes Bandfilter- angeschlossen sind, die zusammen zwei unabhängige Lageinformationen liefern, und bei der schließlich die beiden unabhängigen Lageinformationen mit einer Phasenverschiebung von

i8o° in einem gemeinsamen Auswertekanal summiert werden. Mit 16 ist in Fig. 13 ein Strahlungsdetektor bezeichnet, der sich hinter einer um ihre Mittenachse rotierenden Zerhackerscheibe nach Fig. 10 befindet. Die Ausgangssignale dieses Strahlungsdetektors 16 gelangen auf einen Bandpaßverstärker 17, dessen Verstärkung mit Hilfe eines Gleichrichters 17 a in an sich bekannter Weise geregelt wird. Dieser Bandpaßverstärker 17 verstärkt gleichmäßig die weiter oben genannten beiden Trägerfrequenzen und deren Seitenbänder. Je nach Abstand der beiden Träger kann man eventuell an Stelle dieses Bandpaßverstärkers 17 auch einen Verstärker mit Kammcharakteristik seines Frequenzganges verwenden. An den Verstärker 17 sind zwei Auswertekanäle eingangsseitig parallel angeschlossen, von denen der eine ein Bandpaßfilter iS und einen Amplitudendetektor 19 in Reihenschaltung enthält, während der andere aus der Reihen-

ao schaltung eines _ Filters 20, eines Amplitudendetektors 21 und eines i8o°-Phasenschiebers 22 besteht. Die Filter 18 und 20 sind jeweils auf eine der zwei Feinrasterfrequenzen abgestimmt, die sich infolge der unterschiedlichen Feinrasterungeu der Zerhackerscheibe nach Fig. 10 ergeben und die zusammen zwei unabhängige Lageinformationen liefern. Die beiden Kanäle arbeiten auf eine Summierschaltung 23, an die ein auf die Rotationsfrequenz Z₁ der Zerhackerscheibe abgestimmtes Filter

24 angeschlossen ist. Dieses Filter siebt die Grundwelle heraus, so daß am Ausgang des Filters 24 Signale zur Verfugung stehen, die ein Maß für die räumliche Winkellage der Strahlungsquelle der einfallenden Strahlung gegenüber einer Bezugsrich-

tung nach Betrag und Lage darstellen.

Durch die Einrichtung nach Fig. 13 ist nicht nur gewährleistet, daß über den ganzen Entfernungsbereich hinweg die gewünschten Zielinformationen gewonnen werden, sondern es ist auch eine Verbesserung des Störabstandes gegeben, da zweimal unabhängig voneinander eine Messung durchgeführt wird; die Nutzsignale addieren sich hierbei linear, während sich die Störsignale nach statistischen Gesetzen addieren.

Selbstverständlich ist die in Fig. 13 gezeigte Einrichtung im Sinne der Erfindung abwandelbar, beispielsweise dadurch, daß unmittelbar auf die Einheit 16 zwei geregelte Bandpaßverstärker folgen, von denen jeder für eine der Trägerfrequenzen einschließlich der zugehörigen Seitenbänder dimensioniert ist..

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH:

   Einrichtung zur Bestimmung der räumlichen Winkellage einer Strahlungsquelle gegenüber einer Bezugsrichtung, die durch die Achse einer Sammeloptik definiert ist, welche die Strahlungsquelle auf einen Strahlungsdetektor abbildet, vor dem sich eine mit konstanter Geschwindigkeit rotierende Zerhackerscheibe befindet, die ■ strahlungsdurchlässige und strahlungsundurchlässige Bereiche aufweist, deren Randkurven so gewählt sind, daß entsprechend dem Abstand der Strahlungsquelle von der Bezugsachse Detektorsignale unterschiedlicher Länge entstehen, während die Winkellage durch einen Vergleich der Phasenlage des vorgenannten Signals mit einer Bezugsphase gewinnbar ist, wobei zur Eliminierung des Einflusses einer Hintergrundstrahlung der durchlässige Bereich der Zerhakkerscheibe eine Feinrasterung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Zerhackerscheibe mindestens zwei sich jeweils über gleich große Winkel erstreckende Paare von strahlungsdurchlässigen und strahlungsundurchlässigen Bereichen vorgesehen sind, von denen die strahlungsdurchlässigen Bereiche unterschiedliche Feinrasterungen aufweisen, daß an den Strahlungsdetektor zwei Auswertekanäle über je ein auf eine Feinrasterfrequenz abgestimmtes Bandfilter angeschlossen sind, die zusammen zwei unabhängige Lageinformationen liefern, und daß die beiden unabhängigen Lageinformationen mit einer Phasenverschiebung von i8o° in einem gemeinsamen Auswertekanal summiert werden.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   ÜSA.-Patentschriften Nr. 2 820 906, 2 997 699.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

   ©009 649/46 11.70