DE2052086C3 - Rückstrahl-Ortungseinrichtung zur Richtungs- und Entfernungsbestimmung mit scharf gebündeltem Strahl - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Ortung von Objekten innerhalb eines Raumwinkelbereiches, bei der ein scharf gebündelter Strahl vorgesehen ist der den zu erfassenden Bereich dicht in Richtungsinkrementen so abtastet daß in jedem Richtungsinkrement ein im interessierenden Entfernungsbereich liegendes Ziel noch erfaßbar ist und bei der eine Empfangseinrichtung verwendet ist welche zur Richtungsbestimmung die seit Beginn der Abtastung des zu erfassenden Bereiches bis zum Echoempfang verstrichene Gesamtzeit und zur Entfernungsbestimmung die gegenüber der Abtastperiode klein gehaltene Laufzeit ermittelt, wobei die Empfangscharakteristik der Empfangseinrichtung den ganzen vom Sendestrahl abzutastenden Bereich umfaßt

Eine derartige Einrichtung ist z.B. aus der DE-PS 8 09 568 bekannt Bei den dort verwendeten Sendesignalen handelt es sich um Dauerstrich-Signale, die einer Frequenzmodulation unterworfen werden. Die Abtastbewegung des Lichtpunktes auf dem Bildschirm erfolgt synchron zur Abtastbewegung der Strahlungskeule, so daß auf diese Weise die räumliche Zuordnung (Richtung) der Abtastbewegung ermittelt wird. Zur Bestimmung der Entfernung wird durch Überlagerung des Empfangssignals mit dem ausgestrahlten Signal eine Differenzfrequenz gebildet deren Größe der Entfernung direkt porportional ist. Zur Entfernungsbestimmung dient somit als Hilfsgröße die Frequenz des Mischvorganges. Es werden also zur Ortung eines Zieles insgesamt zwei Meßvorgänge durchgeführt

Aus der US-PS 34 95 906 ist eine mit einem Impuls-Laser arbeitende Ortungseinrichtung bekannt Die aus verschiedenen Richtungen von Zielen im Erfassungsbereich einfallenden Echosignale werden in einer Reihe als Szenenbild auf einem Anzeigeschirm dargestellt Bei einer zweiten Abtastung wird die Entfernung der Ziele dadurch kenntlich gemacht, daß diese in einem der Entfernung proportionalen Abstand zur ersten Darstellung nochmals angezeigt werden.

Es ist bekannt, bei Rundsuchradargeräten die Entfernung eines Zieles durch Laufzeitmessung zu bestimmen und zur Bestimmung des Azimutwinkels mit der sich drehenden Antenne einen Winkelgeber zu verbinden, dessen elektrische Signale z. B. für eine Panorama-(»PPI«-)Darstellung mit herangezogen werden. Es ist somit bei derartigen Geräten sowohl eine Zeitmessung als auch eine Winkelmessung im Zusammenhang mit der Ortung eines Zieles erforderlich.

Aus der deutschen Auslegeschrift 15 41 610 ist ein Ortungsgerät bekannt bei dem der zu sichtende Raum nach Art eines Fernsehrasters zeilenmäßig abgetastet wird und die reflektierten Echosignale auf einem Bildschirm dargestellt werden. Bei dieser zeilenmäßigen Abtastung des Raumes ist jedoch zunächst eine Entfernungsbestimmung des erfaßten Zieles nicht möglich. In der genannten Auslegeschrift ist angegeben,

daß hierfür eine zeitabhängige Modulation des Sendesignals vorgesehen wird, so daß der Entfernung eines Zieles eine bestimmte Zwischenfrequenz des umgesetzten Empfangssignals entspricht

Den bekannten Verfahren haftet somit ein erhebli- s eher Aufwand insofern an, als nebeneinander zwei unterschiedliche Meßverfahren angewandt werden müssen, um zu einer eindeutigen Ortung eines Zieles zu gelangen. Gemäß der Erfindung, welche sich auf eine Einrichtung der eingangs genannten Art bezieht, werden derartige Schwierigkeiten dadurch vermieden, daß bei an sick bekannter Verwendung eines impulsförmig mit konstanter Impulsfolgeperiode betriebenen Laserstrahles sowohl die Zuordnung der Echosignale zu den einzelnen, mit der Verweilzeit T beaufschlagten is Richtungsinkrementen als auch die Ermittlung der Entfernung nur aufgrund der seit Beginn der Abtastung des zu erfassenden Bereiches verstrichenen Gesamtzeit tE derart erfolgt, daß aus der Gesamtzeit tE durch Bildung des größten darin enthaltenen ganzzahligen Vielfachen Ar-Γ von T die Nummer Jt des jeweiligen Richtungsinkrementes bestimmt wird und die Restzeit tE- k ■ Tals Maß für die Entfernung dient

Die Ortung eines Zieles ist auf diese Weise allein auf der Basis einer Zeitmessung möglich, ohne daß zusätzlich z. B. eine sägezahnförmige Frequenzmodulation des Sendesignals notwendig wird. Von besonderer Bedeutung ist die Erfindung in solchen Fällen, in denen nur ein sehr kleiner Entfernungs- und Winkelbereich überstrichen werden soll, in dem z. B. anfliegende Geschosse liegen können. Dies bedingt Impulsfolgefrequenzen, welche vorzugsweise an einem Bereich zwischen 100 und 1000 MHz liegen.

Die Erfindung sowie Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand von Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 im Blockschaltbild und in schematischer Darstellung den Aufhau einer Ortungseinrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2 ein Impuls-Zeitdiagramm,

Fig.3 eine Ortungseinrichtung nach der Erfindung mit einer besonderen Ausgestaltung der Strahl-Ablenkeinrichtung.

In F i g. 1 ist die Einrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlen mit LG bezeichnet, von der aus der Laserstrahl LS zu einer Ablenkeinrichtung LA gelangt Diese Ablenkeinrichtung kann vorteilhaft in einer im Zusammenhang mit F i g. 3 näher bezeichneten Weise aufgebaut sein. Es ist aber auch möglich, digitale Lichtablenker zu verwenden. Der sehr scharf gebündelte laserstrahl LStritt aus der Ablenkeinrichtung LA aus und füllt ein etwa kegelförmiges Richtungsinkrement aus, das mit 1 bezeichnet ist Der Einfachheit halber ist hier angenommen, daß das Richtungsinkrement die Form einer Pyramide mit quadratischer Grundfläche hat, während normalerweise ein etwa kegelförmiges Richtungsinkrement ausgefüllt sein wird.

Auf der Empfangsseite ist eine für Laset strahlen empfindliche Empfangseinrichtung LE vorgesehen, die im einfachsten Fall einen Fotodetektor aufweist, durch eo den die gestrichelt angedeuteten reflektierten Echosignale in elektrische Impulse umgewandelt werden. Diese Impulse können auf einer Anzeigevorrichtung A V dargestellt werden, und zwar so, daß auf dieser Anzeigevorrichtung ein dem gesamten abgetasteten en Raumbereich entsprechendes Bild entsteht. Sind z. B. von den insgesamt 16 Richtungsinkrementen, wie gestrichelt angedeutet, bei den Richtungsinkrementen 4 und 11 Ziele vorhanden, so sind bei der Anzeigevorrichtung A K auch die entsprechenden Richtungsinkremente 4' und 11' als belegt gekennzeichnet

Zur Steuerung des impulsförmig betriebenen Laseroszillators LG ist ein zentraler Taktgeber TG vorgesehen, welcher außerdem mit der Ablenkeinrichtung LA und der Empfangseinrichtung LE verbunden ist Auf diese Weise werden die Impulsfolgefrequenz der aus dem Laseroszillator LG ausgekoppelten Laserimpulse festgelegt, die Ablenkung des Laserstrahls LS'von einem Richtungsinkrement zum anderen bewirkt und in der Empfangseinrichtung LE zwei Marken zur Verfügung gestellt welche zur Entfernungs- und Richtungsbestimmung dienen. Bei der Empfangseinrichtung LE ist im übrigen vorausgesetzt, daß ihre Empfangscharakteristik so ausgebildet ist daß von ihr der gesamte interessierende Bereich, im vorliegenden Beispiel also die von den Richtungsinkrementen 1 bis 16 kommenden Echosignale, erfaßt werden kann.

Die Verweilzeit auf einem Richtungsinkrement muß mindestens so groß gewählt werden, daß für den interessierenden Entfernungsbereich eines Richtungsinkrements ein Impuls ausgesandt wird Dabei kann es zweckmäßig sein, die Verweilzeit etwas größer zu gestalten, so daß mehrere Impulse innerhalb der Verweilzeit ausgesandt werden, wodurch die Erfassungs-Wahrscheinlichkeit von kleineren Zielen vergrößert wird.

In F i g. 2 ist in Zeile a die Verweilzeit für das Entfernungsinkrement 1 mit TX, für das Entfernungsinkrement 2 mit T2 usw. bezeichnet Jedem dieser Entfernungsinkremente bzw. jeder Verweilzeit ist ein Sendeimpuls SX, S 2 usw. zugeordnet Die Entfernungsmessung ist eindeutig, wenn jeweils vor Aussendung des nächsten Sendeimpulses mindestens der Hin- und Rückweg innerhalb des interessierenden Entfernungsbereichs zurückgelegt werden kann, d. h. diese Laufzeit muß kleiner oder höchstens gleich dem Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Sendeimpulsen sein.

Vielfach wird es zweckmäßig sein, nach Aussendung eines Impulses die Empfängerempfindlichkeit zeitabhängig zu verändern, um die störenden Einflüsse von Überreichweiten zu beseitigen. Es ist zwar möglich, durch die Einführung von Schwellenwertspannungen bei der Empfangseinrichtung LE Echosignale von Zielen außerhalb des interessierenden Entfernungsbereiches weitgehend von einer Anzeige fernzuhalten, wobei jedoch zu berücksichtigen ist, daß Ziele, die gerade noch außerhalb des interessierenden Entfernungsbereiches liegen, aber infolge ihrer Größe sehr stark reflektieren, trotz der Schwellenspannung noch eine Anzeige ergeben können, die dann entfernungsmäßig falsch bewertet wird. Es ist deshalb zweckmäßig, kurz vor Aussendung des jeweils nächsten Impulses eine Totzeit einzuführen, so daß die Empfangseinrichtung LE nur während der in Zeile b mit TE 1, ΤΈ2 usw. bezeichneten Zeitspannen Empfangssignale zur Auswertung freigibt

Tritt z. B. in dem Richtungsinkrement 4 ein Ziei auf, so ergibt sich, wie in Zeibe b angedeutet ein Echosignal £4, das in den Bereich der Zeit TEA fällt Es ist von dem Zeitpunkt t = 0, in welchem die Strahlung LS' im Entfernungsinkrement 1 liegt und der Sendeimpuls S X ausgetastet wird, um die Zeit f£= Π + 72 + Γ3 + f4 entfernt Es läßt; sich nun ableiten, daß in der Zeit tE dreimal die Verweilzeit Γ enthalten ist (TX + T2 + Γ3), woraus sich ergibt daß das Ziel im Richtungsinkrement 4 liegen muß. Die Entfernung des Zieles entspricht der Zeit 14, welche mit der Aussendung des Impulses 54

beginnt und die Hin- und Rücklaufzeit des ausgesandten bzw. reflektierten Laserimpulses beinhaltet. Durch die Bestimmung der Zeit tE ist somit sowohl die Richtung als auch die Entfernung eines Zieles zu ermitteln. Dabei wird nur mit der Zeit tE gearbeitet und daraus durch Subtraktion ganzzahliger Vielfacher von der Verweilzeit Tdie Zeit ί 4 bestimmt zum Unterschied von an sich bekannten Einrichtungen, bei denen die Zeit f4 bei jedem Richtungsinkrement neu gemessen wird, d. h. bei Aussendung eines Sendeimpulses 5 eine Zeitschaltung betätigt wird, welche bis maximal zur Zeit Tn zu zählen hat

In Fig.3 ist ein das stimulierbare Medium M einschließender Resonator dargestellt, dessen reflektierende Endflächen mit R 1 und R 2 bezeichnet sind. Von einer Steuereinrichtung K aus wird eine Pumplichtquelle P betätigt. In dem Resonator ist ferner eine Schalteinrichtung QS vorgesehen, die als Modulator wirkt und sowohl aktiv als auch passiv ausgeführt sein kann. Im einfachsten Fall kann hierfür ein sättigbarer Absorber verwendet werden, der von einem Steuerteil STbetätigt wird, der auch mit der Empfangseinrichtung LE in Verbindung steht Bei entsprechender Einstellung des Modulators QS treten durch den teildurchlässig ausgebildeten Reflektor R2 in bekannter Weise Lichtimpulse aus und gelangen zu einer Ablenkeinrichtung LA'. Diese besteht aus zwei mit ihren konkaven Seiten einander zugekehrten gewölbten Spiegeln 5Pl und SP2, auf denen in bestimmten Abständen z. B. nicht reflektierende Beläge NB angebracht sein können, welche durch dick ausgezogene Linien angedeutet werden. Der nähere Aufbau derartiger Anordnungen und die damit zusammenhängenden Probleme und Möglichkeiten sind in der deutschen Patentanmeldung P 19 37 696.6-33 näher erläutert Der ausgekoppelte Lichtimpuls, welcher durch eine öffnung OSPX — gegebenenfalls nach Durchlaufen von Fokussiereinrichtungen usw. — in den Spiegel SPl eintritt, gelangt an eine teildurchlässige Stelle beim Spiegel SP2, welche mit ΓISP 2 bezeichnet ist, und beleuchtet so das Richtungsinkrement 1. Ein Teil des Lichtimpulses wird beim Spiegel SP 2 reflektiert, zu einer reflektierten Stelle bei 5Pl zurückgeworfen, bei SP2 nochmals reflektiert, wiederum nach SPl zurückgeworfen und tritt bei der teildurchlässigen Stelle T2SP2 aus, wodurch die Ausleuchtung des Richtungsinkrements 2

to vorgenommen wird. Durch die Zahl der Mehrfachreflexionen zwischen den Spiegeln SPl und SP 2 kann in einfacher Weise die Abtastfrequenz der einzelnen Richtungsinkremente 1, 2, 3 usw. eingestellt werden. Nachdem eine derartige Zeile des gesamten zu erfassenden Bereichs in einzelnen Entfernungsinkrementen abgetastet ist, erfolgt die Abtastung det benachbarten Zeile, was z. B. durch Änderung des Eintrittswinkels des Strahles durch eine einfache zusätzliche Ablenkeinrichtung AE erfolgen kann oder automatisch bei Verwendung von Kugelspiegeln Dadurch verschiebt sich auch der Austrittswinkel der an den teildurchlässigen Stellen des Spiegels SP 2 austretenden Lichtimpulse. Für die einzelnen Richtungsinkremente kann eine gleichmäßig starke Ausleuchtung dadurch vorgenommen werden, daß die Durchlässigkeil von der Austrittsstelle ΓISP 2 in Richtung auf die Austrittsstelle Γ3 SP 2 entsprechend zunimmt

Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Geschoßabwehr werden bei Feststellung eines Zieles in einem Richtungsinkrement Gegenmaßnahmer in der speziellen Richtung eingeleitet Die Einrichtung ist auch zur Betätigung von Annäherungszündern verwendbar. Darüber hinaus ist es möglich, wenn in mehreren nebeneinanderliegenden Richtungsinkrementen Echosignale festgestellt werden, daraus auf da: Vorhandensein eines größeren Zieles zu schließen und die Sichtgröße dieses Zieles zu ermitteln.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Ortung von Objekten innerhalb eines Raumwinkelbereiches, bei der ein scharf gebündelter Strahl vorgesehen ist, der den zu erfassenden Bereich dicht in Richtungsinkrementen so abtastet, daß in jedem Richtungsinkrement ein im interessierenden Entfernungsbereich liegendes Ziel noch erfaßbar ist, und bei der eine Empfangseinrichtung verwendet ist, welche zur Richtungsbestim- mung die seit Beginn der Abtastung des zu erfassenden Bereiches bis zum Echoempfang verstrichene Gesamtzeit und zur Entfernungsbestimmung die gegenüber der Abtastperiode klein gehaltene Laufzeit ermittelt, wobei die Empfangs-Charakteristik der Empfangseinrichtung den ganzen vom Sendestrahl abzutastenden Bereich umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß bei an sich bekannter Verwendung eines impulsförmig mit konstanter Impulsfolgeperiode betriebenen Laser-Strahles (LS) sowohl die Zuordnung der Echosignale zu den einzelnen, mit der Verweilzeit Theaufschlagten Richtungsinkrementen (1 bis 16) als auch die Ermittlung der Entfernung nur aufgrund der seit Beginn der Abtastung des zu erfassenden Bereiches verstrichenen Gesamtzeit f£ derart erfolgt, daß aus der Gesamtzeit tE durch Bildung des größten darin enthaltenen ganzzahligen Vielfachen k · Γ von Tdie Nummer k des jeweiligen Richtungsinkrementes bestimmt wird und die Restzeit tE-k ■ Γ als Maß für die Entfernung dient

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolgefrequenz etwa zwischen 100 und 1000 MHz gewählt ist.

3. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Empfangseinrichtung eine, vorzugsweise einstellbare, Schwellenschaltung vorgesehen ist, durch welche der erfaßbare Empfangsbereich begrenzt wird.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Belegung mehrerer benachbarter Richtungsinkremente (1 bis 16) ein Kriterium für die besondere Größe des erfaßten Zieles abgeleitet wird.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung als Steuerung für einen Annäherungszünder.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor Aussendung eines jeden neuen Sendeimpulses (S) in der so Empfangseinrichtung (LE) zur Erzielung eindeutiger Entfernungskriterien eine Empfängertotzeit (T- TE; vorgesehen ist

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Strahlablenkung (LA') ein Mehrfachumlauf eines Sendeimpulses zwischen zwei Spiegeln (SPX, SP2) vorgesehen ist, von denen einer an bestimmten, von dem Strahl beaufschlagten Stellen teildurchlässig ausgebildet ist, so daß nacheinander von Strahlung beaufschlagte Austrittsstellen entstehen (F i g. 3).

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen Stellen der Spiegel, welche für die Erzeugung des Mehrfachumlaufs nicht benötigt werden, mit nicht reflektrierendem Mate- b5 rial (NB)belegt sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Ablenkeinrichtung elektronisch steuerbare, insbesondere digitale, Lichtablenker (LA) vorgesehen sind.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß beim Sendeimpuls eine Strahlverbreiterung (LS') derart vorgesehen ist daß eine praktisch lückenlose Oberdeckung aufeinanderfolgender Richtungsinkremente (1 bis 16) gewährleistet ist