DE2114944C3 - Optisches Lenksystem für sich selbsttätig bewegende Flugkörper - Google Patents

Description

cot a = η

55

ausgebildet ist, wobei η der Brechungsindex des dielektrischen Prismamaterials ist, und daß ein am Heck des Flugkörpers (21) angeord neter Strahlungsempfänger (42) einen Polarisator (45) aufweist, dessen Durchlaßrichtung (48) der Wirkungsrichtung (49) der die Flugbahn des Flugkörpers (21) beeinflussenden Einrichtungen (50) derart zugeordnet ist, daß der Flugkörper (21) in Abhängigkeit des nach der Zeit differenzierten radialen Abstandes von der optischen Achse (5) zu dieser rückführbar ist.

Die Erfindung 1>etrifft ein optisches Lenksystem für die Führung einesisich selbsttätig bewegenden, um seine Längsachse rotierenden^Flugkörpers auf einer Bahn längs der optischen Achse eines einen Laser enthaltenden Sendezentrums, dessen Strahlung auf eine den Flugkörper umgebende Raumzone begrenzt ist, wobei der Flugkörper ain seinem dem Sendezentrum zugewandten Heck mindestens einen Strahlungsempfänger zur Aufnahme eines der Ablage des Flugkörpers von der optischen Achse entsprechenden Signals trägt, dessen Ausgang über Kopplungsglieder mit einer Einrichtung zur rückführenden Beeinflussung de,-Flugbann desFlugkörpers verbunden ist

Aus der DOS 14 31 217 ist ein derartiges Lenksystem für rotierende Flugkörper bekannt, bei dem ein von einem innerhalb des Sendezentrums angeordneten Projektor stammender gebündelter Lichtstrahl durch eine in dem Stnshlenquerschnitt liegende mit abwechselnd durchsichtigen und undurchsichtigen Sektoren versehene rotierende Kreisscheibe in ein umlaufendes Muster aufgeteilt wird. Der Flugkörper weist einen außermittig am Heck angeordneten Strahlungsempfänger auf, der bei einer Ablage des Flugkörpers von der optischen Achse des umlaufenden Lichtmusters einen mit der Rollfrequenz des Flugkörpers modulierten Impulszi-g empfängt. In Abhängigkeit der Frequenzmodulation werden bei einer Ablage des Flugkörpers Einrichtungen zur Steuerung des Flugkörpers in Richtung auf die optische Achse des umlaufenden Strahlenmusters betätigt.

Ein Nachteil dieses optischen Lenksystems liegt in der Verwendung mit hoher Frequenz betriebener mechanisch bewegter Teile, wie z. B. der umlaufenden Scheibe und deren Antriebsmechanismus: einerseits muß der Gleichlauf der bewegten Teile sehr genau auf einem konstanten Wert gehalten werden, um eine zur Kommandobildupg notwendige eindeutige Frequenzmodulation der von dem Strahlungsempfänger aufgenommenen Impulse zu erhalten. Andererseits müssen ebenfails zur Unscharfe der Frequenzmodulation beitragende Schwingungen der bewegten Teile verhindert werden. Da diese aber schon bei normalem Betrieb zu schwer unterdrückbaren Schwingungen neigen, die beim Einsatz des Lenksystems auf einem Fahrzeug durch dessen Vibrationen noch verstärkt werden, arbeilet das Lenksystem besonders unter den in einem Gefechtsfeld herrschenden erschwerten Bedingungen nicht mehr zuverlässig.

Es ist Aufgabe der Erfindung, für ein optisches Lenksystem der oben genannten Art bei einem einfachen Aufbau des Sendezentrums und der mit den Flugkörpern verbundenen Empfänger die Verwendung mechanisch bewegter Teile zu vermeiden.

Diese Aufgabe ist für ein optisches Lenksystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Sendezentrum eine optische Einrichtung zur Zerlegung des Laserlichts in einen Ringstrahl und eine elektrooptische Einrichtung aufweist, deren Brechungsindex zur Variierung des Strahlungsöffnungswinkels des Ringstrahlers mittels eines Wechselspannungsgenerators veränderbar ist, und daß der Strahlungsempfänger jeweils eine feste Zuordnung zur Wirkungsrichtung der Einrichtung zur Beeinflussung der Flugbahn des Flugkörpers aufweist.

Die optische Einrichtung zur Bildung eines Ringstrahles kann dabei in einfacher Weise ein dem Laser mit seiner Spitze zugewandtes konisches Prisma mit einer mit der optischen Achse des Sendezentrums zusammen-

fallenden Symmetrieachse sein.

Einem Flugkörper, der sich innerhalb einer durch den im öffnungswinkel variierenden Ringstrahi bestrichenen Raumzone befindet, werden Impulssignale übermittelt, deren Frequenz eine Kennung für die radiale Ablage des Flugkörpers von der optischen Achse des Sendezentrums ist

Die Kennung der Winkelablage, die der Flugkörper gegenüber der optischen Achse einnimmt, wird über eine Modulation der vom Flugkörper empfangenen Impulsfrequenz erreicht Hierzu weist der Flugkörper am Heck mindestens einen außermittig angeordneten Strahlungsempfänger auf.

Da der Modulationsgrad des zur Bildung des Ablagesignals dienenden Modulation der vom Flugkörper empfangenen Impulsfrequenz dann am größten ist wenn die Impulsfrequenz des Ringstrahlcs und die Rollfrequenz des Flugkörpers annähernd übereinstimmen, weist das Sendezentrum gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung eine das Laserlicht periodisch unterbrechende Vorrichtung auf, deren Frequenz annähernd gleich der Frequenz des zur Erregung der elektrooptischen Einrichtung dienenden Wechselspannungsgenerators ist.

Auf diese Weise wird eine Schwebefrequenz zwisehen der Impulsfrequenz des Ringstrahles und der diesen unterbrechenden Einrichtung erzeugt, so daß sich der Flugkörper in einem scheinbar auf die optische Achse zu- oder weglaufenden Ringmuster befindet. Die Schwebefrequenz wird dabei vorzugsweise der Rollfrequenz des Flugkörpers gleichgemacht

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das mit seiner Spitze dem Laser zugewandte Prisma einen öffnungswinkel 2a auf, der gemäß

cot a = π

35

ausgebildet ist, wobei η der Brechungsindex des dielektrischen Prismamaterials ist; ein am Heck des Flugkörpers angeordneter Strahlungsempfänger weist einen Polarisator auf, dessen Durchlaßrichtung der Wirkungsrichtung der die Flugbahn des Flugkörpers beeinflussenden Einrichtungen derart zugeordnet ist, daß der Flugkörper in Abhängigkeit des nach der Zeit differenzierten radialen Abstandes des Flugkörpers von der optischen Achse zu dieser rückführbar ist.

Bei einer derartigen Ausbildung des Öffnungswinkels des konischen Prismas, der das Brewstersche Gesetz erfüllt, wird ein parallel zu der Symmetrieachse des konischen Prismas auf dieses einfallender Lichtstrahl zum Teil reflektiert und dabei vollständig linear polarisiert und zwar derart, daß der Feldstärkevektor der Lichtwelle in einer Ebene senkrecht zu der im Einfallspunkt tangentialen Ebene an das Prisma schwingt; zum anderen Teil wird der Lichtstrahl durchgelassen und dabei teilweise senkrecht zu dem reflektierten Strahl polarisiert. Der von dem reflektierten Teil gewonnene Ringstrahl weist dann eine Polarisation auf, bei der die Richtung des Feldstärkevektors des Ringstrahles an jedem Punkt auf die optische Achse des Sendezentrums hinweist, so daß vor; einem dem Polarisator des Strahlungsempfängers zugeordneten Strahlungswandler lediglich ein Impuls empfangen wird, wem die Polarisalionsrichtung des Rirtjjstrahles mit der des Polarisators übereinstimmt.

Die Erfindung ist in zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

F i f. 1 schematisch ein optisches Lenksystem gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine Rückansicht eines rotierenden Flugkörpers mit einem Teil eines Ringstrahles,

F i g. 3 ein Blockschaltbild zur Kommandobildung im Flugkörper,

Fig.4a und 4b den öffnungswinkel eines Ringstrahles über der Zeit aufgetragen für ehieii nicht bzw. periodisch unterbrochenen Ringstrahi,

Fig.5 eine Rückansicht eines rotierenden Flugkörpers und einen Teil eines Ringstrahles gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 6 die Ausgestaltung eines Strahlungsempfängers und ein Blockschaltbild zur Kommandobiidung gemäß dem^weiten AusführungsbeispieL

Ein optisches Sendezentrum 1 enthält einen Laser 2, dessen kohärente monochromatische Strahlung in einem Kondensor 3 gebündelt wird und auf ein konisches, auf seiner Oberfläche verspiegeltes Prisma 4 mit dem öffnungswinkel 2a trifft dessen geometrische Symmetrieachse mit der strichpunktiert gezeichneten optischen Achse 5 des Sendezentrums 1 zusammenfällt.

Das durch das konische Prisma 4 in einen Ringstrahl 6 zerlegte Laserlicht wird an einem rotationssymmetrischen Spiegel 11 umgelenkt und trifft nach einer Bündelung durch eine Sammellinse 12 auf eine eiektrooptische Einrichtung 13, deren Brechungsindex und damit der Öffnungswinkel des Ringstrahles 6 durch einen ein periodisches Ausgangssignal erzeugenden Spannungsgenerator 14 variiert wird. Durch eine aus zwei Linsen bestehende optische Anordnung 15, deren optische Basis 16 veränderbar ist ist der maximale Öffnungswinkel des Ringstrahles auf ÖGrad vergrößerbar, so daß er einen Lichtkegel beschreibt, dessen Öffnungswinkel von 0 bis ÖGrad veränderbar ist

Beim Abschuß eines Flugkörpers 21 von einer zu der optischen Achse 5 des Sendezentrums 1 parallel ausgerichteten nicht dargestellten Abschußvorrichtung wird der öffnungswinkel ΰ des Lichtkegels durch Änderung der optischen Basis 16 der optischen Anordnung 15 so groß gewählt, daß der Flugkörper 21 nach einer geringen Flugzeit von dem durch die eiektrooptische Einrichtung 13 periodisch abgelenkten Ringstrahl 6 erfaßt wird; der öffnungswinkel ß des Lichtkegels wird danach beispielsweise durch ein hier nicht gezeigtes Programmwerk ständig verringert, so da 3 die den Flugkörper 21 umgebende, von dem Rhgstrahl 6 abgetastete Raumzone beim Auftreffen des Flugkörpers 21 auf ein nicht dargestelltes Ziel die Dimensionen des Zieles nicht überschreitet

Der Flugkörper 21 (siehe Fig. 2) trägt an seinem Umfang vier jeweils aufeinander senkrecht stehende Stabilisierungsflächen, im folgenden Flügel 22 genannt, deren Berührungslinie mit der Flugkörperzelle mit einer zu der Flugkörperlängsachse parallelen Mantellinie einen geringen Winkel einschließt, so daß der Flugkörper während seines Fluges in einer durch die Pfeilrichtung in der F i g. 2 angedeuteten Rotation gehalten ist. An zwei gegenüberliegenden Flügeln 22 sinü zwei Strahlungsempfänger 23 und 24 angebracht, deren gedachte Verbindungslinie parallel zur Wirkungsrichtung 25 von Einrichtungen zur Flugbahnbeeinflussung des Flugkörpers, im folgenden allgemein als Strahlrudcr 26 bezeichnet, liegt.

Die Wirkungsweise des beschriebenen optischen Lenksystems ist folgende:

Überstreicht der von dem Sendezentrum 1 ausgehende Ringstrahl 6 periodisch eine den Flugkörper 21 umgebende Raumzone, so erscheint jeweils am

Ausgang der Strahlungsempfänger 23 und 24 ein periodisches Impulssignal, das mit der Rollfrequenz des Flugkörpers 21 in Abhängigkeit des radialen Abstandes des Flugkörpers 21 von der optischen Achse 5 des Sendezentrums 1 moduliert ist.

Durch den Frequenzgang der Modulation nimmt die Anzahl der Impulssignale entsprechend zu, wenn sich die Strahlungsempfänger 23 bzw. 24 entgegen der Richtung des auf den Flugkörper 21 zulaufenden Ringstrahles 6 bewegen, im anderen Falle entsprechend ab. Das modulierte Impulssignal der beiden Strahlungsempfänger 23 und 24 wird in einem Verstärker 27 verstärkt und in einem diesem nachgeschalteten Modulator 28 in eine Sinusfunktion umgewandelt. Dieses Signal dient als Eingangssignal eines Begrenzers und Verstärkers 29, durch den über weitere nicht gezeigte Kopplungsglieder die Strahlruder 26 betätigt werden. Der jeweilige Extremwert des Sinussignals gibt dabei den Umkehrpunkt zwischen der Zu- und Abnahme der von den Strahlungsempfängern 23 bzw. 24 empfangenen Anzahl der Impulssignale wieder. Dieser Umkehrpunkt ist aber gerade dann erreicht, wenn die gedachte Verbindungslinie der Strahlungsempfänger 23 und 24 parallel zur Wirkungsrichtung 25 der Strahlruder 26 liegt und diese auf die optische Achse 2$ 5 hinzeigt. Durch eine Betätigung der Strahlruder 26 in dem durch diese geometrische Zuordnung definierten Zeitpunkt oder während einer um diesen Zeitpunkt liegenden Zeitspanne wird der Flugkörper 21 wieder auf eine Bahn längs der optischen Achse 5 des Sendezentrums 1 gelenkt.

Deckt sich die Flugbahn des Flugkörpers 21 mit der optischen Achse 5 des Sendezentrums 1, tritt selbstverständlich keine zur Betätigung der Strahlruder 26 ausnutzbare Modulation der von den Strahlungsempfängern 23 und 24 empfangenen Impulssignale auf. da die Frequenz der impulssignale konstant und gleich der des Ringstrahles 6 ist.

Wie in der F i g. 4a gezeigt, läßt sich der Ablenkwinkel ß des Ringstrahles — über der Zeit aufgetragen — beispielsweise durch eine Sägezahnform darstellen. Wird jedoch, wie in Fig. 1 angedeutet, eine das Laserlicht periodisch unterbrechende Vorrichtung 31 in den Strahlengang des Sendezentrums 1 eingebracht, deren Unterbrecherfrequenz annähernd gleich der des Ring-Strahles ist, die ihrerseits durch die Frequenz des Wechselspannungsgenerators 14 definiert ist, so ergibt sich eine Schwebefrequenz; dadurch kann erreicht werden, daß der Ringstrahl 6 während einer Periode des Wechselspannungsgenerators 14 nicht die gesamte, den Flugkörper umgebende Raumzone überstreicht, sondern lediglich einen geringen Raumwinkel. Da die Frequenz des Wechselspannungsgeneratörs dabei sehr hoch gewählt werden kann, ergibt sich so eine Zerlegung der gesamten Raumzone über mehrere Perioden des Wechselspannungsgenerators 14; in der F i g. 4b sind lediglich vier derartige Raumwinkelbereiche eingezeichnet Die Frequenz der Vorrichtung zur periodischen Unterbrechung des Laserlichtes wird dabei so definiert, daß die Frequenz, mit der jeder einzelne Raumwinkelbereich beaufschlagt wird, ungefähr gleich der Rollfrequenz des Flugkörpers 21 ist

In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird das in Sendezentrum 1 enthaltene an seiner Oberflächt verspiegelte konische Prisma 4 des ersten Ausführungs beispieles durch ein konisches Prisma aus dielektri schem Material, beispielsweise Glas ersetzt, dcsser Öffnungswinkel 2a gemäß

cot a = η

bestimmt ist, wobei η der Brechungsindex des dielektrischen Materials ist. Die Auslegung des öffnungswinkels des konischen Prismas 4 gemäß der obengenannten Gleichung, die dem Brewsterschen Gesetz äquivalent ist, bewirkt, daß der auf das Prisma 4 auffallende und dort reflektierte gebündelte Laserstrahl vollständig linear polarisiert wird. Die Feldstärkevektoren des Ringstrahles 6, dessen öffnungswinkel ß sehr schnell periodisch veränderlich ist, weisen dann, wie in F i g. 5 gezeigt, eine Schwingungsrichtung 40 auf, die an jedem Punkt des Ringstrahles 6 auf die optische Achse 5 hingerichtet sind.

Der Flugkörper 21 trägt einen zentral an seinem Heck angeordneten Strahlungsempfänger 42, vgl. dazu die Fig. 5 und o; der Strahlungsempfänger weist in seinem Gehäuse eine Sammellinse 43, ein auf die Wellenlänge des Laserlichtes abgestimmtes Filter 44 und einen kreisringförmigen Polarisator 45 auf. Ferner sind zwei Strahlungswandler 46 und 47 vorgesehen, von denen der eine dem kreisringförmigen Polarisator 45 und der andere der Öffnung des Polarisators zugeordnet ist. Die Durchlaßrichtung 48 des Polarisators 45 ist dabei parallel zu der Wii-kungsrichtung 49 des Strahlruders 50 gewählt.

Am Ausgang des Strahlungswandlers 46 erscheint lediglich ein Impuls, wenn die Durchlaßrichtung 48 des Polarisators 45 mit der Schwingungsrichtung 40 des Ringstrahles 6 übereinstimmt. Dieses Signal wird in einem Verstärker 51 verstärkt und dient als Eingangssignal einer Koinzidenzstufe 52; dem Strahlungswandler 47 ist ebenfalls ein Verstärker mit einer Differenzierschaltung schaltung 53 nachgeschaltet, in der die Änderung des radialen Abstandes des Flugkörpers von der optischen Achse 5 bestimmt wird. Das Ausgangssignal der Differenzierschaltung 53 dient ebenfalls als Eingangssignal der Koinzidenzschaltung 52, durch die über weitere nicht gezeigte Kopplungsglieder die Strahlruder 50 lediglich betätigt werden, wenn die Durchlaßrichtung 48 des Polarisators 45 mit der Schwingungsrichtung 40 der Feldstärkevektoren des Ringstrahles 6 übereinstimmt und eine Abnahme des radialen Abstandes des Flugkörpers von der optischen Achse 5 erreicht wird, so daß dieser wieder zur optischen Achse 5 rückgeführt wird

In den beschriebenen Auführungsbeispielen ist zwar «ine Kommandobildung und Kommandoverarbeitung im Flugkörper vorausgesetzt, jedoch ist, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen, auch eine Kommandobildung und Kommandoverarbeitung in dem Sendezentrum möglich. Zu diesem Zweck müssen in den Strahlungsempfängern semipermeable Spiegel angebracht werden, die die empfangenen Impulssignale wiederum an das Sendezentrum zurückmelden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   L Optisches Lenksystem für die Führung eines sich selbsttätig bewegenden, um seine Längsachse S rotierenden Flugkörpers auf einer Bahn längs der optischen Achse eines einen Laser enthaltenden Sendezentrums, dessen Strahlung auf eine den Flugkörper umgebende Raumzone begrenzt ist, wobei der Flugkörper an seinem dem Sendezentrum zugewandten Heck mindestens einen Strahlungsempfänger zur Aufnahme eines der Ablage des Flugkörpers von der optischen Achse entsprechenden Signals trägt, dessen Ausgang über Kopplungsglieder mit einer Einrichtung zur rückführenden is Beeinflussung des Flugkörpers verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daB das Sendezentrum (1) eine optische Einrichtung (4) zur Zerlegung des Laserlichts in einen Ringstrahl (6) und eine elektrooptische Einrichtung (13) aufweist, deren » Brechungsindex zur Variierung des Strahlungsöffnungswinkels (B) des Ringstrahls (6) mittels eines Wechselspannungsgenerators (14) veränderbar ist, und daß der Strahlungsempfänger (23,24,42) jeweils eine feste Zuordnung zur Wirkungsrichtung (25,49) der Einrichtung zur Beeinflussung der Flugbahn (26, 50)des Flugkörpers (21) aufweist.
2. 2. Optisches Lenksystem nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung zur Bildung eines Ringstrahles (6) ein dem Laser (2) mit seiner Spitze zugewandtes konisches Prisma (4) mit einer mit der optischen Achse (5) des Sendezentrums (1) zusamimenfallenden Symmetrieachse ist.
3. 3. Optisches Lenksystem nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet. daB der Flugkörper am Heck mindestens einen außermittig angeordneten Strahlungsempfänger (23, 24) aufweist und daß die Wirkungsrichtung (25) der die Flugbahn des Flugkörpers (21) beeinflussenden Einrichtungen (26) in einer Ebene liegt, die sowohl die Flugkörperlängsachse und die Strahlungsempfänger (23,24) enthält.
4. 4. Optisches Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendezentrum (1) eine das Laserlicht pciriodisch unterbrechende Einrichtung (31) aufweist deren Unterbrecherfrequenz annähernd gleich der Frequenz des zur Erregung der elektrooptischen Einrichtung (13) dienenden Wechselspannungsgenerators (14) ist.
5. 5. Optisches Lenksystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dielektrischem Material bestehende Prisma (4) einen Öffnungswinkel 2a aufweist, der gemäOI