DE2350345C1 - Flugkoerper-Laser-Echo-Anordnung zur Bestimmung des Eintritts eines Zieles in Bezirke eines UEberwachungsbereichs - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Bestimmung des Eintritts eines Zieles, das sich einem Flugkörper mit optischem Annäherungssensor nähert, in aufeinanderfolgende Bezirke eines festen Überwachungsbereichs, bestehend aus einem in zur Bewegungsrichtung des Flugkörpers senkrechter Richtung abstrahlenden Lasersender und einem gegenüber dem Lasersender um eine Basis senkrecht zur Strahlrichtung versetzten sowie mit einer gegenüber der optischen Achse des Lasersenders geneigten optischen Achse versehenen Laserstrahlechoempfänger mit Optiken, Detektoren und Auswerteelektronik, wobei der Empfänger das vom Ziel im Überwachungsbereich reflektierte Laserlicht wahrnimmt und weiterverarbeitet.

Aus der DE-OS 19 46 864 ist ein nach dem Prinzip eines sogenannten Schrägsichtmessers arbeitender gattungsgemäßer Laserentfernungsmesser bekannt. Zwischen seiner Sende- und seiner Empfangsstation besteht örtliche Gebundenheit, so daß der gegenseitige Abstand dieser beiden Einheiten voneinander beliebig sein kann und meistens relativ groß ist. Auch fehlen spezielle Werte für die Größe der Strahldivergenz.

Ferner beinhaltet die DE-OS 19 49 868 einen Laserentfernungsmesser, dessen ausgeprägte Richtcharakteristik bzw. starke Fokussierung und hohe Intensität einen sehr kleinen Auftrefffleck ermöglichen. Sodann zeigt und beschreibt die DE-OS 15 78 466 einen Rundstrahler für einen mit reflektierten Strahlen arbeitenden Annäherungszünder, bei dem ein mit rechteckigem Querschnitt ausgesandter Strahl über eine Fläche verteilt wird; über die Art, Anordnung und Anzahl der Detektorzellen werden keine näheren Angaben gemacht. Die FR-PS 13 96 327 dagegen behandelt ein mit Zerhackern und einer Modulatorscheibe arbeitendes Gerät, das eine horizontale Justage aufweist und bei dem reflektiertes Licht über lediglich eine Optik auf Detektorzellen gelangt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Abstand eines Flächenzieles von einem in etwa 0,2 bis 15 m Entfernung vorbeifliegenden Flugkörper, in den ein Laserannäherungssensor eingebaut ist, unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit und den Reflexionseigenschaften des Zieles, in definierten Entfernungsschritten zu messen. Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß der

Lasersender mit einer Strahldivergenz von etwa 1° arbeitet und zusammen mit einem Kühlkörper, der Auswerteelektronik und dem aus einem Detektor mit vorgeschalteter Optik für den Nahbereich sowie einem Detektor mit vorgeschalteter Optik für den Fernbereich bestehenden Laserstrahlechodetektor-Linsen-System in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet ist. Bei den nach Art eines Abstandszünders in einem gemeinsamen Gehäuse untergebrachten Sende- und Empfangseinheiten ist der Überwachungsbereich auf zwei winkelmäßig zueinander versetzte und für verschiedene Entfernungsbereiche vorgesehene Laserempfänger aufgeteilt bzw. fest eingestellt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Lasersender aus einer eine Spitzenleistung von 25 W, Pulslängen von 100 nsec und eine Pulsfolgefrequenz von 5 kHz aufweisenden GaAlAs-Laserdiode besteht. Die pulsförmige Laserstrahlung wird im Empfangssystem und der Auswerteelektronik mit Hilfe bekannter und daher nicht näher beschriebener Verfahren der Wechselspannungstechnik zum Unterdrücken von Gleichlichtquellen und Dauerstörern wie Sonne, reflektiertes Sonnenlicht, Flächenfeuer etc. ausgenutzt. Eine zusätzliche Verbesserung der Störlichtunterdrückung wird dadurch erzielt, daß in dem Empfänger-Strahlengang alle Wellenlängen — ausgenommen einen Durchlaßbereich von 100 A — unterdrückende oder reflektierende Interferenzfilter angeordnet sind. Durch Impulsbetrieb bei der Empfängerphotodiode wird über die Steuerung der Betriebsspannung des Empfangselementes vom Lasersende-Impuls her Synchronisation erreicht, so daß nur während der kurzen Zeit von etwa 150 see, während der nach Aussenden eines Laserimpulses aus einer Entfernung von maximal 15 m ein Nutzsignal erwartet werden kann, der Laserempfänger geöffnet und voll empfindlich ist, während in der Zwischenzeit zwischen zwei Impulsen die Betriebsspannung abgeschaltet ist. Dadurch ist gewährleistet, daß Dauerstörsignale im Verhältnis des Tastverhältnisses weiter reduziert werden und pulsförmige Störstrahler, wie sie als Gegenmaßnahmen des Feindes vorgesehen werden könnten, nur bei voller Synchronisation, nämlich gleicher Pulsfolgefrequenz und) Phasenlage, eine Störung verursachen könnten — ein Fall mit extrem geringer Wahrscheinlichkeit.

Zweckmäßig kann es sein, daß die beiden Detektoren aus stabförmig und positionsempfindlich ausgebildeten Silizium-Schottky-Barrier-Fotodioden bestehen. Eine vorteilhafte Variante des Erfindungsgegenstandes sieht ferner vor, daß zumindest einer der beiden zum Empfangssystem gehörenden Detektoren durch eine Reihenanordnung von jeweils einem definierten Entfernungsschritt zugeordneten Einzelsensoren gebildet ist.

Durch diese Maßnahmen wird es möglich, daß aufgrund der Größe und Lage des Sensors im Bildfeld der Empfängeroptik nur rückgestrahlte Lasersignale aus einer vorgegebenen Entfernung von beispielsweise 9,5 bis 10,5 m empfangen werden. Der für den Nahbereich vorgesehene Detektor kann hierbei durch eine aus zwei Einzelsensoren bestehende Reihenanordnung und der für den Fernbereich vorgesehene Detektor durch eine aus zehn Einzelsensoren bestehende Reihenanordnung gebildet sein. Die Sensoren können ferner auch von unterschiedlicher Größe sein; sie garantieren eine Entfernungsgenauigkeit von etwa ±0,5 m. Nah- und Fernbereich weisen dabei in der Regel getrennte Optiken auf. Insgesamt gesehen erbringt die Reihenanordnung von Sensoren den großen Vorteil, daß durch Signalvergleich und Signalauswertung zwischen benachbarten Sensoren eindeutig Reflexionen von volumenhafter Ausdehnung — wie Nebel, Dunst, Wolkenkanten etc. — von Flächenzielen unterschieden werden können.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sehen vor, daß der Basisabstand zwischen Lasersender und Empfangssystem etwa 0,5 m und der Überwachungsbereich des Empfangssystems insgesamt etwa 0,25 bis 12,25 m beträgt, wovon etwa 0,25 bis 2,25 m dem Nahbereich und etwa 2,25 bis 12,25 m dem Fernbereich zugeordnet sind. Was die Auswertung der Signale anbetrifft, so kommen hierfür nur über einem bestimmten Pegel liegende Signale in Frage, da die einzelnen Empfängerkanäle des Laserempfangssystems eine einstellbare Ansprechschwelle besitzen. So können gemäß der Erfindung für das Ansprechen der Detektoren entweder eine vorgegebene Anzahl über eine logische Schaltung ausgezählte und lückenlos nacheinander auftreffende Impulse und/oder Impulsfolgen erforderlich sein. Dadurch wird das Ziel erst dann als Flächenziel erkannt, wenn beispielsweise wenigstens acht Impulse lückenlos nacheinander vom Ziel auf den entsprechenden Detektor auftreffen. Bei Ausbleiben eines Zielechos beginnt das Auszählen von vorn. Damit wird erreicht, daß die ausgewählten Ziele mindestens eine Ausdehnung von 50 m in Flugrichtung haben müssen. Das Ansprechkriterium kann aber auch so ausgebildet sein, daß die Anzahl der vom Sender ausgesandten Impulse und/oder eine Mindestamplitude des Signals und/oder ein deutlich höherer Wert des Signals in einem der Kanäle für das Ansprechen Voraussetzung ist. Schließlich kann für das Ansprechen des Sensors auch das Auftreffen der Summe der beiden von den Detektoren abgegebenen Spannungen auf einen Verstärker erforderlich sein, dessen Verstärkung durch analoge Positionssignale einstellbar ist und dessen Ausgangssignal auf die einstellbare Ansprechschwelle gelangt, deren Überschreiten das Ausgangssignal freigibt. Mit einer derartigen logischen Verknüpfung werden Störstrahlungen wie beispielsweise die Nebelrückstreuung ausgeschaltet und nur eindeutige Zielsignale ausgewertet. Es ist mit einer derartigen logischen Verknüpfung auch möglich, die Reflexion eines Flächenzieles von den Reflexionen, die durch Nebel verursacht werden, zu unterscheiden, da beim Einstellen der Signalschwellen das quadratische Abstandsgesetz für die Rückstreuung berücksichtigt wird und ein Flächenziel als solches identifiziert wird, wenn nach dem Signalvergleich das Signal eines einzelnen Sensors oder zweier benachbarter Sensoren um einen wesentlichen Betrag über die normierten Signale der übrigen Sensoren hinausgeht.

Im folgenden wird an Hand einer Schemazeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, wobei die in den einzelnen Figuren gleichen Teile dieselben Bezugszahlen aufweisen. Es zeigt

F i g. 1 den Einbauort des Erfindungsgegenstandes in einer Rakete,

Fig. 2 einen Schnitt AB durch den gemäß Fig. 1 in einer Rakete eingebauten optischen Annäherungssensor — in vergrößertem Maßstab und

F i g. 3 die beiden Detektoren gemäß F i g. 1 und 2 für sich in vergrößertem Maßstab herausgezeichnet.

In F i g. 1 ist in der Spitze 2 einer Rakete 1 ein optischer Annäherungssensor 10 eingebaut. Derselbe besteht im wesentlichen — wie vor allem Fig.2 zu entnehmen ist — aus einem Laser-Sende-Empfangssystem 3, 4, 5, das in einem Gehäuse 7 installiert ist. Das

beim Einsatz des Sensors 10 vom Sender 3 ausgesandte Laserstrahlenbündel 8 wird auf ein sich im Überwachungsbereich befindliches, zeichnerisch nicht dargestelltes Ziel ausgestrahlt, wobei das Strahlenbündel 8 mittels einer Optik 11 mit einem Divergenzwinkel von etwa 1° und in zur Bewegungsrichtung dieses Zieles senkrechter Richtung ausgestrahlt wird. Als Strahlungsquelle dient beispielsweise eine GaAlAs-Laserdiode, die eine Spitzenleistung von etwa 25 W besitzt und Signale mit einer Pulslänge von etwa 100 nsec bei einer Folgefrequenz von etwa 5 kHz aussendet. Die Wellenlänge des Lasers liegt etwa bei 9050 Ä. Die in der Laserdiode durch die Verlustleistung von etwa 0,2 W entstehende Wärme wird für die in Frage kommende relativ kurze Flugzeit in an sich bekannter und daher in der Zeichnung nicht dargestellter Weise an einen Kühlkörper ausreichender Kapazität abgegeben. Sollte sich der Sensor beispielsweise zu Prüfzwecken längere Zeit in Betrieb befinden, kann auch eine thermoelektrische Kühlmöglichkeit vorgesehen werden.

Die eine bestimmte Stelle des Zieles ausleuchtende Strahlungsenergie wird reflektiert und ein Anteil 9 derselben trifft auch auf das Empfangssystem 4, 5 des Sensors 10 auf, das wenigstens zwei Detektoren 4 bzw. 5 enthält. Letztere sind beispielsweise stabförmige und für Frequenzkomponenten von etwa 3 bis 10 MHz positionsempfindlich ausgebildete Silizium-Schottky-Barrier-Fotodioden, von denen jeweils eine die am Empfangssystem 4, 5 auftreffenden Strahlenanteile 9 über eine Optik 12 bzw. 13 mit einer Brennweite von 25 bzw. 100 mm und entsprechende Umlenkmittel 16 empfängt. Die betreffende Diode liefert zwei Spannungen an eine Auswerteelektronik 6, deren Verhältnis ein Maß für die Position des Lichtpunktes darstellt. Die Auswerteelektronik besteht — wie im Detail aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Zeichnung nicht näher festgehalten ist — aus einem Vorverstärker, der die für die Auswertung bestimmten Signalanteile einem Verhältnisdetektor zuleitet, an dessen Ausgang eine der Position des Lichtpunktes analoge Gleichspannung auftritt, die mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers in Einmeterschritten entsprechenden Werten zur Anzeige gebracht wird, sofern — wie im folgenden noch näher dargelegt wird — folgende drei Bedingungen erfüllt werden: Da der Sender 3 mit einer Folgefrequenz von etwa 5 kHz arbeitet, entfallen auf eine Weglänge des Flugkörpers 1 von 1 m und bei einer Geschwindigkeit von 300 m pro Sekunde 5000 :300 « 16,6 Impulse. Eine logische Schaltung stellt deshalb fest, ob mindestens 8 Impulse lückenlos nacheinander auftreffen. Eine weitere Bedingung ist, daß das Signal eine Mindestamplitude aufweist. Hierzu wird das Intensitätssignal, also beispielsweise die Summe beider vom Detektor 4 oder 5 abgegebenen Spannungen zunächst auf einen regelbaren Verstärker gegeben, dessen Verstärkung durch die analogen Positionssignale eingestellt wird. Sein Ausgangssignal gelangt dann auf eine abgleichbare Schwelle, bei deren Überschreiten die zweite Bedingung zur Freigabe des Ausgangssignals erfüllt ist. Die dritte

ίο Bedingung besteht darin, daß nur von einem Empfänger ein eine Empfindlichkeitsschwelle übersteigendes Signal vorhanden sein darf; sofern beide Detektoren empfangen, muß ein Kanal deutlich höhere Werte zeigen. Erst wenn zusätzlich in einem Kanal ein Ziel vorhanden ist, wird sein Signal größer und damit die dritte Bedingung erfüllt.

Die beiden in Fig.3 für sich herausgezeichneten Detektoren 4 bzw. 5 sind mit je einem einen Durchlaßbereich von etwa 100 Ä aufweisenden und auf die Wellenlänge des Lasers abgestimmten Filter 14 bzw. 15 versehen. Sie umspannen einen strichliniert angedeuteten und mit der Bezugszahl 17 versehenen Überwachungsbereich von etwa 0,25 bis 12,25 m Entfernung zwischen Ziel und Sensor, was durch eine entsprechende Neigung in bezug auf den Laserstrahl erreicht wird. Von diesem gesamten Überwachungsbereich entfällt der Nahbereich zwischen etwa 0,25 und 2,25 m auf den Detektor 4 und der Fernbereich zwischen 2,25 und 12,25 m auf den Detektor 5. Beide Detektoren sind in einem Abstand von etwa 0,5 m hinter dem Sender 3 und zusammen mit diesem in einem Gehäuse 7 (Fig.2) montiert. Zumindest einer der beiden Detektoren 4 bzw. 5 kann auch durch eine Detektorreihenanordnung mit unterschiedlichen Einzelelementen-Oberflächen ersetzt werden, wobei sich dann der zu empfangende Strahlenanteil auf ein oder zwei benachbarte Detektoren aufteilt.

Bei anderen, nicht speziell angeführten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist es durchaus auch denkbar, daß nur eine oder zwei der vorbeschriebenen Zündungsbedingungen beispielsweise auch mit anderen Zahlenwerten für die Folgefrequenz, Impulsanzahl, Zielgröße, die Ansprechbereiche usw. erforderlich sind, um ein Auslösen der Zündung herbeizuführen. Aud^dje

Art der Strahlungsquelle oder der Divergenzwinkel des ausgestrahlten Lasers sollen lediglich richtungsweisenden Charakter für die praktische Ausführung haben — jedenfalls den Erfindungsgegenstand nicht auf diese speziellen Angaben beschränken.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Bestimmung des Eintritts eines Zieles, das sich einem Flugkörper mit optischem Annäherungssensor nähert, in aufeinanderfolgende Bezirke eines festen Überwachungsbereichs, bestehend aus einem in zur Bewegungsrichtung des Flugkörpers senkrechter Richtung abstrahlenden Lasersender und einem gegenüber dem Lasersender um eine Basis senkrecht zur Strahlrichtung versetzten sowie mit einer gegenüber der optischen Achse des Lasersenders geneigten optischen Achse versehenen Laserstrahlechoempfänger mit Optiken, Detektoren und Auswerteelektronik, wobei der Empfänger das vom Ziel im Überwachungsbereich reflektierte Laserlicht wahrnimmt und weiterverarbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß der Lasersender (3) mit einer Strahldivergenz von etwa 1° arbeitet und zusammen mit einem Kühlkörper, der Auswerteelektronik (6) und dem aus einem Detektor (5) mit vorgeschalteter Optik (13) für den Nahbereich sowie einem Detektor (4) mit vorgeschalteter Optik (12) für den Fernbereich bestehenden Laserstrahlechodetektor-Linsen-System in einem gemeinsamen Gehäuse (7) angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lasersender (3) aus einer eine Spitzenleistung von 25 W, Pulslängen von 100 nsec und eine Pulsfolgefrequenz von 5 kHz aufweisenden GaAlAs-Laserdiode besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Empfänger-Strahlengang alle Wellenlängen, ausgenommen einen Durchlaßbereich von 100 Ä, unterdrückende oder reflektierende Interferenzfilter angeordnet sind.

4. Anordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Detektoren (4,5) aus stabförmig und positionsempfindlich ausgebildeten Silizium-Schottky-Barrier-Fotodioden bestehen.

5. Anordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der beiden zum Empfangssystem gehörenden Detektoren (4, 5) durch eine Reihenanordnung von jeweils einem definierten Entfernungsschritt zugeordneten Einzelsensoren gebildet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der für den Nahbereich vorgesehene Detektor (4) durch eine aus zwei Einzelsensoren bestehende Reihenanordnung und der für den Fernbereich vorgesehene Detektor (5) durch eine aus zehn Einzelsensoren bestehende Reihenanordnung gebildet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisabstand zwischen Lasersender (3) und Empfangssystem (4,5) etwa 0,5 m und der Überwachungsbereich des Empfangssystems insgesamt etwa 0,25 bis 12,25 m beträgt, wovon etwa 0,25 bis 2,25 m dem Nahbereich und etwa 2,25 bis 12,25 m dem Fernbereich zugeordnet sind.

8. Anordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Empfängerkanäle des Empfangssystems (4, 5) eine einstellbare Ansprechschwelle besitzen.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für das Ansprechen der Detektoren (4, 5) eine vorgegebene Anzahl über eine logische

Schaltung ausgezählte und lückenlos nacheinander auftreffende Impulse und/oder Impulsfolgen erforderlich sind.

10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansprechen der Detektoren (4, 5) abhängig ist von der Anzahl der vom Sender (3) ausgesändten Impulse und/oder von einer Mindestamplitude des Signals und/oder von einem deutlich höheren Wert des Signals in einem der Kanäle.

11. Anordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für das Ansprechen des Sensors (10) das Auftreffen der Summe der beiden von den Detektoren (4, 5) abgegebenen Spannungen auf einen Verstärker erforderlich ist, dessen Verstärkung durch analoge Positionssignale einstellbar ist und dessen Ausgangssignal auf die einstellbare Ansprechschwelle gelangt, deren Überschreiten das Ausgangssignal freigibt.