DE2848003B2

DE2848003B2 - Leitstrahlsystem

Info

Publication number: DE2848003B2
Application number: DE19782848003
Authority: DE
Inventors: Paul Dipl.-Ing. 6922 Mecksheim Enders; Hans Dr. 6901 Wiesenbach Siebecker
Original assignee: Eltro Gesellschaft fur Strahlungstechnik 6900 Heidelberg GmbH
Current assignee: Eltro Gesellschaft fur Strahlungstechnik 6900 Heidelberg GmbH
Priority date: 1978-11-06
Filing date: 1978-11-06
Publication date: 1980-10-16
Also published as: GB2033186B; FR2440557A1; DE2848003A1; DE2848003C3; GB2033186A; FR2440557B3

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Bestimmung der Abweichung eines Flugkörpers in Bezug auf die Achse eines aus einem Bündel elektromagnetischer Strahlen bestehenden, dem Flugkörper nachführbaren Laser-Leitstrahls, der von einem Sender über dessen Optik in den Raum projiziert dort eine hinsichtlich seine Querschnitts für jeden Querschtiittspunkt typische Strahlungsenergie aufweist, deren relative Verteilung in allen Querschnitten gleich ist, und der auf einem in der Flugkörperebene installierten Empfänger mit Hilfe eines Drehkcils im zentralen Achsenbereich nutierend abgebildet wird sowie in Form eines pulsierenden Stromes spezifischer Wellenform meßbar der koordinatenmäßigen Auswertung dient.

Ein solches System ist aus der DE-OS 27 42 223 bekannt. Sofern als Leitstrahl ein Festkörperlasei Verwendung findet, bedeutet er jedoch eine Gefährdung für das menschliche Auge. So durchdringen Rubin- und Neodym-Yag-Laser das hierfür transparente Auge und bilden direkt auf der Netznaut ab. Beim Erbiumlascr wird die Energiedichte noch dem Glaskörper und der Linse des Auges gefährlich.

Die Aulgabe der Erfindung wird in einer Verbesserung der Sicherheit des gattungsgemäßen LeitstrahlsystciTis hinsichtlich der Funktion und der gesundheitlichen Risiken der Bedienungsperson gesehen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein CO2-Dauerstrichlaser Verwendung findet, der mit Hilfe eines elektrooptischen Modulators über den gesamten Querschnitt in seiner Intensität phascngleich moduliert, durch eine in der Bildebene des Objektivs vorgesehene beschichtete Lochblende im äußeren Strahlenbereich diffus gestreut und in einem Verhältnis seines durch die Lochblende erzeugten Durchmessers d>0,5 dem Durchmesser D eines periodisch auszuleuchtenden Feldes nutierend abgebildet wird. Diese Vorrichtung und ihre Handhabung schließt kein gesundheitliches Risiko für die Bcdienungsyperson ein, weil bei dem verwendeten CXVGaslaser die Energiedichle auf der Hornhaut nurmehr in einem ungefährlichen Ausmaß wahrgenommen wird. Die hierbei aufkommende Wärme wird mit der Augenflüssigkeit abgeführt, gleichsam verdampft. Außerdem besitzt die Hornhaut die Eigenschaft, sich relativ schnell wieder zu regenerieren. Es handelt sich hierbei also um einen sogenannten augensicheren Laser. Ferner ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in besonderem Maße funktionssicher: So sorgt eine spezielle Strahlenmodulalion für eine sichere empfängerseitige Selektion der Signale, und zwar auf

optronischem Weg ohne bewegliche mechanische Teile. Die genaue gegenseitige Abstimmung von Strahlendurchmesser und ausgeleuchtetem Bereich gewährleistet darüberhinaus ein lückenloses Ausleuchten des interessierenden Bereichs und damit eine vergleichsweise hohe Sicherheit in der Auf^rechterhaltung der Signalverbindung zwischen Bodenstation und Flugkörper. Dadurch wiederum wird eine gute Ablagemeßgenauigkeit im Visieriinienbereich erzielt.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht bezüglich des flugkörpifseitigen Empfängers vor, daß sich derselbe — dem Strahlenverlauf folgend — aus einem der Hintergrundunterdrückung dienenden Interferenzfilter, einem Eingangsobjiktiv, einem die Intensitätsmodulation in ein elektrisches Wechselspannungssignal umwandelnden Sensor, einem den Sensor umgebenden Kühler, einem das Wechselspannungssignal auf einen verarbeitbaren Pegel anhebenden Vorverstärker, einem Frequenzdiskriminator, einer die Winkelablagewerte η und φ des Flugkörpers zur Visierlinie bildenden Elektronik sowie einer die metrischen Ablagen x(t)und y(i) der jeweiligen Flugphase als Lenksignale für die Korrektursteucrung des Flugkörpers auswertenden wei.eren Elektronik zusammensetzt. Eine solche Konzeption des Empfängers ist in allen wesentlichen Merkmalen dem Aufbau und der Funktion des Senders angepaßt.

]e nach den Anforderungen an die Posilii nsmcßgenauigkeil bzw. den Aufwand bei der Signalaufbereitungsclektronik im Flugkörper kann der zeitliche Verlauf der Modulationsfrcqucn/. Sinus-, Säge.tahn- oder Dreieckkurvenform aufweisen.

Vorteilhaft ist es ferner, wenn empfängerseitig ein einfaches Objektiv und senderscitig ein IR-Zoom-Objcktiv Verwendung findet. Hierbei kann man durch stufenweise Brennweitenänderung des letzteren im Fernbcrcich die Abbildungsebcnc des Strahlreiterscndcrs stufenweise an die jweilige Entfernung des Flugkörpers anpassen und eine scharfe Abbildung der Lochblende in der Objektivebene des Empfängers ermöglichen. Man kann die Brennweite des lR-Zoom-Objcktivs aber auch durch eine vorgegebene kontinuierlich arbeitende Wcg/Zeit-Stcucrung der jeweiligen Entfernung des Flugkörpers anpassen und dadurch bestimmten Ablagcwinkeln unabhängig von der Entfernung definierte metrische Ablagen von der Visierlinie zuordnen. Die Variante mit vorgegebener Weg/Zeit-Steucrung bedeutet dabei eine Reduzierung des Elektronikaufwandcs und die Verwendung eines einfachen Objektivs einen zusätzlichen Rationalisierungseffekt im Flugkörper.

Bezüglich der Ausgestaltung der Lochblende ist es sodann zweckmäßig, daß dieselbe aus einer teilweise metallbcschichteten, obcrflächenbchandelten Germaniumscheibe berteht und daß die durch sie erzeugte Leuchtfläche mit dem Durchmesser d um den Mittelpunkt einer periodisch ausgeleuchteten Kreisfläche mit dem Durchmesser D nutiert und die beiden Durchmesser ein Größenverhältnis von c/>0,5 D aufweisen.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung sieht vor, daß als Kühler ein thermoelektrischcr oder ein )oule-Thomson-Kühler Verwendung findet. Derselbe hält den empfindlichen Sensor auf optimaler Betriebstemperatur.

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

F i g. 1 das Prinzip des Leitstrahlsenders,

F i g. 2a den erfindungsgemäß variablen Leitstrahl mit einem Durchmesser d = 0.5 D in Seiten- und Schnktansii-hi,

Fig. 2b den Leitstrahl gemäß Fig. 2a. jedoch mit einem Durchmesser d > 0,5 D,

Fig. 3 das Prinzip des Leitstrahlempfängers,

F i g. 4 ein Leitstrahldiagramm für den Durchmesser d = 0,5 D,

F i g. 5a den zeitlichen Verlauf einer sägezahnförmigen Frequenzmodulation,

F i g. 5b den momentanen Querschnitt einer Frequenzmodulation gemäß F i g. 5a,

F i g. 5c den Modulationshub in Abhängigkeit von u/R einer Frequenzmodulation gemäß F i g. 5a und

F i g. 6 den zeitlichen Verlauf einer dreieckförmigen Frequenzmodulation.

Der vorgeschlagene Sender besteht in Fig. 1 aus einem COj-Dauerstrichlaser 1. der einen scharf gebündelten, monochromatischen Laserstrahl aussendet. Letzterer wird in dem elektrooptischen Modulator 2 frequenzmoduliert, wobei die Modulation so zu wählen ist, daß der maximale Frequenzhub

Δ'ιη.ι\ ⁼ lni.i\ ~ 'mm

einige kHz beträgt und die Mittenfrequenz auch im kHz-Bereich liegt. Die Modulationsfrequenzänderung folgt einem periodischen Zeitgesetz und kann z. B. sinusförmig, sügezahniormig oder als Dreieckskurve gewählt weiden.

Das in der vorstehend beschriebenen Weise modulierte Lascrstrahlenbündel trifft auf die Lochblende 3. Diese besteht aus einer planen Germaniumscheibe, die — ausgenommen einen kreisförmigen Mittelbereich — mit Metall beschichtet ist. Auch ist ihre Oberfläche behandelt, so daß die austretende Laserstrahlung diffus streut. Da die Lochblende in der Bildebene des ihr optisch nachgeschalteten IR-Zoom-Objektivs 4 angeordnet ist, wird eine kreisförmige Leuchtfläche in der jeweiligen Flugkörperebene abgebildet. Durch den in Slrahlendurchtrittsrichtung folgenden Drehkeil 5, der /.. B. mit der Winkelgeschwindigkeit ω = 30 bis 50 Hz rotiert, wird die Leuchtfläche nach Fig. 2 um den Mittelpunkt einer Kreisfläche mit dem Durchmesser D nutieren, wobei der Durchmesser ddes Strahlenbündels zum Durchmesser D des periodisch auszuleuchtenden Feldes so gewählt wird, daß mit d>0,5D eine lückenlose Ausleuchtung erfolgt. Bei d > 0,5 D gemäß F i g. 2b wird der mittlere Bereich des auszuleuchtenden Feldes dauernd beleuchtet, so daß auch der Flugkörper 7 in diesem Bereich dauernd ein Steuersignal empfängt, wodurch eine optimale Ablagemeßgenauigkeit im Bereich um die Visierlinie 21 erreicht wird. Der Durchmesser D(t) kann durch Ausbildung des Zoom-Systems nach einem vorgegebenen Zeitgesetz variiert werden, so daß das Leitstrahlbündel der jeweiligen Entfernung des Flugkörpers angepaßt werden kann und nach F i g. 2 gewährleistet bleibt, daß sich der Flugkörper innerhalb des Leitstrahlquerschnitts mit dem Durchmesser D befindet. Die Umschaltung der Brennweite kann stufenweise erfolgen, so daß im Fernbereich die Abbildungsebene des Strahlreitersenders 1 an die jeweilige Entfernung des Flugkörpers stufenweise angepaßt und eine scharfe Abbildung der Lochblende 3 in der Objektivebene des Empfängers 9 bis 15 möglich wird. Man kann aber auch die Zoom-Brennweite durch eine Weg/Zeit-Steuerung nach dem Abschluß des

Flugkörpers 7 dessen jeweiliger Entfernung kontinuierlich anpassen und dadurch bestimmten Ablagewinkeln unabhängig von der Entfernung definierte metrische Ablagen von der Visierlinie zuordnen.
Der dem Sender 1 bis 5 zugeordnete Empfänger 9 bis

15 ist im Heck oder seitlich an dem Flugkörper angebracht und schaut in Richtung des Senders. Der Empfänger besteht nach F i g. 3 im wesentliche/! aus dem einfachen Objektiv 8, dem zur Hintcrgrundtinlcrdrückung das schmalbandige Interferenzfilter 9 vor- oder nachgeschaltet werden kann. Der für 10.6 μηι empfindliche Sensor 10 wird durch den thermoelektrischen oder joule-Thomson-Kühler 11 auf seine Betriebstemperatur abgekühlt, sofern dies erforderlich ist.

Der Sensor wandelt die Intensitätsmodulation des FM-Signales des Laserstrahles in ein elektrisches Wechselspannungssignal um, das im Vorverstärker 12 auf einen verarbeitbaren Pegel angehoben und dem Frequenzdiskriminator 13 zugeleitet wird. Aus Mitlenfrequenz ί,,,υηά Frequenzhub/!/' = /> — f\ werden in der Elektronikeinheit 14 die Winkelablagewerte ψ und ο der Rakete zur Visierlinie bzw. Sollflugbahn 21 abgebildet und über Koordinatenwandlung und Weg/Zeit-Gesetz im Elektronikbloek 15 die metrischen Ablagen x(i) und y(t) in der jeweiligen Flugphase als Lenksignale für die Korrektursteuerung des Flugkörpers 7 ausgewertet.

Im oben beschriebenen Falle der Variation der Objektivbrennweite über das Weg/Zeit-Gesetz können über ρ und ψ durch Koordinatenwandlung die metrischen Ablagen x(t) und y(i) direkt bestimmt werden.

Das Prinzip der Ablagesignalgewinnung soll noch einmal anhand von Fig.4 erläutert werden. Der Kreis

16 mit dem Durchmesser D - 2R kennzeichnet den Querschnitt des durch den Sender periodisch bestrahlten Raums in der Flugkörperebene. Der Querschnitt des Leitstrahls selbst hat im dargestellten Fall einen Durchmesser d = 0,5 D und beschreibt eine Nutationsbewegung um den Leitstrahlmittelpunkt 17. wobei der Zentralstrahl 18 des Leitstrahlbündels mit konstanter Kreiswinkelgeschwindigkeit ω auf dem unterbrochen gezeichneten Kreis 19 rotiert. Das Laserstrahlenbündel wird über den gesamten Querschnitt mit einer Sinusschwingung der Frequenz /'= Α(λ) intensitätsmoduliert. wobei der horizontalen Linie 20 willkürlich die Werte λ = 0" und λ = 360" zugeordnet sind.

Der Flugkörper 7 mit den Ablagekoordinaten η_/λ und , Λ/λ gegenüber dem Leitstrahlmittelpunkt 17 wird zum ersten Male ein Lenksignal empfangen, wenn der Zcntralstrahl 18 die Position Λι auf dem Kreis 19 einnimmt und die Intensitätsmodulation die Frequenz /■, = [(,X₁) besitzt und wird solange Signale vom

in Leitstrahl empfangen, bis in der Position r\₂ mit der Frequenz I₂ = /'(λι) die Signalübertragung aussetzt. Bei Λ/λ hat der .Strahlquerschnitt die Frequenz frk = f(*rkY Fs ist leicht einzusehen, daß mit kleiner werdencni ο/λ der Frequenzhub Af = /j — /Ί größer

ι, wird und umgekehrt, so daß bei geeigneter Wahl der Frequenz f = f(l) aus dem Frequenzhub die radiale Ablage οικ und bei gleichzeitiger Kenntnis der Frequenz frk auch der Winkel λικ bestimmt werden kann und damit die Position des Flugkörpers 7 im

-,ι Leitstrahlbereich eindeutig festliegt.

Einfache Zusammenhänge lassen sich herleiten, wenn nach F i g. 5 die Frequenzvariation in Abhängigkeil von λ linear verläuft zwischen den Frequenzen f„„„ = f(0' ) und F„_Ml = A(360°). wobei nach Fig. 5a bei

,- λ = 0° = 360° eine Unstetigkeitsstelle ist. Bei einem Verhältnis d = 0,5 D ist der Zusammenhang zwischen radialer Ablage g/R und Frequenzhub Af durch die normierte Kurve A in Fig. 5c gegeben. Bei einem Verhältnis d = 0,6 D zeigt Kurve B den Zusammen-

M hang. In beiden Fällen wird die Frequenz fix — «/■*,· als frk = 0,5 ("A — f\) bestimmt und damit die Positionen eindeutig festgelegt.

Eine weitere Form der Variation der Modulationsfrequenz mit \(t) ist die in F i g. 6 dargestellte Drciccksmo-

i'i dulation, bei der wieder ο = + (Af) ist und die Zweideutigkeit der Mittenfrequenz /",„ dadurch ausgeschaltet wird, daß beim aufsteigenden Ast zwischen 0° und 180° die Frequenz ansteigt, zwischen 180° und 360° abfällt. Bei Berücksichtigung dieser Gesetzmäßigkeit

jo lassen sich die Ablagewerte wieder einfach gewinnen, wobei die Abhängigkeit zwischen o/R und Afm Kurve C der F i g. 5c dargestellt ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. System zur Bestimmung der Abweichung eines Flugkörpers in Bezug auf die Achse eines aus einem Bündel elektromagnetischer Strahlen bestehenden, ^r. dem Flugkörper nachführbaren Laser-Leitstrahls, der von einem Sender über dessen Optik in den Raum projiziert dort eine hinsichtlich seines Querschnitts für jeden Querschnittspunkt typische Strahlungsenergie aufweist, deren relative Vertei- m lung in allen Querschnitten gleich ist, und der auf einem in der Flugkörperebene installierten Empfänger mit Hilfe eines Drehkeils im zentralen Achsenbereich nutierend abgebildet wird sowie in Form eines pulsierenden Stromes spezifischer ι·ϊ Wellenform meßbar der koordinatenmäßigen Auswertung dient, dadurch gekennzeichnet, daß ein CC^-Daueretrichlaser (I) Verwendung findet, der mit Hilfe eines elektrooptischen Modulators (2) über den gesamten Querschnitt in seiner _> <i Intensität phasengleich moduliert, durch eine in der Bildebene des Objektivs (4) vorgesehene beschichtete Lochblende (3) im äußeren Strahlenbereich diffus gestreut und in einem Verhältnis seines durch die Lochblende erzeugten Durchmessers d>0,5 dem ->~> Durchmesser D eines periodisch auszuleuchtenden Feldes nutierend abgebildet wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Empfänger (9 bis 15) — dem Strahlenverlauf folgend — aus einem der Hinter- m grundunterdrückung dienenden Interferenzfilter (9), einem Eingangsobjektiv (8), einem die Intensitätsmodulation in ein elektrisches Wechselspannungssignal umwandelnden Sensor (10), einem den Sensor umgebenden Kühler (i1), einem das Wechselspan- r> nungssignal auf einen verarbeitbaren Pegel anhebenden Vorverstärker (12), einem Frequenzdiskriminator (13), einer die Winkelablagewerte q und φ des Flugkörpers (7'/ zur Visierlinie (21) bildenden Elektronik (14) sowie einer die metrischen Ablagen 4» (x)t und y(t) der jeweiligen Flugphase als Lenksignale für die Korrektursteuerung des Flugkörpers auswertenden weiteren Elektronik (15) zusammensetzt.

3. System nach Anspruch 1 und 2, dadurch ή gekennzeichnet, daß der zeitliche Verlauf der Modulationsfrequenz Sinus-, Sägezahn- oder Dreieckkurvenform aufweist.

4. System nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß emp- w fängerseitig ein einfaches Objektiv (8) und senderseitig ein I R-Zoom-Objektiv (4) Verwendung findet.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch stufenweise Brennweitenänderung des IR-Zoom-Objektivs (4) im Fernbereich die v> Abbildungsebene des Strahlreitersenders stufenweise an die jeweilige Entfernung des Flugkörpers (7) anpaßbar und eine scharfe Abbildung der Lochblende (3) in der Objekfivebene des Empfängers (9 bis 15) möglich ist. w)

6. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite des IR-Zoom-Objektivs (4) durch eine vorgegebene Weg/Zeit-Stciicrung der jeweiligen Entfernung des Flugkörpers (7) kontinuierlich anpaßbar ist und dadurch bestimmten *>■> Ablagewinkeln unabhängig von der Entfernung definierte metrische Ablagen von der Visierlinie zugeordnet werden.

7. System nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblende (3) aus einer metaübeschichteten, oberflächenbehandelten Germaniumscheibe besteht

8. System nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Lochblende (3) erzeugte Leuchtfläche mit dem Durchmesser d um den Mittelpunkt (17) einer periodisch ausgeleuchteten Kreisfläche mit dem Durchmesser D nutiert und die beiden Durchmesser ein Größenverhältnis von </>0,5 Daufweisen.

9. System nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühler (11) ein thermoeelektrischer oder ein Joule-Thomson-Kühler Verwendung findet.