DE3111973C1 - Annäherungszünder - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Annäherungszünder gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Herkömmliche Zünder dieser Art weisen aufgrund der notwendigen Unterdrückung von Clutter-Signalen (vorwiegend Bodenechosigna­ len) ein relativ niedriges Verhältnis von Zielentdeckungs­ wahrscheinlichkeit zur Falschalarmrate auf. Es ist bekannt, nicht nur eine dem zu erwartenden Clutter-Pegel bzw. den zu erwartenden Clutter-Frequenzen entsprechende Ansprechschwelle voreinzustellen oder diese Ansprechschwelle dem momentanen Stör­ pegel proportional automatisch veränderlich zu machen; bei den bisher bekannt gewordenen Zündern ist jedoch die Zielentdeckungs­ wahrscheinlichkeit unbefriedigend, insbesondere dann, wenn der Zünder Clutter-Signale während seines Überfluges verschiedenarti­ ger Bodenformationen empfängt, die beispielsweise zeitlich nacheinander anschließend trockener Sand, feuchter Boden, Pflan­ zenwuchs, Wasser u. a. sind.

Ferner ist aus DE 24 11 733 A1 ein Annäherungszünder bekannt. Dieser Annäherungszünder weist zwei eingangsseitig parallel geschaltete, frequenzselektive Verstärker auf. Die Auslösung des Zünders erfolgt derart, daß ein vorbestimmter Pegel zur Zündaus­ lösung im ersten Verstärker überschritten werden muß. Dieser Pegel wird hierbei durch den zweiten Verstärker, mit breitem Bandfilter, geändert, wenn ein Eingangsimpuls oberhalb eines vorgegebenen Wertes in dem Bandfilter des zweiten Verstärkers auftritt. Hierdurch werden Auswirkungen durch Rauschen oder Störsender mit Spektralkomponenten außerhalb des Dopplerbandes beschränkt.

Weiterhin ist aus DE 25 10 185 A1 und US 40 67 013 jeweils ein kohärentes Pulsdopplerradargerät bekannt, bei dem durch Amplitu­ denbewertung der Eingangssignale dessen Clutteranteile extrahiert werden.

Desweiteren ist aus US 34 65 336 zur Clutterextraktion eine Filterbank ausgebildet, so daß bewegte Ziele auch in Gegenwart von Clutter-Störungen, hervorgerufen z. B. durch Baumblätter, erkannt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Zünder gegenüber dem Stand der Technik dahingehend zu verbessern, daß er insbesondere bei seinem Einsatz in einer Rakete oder einem Geschoß, das dicht über dem Untergrund (Erdoberfläche oder Wasseroberfläche) fliegt, gegenüber Clutter-Störungen möglichst weitgehend störfest ist und auch bei sehr langsam bewegten oder stehenden Zielobjekten sich durch eine hohe Zielentdeckungswahr­ scheinlichkeit auszeichnet.

Als Zielobjekte kommen hierbei Flugkörper, Luftfahrzeuge (z. B. Hubschrauber, Flugzeuge), Landfahrzeuge, Wasserfahrzeuge und stationäre Objekte u. ä. in Betracht.

Die Merkmale der Erfindung sind dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 entnehmbar. Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin­ dung.

Anhand der Abbildungen wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Ihr Hauptvorteil liegt in einer automatischen Anpas­ sung des Zünders an seine äußeren Einsatzbedingungen, die dazu führt, daß sich der Zünder optimal auf die jeweils vorliegende Bodenbeschaffenheit, die zu Clutter-Störungen führt und bei­ spielsweise durch trockenen Sand, feuchten Boden, Bewuchs und Wasser gekennzeichnet ist, einstellt, so daß durch Einstellung des notwendigen Zielerkennungsniveaus eine größtmögliche Zielent­ deckungswahrscheinlichkeit des Zünders gewähr­ leistet ist und dabei mit zunehmender Flug­ höhe und damit abnehmender Amplitude der Clutter-Störungen die Zielentdeckungswahrscheinlichkeit selbstkorrigierend steigt.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines vorteilhaften Ausfüh­ rungsbeispiels der Erfindung, soweit zum Verständnis dersel­ ben erforderlich ist. Hierbei werden während des Fluges stän­ dig die von einem CW-Doppler-Radargerät gewonnenen Bodenecho­ signale gemessen und ein von der Amplitude und der Frequenz des Dopplersignals abhängiger Mittelwert gebildet, aus dem das Kriterium zur Zündfreigabe abgeleitet wird.

Dieser Zünder enthält eine Sende/Empfangsantenne 1, an die eine Sende/Empfangsstufe 2 angeschlossen ist. In dieser wer­ den die Empfangssignale mit den Sendesignalen zur Gewinnung der Dopplerinformation gemischt und anschließend selektiv mit­ tels eines Filters 3 und eines Verstärkers 4 weiter­ verarbeitet. An den Verstärker 4 ist ein mit Komp. 1 bezeichneter erster Komparator 5 angeschlossen, welcher die Dopplerschwingungen nur dann hindurchläßt, wenn sie eine vorgegebene Amplitudenschwelle überschreiten, und welcher die­ se hindurchgelassenen Signale gleichzeitig in der Amplitude be­ grenzt, so daß seine Ausgangssignale S1 digitalisiert sind. Diese digitalisierten Signale werden einerseits einer Auswerte­ schaltung 6 zugeführt, die aus der geschwindigkeitsproportiona­ len Doppler-Information nach Freigabe der Zündung durch den strichpunktiert gezeichneten Block 7 "Zielerkennung" gemäß dem nicht zum Erfindungsgegenstand gehörigen gewählten Zündgesetz den optimalen Zündzeitpunkt ermittelt und im ermittelten Zünd­ punkt das Zündsignal auf das zündauslösende Element, beispiels­ weise die Zündpille des Zünders, abgibt und andererseits dem bereits erwähnten Block 7. Dieser Block enthält eingangsseitig einen Digital/Analog-Wandler 8 (DAW), der einen Frequenz/Span­ nungs-Wandler darstellt und der eine der Dopplerfrequenz pro­ portionale Spannung auf einen Tiefpaß 9 (TP1) abgibt. Dessen Zeitkonstante τ₁ ist so gewählt, daß er fortlaufend den Mittelwert der ihm zugeführten frequenzproportionalen Span­ nung bildet, welcher der bei sich annäherndem Radarziel auf­ tretenden Doppler-Frequenzänderung - d. h. der entsprechenden Änderung der Ausgangsspannung des Wandlers 8 - ausreichend folgt; hierbei werden die Fluktuationen im Clutter-Signal um einen entsprechenden Faktor gedämpft.

An diesen ersten Tiefpaß 9 ist sowohl ein zweiter Tiefpaß 10 (TP2) als auch ein Spannungsteiler 11(m) angeschlossen. Die Zeitkonstante τ₂ dieses zweiten Tiefpasses ist wesentlich größer als τ₁ gewählt, so daß der ihm zugeführte Mittelwert S2 der frequenzproportionalen Spannung in seinem zeitlichen Verlauf stark geglättet wird und im wesentlichen keine Funk­ tion der Zielfrequenzänderung darstellt, sondern einen von Amplitude und Frequenz der Dopplerinformation abhängigen Mittel­ wert. Dieser Mittelwert ändert sich im Verhältnis zu S2 langsam mit der Flughöhe des Zünders sowie mit den überflogenen Bodenin­ informationen.

Der Teilerfaktor m des Spannungsteilers 11 ist so gewählt, daß die erwartbaren momentanen Spannungen S3 und S4 an den Ausgängen des Spannungsteilers 11 und des zweiten Tiefpasses 10 bei fehlendem Radarziel - d. h. solange die empfangenen Echosignale allein Clutter-Signale sind - nicht übereinstim­ men können; beispielsweise ist m gleich 0,8, so daß S3 dem momentanen Verlauf von S2 identisch ist, jedoch in der Ampli­ tude nur das 0,8-fache. Durch Wahl von m läßt sich die Falsch­ alarmrate einstellen.

Ein zweiter Komparator 12 (Komp. 2) vergleicht laufend die Höhen der Ausgangsspannungen S3 und S4 und gibt ein Zieler­ kennungssignal zwecks Zündfreigabe an die Auswerteschaltung 6, sobald S3 den Wert S4 überschreitet. Bei Annäherung eines Zieles steigt nämlich der Spannungsmittelwert S3 an, da durch das Zielfrequenzspektrum im oberen Bereich des Bodenecho­ spektrums eine Verlagerung des Frequenzmittelwerts nach höhe­ ren Werten hin bewirkt wird.

Mit dem Zündfreigabesignal wird über einen Selbsthaltekreis 13 die Zündfreigabe mindestens für die Zeit der frühesten Ziel­ erkennung bis zum spätestmöglichen Zündzeitpunkt aufrecht er­ halten; erfolgt innerhalb dieses "Zielzeittores" keine Zün­ dung, wird auf den Anfangszustand zurückgesetzt.

Der Tiefpaß 10 weist einen weiteren Eingang "Vorrohrsicher­ heit" auf. Hiermit ist bezweckt, eine Zündung auf jeden Fall innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls zu verhindern, welches im Abschußzeitpunkt des Zünders beginnt. Über diesen Eingang wird dem Tiefpaß während dieses genannten Zeitinter­ valls eine Spannung zugeführt, welche bewirkt, daß S4 einen Maximalwert einnimmt, den S3 keinesfalls überschreiten kann, so daß der Komparator 12 kein Zündfreigabesignal abgeben kann. S4 schwingt nach Ablauf dieses Zeitintervalls der Vorrohrsi­ cherheit auf den Radarmeßwert ein.

Fig. 2 zeigt im größeren Detail den Schaltungsaufbau des Zünders nach Fig. 1. Am Signaleingang S1 ist der Komparator 5 angeschlossen, am Signaleingang UV der Signalgenerator für die Vorrohrsicherheit; A ist die Auswerteschaltung 6, die ihr Zündsignal auf das eigentliche Zündelement 14(Z) ab­ gibt, wenn das Zündkriterium erfüllt ist. H stellt den Selbst­ haltekreis 13 dar, der beispielsweise ein monostabiler Multivibra­ tor ist, welcher ein invertiertes und ein nichtinvertiertes Aus­ gangssignal abgibt.

Der Digital/Analog-Wandler 8 und der Tiefpaß 9 sind gemäß Fig. 2 durch eine Schaltung realisiert, die in der gezeig­ ten Zusammenschaltung folgende Bauelemente aufweist:

Transistor T1, Kondensator C1, Diode D1, Widerstände R1 und R2 sowie Transistor T3. Mit +UB ist das positive Ver­ sorgungsspannungspotential gegenüber Masse bezeichnet, bei­ spielsweise +12 V.

Der Spannungsteiler 11 besteht vorwiegend aus den Widerstän­ den R3 und R4. Zum Tiefpaß 10 gehören vorwiegend der Konden­ sator C2 und der Widerstand R5. Als Komparator 12 ist ein Operationsverstärker OP vorgesehen.

Die weiterhin in Fig. 2 dargestellten Schaltungseinzelheiten beziehen sich auf die Sicherstellung der elektrischen Vor­ rohrsicherheit und die Einleitung der Dopplerauswertung. Hierzu gehören ein Transistor T2 sowie Widerstände R6 bis R9.

Fig. 3 ist ein Spannungs/Zeit-Diagramm, welches die Spannungs­ verläufe von S2 bis S4 wiedergibt. Im Abschußzeitpunkt t₀ be­ ginnt das Zeitintervall der Vorrohrsicherheit, welches im Zeitpunkt t₁ endet. Während dieses Zeitintervalls wird auf den Signaleingang UV gemäß Fig. 2 eine Gleichspannung Umax gegeben, die einerseits über den Widerstand R6 auf die Basis des Transistors T2 gelangt und dessen Emitter-Kollektor-Pfad auf Durchlaß schaltet, während sie andererseits über R7 den Operationsverstärker 12 blockiert. Durch den Stromdurchlaß im Transistor T2 ist der Widerstand R8 kurzgeschlossen, so daß der Kondensator C2 im wesentlichen über den Widerstand R9 exponentiell aufgeladen wird entsprechend dem Kurventeil von S4 zwischen t₀ und t₁ bis auf die Spannung Umax. Hierbei liegen dem Kondensator C2 die Widerstände R3 bis R5 in Se­ rienschaltung parallel.

Der Spannungsverlauf von S3, also der Spannungsabfall über R4 im Zeitintervall zwischen t₀ und t₁, ist gleichartig und Fig. 3 im Prinzip entnehmbar.

Zum Zeitpunkt t₁, also mit dem Ende der Vorrohrsicherheit, beginnt die exponentielle Entladung des Kondensators C2; ab dieser Zeit ist der Transistor T2 nicht mehr stromleitend und die Sperrung des Operationsverstärkers 12 ist wieder auf­ gehoben. Die Entladung von C2 erfolgt im wesentlichen über R5, R3 und R4, während über R8 und R9 weiterhin eine minimale Spei­ sung des Kondensators erfolgt, die seine prinzipielle Entla­ dung bis zum Zeitpunkt t₂ jedoch nicht verhindert.

Beispielhaft seien für die Größen der Widerstände R3 bis R9 folgende Werte angegeben:

R3 = 25 kΩ

R4 = 39 kΩ

R5 = 47 kΩ

R6 = 22 kΩ

R7 = 10 kΩ

R8 = 1 MΩ

R9 = 56 kΩ

Die Größe des Kondensators C2 ist in diesem Beispielsfall 1 µF. Mit diesen Werten ergeben sich folgende Zeitkonstan­ ten für die Auf- und Entladungen:

τLade ≈ 36 ms
τEntlade ≈ 101 ms

Unter diesen Umständen liegt Umax bei etwa 7,7 V und Umin bei etwa 1,4 V.

Die Zeitkonstante τ1 der Kombination aus R1 und C1 liegt im Beispielsfall bei ≈ 1 ms, die Zeitkonstante τ2 der Kom­ bination aus R5 und C2 bei 47 ms.

Im Zeitpunkt t₂ spricht die Schwelle an; in diesem Zeitpunkt wird nämlich die momentane Spannung am Emitterausgang des Transistors T3 gegenüber der Spannung S2 um die Schwellspan­ nung der Diode D2 größer, so daß diese Diode auf den Durch­ laßbetrieb übergeht. Die Spannung über dem Widerstand R4 ver­ läuft gemäß der Kurve S3 in Fig. 3, welche im Zeitintervall zwischen t₂ und t₃ lediglich den Clutter-Fluktuationen folgt und nicht von Zielechoschwingungen beeinflußt ist, während die Spannung S2 simultan der Kurve S3 auf einem höheren Niveau parallel folgt. S4 stellt die stark geglättete Spannung über dem Kondensator C2 dar.

Sobald S3 den Wert von S4 überschreitet, was im Beispielsfall im Zeitpunkt t₃ der Fall ist, erkennt der Komparator 12 auf "Zielentdeckung" und gibt auf seinen Selbsthaltekreis 13 ein Zündfreigabesignal. Dieses gelangt von Q über die Diode D3 sowohl an die Auswerteschaltung 6 als auch an den invertier­ ten Eingang des Komparators 12. Das Signal vom Ausgang Q ge­ langt über die Diode D4 zum Plus-Eingang des Operationsver­ stärkers; diese Signale von Q und Q bleiben entsprechend der vorgegebenen Selbsthaltezeit stehen. Die Diode D4 verhindert hierbei eine Aufladung des Kondensators C2 durch das Selbst­ haltesignal.

Eine Rückspeisung von S3 auf T3 wird durch die Diode D2 ver­ hindert. Bei weiterer Zielannäherung verlagert sich der Fre­ quenzmittelwert im Empfangsspektrum zu höheren Werten und außerdem steigt die Empfangsamplitude, so daß ab t₃ prinzipiell eine starke Spannungserhöhung von S3 - wie gezeigt - auftritt.

Nach erfolgter Zündfreigabe kann die Auswerteschaltung 6 die Dopplerinformation entsprechend S1 zur Bestimmung des Zündzeitpunktes unmittelbar verarbeiten.

Fig. 4 zeigt eine rein digitale Lösung der Zielerkennung im Sinne der Erfindung in einem Beispielsfall. Hier ist der in Fig. 1 mit 7 bezeichnete Block wegen seines unterschiedli­ chen Aufbaus mit 15 bezeichnet. Anstelle des Digital/Analog- Wandlers 8 ist hier ein digitaler Periodenmesser 16 vorgese­ hen; der Spannungsteiler 11 ist durch einen Multi-Addierer 17 ersetzt. Die Funktion des Komparators 12 übernimmt beim Aus­ führungsbeispiel nach Fig. 4 ein seriell arbeitender Subtra­ hierer 18. Die analogen Tiefpässe 9 und 10 sind hier durch digitale Tiefpässe 19 bzw. 20 ersetzt.

Zweckmäßigerweise führt man dem Tiefpaß 20 das Sperrsignal entsprechend der Vorrohrsicherheit zu, während hier der Aus­ gang eines dem Selbsthaltekreis 13 entsprechenden Bausteins 21 auf den Tiefpaß 19 einwirkt.

Claims (4)

1. Annäherungszünder für gegen auch sehr tief und sehr langsam fliegende oder auch stehende oder am Boden bewegte Zielobjekte einsetzbare Geschosse oder Raketen, der nach dem CW-Doppler- Radarprinzip arbeitet, mit einer Auswerteschaltung (6) zur Ableitung des Zündsignals aus der Doppler-Information und mit einer eingangsseitig der Auswerteschaltung parallel geschalteten Zielerkennungsschaltung (7) zum Erzeugen eines Zündfreigabesi­ gnals für die Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Zielerkennungsschaltung zum Erkennen von Zielechosignalen im Störhintergrund (z. B. Clutter-Signalen) für das Zündfreigabesi­ gnal vor und während des Zielanfluges einerseits denjenigen Mittelwert S4 der Frequenz-Fluktuation in der Dopplerinformation, dessen zeitlicher Verlauf so stark geglättet ist, daß er angenä­ hert nur den aus dem Störhintergrund resultierenden Mittelwert darstellt, der sich z. B. mit der Flughöhe über Grund und dem Rückstrahlverhalten der überflogenen Bodeninformation ändert, andererseits mit demjenigen um einen vorgegebenen Faktor m < 1 gegenüber S4 verkleinerten Mittelwert S3 dieser Fluktuationen vergleicht, dessen zeitlicher Verlauf nur so stark geglättet ist, daß er noch sicher den durch Zielannäherung bedingten Frequenzän­ derungen zu folgen vermag, und daß bei Überschreiten des Wertes S4 seitens S3 das Zündfreigabesignal erzeugt wird.

2. Annäherungszünder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. im Doppler-Signalkanal ein erster Komparator (5) vorgesehen ist, der nur die eine vorgegebene Amplitudenschwelle über­ schreitenden Dopplersignale hindurchläßt und hierbei durch Amplitudenbegrenzung digitalisiert,
• 2. an den ersten Komparator ein Frequenz/Spannungs-Wandler (DAW = Digital-Analog-Wandler (8)) angeschlossen ist, der eine der Dopplerfrequenz proportionale Spannung abgibt,
• 3. dem Frequenz/Spannungs-Wandler ein erster Tiefpaß folgt, dessen Zeitkonstante τ1 so gewählt ist, daß der erste Tiefpaß einen fortlaufenden Mittelwert der ihm zugeführten frequenz­ proportionalen Spannung bildet, welcher der bei sich näherndem Radarziel auftretenden Dopplerfrequenzänderung - d. h. der entsprechenden Änderung der Ausgangsspannung des Frequenz/- Spannungs-Wandlers - ausreichend folgt,
• 4. an den ersten Tiefpaß sowohl ein zweiter Tiefpaß (TP1) als auch ein Spannungsteiler (m) angeschlossen ist,
• 5. die Zeitkonstante τ2 des zweiten Tiefpasses wesentlich größer als τ₁ gewählt ist, so daß der ihm zugeführte Mittelwert (S2) der frequenzproportionalen Spannung durch ihn in seinem zeit­ lichen Verlauf stark geglättet wird und im wesentlichen keine Funktion der Zielfrequenzänderung darstellt, sondern einen von Amplitude und Frequenz der Doppler-Information abhängigen Mittelwert,
• 6. der Teilerfaktor des Spannungsteilers (m) so gewählt ist, daß die erwartbaren momentanen Spannungen (S3, S4) an den Ausgän­ gen des Spannungsteilers und des zweiten Tiefpasses bei fehl­ endem Radarziel - d. h. solange die empfangenen Echosignale allein Clutter-Signale sind - nicht übereinstimmen können,
• 7. ein zweiter Komparator (Komp. 2) zum laufenden Vergleich der Ausgangsspannungen des Spannungsteilers und des zweiten Tief­ passes vorgesehen ist und ein Zielerkennungssignal bei Über­ einstimmung seiner Eingangsspannungen abgibt, welches die Zündfreigabe bewirkt.

3. Annäherungszünder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. im Doppler-Signalkanal ein erster Komparator (5) vorgesehen ist, der nur die eine vorgegebene Amplitudenschwelle über­ schreitenden Dopplersignale hindurchläßt und hierbei durch Amplitudenbegrenzung digitalisiert,
• 2. an den ersten Komparator ein digitaler Periodenmesser (16) angeschlossen ist, der eine den Dopplerperioden entsprechende Größe abgibt,
• 3. dem Periodenmesser ein digitaler Tiefpaß (19) folgt, dessen Zeitkonstante τ1 so gewählt ist, daß der erste Tiefpaß einen fortlaufenden Mittelwert der ihm zugeführten Größen bildet, welcher der bei sich annäherndem Radarziel auftretenden Dopp­ ler-Frequenzänderung ausreichend folgt,
• 4. an den ersten digitalen Tiefpaß (19) ein Multi-Addierer (17) und daran ein zweiter digitaler Tiefpaß (20) angeschlossen ist und ein Subtrahierer zum Vergleich der Ausgangswerte der digitalen Tiefpässe (19, 20) vorgesehen ist, welcher bei Übereinstimmung seiner Eingangssignale das Zündfreigabesignal erzeugt.

4. Annäherungszünder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer Zielerkennung ein Selbsthaltekreis (13) geschlossen wird ("Zündzeittor"), der nach einer vorgegebe­ nen Zeit zurückgesetzt wird und den Anfangszustand wieder her­ stellt.