DE3202432A1

DE3202432A1 - Hochenergielaser-feintracker

Info

Publication number: DE3202432A1
Application number: DE19823202432
Authority: DE
Inventors: Gunthard Dr. Dipl.-Phys. 8000 München Born; Hans Dr. Dipl.-Phys. 8034 Germering Hermansdorfer; Rudolf Dr. Phys. 8019 Glonn Protz
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1982-01-26
Filing date: 1982-01-26
Publication date: 1983-08-04
Also published as: DE3202432C2

Description

Hochenergielaser-Feintracker
Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochenergielaser-Feintracker, bestehend aus einem HEL-Laser mit Teleskopoptik.
Die bisher bekannten Verfahren und Anordnungen nach dem Stand der Technik basieren entweder auf dem sogenannten "glint-tracking" (das "outgoing-wave-glint-tracking")mit der Wellenlänge Ik7 des HEL-Strahles bzw. -Lasers oder aut dem.
sogenannten "hot-spot-tracking". Im erstgenannten Falle machen die dabei auftretenden Streulichtprobleme eine Trennung von Sende- und Empfangsoptik notwendig, denn das Streulicht der leistungsstarken HEL-Strahlung würde den Detektor in einem "return-wave-system" sättigen und damit unbrauchbar machen, was zwangsläufig zu einem erheblichen Aufwand führt.
Da aber nun das vom Ziel zur getrennten Empfangsoptik zurückkehrende Licht nicht den gleichen optischen Weg wie das ausgesandte HEL-Licht durchläuft, sind die atmosphärischen Einflüsse auf beiden Lichtstrecken unterschiedlich, d. h. es kann keine '2return-wave-Regelung", wie sie z. B. ein Quadrantendetektor mit Differenzlogik darstellt, verwendet werden.
Das angewandte Regelungsverfahren beruht auf aktiver Wobbelung des ausgesandten HEL-Strahls um kleine Winkel.. Die dadurch entstehenden Intensitätsänderungen am Ziel werden mit dem Empfangssystem erkannt und zur Nachregelung benützt.
Dies aber führt zu weiteren Nachteilen, denn einmal führt die notwendige Wobbelung zu einer Senkung der mittleren Laserintensität am Zielpunkt und zum andernmal muß die Wobbelung mit höherer Frequenz als die Regelfrequenz des Systems erfolgen, und zwar etwa um den Faktor 10 höher. Dies führt aber zu erheblichen Schwierigkeiten bei der Konzeption der erforderlichen Kippspiegel, da diese notwendigerweise einen sehr hohen mechanischen Frequenzgang besitzen müssen.
Ein weiterer Nachteil des vorbeschriebenen Verfahrens bei den Anordnungen des Standes der Technik ist die Tatsache, daß die Änderung des Zielpunktes auf der Zieloberfläche bei Relativbewegung zur Strahlachse nicht ausgeglichen werden kann. Ferner ändern sich hier die Reflexionseigenschaften des Zielpunktes bei Erwärmung durch den HEL-Strahl, was zu Miderungen der empfangenen Lichtintensitäten führt und damit Fehlregelungen hervorruft.
Die Verfahren, denen ein alleiniges hot-spot-tracking" zugrundegelegt ist, haben den Nachteil, daß in der Anfangsphase vor Erwärmung des Zielpunktes kein Feintracking erfolgt. Die Wirkung der HEL-Strahlung auf den Zielpunkt erfolgt also erst nach einer längeren Zeitspanne und der Zielpunkt wird größer und damit undefinierter. Bei Rotation des Zieles, wie es bei Flugkörpern bzw. Projektilen die Regel ist, verschwindet der Zielpunkt aus dem Gesichtsfeld der HEL-Optik und dadurch wird die Regelung unbestimmt.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Hochenergielaser-Feintracker der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Vorteile der vorbeschriebenen Verfahren erhalten und ausgenützt werden, die Nachteile aber in einfacher und zuverlässiger Weise beseitigt sind.
Diese Aufgabe wird durch die in dem Hauptanspruch niedergelegten Maßnahmen in überraschender Weise gelöst. Vorteilhafte Maßnahmen zur Ausgestaltung sind in den Unteransprüchen niedergelegt und in der Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel abgehandelt.
In der einzigen Figur der Zeichnung ist in schematischer Darstellung das beschriebene Ausführungsbeispiel in einem Blockschaltbild dargestellt.
Durch die vorgeschlagene Kombination des "glint-tracking-" und "hot-spot-tracklng-Verfahrens" wird es ermöglicht, die situationsbedingten Vorteile jedes Einzelsystems auszu- nützen und die gegebenen Nachteile zu eliminieren. Das "glint-tracking" erfolgt jedoch im Gegensatz zum Stand der Technik im "return-wave-glint-tracking-Verfahren", was die vorbeschriebenen Nachteile des "out-going-wave-glinttracking-Verfahrens" weitgehend vermeidet, da kein Filter des HEL-Strahles notwendig ist.
Zu einem Hochenergielaserstrahl (HEL-Strahl) 11 eines HEL-Lasers 10 von der Wellenlänge 1 (z. B. 10,6 ») wird kollinear über einen HEL-Strahlteiler 15 der Strahl 14 eines Richtlasers 13 mit der Wellenlänge A2 (z. B. 9,1 ) eingekoppelt. Die Kollinearität der beiden Laserstrahlen wird, wenn nötig, durch aktive Stabilisierungsmaßnahmen gewährleistet. Über zwei Kippspiegel 17, 18, die um zwei zueinander senkrecht stehende Achsen mit hoher Frequenz schwenkbar sind (Schwenkbereich typischerweise etwa + 10 mrad), und ein Teleskop werden die beiden Strahlen auf einen Zielpunkt ZP des Zieles 20 fokussiert.
Von dem am Zielpunkt ZP reflektierten und durch die Sendeoptik 19 zurückgelaufenen Licht wird durch die Strahlteiler 15, 16 Licht der Wellenlänge A2 (also der des Richtlasers) mit einer Linse 21 durch einen Interferenzfilter 22 mit Durchlaßband bei A 2 auf den Quadrantendetektor 23 fokussiert. Über diesen Detektor 23 und eine nachfolgende Regelelektronik 24 werden die Kippspiegel 17, 18 mit Hilfe mechanischer und von der Elektronik 24 gesteuerter Antriebe 25a, 25b so nachgeführt, daß das vom Zielpunkt ZP zurückgestrahlte Licht der Wellenlänge 12 mittig auf den Detektor 23 fokussiert bleibt.
Das vom Zielpunkt ZP zurückgestreute Licht mit der Wellenlänge A2 wird durch zwei verschiedene Mechanismen erzeugt; 1. Durch Reflexion des Richtlaserlichts 14 an der Zieloberfläche. Die Regelung fixiert den HEL-Strahl in diesem Falle auf den Zielpunkt mit höchster Reflexion in Rückwärtsrichtung (sog. glint).
2. Aufgrund der Erhitzung des Zielpunktes durch den HEL- Strahl wird von diesem thermische Strahlung mit spektralem Anteil bei der Wellenlänge k2 erzeugt (sog. hot-spot).
Das Tracking-Verfahren erfolgt in mehreren Schritten: Nach Erfassen des Zieles 20 durch einen Grobtracker (z. B.
Radar oder passiver Infrarot-Tracker) wird der HEL-Strahl durch "glint-tracking" bei der Wellenlänge A2 auf den Punkt höchster Reflexion des Zieles bei 2 innerhalb des Sichtwinkels der Sendeoptik 19 fixiert. Das glint-tracking bei der Wellenlänge 2 hat gegenüber dem bei der Wellenlänge1 des HEL-Strahles 11 den Vorteil, daß das vom Zielpunkt zurückgestrahlte Licht wesentlich einfacher vom ausgesandten Licht der gleichen Wellenlänge separiert werden kann, welches durch Streuung an den Komponenten in der Sendeoptik entsteht.
Nach erfolgter Fixierung des HEL-Strahles auf den Zielpunkt durch das vorgenannte "glint-tracking" mit der Wellenlänge 2 wird der Zielpunkt ZP durch den HEL-Strahl erhitzt. die thermische Strahlung bei der Wellenlänge 2 führt zu einer Erhöhlung des Empfangssignals am Detektor 23. Dieses Empfangssignal ist proportional der Intensität I des vom Zielpunkt ZP zurückgestrahlten Lichts der Wellenlänge 2. Die Intensität ist die Summe aus der Intensität des am "glint" reflektierten Lichts des Richtlasers 13 und der Intensität des dort thermisch erzeugten Lichts mit der Wellenlänge t2. In der zweiten Phase erfolgt also ein kombiniertes "glint-" und "hot-spottracking".
Nachdem die Zunahme der Intensität am Detektor 23 einen vorgegebenen Wert überschreitet (aufgrund der Wirkung des HEL-Strahles am Zielpunkt ZP) wird der Richtlaser 13 abgeschaltet.
Der Detektor sieht daraufhin nur noch die thermisch erzeugte Strahlung der Wellenlänge 2 am Zielpunkt. Der HEL-Strahl wird durch die Regelung auf diesen "heißen" Punkt fixiert (sog. hot-spot-tracking). Dieses "hot-spot-tracking" besitzt gegenüber dem "glint-tracking' folgenden Vorteil: Bei Zielen mit gewölbten Oberflächen, was z. B. bei Flugkörpern die Regel ist, wandert bei Relativbewegung der Zieloberfläche zur Strahlachse des HEL-Strahles ( z. B.
bei Rotationsbewegung des Zieles) der Punkt höchster Reflexität des Zieles (glint) auf immer neue Bereiche der Zieloberfläche. Bei einem "glint-tracking-Verfahren" wird also in so einem Falle ein sich ständig ändernder Anteil der Zieloberfläche mit der HEL-Strahlung versehen, was zu nicht optimaler Zieleinwirkung führt.
Im Falle des "hot-spot-tracking" dagegen führt die Regelung den HEL-Strahl bei den genannten Relativbewegungen der Zieloberfläche immer auf den Punkt der Zieloberfläche, wo bereits die größte Einwirkung (d. h. Erhitzung) durch den HEL-Strahl erfolgt ist.
Verschwindet z. B. durch Rotation des Zieles der "hot-spot" aus dem Empfangsbereich der HEL-Optik, so wird dies durch Verschwinden der Intensität am Detektor 23 festgestellt und der Richtlaser 13 automatisch wieder eingeschaltet. Daraufhin erfolgt erneut das glint-tracking". Bei Wiederauftauchen des vorher erhitzten Zielpunktes ZP im Sichtbereich der HEL-Optik 19 wird dieser aufgrund seiner thermischen Strahlung bei der Wellenlänge 1L2 erkannt und gegebenenfalls durch das vorher beschriebene "hot-spot-tracking-Verfahren" erneut vom HEL-Strahl erfaßt.
Erwähnt sei noch, daß bei Betrieb des Detektionssystems im Heterodynbetrieb der Laser 13 als Lokaloszillator benützt werden kann und außerdem auch als Lidar-Laser zur Entfernungsmessung und Geschwindigkeitsmessung des Zieles 20.

Claims

Hochenergielaser-Feintracker Patentansprüche 19 Hochenergielaser-Feintracker, bestehend aus einem HEL-Laser mit Teleskopoptik, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß dem HEL-Laser (10) ein Richtlaser (13) und ein HEL-Strahlteiler (15) zugeordnet ist, welcher kollinear dem Strahl (11) des HEL-Lasers (10) mit der Wellenlänge 21 den Strahl (14) mit der Wellenlänge #2 des Richtlasers (13) einkoppelt und zwei mit hoher Frequenz schwenkbare Kippspiegel (17, 18) sowie ein Teleskop (19) zur Fokussierung der beiden Strahlen auf den Zielpunkt (ZP) des Zieles (20) angeordnet sind, dessem reflektierten und über die Sendeoptik (19) zurücklaufenden Lichtstrahl zwei Strahlteiler (15, 16) zugeordnet sind, die Licht der Wellenlänge #2 über eine Linse (21) und einen Interferenzfilter (22) mit Durchlaßband bei h 2 auf einen Quadrantendetektor (23) fohçsieren, dessen Ausgangssignale einer Elektronik (24) zur Regelung der Kippspiegel (17, 18) für die Mittenfokussierung des reflektierten Lichtanteils der Wellenlänge P 2 auf den Detektor (23) zugeführt werden.
2. Lasertracker nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z- e ;L c h n e t , daß der Schwenkbereich der Kippspiegel etwa + 10 mrad beträgt.
3. Lasertracker nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Elektronik (14) bei Uberschreitung eines vorgegebenen Intensitätswertes am Detektor (23) den Richtlaser (13) ausschaltet und bei Unterschreitung dieses Wertes wieder einschaltet.