DE3230068A1

DE3230068A1 - Method for precisely positioning a laser beam and device for carrying out the method

Info

Publication number: DE3230068A1
Application number: DE19823230068
Authority: DE
Inventors: Günther Dipl.-Ing. 8195 Egling Riedl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-08-12
Filing date: 1982-08-12
Publication date: 1984-02-16
Also published as: DE3230068C2

Abstract

The invention relates to a method for precisely positioning a beam (1) of a laser transmitter (LS), that is directed onto a point (A) of a target (ZO). For this purpose, the instantaneous position (B) of the laser radiation (1a) which is directed onto the point (A) of the target (ZO) and deviates, e.g. due to atmospheric turbulence or target movements, is compared with the thermal radiation (2) which is emitted by the point (focal spot A) on which the laser beam (1) impinges, by comparing the angular position of the focal spot radiation (2) and the laser radiation (3) reflected from the instantaneous location (B). From this is derived a deviation signal ( DELTA ) which readjusts by the laser transmitter (LS) and keeps its transmitted beam (1) directed onto the focal spot (A). The method according to the invention is suitable for precise positioning of laser radiation with the aim of damaging or destroying targets or parts thereof. <IMAGE>

Description

Verfahren zur genauen Positionierung eines Laserstrah-Procedure for the precise positioning of a laser beam

les und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur genauen Positionierung eines auf eine Stelle eines Zielobjektes gerichteten Strahles eines Lasersenders und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, Zur Beschädigung oder Zerstörung von Zielobjekten oder von Teilen davon können Laser als Waffen eingesetzt werden. Mit einem Waffenlaser kann z.B. an einem zur Beschädigung oder Zerstörung eines Zielobjektes geeigneten Punkt ein Loch eingebrannt, eine Empfangs- oder Sendeoptik eines elektrooptischen Gerätes beschädigt oder ein elektrotechnisches Gerät außer Funktion gesetzt werden. Voraussetzuna hierfür ist iedoch. daß der oder Zielverfolgungsgerätes aus. Da die zu treffende Stelle des Zielobjektes je nach Anwendung einen Durchmesser von einigen Zentimetern bis zur Größenordnung von etwa 1 Meter hat, muß bei einer Zielentfernung von z.B. 5km die Genauigkeit, mit der der Zielpunkt gehalten werden kann, wesentlich besser als 0,02mrad bei einem Durchmesser der Strahlauftreffstelle von 10 cm bzw. 0,2 mrad bei einem Durchmesser von 1 Meter sein.les and device for carrying out the method The invention relates to a method for the precise positioning of a target object at a point Directed beam of a laser transmitter and a device for performing the Procedure to damage or destroy target objects or parts thereof lasers can be used as weapons. With a weapon laser, for example, on a burned in a hole suitable for damaging or destroying a target object, a receiving or transmitting optics of an electro-optical device is damaged or a electrical device are disabled. A prerequisite for this is anyway. that the or target tracking device. Because the to be taken Place the target object a few centimeters in diameter, depending on the application up to the order of magnitude of about 1 meter, at a target distance of e.g. 5km the accuracy with which the target point can be held is much better than 0.02 mrad with a diameter of the jet impact point of 10 cm or 0.2 mrad be at a diameter of 1 meter.

Diese Genauigkeit, vor allem der erstgenannte Wert,ist mit herkömmlichen Visier- oder Zielgeräten jedoch nicht zu erreichen.This accuracy, especially the first-mentioned value, is with conventional However, sighting or aiming devices cannot be reached.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, der eine gegenüber herkömmlichen Mitteln genauere Positionierung eines auf eine Stelle eines Zielobjektes gerichteten Laserstrahles ermöglicht.The invention is therefore based on the object of showing a way the one compared to conventional means more precise positioning of one on one Point of a target object directed laser beam allows.

Diese Aufgabe wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß sowohl die Winkellage der vom Zielobjekt reflektierten Laserstrahlung als auch die Winkellage der thermischen Strahlung, welche die vom Laserstrahl getroffene und erwärmte Stelle (Brennfleck A) des Zielobjektes aussendet, gemessen und durch einen Vergleich dieser beiden Winkellagen eine Ablagesignal gewonnen wird, welches den Lasersender nachsteuert und damit den Laserstrahl auf den Brennfleck des Zielobjektes gerichtet hält.In a method according to the invention, this object is achieved by that both the angular position of the laser radiation reflected from the target object and the angular position of the thermal radiation, which is the one struck by the laser beam and heated point (focal point A) of the target object emits, measured and through a comparison of these two angular positions a storage signal is obtained which readjusts the laser transmitter and thus directs the laser beam onto the focal point of the target object keeps directed.

Die Erfindung geht davon aus, daß ein auf ein Zielobjekt gerichteter Laserstrahl die getroffene Stelle des Zielobjektes erwärmt, so daß ein Brennfleck entsteht, der thermische Strahlung aussendet, welche diesen Brennfleck von seiner Umgebung unterscheidet. Der Brennfleck ändert nun seine Position auf dem Zielobjekt infolge thermischer Trägheit der dort erhitzten Masse relativ langsam gegenüber dem z.B. aufgrund athmosphärischer Turbulenzen oder Instabilitäten des Lasermediums vom Brennfleck weg wandernden Laserstrahl. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun die thermische Strahlung des Brennflecks mit der Momentanlage des Laserstrahls auf dem Zielobjekt verglichen und zwar dadurch, daß ein Vergleich der Winkellage der Brennfleckstrahlung'und der reflektierten Laser strahlung des ausgewanderten Laserstrahls vorgenoemen wird. Aus der Ablageinformation läßt sich ein Signal gewinnen, das den Lasersender nachsteuert und damit für die gewünschte Einwirkungszeit den Brennfleck auf dem Zielobjekt mit der geforderten Genauigkeit positioniert, d.h. in seiner Position genau stabilisiert.The invention assumes that a directed at a target object Laser beam heats the hit point of the target object, so that a focal point arises, which emits thermal radiation, which this focal point from his Environment is different. The focal point now changes its position on the target object due to the thermal inertia of the mass heated there relatively slowly e.g. due to atmospheric Turbulence or instability of the laser medium moving away from the focal point. In the inventive The thermal radiation of the focal point with the momentary system is now used of the laser beam on the target object compared by making a comparison the angular position of the focal point radiation and the reflected laser radiation emigrated laser beam is made. From the filing information gain a signal that readjusts the laser transmitter and thus for the desired Exposure time the focal point on the target object with the required accuracy positioned, i.e. precisely stabilized in its position.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Winkellage der thermischen Strahlung des Brennflecks und der vom Zielobjekt reflektierten Laserstrahlung über einen Empfänger von einem Winkelsensor gemessen, wobei das Ausgangssignal des Winkelsensors einem Komparator zugeführt wird und dessen Ausgangs signal dem Lasersender zugeführt wird.In an advantageous embodiment of a method according to the invention becomes the angular position of the thermal radiation of the focal point and that of the target object reflected laser radiation measured by an angle sensor via a receiver, wherein the output signal of the angle sensor is fed to a comparator and its Output signal is fed to the laser transmitter.

Vorteilhafte Ausführungsformen einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Merkmalen der übrigen Unteransprüche angegeben.Advantageous embodiments of a device for implementation of the method according to the invention are in the features of the remaining subclaims specified.

Dabei ist bei einer Ausführungsform einer erfindungsgäen Einrichtung zur Erm5glichung des Vergleiches der beiden Winkellagen für die trennfleckstrahlung und für die reflektierte Laserstrahlung ein gemeinsamer Empfänger mit einem Filter zur Trennung der beiden Strahlungsbereiche vorgesehen ist. Es ist aber auch möglich, daß für die Brennfleckstrahlung und für die reflektierte Laserstrahlung zwei getrennte Empfänger verschiedener Wellenlängenbereiche vorgesehen sind.In one embodiment, there is a device according to the invention to enable a comparison of the two angular positions for the separation point radiation and a common receiver with a filter for the reflected laser radiation is provided to separate the two radiation areas. But it is also possible that two separate ones for the focal point radiation and for the reflected laser radiation Receivers of different wavelength ranges are provided.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren steuert das aus den beiden Winkellagen gewonnene Ablage signal den Lasersender nach. Es ist daher zweckmäßig, wenn zur Nachsteuerung des Lasersenders geeignete auf den Lasersender einwirkende Mittel vorgesehen sind. Hierzu ist bei einer ersten vorteilhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung der Lasersender auf einer von dem Komparatorausgangssignal steuerbaren Plattform angeordnet. Die Richtmittel zur Nachsteuerung des Lasersenders können auch aus einer nachsteuerbaren Optik, z.B. einer adaptiven Optik bestehen, welche in den optischen Pfad anstelle einer Plattform eingefügt und von dem Komparator angesteuert wird.In a method according to the invention, this controls from the two angular positions The saved filing signals the laser transmitter. It is therefore useful when to Adjustment of the laser transmitter suitable means acting on the laser transmitter are provided. For this purpose, in a first advantageous embodiment, a device according to the invention of the laser transmitter on one of the comparator output signal controllable platform arranged. The alignment means for readjusting the laser transmitter can also consist of adjustable optics, e.g. adaptive optics, which is inserted into the optical path instead of a platform and used by the comparator is controlled.

Um bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung die Veränderung des Laserstrahls aufgrund atmosphärischer Turbulenzen besser ermitteln, berücksichtigen und ausregeln zu können, ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Lasersender und dem Komparator eine die Winkellage des Lasersendestrahls messende Winkelmeßeinrichtung vorgesehen ist. Damit-wird dem Komparator auch ein Signal über die Winkellage des Sendestrahls zugeführt.In order to change the laser beam in a device according to the invention better determine, take into account and correct due to atmospheric turbulence to be able to, it is advantageous if between the laser transmitter and the comparator an angle measuring device measuring the angular position of the laser beam is provided is. This also provides the comparator with a signal about the angular position of the transmission beam fed.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird gewöhnlich in Verbindung mit einem Visiergerät angewandt, insbesondere bei beweglichen Zielobjekten. Hierzu ist es zweckmäßig, wenn bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Durchwahrung des Verfahrens die Empfnger und der Laser sender mit einem Visiergerät gekoppelt sind. Als Visiergerät wird zweckmäßigerweise ein Zielverfolgungsgerät vorgesehen, wobei hierfür z.B. ein Radars ein IR- oder ein Fernsehgerät verwendet werden kann.The inventive method is usually in connection with a Sighting device applied, especially with moving targets. For this it is expedient if in a device according to the invention to carry out the process the receiver and the laser transmitter are coupled with a sighting device. As a sighting device a target tracking device is expediently provided, e.g. Radars an IR or a TV can be used.

Eine Vereinfachung des Aufbaus einer Einrichtung wird dadurch erzielt, daß die Empfänger und der Laser sender auf einer gemeinsamen Grob-Plattform angeordnet sind, die vom Visiergerät gesteuert wird.A simplification of the structure of a facility is achieved by that the receiver and the laser transmitter are arranged on a common coarse platform controlled by the sighting device.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand einer in der Zeichnung schematisch in der Art eines Blockschaltbildes aufgezeigten Ausführungsform einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens näher beschrieben.The method according to the invention is described below with reference to one in Drawing shown schematically in the manner of a block diagram embodiment a device for carrying out the method described in more detail.

Die Einrichtung weist einen Lasersender LS auf, der mit Hilfe eineStisiergerätes, z.B. eines Zielverfolgungsgerätes ZV, auf ein sich z.B. in Richtung des eingezeichneten Pfeiles 5 bewegendes Zielobjekt ZO gerichtet wird.The device has a laser transmitter LS, which with the help of a e.g. a target tracking device ZV, on a e.g. in the direction of the drawn Arrow 5 moving target object ZO is directed.

Dort trifft der vom Lasersender LS ausgesandte Laserstrahl 1 auf eine Stelle A des Zielobjek.tes ZO. Diese Stelle A erwärmt sich nun und wird im folgenden daher als Brennfleck bezeichnet. Der sich erwärmende Brennfleck A sendet nun thermische Strahlung 2 aus, die ihn von seiner kälteren Umgebung untrscheidet. Dabei ändert der Brennfleck A infolge thermischer Trägheit der auf dem Zielobjekt erhitzten Masse seine Position auf dem Zielobjekt relativ langsam, während die Laserstrahlung 1 z.B. aufgrund atmosphärischer Turbulenzen oder Ungenauigkeiten des Zielverfolgungsgerätes von dem Brennfleck A weg zu einer Stelle B auswandert (Laserstrahl la). Um nun den Laserstrahl möglichst genau für eine bestimmte Zeit, nämlich für die zu einer Zerstörung oder Beschädigung der verwundbaren Stelle A erforderliche Einwirkungszeit auf den Brennfleck gerichtet zu halten, wird nun die thermische Strahlung des Brennlecks mit der Ecmentanlage der Laser strahlung auf dem Zielobjekt verglichen, indem ein Vergleich der Winkellage der Brennfleckstrahlung 2 und der von der Stelle B reflektierten Laserstrahlung 3 vorgenommen wird. Hierzu besitzt die Einrichtung bei diesem Ausführungsbeispiel zwei getrennte Empfänger EI und E2 verschiedener Wellenlängenbereiche, d.h. der Empfänger El für die Brennfleckstrahlung 2 ist mit einem IR-Sensor ausgestattet und der Empfänger E2 für die reflektierte La- serstrahlung 3 ist auf deren Wellenlänge abgestimmt.There the laser beam 1 emitted by the laser transmitter LS hits a Position A of the target object ZO. This point A now warms up and will be in the following hence referred to as a focal point. The heating spot A now sends thermal Radiation 2, which distinguishes it from its colder surroundings. It changes the focal point A due to thermal inertia of the mass heated on the target object its position on the target object relatively slowly, while the laser radiation 1 e.g. due to atmospheric turbulence or inaccuracies in the target tracking device migrates away from the focal point A to a point B (laser beam la). To now the Laser beam as precisely as possible for a certain time, namely for destruction or damage to the vulnerable point A required exposure time to the To keep the focal spot aligned, the thermal radiation of the focal leak is now compared with the écment system of laser radiation on the target object by adding a Comparison of the angular position of the focal point radiation 2 and that reflected from point B. Laser radiation 3 is made. The device in this exemplary embodiment has for this purpose two separate receivers EI and E2 of different wavelength ranges, i.e. the Receiver El for the focal spot radiation 2 is equipped with an IR sensor and the receiver E2 for the reflected load radiation 3 is tuned to their wavelength.

Die Empfänger El und E2 sind jeweils auf einer Plattform P1 bzw. P2 angeordnet und führen die in elektrische Signale umgewandelte jeweilige Strahlung jeweils einem Winkelsensor W1 bzw. W2 zu. Die Ausgangssignale dieser beiden Winkelsensoren werden einem Komparator K zugeführt, welcher die Winkelablage 4 bildet. Dieses Komparatorausgangssignal 8 , d.h. der Differenzwert, wird dem Lasersender LS zugeführt und steuert diesen so nach, daß das A zu Null geregelt wird. Hierzu sind auf den Lasersender einwirkende Nachsteuerungsmittel 4 vorgesehen, die als von dem Komparatorausgangssignal steuerbare Plattform ausgebildet oder als Richtmittel im optischen Pfad, z.B. in Form einer nachsteuerbaren adaptiven Optik oder eines Richtspiegels, eingefügt sind. Außerdem ist zwischen dem Lasersender LS und dem Komparator K noch eine Winkelmeßeinrichtung W3 angeordnet, welche die Winkellage des abgestrahlten Laserstrahls 1 mißt und dem Komparator zuführt. Damit erhält der Komparator K außer der Information über die Winkellage der Brennfleckstrahlung 2 eine Information sowohl über die Winkellage des Ortes, der vom Laserstrahl getroffen werden soll als auch über die Winkellage desjenigen Ortes, der vom Laserstrahl tatsächlich getroffen wurde und von dem der Laserstrahl reflektiert wird, also eine Information über den Sende- und den Reflexionswinkel des Laserstraifles. Bei der Bildung des Komparatorausgangs signals ^ wird daher auch der tatsächliche Sendewinkel berücksichtigt.The receivers E1 and E2 are each on a platform P1 and P2 arranged and guide the respective radiation converted into electrical signals each to an angle sensor W1 or W2. The output signals of these two angle sensors are fed to a comparator K, which forms the angle bracket 4. This comparator output signal 8, i.e. the difference value, is fed to the laser transmitter LS and controls it so that the A is regulated to zero. For this purpose, the laser transmitter is affected Adjustment means 4 are provided, which can be controlled by the comparator output signal Platform designed or as a directional means in the optical path, e.g. in the form of a readjustable adaptive optics or a directional mirror are inserted. aside from that is between the laser transmitter LS and the comparator K still an angle measuring device W3 arranged, which measures the angular position of the emitted laser beam 1 and the Comparator supplies. Thus, the comparator K receives the information about the Angular position of the focal spot radiation 2 information about the angular position the place to be hit by the laser beam as well as the angular position of the place that was actually hit by the laser beam and from which the Laser beam is reflected, so information about the angle of transmission and the angle of reflection of the laser beam. When forming the comparator output signal ^ is therefore the actual transmission angle is also taken into account.

II Patentansprüche 1 Figur LeerseiteII claims 1 figure Blank page

Claims

A method for the precise positioning of a Place a target object directed beam of a laser transmitter, d u r c h g e k e n n n z e i c h -n e t that both the angular position of the target object (ZO) reflected laser radiation (3) and the angular position of the thermal radiation (2), which covers the area hit and heated by the laser beam (1) (focal point A) of the target object (ZO) emits, measured and by comparing these two Angular positions a storage signal (a)) is obtained, which readjusts the laser transmitter (LS) and thus the laser beam (1) is directed onto the focal point (A) of the target object (ZO) holds.

2. The method according to claim 1, d a d u r c h g e ke n nz e i c h n e t that the angular position of the thermal radiation (2) of the focal point (A) and the Laser radiation (3) reflected by the target object (ZO) via a receiver (E1, E2) is measured by an angle sensor (W1, W2) that the output signal of the angle sensor (W1, W2) is fed to a comparator (K) and that its output signal (n) is fed to the laser transmitter (LS).

3. Device for carrying out the method according to claim 2, d a d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that for the focal spot radiation (2) and a common receiver with a filter for the reflected laser radiation (3) is provided to separate the two radiation areas.

4. Device for performing the method according to claim 2, d a d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that for the focal point radiation (2) and for the reflected laser radiation (3) two separate receivers (El, E2) different Wavelength ranges are provided.

5. Device according to claim 3 or 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the receivers (El, E2) are arranged on a platform (Pl, P2) are.

6. Device according to one of claims 3 to 5, d a -d u r c h g It is noted that the laser transmitter (LS) responds to one of the comparator output signals (S) controllable platform is arranged.

7. Device according to one of claims 3 to 5, d a -d u r c h g e k e n nn n n e i n e t that as a directional means for readjusting the laser transmitter (LS) a controllable optics, e.g. an adaptive optics, in the optical path is inserted.

8. Device according to one of claims 3 to 7, d ad u r c h g e it is not indicated that between the laser transmitter (LS) and the comparator (K) an angle measuring device (W3) measuring the angular position of the laser beam (1) is intended.

9. Device according to one aor claims 3 to 8, d a -d u r c h g it is not indicated that the receiver (El, E2) and the laser transmitter (LS) are paired with a sighting device.

10. Device according to claim 9, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that a target tracking device (ZV) is provided as a sighting device.

11. Device according to claim 9 or 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the receivers (E1, E2) and the laser transmitter (LS) are on one common coarse platform are arranged, which is controlled by the sighting device (ZV).