DE3422232A1 - Verfahren und einrichtung zur ziel-suche und ziel-nachfuehrung mittels eines fokussierbaren strahles - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur ziel-suche und ziel-nachfuehrung mittels eines fokussierbaren strahles

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DE3422232A1 DE19843422232 DE3422232A DE3422232A1 DE 3422232 A1 DE3422232 A1 DE 3422232A1 DE 19843422232 DE19843422232 DE 19843422232 DE 3422232 A DE3422232 A DE 3422232A DE 3422232 A1 DE3422232 A1 DE 3422232A1
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Description

P 780 °
Fg /Lu
DIEHL GMBH & CO., 8500 Nürnberg
Verfahren und Einrichtung zur Ziel-Suche und Ziel-Nachführunq mittels
eines fokussierbaren Strahles
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 4.
Die gattungsgemäßen Maßnahmen sind aus der US-PS 3 603 686 bekannt.
Wenn es nicht so sehr darum geht, mittels Erfassung eines Zieles durch den Strahl Zielkoordinaten für ein Feuerleitsystem oder für die Zielsteuerung eines lenkbaren Munitionsartikels zu ermitteln, sondern bei Verwendung eines Hochenergie-Lasers unmittelbar im Ziel Funktionsstörungen oder Beschädigungen hervorzurufen, dann ist es wichtig, der Ziel-Ausrichtung des Strahles Strahlformungs-Maßnahmen zu überlagern, die störenden Streueinflüssen auf dem Übertragungsweg zum Ziel und damit einer ungewünschten Strahlen-Aufweitung entgegenwirken. Problematisch ist jedoch, daß die bekannten Maßnahmen zur Kompensation von Störeinflüssen auf dem Wege des Strahles zum Ziel nur eine relativ geringe Dynamik aufweisen, also durch die Maßnahmen zur Zielnachführung schnell übersteuert sind und dann keine Kompensation defokussierender Atmosphäreneinflüsse mehr zulassen. Ein zusätzlicher Tracking-Spiegel für die Ziel-Suche bedingt andererseits einen erheblichen apparativen Mehraufwand und zusätzliche Verluste im Strahlengang.
In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung gattungsgemäßer Art so auszubilden, daß sich mit vergleichsweise geringem" ■ apparativem und schaltungstechnischem Aufwand eine Ziel-Suche und eine Ziel-Nachführung in relativ großem Raumbereich realisieren läßt, ohne selbst in Grenzbereichen auf die Atmosphären-Korrektur zur Erzielung eines optimal kleinen Brennfleckes im Ziel verzichten zu müssen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß das Verfahren bzw. die Einrichtung gattungsgemäßer Art auch die Kennz'eichnungsmerkmale der Ansprüche 1 bzw. 4 aufweisen.
Zur erfindungsgemäßen Lösung wird also zwar sowohl für die Ziel-Suche und -Verfolgung wie auch für die Atmosphären-Korrektur von einem sogenannten MDA-Spiegel Gebrauch gemacht, wie er beispielsweise bezüglich Eig. 1 in der Arbeit von James E. Harvey & Gary M. Callahan "Wavefront error compensation capabilities of multiactuator deformable mirrors" (SPIE Vol. 141 Adaptive-Optical-Components, 1978, Seiten 50 - 57) beschrieben ist; wobei nun aber diejenigen Verformungen der Spiegelfläche, die auf der Ziel-Suche bzw. Ziel-Verfolgung beruhen, hinsichtlich der Raumausrichtung von der Plattform und hinsichtlich der Entfernung von der Teleskopoptik ausgeglichen werden. Dadurch steht eine im Mittel stets ebene Spiegelfläche für die Atmosphären-Korrektur zur Verfügung, die sich somit über die volle Verformungsdynamik der Spiegelfläche erstrekken kann. Da andererseits für die Armosphären-Korrektur in der Regel nicht die vollständige Verformungsdynamik der Spiegelfläche erforderlich ist, kann, nach Übernahme der Strahl-Grobsteuerung durch die Plattform und die Teleskopoptik, der Kompensationsspiegel noch der Feinorientierung der Strahlrichtung und der Feineinstellung der wirksamen Brennweite, im Interesse einer Ziel-Erfassung mit optimal fokussiertem Strahl, dienen.
...3
Für die Verformung der Spiegelfläche kann der Kompensationsspiegel mit piezo-elektrischen Linear-Stellgliedern ausgestattet sein, die über eine Frequenzkennung im Multiplex-Zugriff ansteuerbar sind; wobei die Frequenzkennung als elektrische oder mechanische Modulation der dem jeweiligen Stellglied zugeordneten Stellgröße realisiert sein kann. Für die Bestimmung des Radius und der Richtung der Krümmung der Spiegelfläche des Kompensationsspiegels, also der momentanen Abgangsrichtung des Strahles und seiner Brennweite - die dann von der Plattform und der Teleskopoptik zu übernehmen sind - genügt es prinzipiell, die momentanen Stell-Hübe von wenigstens vier nicht längs einer Geraden angeordneten Stellgliedern zu erfassen. Dazu können Meß-Elektroden vorgesehen sein, wie in der DE-OS 32 41 601 für solche Stellglieder beschrieben; zweckmäßiger, da weniger aufwendig, ist es jedoch, zur Übernahme der Richtungs- und Brennweiteninformation aus dem Kompensationsspiegel, unmittelbar die bestimmten Stellgliedern zugeordneten Eingangs-Stellgrößen auf eine Nachführschaltung zur Bestimmung der Azimuth- und Elevation-Bewegung der Plattform und der Brennweiten-Einstellung der Teleskopoptik, für Kompensation der diesbezüglichen Verformungen des Kompensationsspiegels, zu übernehmen.
Die Arbeitsweise des Stellwertgebers zur Gewinnung von Stellgrößen für die Atmosphären-Korrektur ist als solche nicht Gegenstand vorliegender Erfindung; diesbezüglich wird auf die Ableitungen zu Fig..2 der vorstehend zitierten Arbeit von Harvey und Callahan Bezug genommen.
Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispieles zur erfindungsgemäßen Lösung. Die einzige
...4 35
Figur der Zeichnung zeigt nach Art eines Blockschaltbildes die im Strahlengang liegenden Vorrichtungen zur Strahl-Beeinflussung und -Führung sowie deren elektrische Ansteuerung.
Die in der Zeichnung skizzierte Einrichtung zum Ausrichten eines Such- und Verfolgungs- oder Nachführ-Strahles 1 hoher Energiedichte auf ein entferntes, eine wenigstens teilweise reflektierende Oberfläche aufweisendes Ziel 2 zeigt im Strahlengang 3 einen auf einer Plattform 4 angeordneten Spiegel 5. Durch entsprechende, hier nicht näher zu erläuternde, Ansteuerung der Plattform 4 kann deshalb der abgehende Strahl 1 in Azimuth-Richtung a und in seiner Elevation e verschwenkt und ausgerichtet werden.
Als Energiequelle 6 für den Strahl 1 dient vorzugsweise ein Hochenergie-Gaslaser; prinzipiell kann das Prinzip der dargestellten Einrichtung aber auch bei anderen Energiequellen 6, also für Strahlen 1 in anderem Frequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums, realisiert werden, wenn die im Strahlengang 3 befindlichen Umlenkeinrichtungen entsprechend ausgelegt werden.
Über eine Umlenkeinrichtung 7 wird der Strahlengang 3 zur Reflexion an einer deformierbaren Spiegelfläche 8 gegen einen Kompensationsspiegel 9 gelenkt, wie er als MDA-Spiegel oder Multi-Dither-Actuator-Spiegel gemäß eingangs zitierter Literaturstelle als solcher bekannt ist, um Verzerrungen zu kompensieren, die der abgehende Strahl 1 auf dem Wege zum Ziel 2 durch atmosphärisch bedingte Störeinflüsse erfährt. Vor dem Plattform-Spiegel 5 verläuft der Strahlengang 3 ferner - gegebenenfalls über weitere Umlenkeinrichtungen 7 durch eine Teleskopoptik 10 mit elektromechanisch einstellbarer Brennweite, um je nach des Distanz zum reflektierenden Ziel 2, in das die gebündelte Energie des abgehenden Strahles 1 auftreffen soll, den Brennpunkt-Abstand dieses abgehenden Strahles 1 variieren zu können.
. ...5
Ein am Ziel 2 reflektierter Anteil des Strahles 1 wird vom schon erwähnten oder einem entsprechenden Plattform-Spiegel 5 über eine Empfangsoptik 11 auf einen Detektor 12 geleitet. Dessen Intensitäts-• information 13 ist ein Maß dafür, wie stark die tatsächliche Bündelung des Strahles 1 im reflektierenden Ziel 2 ist. Dieses Maß wird schlechter, wenn das Ziel 2 sich aus dem Brennpunkt des Strahles 1 richtungsmäßig oder entfernungsmäßig verlagert oder wenn zwischen dem Abgangs-Spiegel 5 und dem Ziel 2 Energieübertragungsverhältnisse vorliegen, die zu einer von der Strahlengeometrie abweichenden Streuung und deshalb wieder zu verringerter Energiedichte im Ziel 2 führen.
Um solcher Schwächung der Energiedichte im Ziel 2 entgegenzuwirken, wird ein Stellwertgeber 14 mit der Intensitätsinformation 13 aus dem Detektor 12 angesteuert, um Kompensationsinformationen 15 an einen Verstärker 16 zu liefern, dessen Ausgänge ihrerseits Stellgrößen Ui zur Ansteuerung der MDA-Stellglieder 18i liefern. Bei den MDA-Stellgliedern 18i handelt es sich vorzugsweise um in ihrer Länge spannungssteuerbare Piezo-Stellglieder, die zwischen der deformierbaren Spiegelfläche 8 und einem rückwärtigen Widerlager 19 des Kompensationsspiegel 9 eingespannt sind. Nach Maßgabe der Aufschaltung von Stellgrößen Ui auf die Stellglieder 18i - also nach Maßgabe deren Ansteuer-Spannungen - verändern sich die Stellglieder-Längen, was somit zu einer mechanischen Verformung, also räumlichen Deformation, der wirksamen Spiegelfläche 8 führt. Die örtliche Verformung der Spiegelfläche 8 über dem Querschnitt des an ihr reflektierten Strahlenganges 3 führt also zu entsprechender optischer Beeinflussung der Querschnitts-Gegebenheiten im abgehenden Strahl 1 in dem Sinne, daß die atmosphärischen Störeinflüsse und eine nicht-optimale Brennweitenvorgabe zum Ziel 2 gerade kompensiert werden; wobei wechselnde Ziel-Entfernungen durch wechselnde Längen des wirksamen mittleren Krümmungsradius der Spiegelfäche 8 und winkelmäßige Zielablagen durch entsprechende Richtungswechsel
...6
des Krümmungsvektors der Spiegelfläche 8 kompensiert werden - ohne daß es insoweit einer Verschwenkung der Plattform 4 oder einer Verstellung der Teleskopoptik 10 bedürfte.
Allerdings sind aus funktionellen Gründen, hinsichtlich der Oberflächengegebenheiten der Spiegelfläche 8 und der Stell-Dynamik der Stellglieder 18i, nur relativ kleine Auslenkungen (in der Grössenordnung von beispielsweise 30 μ) der einzelnen Angriffspunkte der Stellglieder 18 an die Rückseite der Spiegelfläche 8 realiserbar. Um diese Verformungs-Dynamik der Spiegelfläche 8 möglichst vollständig für die Kompensation atmosphärischer Störeinflüsse verfügbar zu haben, und um mittels des abgehenden Strahles 1 ein Ziel 2 in großem Winkelbereich und auch bei starken Entfernungs-Schwankungen erfassen und verfolgen zu können, ist vorgesehen, den Stellwertgeber 14 auch für eine Verschwenk-Bewegung der Plattform 4 und eine Versteil-Bewegung der Teleskopoptik 10 einzusetzen; wobei diese Bewegungen derart gerichtet sind, daß sie die Strahlnachführ-Verformmung der Spiegelfläche 8 hinsichtlich Ausrichtung und Brennpunktsabstand (nämlich zum Ziel 2) übernehmen und dadurch die entsprechende Verformung der Spiegelfläche 8 zurückgeführt werden kann. Im stationär arbeitenden System wird deshalb dann der Spiegel 9 nicht mehr zur Auffassung des Zieles 2 mittels des Strahlen-Brennpunktes, sondern nur noch zur Kompensation atmosphärischer Störeinflüsse auf den abgehenden Strahl 1 benötigt; mit der Folge, daß die Spiegelfläche 8 im Mittel ihre - gewöhnlich ebene - Basiskonfiguration aufweist ur.d nur geringe örtliche Verformungen von den SteJlgliedern 18i erfährt, soweit diese zur Ausbreitungsfehler-Kompensation erforderlich sind. Somit steht bei der stationär arbeitenden Einrichtung, also nachdem die Plattform 4 und die Teleskopoptik 10 die Ziel-Auffassung übernommen haben, die gesamte Verformungs-Dynamik der Spiegelfläche 8 für die Ubertragungs-, also Ausbreitungsfehler-Kompensation, und erforderlichenfalls zur Feineinstellung der wirksamen Brennweite und Strahlrichtung, zur Verfügung; und es besteht
...7
keine Gefahr, daß aufgrund stationärer, zur Zielauffassung erforderlicher, Verformung die Dynamik der Spiegelfläche 8 beispielsweise in Randbereichen nicht mehr zur überlagerten Störungs-Kompensation ■ ausreichte.
Aufgrund der bekannten Gesetzmäßigkeit (insbesondere hier: der Proportionalität) zwischen den Stellgrößen Ui und den von den Stellgliedern 18i hervorgerufenen Verformung der Spiegelfläche 8 kann eine Nachführschaltung 20 zur Ansteuerung der Plattform 4 und der Teleskopoptik 10 dem Verstärker 16 nachgeschaltet - und insoweit den Stellgliedern 18i parallel geschaltet - sein; es kann aber auch vorgesehen sein, die Nachführschaltung 20 unmittelbar aus dem Stellwertgeber 14 (in der Zeichnung nicht berücksichtigt) oder einer ihr nachfolgenden Schaltung zu speisen, um beispielsweise durch entsprechende Ansteuer-Dynamik das unterschiedliche Masseträgheitsverhalten der elektromechanischen Stellglieder für die Plattform und die Teleskopoptik 10 zu berücksichtigten und unabhängig davon eine optimierte Ansteuerung der Piezo-Stellglieder 18i sicherzustellen.
Um nach Maßgabe der regionalen Verformung der Spiegelfläche 8 die Stellglieder 18i individuell ansteuern zu können, wird ein Multiplex-Zugriff realisiert, für den beim skizzierten Ausführungsbeispiel ein Vielfach-Frequenzgenerator 21 vorgesehen ist. Jedem der Stellglieder 18i ist eine Identifikationsfrequenz Fi fest zugeordnet, die in einer Überlagerungseinrichtung 22 mit der Stellgröße Ui des gerade anzusteuernden Stellgliedes 18i modulativ verknüpft wird. Da diese Modulation auch in der reflektierten Strahlungsenergie enthalten ist, ist sie Bestandteil der Intensitätsinformation 13; so daß über ein Frequenz- oder Phasenfilter 23 sicherstellbar ist,
.50 daß der Slel !wert geber 14 nur mit einer dem momentan angesteuerten Stellglied 18i zugehörigen Intensitätsinformation 13 beaufschlagt wird. Dadurch ist eine eindeutige Zuordnung in der Ansteuerung der
...8 35
Nachführschaltung 20 und damit im Verstell-Eingriff auf die Plattform 4 und die Teleskopoptik 10, nach Maßgabe der mittleren Verformung der Spiegelfläche 8 hinsichtlich Krümmung und Krümmungs-Richtung, gegeben.
Unabhängig davon, wie die Stellglieder 18i bei der Realisierung dieser Einrichtung angesteuert werden, ist die aktuelle Krümmung und Verkippung der wirksamen Spiegelfläche 8 eindeutig - und mit vergleichsweise geringem schaltunstechnischem Aufwand - dadurch bestimmbar, daß die momentane Auslenkung von wenigstens vier nicht auf einer gemeinsamen Geraden hinter der Spiegelfläche 8 angreifenden Stellgliedern 18i ermittelt und der Nachführschaltung 20 (zur Kompensation dieser Verformung mittels der Plattform 4 und der Teleskopoptik 10) eingespeist wird. Dafür kann die jeweilige tatsächliche Auslenkung aktiv gemessen werden; oder sie wird, aufgrund des linearen Stellgliedverhaltens zwischen Stellgrößen-Spannung und Auslenk-Weg, wie in der Zeichnung berücksichtigt aus der jeweiligen aktuellen Stellgröße Ui abgeleitet.
Die Überlagerungseinrichtung 22 kann eine elektrische Multiplikations- oder Additionsschaltung sein. Am einfachsten ist die Realisierung durch Hintereinanderschaltung von Piezo-Elementen, von denen jeweils eines als Stellglied 18i und das andere als Modulationsglied zur Überlagerung einer höherfrequenten Längenänderung der Identifikationsfrequenz Fi dient.
In der Zeichnung ist auch noch eine externe Zielsuch- und Verfolgungsschaltung 24 berücksichtigt, mittels der in als solcher bekannter Weise nach einem Programmablauf für die Erfassung des interessierenden Rumes, eine anfängliche Zielüberwachung durchgeführt werden kann, ehe die dargestellte Einrichtung mit der rückgeführten Intensitätsinformation 13 als autonomer Regelkreis arbeitet. Die
externe Schaltung 24 kann (in der Zeichnung nicht berücksichtigt) auch direkt zur Ansteuerung der Nachführschaltung 20 herangezogen werden, wenn z. B., vor Eintritt in den autonomen Regelkreis-Betrieb der dargestellten Einrichtung, mit nach Maßgabe einer Grobüberwachung 05 des interessierenden Raumbereiches abgewandelten Steuerungsparametern gearbeitet werden soll.
...10 35
Bezugszeichenliste
F Identifikationsfrequenz (bezüglich 18i)
U Stellgröße (aus 14/24 - 16, für 18)
a Azimuth (von 4/5-1)
e Elevation (von 4/5-1)
f Brennweite (von 1)
i Laufindex (für 18; F, U)
1 Strahl (von 4 nach 2)
2 Ziel (liefert 13)
3 Strahlengang (von 6 nach 1)
4 Plattform (für 1, mit 5)
5 Spiegel (auf 4, für 1)
6 Energiequelle (für 3-1)
7 Umlenkeinrichtung (für 3)
8 deforroierbare Spiegelfläche (von 9)
9 Kompensationsspiegel (für 1)
10 Teleskopoptik (für 1)
11 Empfangsoptik (vor 12)
12 Detektor (für 13)
13 Intensitätsinformation(für 15)
14 Stellwertgeber (zwischen 12 und 18)
15 Kompensationsinformation (aus 14)
16 Verstärker (vor 18) 17
18 MDA-Stellglieder (in 5 zwischen 8 und 19)
19 Widerlager (für 18 in 5)
20 Nachführschaltung (für 4 und 10)
21 Vielfach-Frequenzgenerator (zur Bestimmung von i)
22 Überlagerungseinrichtung (für F und U)
23 Filter (für Fi in 13,vor 14-16)
24 externe Zielsuch- und Verfolgungsschaltung (für 4/10)

Claims (6)

-«- 3^2232 Fg/Lu Patentansprüche
1. Verfahren zur Ziel-Suche und Zielnachführung mittels eines fokussierbaren Strahles, insbesondere Hochenergie-Laserstrahles, dadurch gekennzeichet,
daß im Strahlengang des Strahles nacheinander eine Strahlver- · formungs-Kompensation samt Fein-Fokussierung und Fein-Strahlausrichtung mittels einer elektromechanisch, nach Maßgabe einer Intensitätsinformation über reflektierte Energie des Strahles, verformbaren Spiegelfläche, und eine Grob-Fokussierung mittels einer Teleskopoptik samt einer Grob-Strahlschwenkung mittels einer Plattform vorgenommen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Grob-Fokussierung und die Grob-Strahlschwenkung aus der elektromechanischen Ansteuerung der deformierbaren Spiegelfläche im Sinne einer Rückführung ihrer Deformation in eine im Mittel ebene, nur noch durch Atmosphären-Kompensation verformte Spiegelfläche erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekenn7eichnet,
daß die richtungsma'Oige Orientierung und mittlere Krümmung der deformierbaren Spiegelfäche nach Betrag und Richtung aus der momentanen Ansteuerung von Stellgliedern für die regionale Verformung der Spiegelfläche abgleitet wird.
...11
4. Einrichtung zur Ziel-Suche und Ziel-Nachführung mittels eines fokussierbaren Strahles (1), insbesondere Hochenergie-Laserstrahles,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Strahlengang (3) zum abgehenden Strahl (1) ein Kompensationsspiegel (9) mit elektromechanisch deformierbarer Spiegelfläche (8), eine Teleskopoptik (10) und eine Abstrahlrichtungs-Plattform (4) angeordnet sind, wobei ein Brennschärfe-Detektor (12) für reflektierte Strahlungs-Energie einen Stellwertgeber (14) für die Spiegelflächen-Stellglieder (18i) sowie eine Nachführschaltung (20) für die Plattform (4) und die Teleskopoptik (10), zum Ausgleich der von der räumlichen Lage des erfaßten Zieles (2) herrührenden Verformung der Spiegelfläche (8), speist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Stellglieder (18i) lineare Piezo-Stellglieder vorgesehen sind.
20
6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Nachführschaltung (20) dem Stellwertgeber (14) für die Lieferung von Stellgrößen (Ui) für die Verformung der Spiegelfläche (8) nachgeschaltet ist.
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