DE3422232C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des An­ spruches 1.

Die gattungsgemäße Einrichtung ist aus der DE-AS 27 57 585 bekannt. Zum selbsttätigen Ausrichten bzw. Nachführen eines Laserstrahles auf ein entferntes Ziel ist dort eine Richtvorrichtung in Form eines ver­ schwenkbar gelagerten Planspiegels im abgehenden Strahlengang hinter einem Fokussierteleskop vorgesehen, der mittels phasenversetzter Ansteuerung von Piezo-Stellgliedern in eine Taumelbewegung versetzt wird, um eine kreisförmige Bewegung eines Laser-Lichtfleckes im Ziel hervorzurufen. Mittels eines Strahlungsdetektors empfangene reflektierte Energie ist ein Mass für die Ablage des Zieles aus der mittleren Strahlrichtung und kann deshalb für die Strahlnachführung ausgewertet werden.

Nicht berücksichtigt ist bei jener vorbekannten Einrichtung, daß es bei Verwendung eines Hochenergie-Laserstrahles, der unmittelbar im Ziel Funktionsstörungen oder sogar Beschädigungen hervorzurufen im Stande sein soll, wichtig ist, dieser Ziel-Ausrichtung des Strahles auch noch Maßnahmen zur Strahlformung zu überlagern, die störenden Streueinflüssen auf dem Übertragungsweg zum Ziel und damit einer ungewünschten Strahl-Auf­ weitung entgegenwirken.

Problematisch ist jedoch, daß die bekannten Maßnahmen nur Kompensation von Störeinflüssen auf dem Wege des Strahles zum Ziel nur eine relativ geringe Dynamik aufweisen, also durch die Maßnahmen zur Zielnach­ führung schnell übersteuert sind und dann keine Kompensation defokus­ sierender 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, eine Einrichtung gattungsge­ mäßer 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 Kennzeichnungsmerkmale des Anspruches 1 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 beispiels­ weise bezüglich Fig. 1 in der Arbeit von James E. Harvey & Gray M. Callahan "Wavefront error compensation capabilities of multi­ actuator deformable mirrors" (SPIE Vol. 141 Adaptive-Optical-Compo­ nents, 1978, Seiten 50-57) beschrieben ist; wobei nun aber die­ jenigen 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 Spie­ gelfläche für die Atmosphären-Korrektur zur Verfügung, die sich somit über die volle Verformungsdynamik der Spiegelfläche erstrec­ ken kann. Da andererseits für die Atmosphären-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 Feineinstel­ lung der wirksamen Brennweite, im Interesse einer Ziel-Erfassung mit optimal fokussiertem Strahl, dienen.

Für die Verformung der Spiegelfläche kann der Kompensationsspie­ gel 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 Rich­ tung 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 erfas­ sen. 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 Teleskop­ optik, für Kompensation der diesbezüglichen Verformungen des Kom­ pensationsspiegels, zu übernehmen.

Die Arbeitsweise des Stellwertgebers zur Gewinnung von Stellgrößen für die Atmosphären-Korrektur ist als solche nicht Gegenstand vor­ liegender Erfindung; diesbezüglich wird auf die Ableitungen zu Fig. 2 der vorstehend zitierten Arbeit von Harvey und Callahan Bezug genom­ men.

Zusätzliche Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschrän­ kung auf das Wesentliche stark abstrahiert skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispieles zur erfindungsgemäßen Lösung. Die einzige 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 Ober­ fläche aufweisendes Ziel 2 zeigt im Strahlengang 3 einen auf einer Plattform 4 angeordneten Spiegel 5. Durch entsprechende, hier nicht näher zu erläuterende, Ansteuerung der Plattform 4 kann deshalb der abgehende Strahl 1 in Azimut-Richtung a und in seiner Elevation e verschwenkt und ausgerichtet werden.

Als Energiequelle 6 für den Strahl 1 dient vorzugsweise ein Hoch­ energie-Gaslaser; prinzipiell kann das Prinzip der dargestellten Einrichtung aber auch bei anderen Energiequellen 6, also für Strah­ len 1 in anderem Frequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums, realisiert werden, wenn die im Strahlengang 3 befindlichen Umlenk­ einrichtungen entsprechend ausgelegt werden.

Über eine Umlenkeinrichtung 7 wird der Strahlengang 3 zur Reflexion an einer deformierbaren Spiegelfläche 8 gegen einen Kompensations­ spiegel 9 gelenkt, wie er als MDA-Spiegel oder Multi-Dither-Actua­ tor-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 Stör­ einflüsse erfährt. Vor dem Plattform-Spiegel 5 verläuft der Strah­ lengang 3 ferner - gegebenenfalls über weitere Umlenkeinrichtungen 7 - durch eine Teleskopoptik 10 mit elektromechanisch einstellbarer Brennweite, um je nach der Distanz zum reflektierenden Ziel 2, in das die gebündelte Energie des abgehenden Strahles 1 auftreffen soll, den Brennpunkt-Abstand dieses abgehenden Strahles 1 variie­ ren zu können.

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 Bünde­ lung des Strahles 1 im reflektierenden Ziel 2 ist. Dieses Maß wird schlechter, wenn das Ziel 2 sich aus dem Brennpunkt des Strah­ les 1 richtungsmäßig oder entfernungsmäßig verlagert oder wenn zwischen dem Abgangs-Spiegel 5 und dem Ziel 2 Energieübertragungs­ verhältnisse vorliegen, die zu einer von der Strahlengeometrie abweichenden Stellung und deshalb wieder zu verringerter Energie­ dichte im Ziel 2 führen.

Um solcher Schwächung der Energiedichte im Ziel 2 entgegenzuwir­ ken, 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 Stell­ größen Ui zur Ansteuerung der MDA-Stellglieder 18 i liefern. Bei den MDA-Stellgliedern 18 i handelt es sich vorzugsweise um in ihrer Länge spannungssteuerbare Piezo-Stellglieder, die zwischen der de­ formierbaren Spiegelfläche 8 und einem rückwärtigen Widerlager 19 des Kompensationsspiegels 9 eingespannt sind. Nach Maßgabe der Aufschaltung von Stellgrößen Ui auf die Stellglieder 18 i - also nach Maßgabe deren Ansteuer-Spannungen - verändern sich die Stell­ glieder-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 abgehen­ den Strahl 1 in dem Sinne, daß die atmosphärischen Störeinflüsse und eine nicht-optimale Brennweitenvorgabe zum Ziel 2 gerade kom­ pensiert werden; wobei wechselnde Ziel-Entfernungen durch wechselnde Längen des wirksamen mittleren Krümmungsradius der Spiegelfläche 8 und winkelmäßige Zielablagen durch entsprechende Richtungswechsel des Krümmungsvektors der Spiegelfläche 8 kompensiert werden - ohne daß es insoweit einer Verschwenkung der Plattform 4 oder einer Ver­ stellung der Teleskopoptik 10 bedürfte.

Allerdings sind aus funktionellen Gründen, hinsichtlich der Ober­ flächengegebenheiten der Spiegelfläche 8 und der Stell-Dynamik der Stellglieder 18 i, nur relativ kleine Auslenkungen (in der Grö­ ßenordnung von beispielsweise 30 µ) der einzelnen Angriffspunkte der Stellglieder 18 an die Rückseite der Spiegelfläche 8 realisier­ bar. Um diese Verformungs-Dynamik der Spiegelfläche 8 möglichst vollständig für die Kompensation atmosphärischer Störeinflüsse ver­ fügbar zu haben, und um mittels des abgehenden Strahles 1 ein Ziel 2 in großem Winkelbereich und auch bei starken Entfernungs-Schwankun­ gen erfassen und verfolgen zu können, ist vorgesehen, den Stell­ wertgeber 14 auch für eine Verschwenk-Bewegung der Plattform 4 und eine Verstell-Bewegung der Teleskopoptik 10 einzusetzen; wobei diese Bewegungen derart gerichtet sind, daß sie die Strahlnachführ-Verform­ ung der Spiegelfläche 8 hinsichtlich Ausrichtung und Brennpunkts­ abstand (nämlich zum Ziel 2) übernehmen und dadurch die entsprechen­ de 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 Spie­ gelfläche 8 im Mittel ihre - gewöhnlich ebene - Basiskonfiguration aufweist und nur geringe örtliche Verformungen von den Stellglie­ dern 18 i erfährt, soweit diese zur Ausbreitungsfehler-Kompensation erforderlich sind. Somit steht bei der stationär arbeitenden Einrich­ tung, also nachdem die Plattform 4 und die Teleskopoptik 10 die Ziel-Auffassung übernommen haben, die gesamte Verformungs-Dynamik der Spiegelfläche 8 für die Übertragungs-, also Ausbreitungsfehler- Kompensation, und erforderlichenfalls zur Feineinstellung der wirk­ samen Brennweite und Strahlrichtung, zur Verfügung; und es besteht keine Gefahr, daß aufgrund stationärer, zur Zielauffassung erforder­ licher, 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 Stell­ gliedern 18 i 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 18 i parallel geschaltet - sein; es kann aber auch vorgesehen sein, die Nachführschaltung 20 unmittelbar aus dem Stell­ wertgeber 14 (in der Zeichnung nicht berücksichtigt) oder einer ihr nachfolgenden Schaltung zu speisen, um beispielsweise durch entsprechende Ansteuer-Dynamik das unterschiedliche Masseträgheits­ verhalten der elektromechanischen Stellglieder für die Plattform 4 und die Teleskopoptik 10 zu berücksichtigen und unabhängig davon eine optimierte Ansteuerung der Piezo-Stellglieder 18 i sicherzustellen.

Um nach Maßgabe der regionalen Verformung der Spiegelfläche 8 die Stellglieder 18 i individuell ansteuern zu können, wird ein Multi­ plex-Zugriff realisiert, für den beim skizzierten Ausführungsbei­ spiel ein Vielfach-Frequenzgenerator 21 vorgesehen ist. Jedem der Stellglieder 18 i ist eine Identifikationsfrequenz Fi fest zugeordnet, die in einer Überlagerungseinrichtung 22 mit der Stellgröße Ui des gerade anzusteuernden Stellgliedes 18 i modulativ verknüpft wird. Da diese Modulation auch in der reflektierten Strahlungsener­ gie enthalten ist, ist sie Bestandteil der Intensitätsinformation 13; so daß über ein Frequenz- oder Phasenfilter 23 sicherstellbar ist, daß der Stellwertgeber 14 nur mit einer dem momentan angesteuerten Stellglied 18 i zugehörigen Intensitätsinformation 13 beaufschlagt wird. Dadurch ist eine eindeutige Zuordnung in der Ansteuerung der Nachführschaltung 20 und damit im Verstell-Eingriff auf die Platt­ form 4 und die Teleskopoptik 10, nach Maßgabe der mittleren Verfor­ mung der Spiegelfläche 8 hinsichtlich Krümmung und Krümmungs-Rich­ tung, gegeben.

Unabhängig davon, wie die Stellglieder 18 i bei der Realisierung dieser Einrichtung angesteuert werden, ist die aktuelle Krümmung und Verkippung der wirksamen Spiegelfläche 8 eindeutig - und mit vergleichsweise geringem schaltungstechnischem Aufwand - dadurch bestimmbar, daß die momentane Auslenkung von wenigstens vier nicht auf einer gemeinsamen Geraden hinter der Spiegelfläche 8 angreifen­ den Stellgliedern 18 i ermittelt und der Nachführschaltung 20 (zur Kompensation dieser Verformung mittels der Plattform 4 und der Teleskopoptik 10) eingespeist wird. Dafür kann die jeweilige tat­ sächliche Auslenkung aktiv gemessen werden; oder sie wird, aufgrund des linearen Stellgliedverhaltens zwischen Stellgrößen-Spannung und Auslenk-Weg, wie in der Zeichnung berücksichtigt aus der jewei­ ligen aktuellen Stellgröße Ui abgeleitet.

Die Überlagerungseinrichtung 22 kann eine elektrische Multiplika­ tions- oder Additionsschaltung sein. Am einfachsten ist die Reali­ sierung durch Hintereinanderschaltung von Piezo-Elementen, von denen jeweils eines als Stellglied 18 i und das andere als Modulationsglied zur Überlagerung einer höherfrequenten Längenänderung der Identi­ fikationsfrequenz Fi dient.

In der Zeichnung ist auch noch eine externe Zielsuch- und Verfol­ gungsschaltung 24 berücksichtigt, mittels der in als solcher bekann­ ter Weise nach einem Programmablauf für die Erfassung des interes­ sierenden Raumes, 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 des interessierenden Raumbereiches abgewandelten Steuerungspara­ metern gearbeitet werden soll.

Claims (10)

1. Einrichtung zur Ziel-Suche und Ziel-Nachführung mittels einer räumlich verschwenkbaren Spiegel-Plattform (4) und einer Telekopoptik (10) im Strahlengang (3) zu einem abgehenden Laser-Strahl (1) sowie mit einem Detektor (12) für nach Zielreflexion empfangene Strahlungs­ energie, der eine Nachführschaltung (20) für die Plattform (4) speist, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang (3) zum abgehenden Strahl (1) vor der Spiegel-Platt­ form (4) zusätzlich ein Kompensationsspiegel (9) mit elektromechanisch deformierbarer Spiegelfläche (8) vorgesehen ist und der Detektor (12) außerdem einen Stellwertgeber (14) für die Spiegelflächen-Stell­ glieder (18 i) und eine Nachführschaltung (20) für die Einstellung der Brennweite (f) der Teleskopoptik (10) nach Maßgabe der räumlichen Lage des vom abgehenden Strahl (1) erfaßten Zieles derart ansteuert, daß die ziellage-abhängige Verformung der Spiegelfläche (8) durch Zielnachführung der Spiegel-Plattform (4) und der Teleskop-Brenn­ weite (f) reduziert wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellglieder (18 i) lineare Piezo-Stellglieder vorgesehen sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezo-Stellglieder (18 i) individuell im Multiplex-Zugriff über eine Frequenzkennung mit voneinander unterscheidbaren Identifikations­ frequenzen (Fi) ansteuerbar sind, die in einer Überlagerungseinrichtung (22) mit der jeweiligen Stellgröße (Ui) des gerade anzusteuernden Stellgliedes (18 i) modulativ verknüpft sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Überlagerungseinrichtung (22) eine Hintereinanderschaltung von Piezoelementen vorgesehen ist, von denen jeweils eines als das Stellglied (18 i) und das andere als ein Modulationsglied zur Überlagerung einer höherfrequenten Längenänderung der Identifikationsfrequenz (Fi) angesteuert ist.

5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführschaltung (20) dem Stellwertgeber (14) für die Lieferung von Stellgrößen (Ui) für die Verformung der Spiegelfläche (8) nachge­ schaltet ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführschaltung (20) aus dem Stellwertgeber (14) ge­ speist und für Kompensation der Einflüsse des Masseträgheitsver­ haltens der Stellglieder für die Plattform (4) und für die Teles­ kopoptik (10) ausgelegt ist.

7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführschaltung (20) gemäß der momentanen Auslenkung von wenigstens vier nicht auf einer gemeinsamen Geraden hinter der Spiegelfläche (8) angreifenden Stellgliedern (18 i) ansteuerbar ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar die aktuellen Stellgrößen (Ui) ausgewählter Stellglieder (18 i) auf die Nachführschaltung (20) geführt sind.

9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Feineinstellung der Brennweite bzw. der Strahlrichtung vom Stellwertgeber (14) eine Variation des wirksamen mittleren Krümmungsradius bzw. eine Variation des momentanen Krümmungs­ vektors der Spiegelfläche (8) ohne zusätzliche Ansteuerung der Nachführschaltung (20) vorgesehen ist.

10. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine externe Zielsuch- und Verfolgungsschaltung (24) vorgesehen ist, die alternativ zum Detektor (12) auf die Nachführschaltung (20) schaltbar ist.