DE3614561A1 - Verfahren zur abtastung eines zielgebietes und ir-suchkopf hierfuer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtastung eines Zielgebietes durch einen Suchkopf, insbesondere mit Infrarot-Detektor, eines Flugkörpers, wobei der Abtast-Strahlengang periodisch ausgelenkt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung einen IR-Suchkopf, der nach einem derartigen Verfahren arbeitet.

In der Literaturstelle W. Jochum, wt 1/84, Seiten 35 ff, insbesondere Seite 37, links oben, ist ein solches Verfahren als bildabtastendes System erwähnt. Eine Zielfläche wird dort zeilenweise abgetastet. Es ist hierfür ein Schwingspiegel vorgesehen, der sich im optischen Strahlengang befindet. Allerdings läßt die Informationsdichte am Rande der Abtastfläche stark nach.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und einen IR-Suchkopf zur schnellen und sicheren Zielerkennung auf Basis der bewährten Schwingspiegel-Systeme, aber mit gleichförmigerer Informationsdichte, anzugeben.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zur Suche eines Strahlung abgebenden Ziels im Zielgebiet der Abtast-Strahlengang von der Flugrichtungsachse aus um einen Teilsichtwinkel mit einer ersten Frequenz radial zu einer Sichtkreisfläche ausgelenkt wird, die wesentlich höher als eine Drehfrequenz ist, mit der der Abtast-Strahlengang um die Flugrichtungsachse rotiert, und daß der Abtast-Strahlengang zusätzlich tangential zur radialen Auslenkung periodisch ausgelenkt wird, wobei die Amplitude der tangentialen Auslenkung wesentlich kleiner als die Amplitude der radialen Auslenkung und die Frequenz der tangentialen Auslenkung wesentlich höher als die Frequenz der radialen Auslenkung ist, so daß im Zuge der Drehung um die Flugrichtungsachse nacheinander radiale Streifen der Sichtkreisfläche abgetastet werden.

Durch die radiale und die gleichzeitige tangentiale Abtastung wird jeder Streifen zickzackförmig abgetastet. Diese Streifen ihrerseits wandern über die Sichtkreisfläche. Günstig dabei ist, daß eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür besteht, daß ein Zielobjekt infolge der zickzackförmigen Abtastung sich nicht nur als kurzer Impuls auswirkt, sondern entweder über eine längere Strecke im Strahlengang liegt oder von diesem mehrfach überstrichen wird. Dementsprechend ist mit einer sicheren Zielerkennung zu rechnen. Eine schnelle Zielerkennung wird erreicht, da die Streifen die Sichtkreisfläche praktisch lückenlos überstreichen, so daß die gesamte Sichtkreisfläche bereits nach einer Umdrehung und auch mit hoher Informationsdichte im praktisch lückenlos erfaßten Randbereich abgetastet ist.

Ist ein Zielobjekt gefunden, bleibt in Weiterbildung der Erfindung danach zur Erkennung der Art des gefundenen Objekts der Abtast-Strahlengang auf den Nahbereich des Zielobjektes gerichtet und wird radial und mehrfach tangential ausgelenkt, wobei die Amplitude der radialen Auslenkung und die der tangentialen Auslenkungen etwa gleich ist. Dadurch wird ein Bild des betreffenden Zielobjekts aufgezeichnet, das sich mit bekannten Zielbildern vergleichen läßt.

In Weiterbildung der Erfindung wird nach Erkennung eines richtigen Zielobjekts zur Aufrechterhaltung der Sichtlinie zwischen dem Flugkörper und dem Zielobjekt der Abtast-Strahlengang in einem im Vergleich zur Sichtkreisfläche kleinen Kreis um oder über das Zielobjekt ausgelenkt.

Ein erfindungsgemäßer Infrarot-Suchkopf eines Lenkflugkörpers mit einem Schwingspiegel im Abtast-Strahlengang ist dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Schwingspiegel im Strahlengang angeordnet ist, dessen Schwingachse etwa im Winkel von 90° zur Schwingachse des ersten Schwingspiegels liegt und dessen Schwingfrequenz höher als die Schwingfrequenz des ersten Schwingspiegels ist. Der erste Schwingspiegel führt dabei zur radialen Auslenkung des Abtast-Strahlengangs. Der weitere Schwingspiegel lenkt den Abtast-Strahlengang tangential aus.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Infrarot-Suchkopf eines Lenkflugkörpers schematisch,

Fig. 2 den Flugkörper über seiner Sichtkreisfläche bei der Zielobjektsuche,

Fig. 3 den Flugkörper danach bei der Abtastung eines gefundenen Zielobjekts und

Fig. 4 den Flugkörper danach bei der Zielverfolgung.

Ein Lenkflugkörper (1) weist einen IR-Suchkopf (2) auf. Im Flugkörper (1) ist ein Motor (3) angeordnet, der den Suchkopf (2) mit einer Drehfrequenz w _M um die Flugrichtungsachse (F) dreht, wenn der Flugkörper (1) sich nicht, oder nicht mit geeigneter Rotationsfrequenz, um seine Längsachse (F) dreht.

Für periodische Ablenkung von in einer Richtung (B) unter einem Winkel (b) zur System- und Flugrichtungsachse (F) einfallende Strahlungsenergie ist im Suchkopf (2) ein erster Schwingspiegel (5) angeordnet. Im Strahlengang davor kann unter Umständen ein Teleskop angeordnet sein, um einen großen erfaßten Strahlenquerschnitt nach Maßgabe der in der Projektion wirksamen Spiegelfläche auf einen begrenzteren Strahl höherer Strahlungsdichte einzuengen.

Der Schwingspiegel (5) ist um eine Schwingachse (D) hin- und herschwenkbar. Dem Schwingspiegel (5) ist ein zweiter Schwingspiegel (6) im Strahlengang nachgeordnet, der um eine Schwingachse (E) hin- und herschwenkbar ist. Die Schwingachsen (D, E) stehen im Winkel von 90° zueinander. Dem Schwingspiegel (6) ist eine Linse (7) zugeordnet, die zwischen diesem und einer IR-Detektoranordnung (8) liegt. Die der Detektoranordnung (8) nachgeschaltete elektronische Auswerteschaltung (9), die der Zielerkennung und der Steuerung des Lenkflugkörpers (1) dient, ist nicht näher dargestellt.

In Fig. 1 ist der Abtaststrahl (A) bei nicht ausgelenkter Stellung der Schwingspiegel (5, 6) dargestellt.

In Fig. 2 ist der Flugkörper (1) bei der Zielgebiets-Abtastung im Flug nach dem Start oder Abwurf dargestellt. Seine Flugrichtungsachse (F) steht senkrecht zur Sichtkreisfläche (S), die einen Radius (r) aufweist, wenn sich der Lenkflugkörper (1) in der Höhe (H) über dem Zielgebiet (Sichtkreisfläche) befindet. Der Flugkörper (1) drehe sich hier mit w _F um die Flugrichtungsachse (F) im gleichen Drehsinne, wie der Motor (3) den Suchkopf (2) mit w _M antreibt. Der Abtaststrahl (A) rotiert dementsprechend mit einer Drehfrequenz von w _S = w _F + w _M über die Sichtkreisfläche (S).

Während der Flugphase nach Fig. 2 schwingen die Schwingspiegel (5, 6) um ihre Schwingachsen (D, E). Die Schwingung des Schwingspiegels (5) führt zu einer radialen Auslenkung des Abtaststrahls (A) auf der Sichtkreisfläche (S). Die Schwingung des Schwingspiegels (6) führt zu einer hierzu tangentialen Ablenkung des Abtaststrahls (A). Die Frequenz der Schwingung des Schwingspiegels (5) ist wesentlich größer als die Drehfrequenz (w _S ). Die Frequenz des Schwingspiegels (6) ist wesentlich größer als die des Schwingspiegels (5). Durch die Amplitude der Schwingung des Schwingspiegels (5) wird die Größe des Radius (r) und damit die Größe der Sichtkreisfläche (S) bei einer bestimmten Höhe (H) über Grund bestimmt. Die Amplitude der Schwingung des Schwingspiegels (6) ist wesentlich kleiner als die Amplitude der Schwingung des Schwingspiegels (5). Im Abtaststrahl (A) überlagern sich die Schwingungen der beiden Schwingspiegel (5, 6), so daß der Abtaststrahl (A) in sich radial erstreckenden Streifen (G) zickzackförmig verläuft, wobei die Breite der Streifen (G) durch die Amplitude des zweiten Schwingspiegels (6) und die Länge der Streifen (G) durch die Amplitude des ersten Schwingspiegels (5) bestimmt ist. Die Amplitude des ersten Schwingspiegels (5) erstreckt sich dabei von dem Mittelpunkt der Sichtkreisfläche (S) bis zu deren Umfang. In Fig. 2 ist der Abtast-Strahlenverlauf beispielsweise in zwei solcher aufgrund der Drehung des Suchkopfes (2) um die Achse (F) aufeinanderfolgenden Streifen (G 1, G 2) und einem weiteren, später durchlaufenden Streifen (G 3) gezeigt. Insgesamt ist also bei einem Umlauf die Sichtkreisfläche (S), unter Berücksichtigung der möglichen Zielobjektgrößen bei der Vorgabe der Amplituden und Kreisfrequenzen, praktisch lückenlos abtastbar.

Wird in einem der Streifen (G) ein (hier z. B. Infrarot-) Strahlungsenergie abgebendes Zielobjekt (Z) vom Abtaststrahl (A) erfaßt (vgl. (G 2) in Fig. 2), dann werden dessen Koordinaten (XO) und (YO) festgehalten und insbesondere wird der Abtaststrahl (A) so festgehalten, daß er das Zielobjekt (Z) nicht verläßt. Dies kann dadurch geschehen, daß die Schwingspiegel (5, 6) stillgestellt werden und die Drehrichtung des Motors (3) so umgeschaltet wird, daß er mit einer Drehfrequenz (w _M ) dreht, die betragsmäßig ebenso groß ist wie die Drehfrequenz (w _F ) des Lenkflugkörpers (1), jedoch dieser entgegengerichtet ist.

Anschließend wird die Art des gefundenen Zielobjekts (Z) untersucht (vgl. Fig. 3). Hierfür kann die Amplitude und/oder die Frequenz der Schwingspiegel (5, 6) so umgeschaltet werden, daß nur der Nahbereich des erkannten Zielobjekts (Z) und insbesondere dieses selbst abgetastet werden. Die Amplitude des Schwingspiegels (5) ist dabei etwa gleich der des Schwingspiegels (6). Die Detektoranordnung (8) erfaßt dabei eine Signatur des Zielobjekts (Z), die mit vorgegebenen Zielsignaturen verglichen werden kann.

Handelt es sich um ein gewünschtes Zielobjekt (Z), dann wird durch eine entsprechend synchronisierte Bewegung der Schwingspiegel (5, 6) (und gegebenenfalls durch eine Verstellung eines Teleskops) der Abtaststrahl (A) auf einem kleinen Kreis (K) ständig über das Zielobjekt (Z) bewegt (vgl. Fig. 4). Der Kreis (K) ist höchstens wenig größer als das Zielobjekt (Z). Er ist kleiner als der in der vorhergehenden Phase (vgl. Fig. 3) erfaßte Nahbereich. Einer Bewegung des Zielobjekts (Z) wird der Abtaststrahl (A) nachgeführt und die Flugrichtung des Flugkörpers (1) wird der Bewegung des Zielobjekts (Z) nachgesteuert, vorzugsweise auf dem Kollisionskurs der Proportionalnavigation.

Die erfindungsgemäße Lösung erbringt also mit einfachen, technologisch verfügbaren apparativen Mitteln eine rasche Detektion des kleinen aber signifikant strahlenden Zieles im zunächst großen erfaßten Zielgebiet, indem eine Signaturauswertung erst einsetzt, wenn aus großer Höhe der Hotspot eines voraussichtlich zu bekämpfenden Ziels bereits aus der Umgebungsstrahlung herausgefunden wurde. Der mit dem Abstieg ins Zielgebiet ohnehin rasch kleiner werdende Suchradius kann dann durch einfache Ablenkamplituden-Umschaltung samt Anpassung der wirksamen Suchstrahl-Drehrate auf die unmittelbare Objektumgebung umgeschaltet werden, um nun aus der großen Datenmenge einer raschen Folge von Ziel- und Cluttersignaturen bedarfsweise die Zieldetektion zu verifizieren und jedenfalls aus der Sichtlinienhaltung an Bord die räumliche Sichtliniendrehrate für die Proportionalnavigation, also den Treffer auch bei Eigenbewegung des Zielobjekts, zu ermitteln (wie es als solches aus der Flugkörper-Kollisionskurssteuerung bekannt ist).

In Fig. 1 ist zur Vereinfachung der Darstellung nur ein einzelnes Detektorelement in der Anordnung (8) dargestellt. Eine höhere Auflösung bzw. eine Senkung der Spiegel-Schwenkgeschwindigkeiten läßt sich erzielen, wenn der fokussierte Strahl über mehrere in Strahlschwenkrichtung nebeneinanderliegende und auswerteseitig elektrisch zusammengefaßte Detektorelemente geführt wird.

Claims (12)

1. Verfahren zur Abtastung eines Zielgebietes durch einen Suchkopf eines Flugkörpers, wobei der Abtast-Strahlengang periodisch ausgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Suche eines Strahlungsenergie abgebenden Ziels in einer Sichtkreisfläche (S) der Abtast-Strahlengang (A) von der Flugrichtungsachse (F) aus um einen Teilsichtwinkel mit einer ersten Frequenz radial zur Sichtkreisfläche (S) ausgelenkt wird, die wesentlich höher als eine Drehfrequenz (w _S ) ist, mit der der Abtast-Strahlengang (A) um die Flugrichtungsachse (F) rotiert, und daß der Abtast-Strahlengang (A) zusätzlich tangential zur radialen Auslenkung periodisch ausgelenkt wird, wobei die Amplitude der tangentialen Auslenkung wesentlich kleiner als die Amplitude der radialen Auslenkung ist und die Frequenz der tangentialen Auslenkung wesentlich höher als die Frequenz der radialen Auslenkung ist, so daß im Zuge der Drehung um die Flugrichtungsachse (F) nacheinander radiale Streifen (G) der Sichtkreisfläche (S) abgetastet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilsichtwinkel (C) der halbe Sichtwinkel ist, unter dem die Sichtkreisfläche (S) dem Suchkopf (2) erscheint.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß danach zur Erkennung der Art des gefundenen Zielobjekts (Z) der Abtast-Strahlengang (A) bei auf den Nahbereich des Zielobjekts (Z) gerichteten Suchkopf (2) radial ausgelenkt und während der radialen Auslenkung mehrfach tangential ausgelenkt wird, wobei die Amplitude der radialen Auslenkung und die der tangentialen Auslenkungen etwa gleich groß sind.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß danach zur Aufrechterhaltung der Sichtlinie zwischen dem Flugkörper (1) und dem Zielobjekt (Z) der Abtast-Strahlengang (A) in einem im Vergleich zur Sichtkreisfläche (S) kleinen Kreis (K) um oder über das Zielobjekt (Z) ausgelenkt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brennweitenanpassung einer Optik bei Umschaltung zwischen den unterschiedlichen Auslenkphasen vorgenommen wird.

6. Infrarot-Suchkopf eines Lenkflugkörpers mit einem Schwingspiegel im Abtast-Strahlengang zur Abtastung eines Zielgebietes, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Schwingspiegel (6) im Abtast-Strahlengang (A) angeordnet ist, dessen Schwingachse (E) etwa im Winkel von 90° zur Schwingachse (D) des ersten Schwingspiegels (5) liegt und dessen Schwingfrequenz höher als die Schwingfrequenz des ersten Schwingspiegels (5) ist.

7. Suchkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Schwingung des zweiten Schwingspiegels (6) kleiner als die des ersten Schwingspiegels (5) ist.

8. Suchkopf nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptachse (B) eines Teleskops (4) des Suchkopfes (2) in einem spitzen Winkel (b) zur Flugrichtungsachse (F) feststeht und daß der Suchkopf (2) im Flugkörper (1) mit einer Drehfrequenz (w _M ) um die Flugrichtungsachse (F) rotiert.

9. Suchkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Suchkopf (2) im Lenkflugkörper (1) um die Flugrichtungsachse (F) drehender Motor (3) so umschaltbar ist, daß seine Drehfrequenz (w _M ) entgegengerichtet gleich der Drehfrequenz (w _F ) des Flugkörpers (1) selbst ist.

10. Suchkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite eines im Abtast-Strahlengang (A) angeordneten Teleskops verstellbar ist.

11. Suchkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungen der Schwingspiegel (5, 6) so synchronisierbar sind, daß der Abtast-Strahlengang (a) einen kleinen Kreis (K) über das Zielobjekt (Z) beschreibt.

12. Suchkopf, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Detektoranordnung (8) mehrere Detektorelemente vorgesehen und auswerteseitig zusammengefaßt sind, über die der mittels Spiegeln (5, 6) umgelenkte Abtaststrahl (A) hinwegbewegt wird.