DE3614561C2 - Verfahren und Suchkopf zum Erfassen eines Zielobjektes in der Sichtkreisfläche eines Zielgebietes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Suchkopf gemäß dem jeweiligen Oberbegriff der beiden Hauptansprüche.

Die gattungsbildenden Maßnahmen der zickzackförmig verlaufenden Abtastbewegung eines Strahlenganges mittels orthogonaler Schwingspiegel sind aus der US-PS 4,347,530 bekannt.

Aus der DE-PS 33 26 233 ist es bekannt, nach kreis- oder spiralförmiger Abtastung des Zielgebietes den Suchkopf auf das ermittelte Ziel auszurichten und danach nur noch einen begrenzten Bereich um das Ziel herum abzutasten, wobei dieser Abtastbereich im Zuge der Zielannäherung adaptiv entsprechend der sich einstellenden Vergrößerung des Zielbildes vergrößert wird.

Nach der US-PS 4,039,246 ist ein flügelstabilisierter Flugkörper mit einem rotierenden Suchkopf ausgestattet, der eine verschwenkt gegenüber der Flugkörperachse rotierende Cassegrain-Spiegelanordnung mit einem quer zur Rotationsachse verkippbaren Umlenkspiegel aufweist. Für die Abtastung des Luftraumes nach einem abzuwehrenden Flugobjekt wird dadurch eine rosettenförmige Abtastbewegung erzielt.

Der Erfindung dagegen liegt die Aufgabe zugrunde, die im Zielgebiet vom Suchkopf erfaßte Sichtkreisfläche möglichst rasch nach einem Objekt abzusuchen, das ein Zielobjekt sein könnte, und dann dieses als solches zu identifizieren, ehe eine für die Zielansteuerung benötigte Sichtlinie zu ihm stabilisiert wird. Dabei ist die rasche und komplette Absuche der steuerungsseitig erreichbaren Sichtkreisfläche im Zielgebiet und danach die Verifikation eines erfaßten Objektes als anzusteuerndes Zielobjekt von besonderer Bedeutung bei endphasenkorrigierbarer Abwurfmunition, weil diese nicht über die Navigationsfreiheitsgrade eines Lenkflugkörpers verfügt, sondern in ihrer kurzen Fallzeit die Zielakquisition durchführen muß.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die gattungsbildenden Maßnahmen nach dem Kennzeichnungsteil des jeweiligen Hauptanspruches weitergebildet sind.

Nach dieser Lösung erfolgt eine rasche Abtastung der gesamten Sichtkreisfläche längs nebeneinanderliegender radialer Streifen, die quer zum Radius zickzackförmig abgetastet werden; was mit der notwendigen Geschwindigkeit erzielbar ist, indem die Eigenrotation des Flugkörpers überlagert wird von der gleichsinnigen Drehung des Suchkopfes. Die Suchkopf-Drehung wird dann auf Gegenrichtung zur Flugkörperrotation umgeschaltet, um eine bestimmte Orientierung im Raum beizubehalten, sobald ein mögliches Zielobjekt in der Sichtkreisfläche erfaßt wurde. Die Zickzack-Suchbewegung beschränkt sich dann radial und tangential auf dieses Objekt und seine nähere Umgebung, um ein Objektbild zu bekommen, das mit vorgegebenen Zielbildern verglichen werden kann. Wenn dabei eine Verifikation erfolgte, wird die Zickzack-Abtastbewegung auf eine das Zielobjekt unmittelbar eingrenzende Kreisbewegung umgeschaltet, um eine Track-Sichtlinie für die Zielansteuerung zur Verfügung zu stellen.

Es wird also bei der Annäherung ans Zielgebiet zunächst nur der den halben Durchmesser der Sichtkreisfläche entsprechende Teilsichtwinkel durch radial orientierte Spiegelauslenkung mit einer ersten Frequenz erfaßt, die wesentlich höher ist als die Drehfrequenz der winkelmäßig gegeneinander versetzt aufeinanderfolgenden Abtaststreifen. Zugleich ist durch entsprechende Spiegelansteuerung sichergestellt, 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 Zielobjekts 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 zeigt

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) dreht 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 (G1, G2) und einem weiteren, später durchlaufenden Streifen (G3) 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. (G2) 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 (11)

1. Verfahren zum Erfassen eines zu akquirierenden Zielobjektes durch Abtasten der Sichtkreisfläche im Zielgebiet mittels eines Flugkörper-Suchkopfes mit zwei zueinander orthogonalen Schwingspiegeln im Strahlengang vor einer Detektoranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Sichtkreisfläche in rascher winkelmäßiger Aufeinanderfolge längs radialer Streifen zickzackförmig abgetastet wird, bis ein mögliches Zielobjekt erfaßt ist, woraufhin ein radial und tangential eingeengter Bereich in dessen unmittelbarer Umgebung zickzackförmig abgetastet wird, um ein Objektbild zum Vergleich mit bekannten Zielbildern zu gewinnen, und schließlich die Sichtlinie zum erkannten Zielobjekt durch dessen Einkreisen gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sichtkreisfläche der Abtaststrahlengang des Suchkopfes von dessen Längsachse aus um einen Teilsichtwinkel in der Größe des halben Sichtkreis-Sichtwinkels mit einer ersten Frequenz radial zur Sichtkreisfläche ausgelenkt wird, die wesentlich höher als eine Drehfrequenz ist, mit der der Abtast-Strahlengang um die Längsachse 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.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei auf den Nahbereich des Zielobjektes gerichtetem Suchkopf der Abtast-Strahlengang radial ausgelenkt und während der radialen Auslenkung mehrfach tangential ausgelenkt wird, wobei die Amplituden der radialen und der tangentialen Auslenkungen etwa gleich groß sind.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Umschalten zwischen den unterschiedlichen Auslenkphasen die Brennweite einer im Abtast-Strahlengang liegenden Optik angepaßt wird.

5. Suchkopf (2) mit zwei zueinander orthogonalen Schwingspiegeln (5, 6) im Strahlengang eines Abtaststrahles (A) vor einer Detektoranordnung (8), dadurch gekennzeichnet, daß der Suchkopf (2) mit steuerbarer und umschaltbarer Drehbewegung (w) relativ zum um seine Längsachse (F) rotierenden Flugkörper (1) ausgelegt ist.

6. Suchkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingfrequenz eines der Schwingspiegel (6) zwischen höheren und tieferen Werten der Schwingfrequenz des anderen Spiegels (5) umschaltbar ist.

7. Suchkopf nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Suchkopf (2) mit einem Teleskop ausgestattet ist, dessen Hauptachse (B) in einem spitzen Winkel (b) zur System-Längsachse (F) fixiert ist, wobei der Suchkopf (2) im Flugkörper (1) mit einer Drehfrequenz (w_M) um die Längsachse (F) rotiert.

8. Suchkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Teleskop eine verstellbare Brennweite aufweist.

9. Suchkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er von einem Motor (3) mit einer Drehfrequenz (w_M) um die System-Längsachse (F) drehbar ist, die der Drehfrequenz (w_F) des Flugkörpers (1) um seine Längsachse (F) selbst gleich aber entgegengerichtet ist.

10. Suchkopf nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungen der Schwingspiegel (5, 6) auf eine enge Kreisbewegung (K) des Strahlenganges synchronisierbar sind.

11. Suchkopf nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Detektoranordnung (8) mit mehreren auswerteseitig zusammengefaßten Detektorelementen enthält, die vom mittels der Schwingspiegel (5, 6) umgelenkten Abtaststrahl (A) überstrichen sind.