DE3623808A1 - Verfahren und anordnung zum nachfuehren eines hochenergie-laserstrahles - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des An­ spruches 1 bzw. eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 4.

Die gattungsgemäßen Maßnahmen sind aus der Notiz unter Kennziffer 151 in der Zeitschrift "Opto Electronic Magazin" Heft 2/1986 oder aus der DE-OS 32 02 432 bekannt. Gemäß der DE-OS 32 02 432 erfolgt, nach der Erfassung eines Zieles durch ein Grobtracking-Verfahren, das Nachführen des Laserstrahles auf einer Auftreffstelle in zwei Schritten. Zunächst wird nämlich der Laserstrahl auf eine Auftreff­ stelle vergleichsweise hoher Reflexion (sogenanntes Glint-Tracking) ausgerichtet; und in der Erkenntnis, daß durch die Einwirkung des Hochenergie-Laserstrahles diese Auftreffstelle ihre anfänglichen hohen Reflexionseigenschaften verliert, also matt wird, wird an­ schließend zum Nachführen des Laserstrahles die von ihm an der Auf­ treffstelle hervorgerufene thermische Strahlung (Hotspot-Tracking) ausgewertet, damit der Laserstrahl nicht aus der nun nicht mehr hochreflektierenden Auftreffstelle auswandert. Für ein derartiges kombiniertes Tracking ist aber ein hoher apparativer Aufwand wegen der Bereitstellung zweier unterschiedlicher Sensorsysteme mit Um­ schaltung der Nachführ-Regelkreise zwischen diesen Systemen erforder­ lich.

In der DE-OS 34 22 232 sind gattungsähnliche Maßnahmen zur Nachführung eines Hochenergie-Laserstrahles beschrieben, wobei die Einflüsse der Atmosphäre auf die Strahlausbreitung im Interesse eines optimal kleinen Brennfleckes an der Auftreffstelle über eine sogenannte aktive Optik kompensiert werden. Grundsätzlich besteht aber auch hier die vorstehend schon erwähnte, für viele Anwendungsfälle un­ günstige Tendenz des Auswanderns des Laserstrahles aus der ursprüng­ lichen Auftreffstelle im Ziel, weil deren Reflexionseigenschaften abnehmen. In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die gattungsbildenden Maßnahmen dahingehend weiterzubilden, daß der Laserstrahl insbesondere auf der einmal erreichten Auftreffstelle im Zielobjekt ausgerichtet bleibt und dadurch hier seine thermische Wirkung auch dann weiterhin konzentriert, wenn sich - wie erstrebt - dadurch Änderungen der Materialeigenschaften einstellen, die einem Glint-Tracking entgegenwirken.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die gattungsgemäßen Maßnahmen gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 4 realisiert werden.

Dadurch ist erreicht, daß der Laserstrahl nicht einem Zielpunkt mit maximalem Glint nachgeführt wird, sondern sozusagen dem negativen Glint, also gemäß einer im erfaßten Ziel auftretenden Mattstelle nachgeführt wird. Wenn also durch die Einwirkung des Laserstrahles das Reflexionsvermögen der Zielfläche herabgesetzt wird, wird der Laserstrahl nun nicht mehr vom Zentrum seiner Wirkung in der Auf­ treffstelle zum besser reflektierenden Rand der Auftreffstelle hin weggesteuert. Durch das Tracking auf negativen Glint hält der Laser­ strahl ohne Umschalterfordernisse auf Hotspot-Tracking sein ernergie­ reiches Strahlzentrum nun selbsttätig an der Stelle optimaler Wirkung, also im Zentrum des bisherigen Auftreffstelle, um hier die Wirkung (beispielsweise das Einbrennen in das Zielmaterial) noch zu vertiefen. Da einem Auswandern des Laserstrahls, also der Auftreffstelle, in Richtung auf Randbereiche der Auftreffstelle, in denen etwa bessere Reflexionsverhältnisse vorliegen, nun entgegengewirkt ist, kann mit dem energiereichen Laserstrahl-Zentrum z.B. auch ein konstruktions­ bedingt schwach reflektierender Bereich der Zielfläche bekämpft werden, bei dem es sich beispielsweise um eine Sensor-Abdeckung oder um eine Optik-Öffnung für die Zielsucheinrichtung eines Ziel­ objektes handeln kann. Dadurch lassen sich in diesen funktionell empfindlichsten Bereichen interessanter Zielobjekte mit vergleichsweise kleiner Energie des Laserstrahles große Wirkungen erreichen, weil das energiereiche Laserstrahl-Zentrum wie gesagt nicht mehr auf den besser reflektierenden Randbereich der erfaßten Zielfläche aus­ wandert. In Ausgestaltung der Erfindung kann zunächst ein Glint- Tracking realisiert werden, um den Laserstrahl bei der Zielsuche auf ein Reflexionsmaximum, also auf einen gut reflektierenden Bereich der Zieloberfläche auszurichten; woraufhin eine Nachführ-Umschaltung auf Negativ-Glint-Tracking erfolgt, um nach energetischer Einwirkung auf diese Zielfläche den Strahl im darin befindlichen Zentrum, also auf einem relativen Reflexionsminimum zu halten.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und aus nachfolgender Beschreibung eines apparativen Ausführungsbeispiels für eine bevorzugte Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt im Blockschaltbild eine Anordnung zur von der Zielreflexion gesteuerten Laserstrahl-Zielverfolgung mit Glint-Umschaltung.

Wie in der Zeichnung symbolisch vereinfacht skizziert strahlt ein Hochenergielaser 1 einen Laserstrahl 2 ab. Dieser wird über eine Umlenkeinrichtung 3 und den gesteuert verformbaren Spiegel 4 einer sogenannten aktiven Optik sowie über eine weitere Umlenkeinrichtung 5 einer Teleskopoptik 6 zugeführt.

Deren Brennweite ist elektromechanisch einstellbar, die Einstellung erfolgt entsprechend der reflektierten Energie vom durch den Laser­ strahl 2 aufgefaßten Ziel 7 so, daß der Laserstrahl 2 in der Auftreff­ stelle 8 am Ziel 7 fokussiert ist.

Zur räumlichen Nachführung des Laserstrahls 2 auf das Ziel 7 ist der Teleskopoptik 6 eine Plattform 9 mit Spiegel 10 zugeordnet, die in Azimut-Richtung und in Elevation einstellbar ist. Ein weiterer Spiegel 11 auf der Plattform 9 lenkt einen an der Auftreffstelle 8 reflektierten Teilstrahl 12 des Laserstrahles 2 zu einer Empfangs­ optik 13, der ein Detektor 14 nachgeschaltet ist. An diesen ist eine Auswerteschaltung 15 angeschlossen, die ein Nachführaggregat 16 für die Steuerung der Plattform 9 und der Teleskopoptik 6 sowie eine Ansteuerschaltung 17 für den verformbaren Spiegel 4 speist. Außerdem ist eine bei Bedarf zuschaltbare Phasenumkehrschaltung 18 angeschlossen, die bei Auftreten eines relativen Reflexionsminimums in der Fläche der Auftreffstelle B am Ziel 7 die Ansteuerung 17 für den verformbaren Spiegel 4 und das Nachführaggregat 16 dann auf Halten des Zentrums des Laserstrahls 2 in diesem Reflexions­ minimum umschaltet. Das Nachführaggregat 16 ist andererseits aber auch von einer externen Zielsuch- und Zielverfolgungsschaltung 19 ansteuerbar.

Zu Betriebsbeginn erfolgt, zur Suche eines Zieles 7, ein Tracking auf maximalen Glint. Dann wird die Schaltung 18 zugeschaltet, so daß die Auswerteschaltung 15 für den reflektierten Strahl 12 den abgehenden Laserstrahl 2 auf ein relatives Reflexionsminimum in der Reflexionsfläche der Zielauftreffstelle 8 hält, also auf einen Punkt am Ziel 7, in dem eine im Vergleich zur Umgebung dieses Punktes auffallend schwache Reflexion stattfindet. Es kann sich dabei um die schwache Reflexion an beispielsweise einem Sensor-Fenster oder einer anderen optischen Einrichtung des Zieles 7 handeln, oder aber auch um den Bereich der Auftreffstelle 8, der durch Schmelz- oder Brenneinwirkung des Laserstrahles 2 auf das Material des Zieles 7 zunehmend schwächer reflektiert.

Jedenfalls wandert nun das energiereiche Zentrum des Laserstrahles 2 nicht mehr aus dem ursprünglichen Brenn-Zentrum in Richtung auf den noch stärker reflektierenden Rand der Auftreffstelle 8 aus, bzw. der Querschnitt des Laserstrahles 2 wird nicht entsprechend dem sich aufweitenden Durchmesser des besser reflektierenden Randes der Auftreffstelle 8 aufgeweitet, sondern das energiereiche Zentrum des Laserstrahles 2 bleibt auf diejenige Stelle ausgerichtet, auf die der Strahl 2 nach Auffassung des Zieles 7 zunächst ausgerichtet wurde und in der er demzufolge bereits seine stärkste, nun noch zu vertiefende Wirkung entfaltete.

Zweckmäßigerweise wird das Gesichtsfeld der Empfangsoptik des Detektors 14 so vorgegeben, daß es bei typischen Gegebenheiten in der Auf­ treffstelle 8 nur ein einziges relatives Reflexionsminimum einschließt, das auch bei Zielnachführung aufgrund Bewegung des Zieles 7 innerhalb dieses Gesichtsfeldes verbleibt. Dadurch ist vermieden, daß die Wärmewirkung des Laserstrahles 2 an einer Stelle des Zieles 7 aufgrund der Zielbewegung - wenn schon nicht zum besser reflektierenden Rand der Auftreffstelle B hin - in den Bereich eines anderen relativen Reflexionsminimums auswandert. Denn anzustreben ist, daß die bereits stärkste Einwirkung des energiereichen Zentrums des Laserstrahles 2 auch weiterhin das Wirkzentrum bleibt.

Es besteht aber auch die apparative Möglichkeit, zur Auswahl der Auftreffstelle 8 auf dem Ziel 7 die Empfangsoptik des Detektors 14 zunächst auf ein flächenmäßig großes Gesichtsfeld einzustellen und dieses dann so weit einzuengen, bis eine eindeutige Erfassung eines relativen Reflexionsminimums als maßgeblich für die weitere Strahlnachführung gegeben ist.

Claims (4)

1. Verfahren zur Nachführung eines Hochenergie-Laserstrahles auf eine Auftreffstelle an einem reflektierenden Ziel, wofür die relativen Reflexionseigenschaften im Bereiche der Auftreffstelle ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das relative Reflexionsminimum im Bereiche der Auftreff­ stelle für die Nachführung des Zentrums des Laserstrahles ausge­ wertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine Nachführ-Auswertung eines Reflexionsmaximums des Laserstrahls am Ziel aufgesucht und nach Einwirkung der thermischen Energie des Laserstrahles auf diese Auftreffstelle die weitere Strahlnachführung auf ein darin liegendes relatives Reflexionsminimum umgeschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Detektor-Empfangsoptik für die Strahlnachführung auf Erfassung nur eines einzigen Reflexionsminimums im Bereiche der Auftreffstelle eingestellt wird.

4. Anordnung zur Nachführung eines Hochenergie-Laserstrahles (2) auf eine Auftreffstelle (8) an einem reflektierenden Ziel (7) durch ein nach Maßgabe der Reflexionseigenschaften im Bereiche der Auftreffstelle (8) angesteuertes Nachführaggregat (16) für die räumliche Verschwenkung und für die Fokussierung des Laser­ strahles (2) entsprechend der Bewegung des Zieles (7), dadurch gekennzeichnet, daß für die Steuerung der Strahlnachführung eine Phasenumkehr­ schaltung (18) einem Reflexions-Detektor (14) für Strahlnach­ führung nach Maßgabe eines relativen Reflexionsminimums im Bereiche der Auftreffstelle (8) nachgeschaltet ist.