DE3642548A1 - Verfahren zur Harmonisierung eines Tag/Nacht-Flugkörperleitsystems mit Laserleitstrahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Harmonisierung (Angleichung) eines Tag/Nacht-Flugkörperleitsystems mit einem Tagkanal, der ein Tagzielfernrohr mit reelem Faden­ kreuz, einem Laserleitstrahlsender und einem Kollimator/ Ablagemesser umfaßt, und mit einem Nachtkanal, der zu­ sätzlich eine in einem bestimmten Spektralband arbeitende thermische oder Infrarotkamera umfaßt.

Bei diesem System wird der Flugkörper auf einem Leitstrahl gehalten, der durch Visieren auf das Ziel gerichtet ist.

Der Lasersender ist im Feuerleitstand angeordnet und er­ zeugt einen Leitkanal quadratischen Querschnitts, dessen Mittelachse mit der Visierlinie zusammenfällt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ständige Kontrolle oder Steuerung der Harmonisierung (Angleichung) der Achse des Laserleitstrahls, der Achse des Tagzielfern­ rohrs und derjenigen der IR-Kamera vor und während des Abschusses und Fluges des Flugkörpers zu gewährleisten. Das Verfahren soll außerdem eine nicht starre Verbindung zwischen der Tagzieleinrichtung und der IR-Kamera sowie die Austauschbarkeit der IR-Kameraeinheit ohne Änderung der Harmonisierung ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Tagzielfernrohr und der Kollimator/Ablagemesser eine mechanisch kompakte und starre Baugruppe bilden, die so ausgelegt ist, daß ihre jeweiligen optischen Achsen ge­ nauestens parallel sind und diese Parallelität unter den geforderten Umweltbedingungen über lange Zeit bewahren, daß die Harmonisierung des Leitsenders ständig (dauer­ haft) dadurch erfolgt, daß ein Teil seines Sendestrahls nach aufeinanderfolgenden Reflexionen an zwei Strahltei­ lern, die eine kompakte Untereinheit vor dem Objektiv des Kollimators bilden, und an einem dritten Strahlteiler hinter dem Objektiv einem Ablageempfänger zugeführt wird, daß ein Nachführmittel in jedem Augenblick die von dem Ablagemesser festgestellte Ablage zu Null macht, daß die Harmonisierung der IR-Kamera ständig auf dieselbe Weise dadurch erhalten wird, daß in ihrer Brennebene mittels einer invarianten Triederbaugruppe das Infrarotbild des Fadenkreuzes des Kollimators erzeugt wird, das nach elek­ tronischer Verarbeitung auf einem Bildschirm sichtbar ge­ macht wird, der durch das Okular des Tagzielfernrohres betrachtet wird, und daß die Harmonisierungen unabhängig von Versetzungen oder Abweichungen des Leitstrahlsenders, Versetzungen der IR-Kamera, Versetzungen der Kathoden­ strahlröhre und der Stellung der IR-Kamera sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der einzigen Zeichnungsfigur erläutert.

Diese Figur zeigt eine Prinzipdarstellung des Tag/Nacht- Flugkörperleitsystems zur Durchführung des Harmonisie­ rungsverfahrens nach der Erfindung.

Das Tagsystem bildet eine starre Baugruppe, die aus einem Tagzielfernrohr, einem Laserleitstrahlsender und einem Kollimator/Ablagemesser besteht.

Das Tagzielfernrohr ist ein optisches Fernrohr, bestehend aus einem Objektiv 1, einem reellen Fadenkreuz 2 und ei­ nem Okular 3. Das Bildumkehrsystem ist nicht dargestellt. Ein Strahlteiler 4 ermöglicht die Betrachtung des Bild­ schirmes 5 einer Kathodenstrahlröhre, die symmetrisch zu dem Fadenkreuz 2 angeordnet ist. Das Auge des Beobachters befindet sich bei 6.

Der Leitstrahlsender umfaßt ein Objektiv 7, das hier durch zwei mit 7 bezeichnete Linsen verkörpert wird, ein Strahlcodiersystem 8 und einen Laser 9.

Der Kollimator/Ablagemesser umfaßt:

• - in der Kollimatorfunktion: Ein Objektiv 10, ein reelles Fadenkreuz 11 und eine Beleuchtungsvorrichtung 12,
• - in der Ablagemeßfunktion: Das Objektiv 10, einen Strahl­ teiler 13, einen Ablageempfänger 14 und zwei Strahltei­ ler 15 und 16, die miteinander starr verbunden sind, so daß sie eine verformungssteife Einheit bilden. Eine die­ ser Platten kann ein gerader Dieder sein, so daß die Einheit 15-16 ein invarianter Trieder ist.

Das Zielfernrohr und der Kollimator bilden eine starre Baugruppe, die so ausgeführt ist, daß die optischen Achsen, die jeweils durch das optische Zentrum des Ob­ jektivs 1 und den Kreuzungspunkt des Fadenkreuzes 2 bzw. durch das optische Zentrum des Objektivs 10 und den Kreuzungspunkt des Fadenkreuzes 11 festgelegt sind, ge­ nauestens parallel verlaufen und diese Parallelität lang­ zeitstabil unter den geforderten Umgebungsbedingungen bewahren. Diese Stabilität ist deswegen leicht erzielbar, weil die Baugruppe kompakt ist und die optischen Teile kleine Abmessungen haben.

Die IR-Kamera umfaßt ein Infrarotobjektiv 17, dessen Brenn­ ebene bei 18 liegt. Die Detektoren und das Abtastsystem sind in der Figur nicht dargestellt. Vor dem Objektiv 17 befindet sich eine invariante Optik, bestehend aus einer halbdurchlässigen Platte 19, die starr mit einem recht­ winkligen Dieder 20 verbunden ist.

Das Harmonisierungsprinzip beruht auf der Langzeitstabili­ tät der folgenden Baugruppen: Zielfernrohr/Kollimator/Ab­ lagemesser, invariante Optik 15 und 16 und invariante Op­ tik 19 und 20.

Die Führung auf dem Laserstrahl erfolgt beispielsweise bei einer Wellenlänge von λ = 10,6 µ.

Ein kleiner Teil des gesendeten Strahles wird durch Re­ flexion an der planparallelen Platte 16 umgelenkt. Eine Steuerung, die beispielsweise auf das Codiersystem 8 (oder ein nicht dargestelltes optisches Ablenkelement) wirkt, bringt in jedem Moment den von dem Ablagemesser 14 ermit­ telten Ablagewert auf Null.

Das Objektiv 7 des Leitsenders ist vorzugsweise ein Zoom­ objektiv mit sehr großem Brennweitenverhältnis, innerhalb dessen Linsengruppen während der Flugphase des Flugkörpers bewegbar sind. Die ständige Kontrolle der Leit- oder Füh­ rungsachse und die Nachführung der Richtung dieser Achse erlaubt vergrößerte mechanische Toleranzen bei der Her­ stellung des Zoomobjektivs.

Die Achse der IR-Kamera ist die durch den Kollimator 10 + 11 definierte Achse, die das Bild des Fadenkreuzes 11 in die Brennebene 18 in der IR-Kamera über die invarianten Trieder 19 + 20 projiziert. Das von der IR-Kamera nach elektro­ nischer Verarbeitung gelieferte Bild wird auf dem Bild­ schirm einer Kathodenstrahlröhre sichtbar gemacht. Das Fadenkreuz, das auf diesem Bildschirm erscheint, ist folg­ lich das Bild des Fadenkreuzes 11. Es legt die Visier­ linie der Kamera exakt fest, unabhängig von allen mechanischen, elektrischen oder magnetischen Einflüssen oder Abweichungen der Kameraeinheit, selbst wenn das Fadenkreuz, das auf dem Bildschirm 5 erscheint, nicht genau symmetrisch zu dem Fadenkreuz 2 in dem Strahltei­ ler 4 ist. Diese Symmetrie kann dadurch erhalten werden, daß Einfluß auf die Strahlablenkungen der Kathodenstrahl­ röhre genommen wird, wenn angestrebt wird, daß das sicht­ bare Bild und das Infrarotbild überlagerbar sein sollen.

Die IR-Kamera ist im allgemeinen im Spektralband von 8 bis 12 µ empfindlich. Das Fadenkreuz 11 kann in dieses Spektralband projiziert werden, was aber die folgenden Nachteile hätte:

Von Vorteil ist, daß der Nutzdurchmesser des von dem Kollimator ausgehenden Strahls sehr viel kleiner als der Pupillendurchmesser der IR-Kamera ist, weil somit die Baugruppe Kollimator-Zielfernrohr kompakt ist und der Trieder 19 + 20 klein und leicht herstellbar ist. In diesem Fall ist jedoch das in die Brennebene 18 mit einem kleinen Pupillendurchmesser projizierte Bild des Fadenkreuzes 11 sehr viel weniger scharf als das mittels einer Pupille großen Durchmessers erzeugte Bild des Ge­ sichtsfeldes, und zwar wegen der Diffraktion, deren Winkelgrenze festgelegt ist durch

worin D der Pupillendurchmesser und λ die Wellenlänge sind. Das Mittel zur Erzielung einer größeren Schärfe des proji­ zierten Fadenkreuzes besteht in der Verwendung einer kürzeren Wellenlänge λ₂, und zwar gemäß der Beziehung

worin λ₁ und D₁ sich auf das Bild des Gesichts­ feldes, λ₂ und D₂ sich auf das Bild des Fadenkreuzes be­ ziehen. Das Spektralband von IR-Kameras ist im allge­ meinen auf den Bereich von 8 bis 12 µ begrenzt, damit es dem Fenster der atmosphärischen Durchlässigkeit ent­ spricht. Ein Interferenzfilter unterdrückt die Wellen­ längen kleiner als 8 µ, während der benutzte Detektor die Begrenzung auf 12 µ bewirkt. Ohne dieses Filter ist die Kamera zwischen 2 und 12 µ empfangsfähig oder empfindlich, wobei die 2 µ-Grenze durch das in dem Objektiv verwendete Germanium bedingt ist. Der Kollimator kann folglich das Fadenkreuz in einem schmalen, bei etwa λ = 2 µ liegenden Band projizieren, unter der Voraussetzung, daß das Filter 8-12 µ vor der Einblendung des Fadenkreuzes angeordnet ist. Dieses Filter wird vorteilhaft auf der Schutzscheibe 21 niedergeschlagen, die die Triederbaugruppe 19 + 20 schützt, die vor dem Objektiv 17 angeordnet ist.

Die Projektion des Fadenkreuzes bei λ = 2 µ stößt trotzdem auf eine Schwierigkeit, die in dem Chromatismus des Ob­ jektivs 17 der IR-Kamera liegt. Dieses Objektiv ist nor­ malerweise in dem Bandbereich 8 bis 12 µ korrigiert und der Längschromatismus ist für dioptrische Objektive auf der Basis von Germanium sehr erheblich. Diese Defokussie­ rung bei 2 µ wird im Kollimator korrigiert. Das Fadenkreuz 11 wird in axialer Richtung so weit verschoben, daß sein Bild genau in der gleichen Ebene 18 wie das Bild des Gesichtsfeldes bei 8 bis 12 µ entsteht.

Im Projektionsweg des Fadenkreuzes werden beispielsweise die folgenden Materialien bzw. Teile benutzt:

- Beleuchtungsvorrichtung 12: Halogenlampe kleiner Leistung
- Fadenkreuz 11: Metallisierte und fotogeätzte Glasplatte
- Strahlteiler 13: Glasplatte mit dichroitischer Behandlung, reflektierend bei λ = 10,6 µ
- Objektiv 10: Germaniumlinse
- Strahlteiler 15: Glasplatte (wie Glasplatte 13)
- Dieder 20: Dachkantprisma aus Glas
- Strahlteiler 13: Germaniumplatte mit Reflexion bei λ = 2 µ, durchlässig bei λ = 8 bis 12 µ,
- Schutzfenster 21: planparallele Germaniumplatte, durchlässig von 8 bis 12 µ, un­ durchlässig von 2 bis 8 µ.

Die Einblendung des Fadenkreuzstrahles in das Objektiv 17 soll über das Pupillenzentrum dieses Objektivs erfolgen, um für den Fall, daß die Fokussierung des Objektivs nicht völlig exakt geschieht, Parallaxenfehler zu vermeiden.

Um zu vermeiden, daß die Modulation der Übertragungs­ funktion in das Infrarotbild fällt, muß die Platte 19 genauestens parallelflächig sein und darf nicht zu einer Phasenverschiebung zwischen dem Zentrum und dem Rand der Pupille des Objektivs 17 führen.

Sofern das Objektiv 17 bifocal ist, ist die Platte 19 so dimensioniert, daß sie die Pupille des großen Gesichts­ feldes des Objektivs vollständig überdeckt.

Der Längschromatismus ist im allgemeinen für die zwei Brennweiten des Objektivs unterschiedlich. Es ist daher zweckmäßig, zwei Fadenkreuze 11 und 11₂ zu verwenden, die längs der optischen Achse des Kollimators verschoben an­ geordnet sind und mit zwei unterschiedlichen Lichtquellen 12 und 12₂ beleuchtet werden (11₂ und 12₂ sind in der Figur nicht dargestellt).

Die numerische Apertur, mit der das Fadenkreuz in der kurzen Brennweite des Objektivs projiziert wird, ist größer als die Apertur bei der langen Brennweite. Die Beleuchtung des Fadenkreuzes ist daher bei der kurzen Brennweite stärker. Deshalb ist dem Fadenkreuz für die kurze Brennweite ein Abschwächer zugeordnet, so daß für beide Gesichtsfelder die gleiche Fadenkreuzhelligkeit erhalten wird.

Die Fadenkreuze 11 und 11₂ (das letztere ist in der Figur nicht dargestellt) können eine unterschiedliche Zeichnung oder Struktur haben, so daß der Beobachter sieht, ob er sich in dem kleinen oder in dem großen Gesichtsfeld be­ findet.

Die Umschaltung der Lichtquellen oder Beleuchtungsvor­ richtungen 12 und 12₂ (die letztere ist in der Figur nicht dargestellt) geschieht selbsttätig bei der Ge­ sichtsfeldumschaltung. Die zwei Lichtquellen stimmen mit­ einander überein, so daß nur ein Regler für die Faden­ kreuzhelligkeit erforderlich ist.

Claims (6)

1. Verfahren zur Harmonisierung (Angleichung) eines Tag/ Nacht-Flugkörperleitsystems mit einem Tagkanal, der ein Tagzielfernrohr mit reellem Fadenkreuz, einen Laserleitstrahlsender und einen Kollimator/Ablagemes­ ser umfaßt, und mit einem Nachtkanal, der zusätzlich eine in einem bestimmten Spektralband arbeitende In­ frarotkamera umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Tagzielfernrohr (1, 3) und der Kollimator/Ablagemesser (10, 11) eine mechanisch kompakte und starre Baugruppe bilden, die so ausgelegt ist, daß ihre jeweiligen op­ tischen Achsen genauestens parallel sind und diese Parallelität unter den geforderten Umgebungsbedingun­ gen über lange Zeit bewahren, daß die Harmonisierung des Leitstrahlsenders (7, 9) ständig (dauerhaft) da­ durch erfolgt, daß ein Teil seines Sendestrahls nach aufeinanderfolgenden Reflexionen an zwei Strahlteilern (16, 15), die eine kompakte Untereinheit vor dem Ob­ jektiv (10) des Kollimators (10, 11) bilden, und an einem dritten Strahlteiler (13) hinter dem Objektiv (10) einem Ablageempfänger (14) zugeführt wird, daß ein Nachführmittel (8) in jedem Augenblick die von dem Ablagemesser festgestellte Ablage zu Null macht, daß die Harmonisierung der IR-Kamera (17, 18) ständig auf dieselbe Weise dadurch erhalten wird, daß in ihrer Brennebene (18) mittels einer invarianten Triederbau­ gruppe (19, 20) das Infrarotbild des Fadenkreuzes (11) des Kollimators erzeugt wird, das nach elektronischer Verarbeitung auf einem Bildschirm (5) sichtbar gemacht wird, der durch das Okular (3) des Tagzielfernrohrs betrachtet wird, und daß die Harmonisierung unabhängig von Versetzungen oder Abweichungen des Leitstrahlsen­ ders, der IR-Kamera, der Kathodenstrahlröhre (5) und der Stellung der IR-Kamera sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines projizierten Fadenkreuzes in der IR-Kamera mit einer guten Schärfe trotz der Kompakt­ heit des Kollimators kleinen Durchmessers die Projek­ tion mit einer kleineren Wellenlänge erfolgt, außer­ halb des Spektralbandes der Kamera, und daß die un­ tere Grenze dieses Spektralbandes durch ein Interfe­ renzfilter festgelegt wird, das vor der Einspiegelung des projizierten Fadenkreuzes angeordnet ist, während die obere Grenze des Spektralbandes durch den Infra­ rotdetektor bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzfilter vorteilhaft auf einem Fenster (21) niedergeschlagen wird, das die Triederbaugruppe (19, 20) schützt, die vor dem Kameraobjektiv (17) be­ festigt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die auf den Längschromatismus des Objektivs (17) der IR-Kamera bei der Wellenlänge der Projektion des Fadenkreuzes zurückzuführen Defokussierung in den Kollimator durch eine solche axiale Verschiebung des Fadenkreuzes korrigiert wird, daß sein Bild exakt in der gleichen Ebene (18) wie das Bild des Gesichtsfel­ des entsteht.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Objektiv der Kamera bifocal ist, wobei der Längschromatismus für die zwei Brennweiten des Objektivs unterschiedlich ist, und daß die Chromatis­ muskorrektur vorteilhaft mittels zweier Fadenkreuze erhalten wird, die auf der optischen Achse des Kolli­ mators axial verschoben angeordnet sind, von zwei ver­ schiedenen Beleuchtungsvorrichtungen beleuchtet werden und ein unterschiedliches Muster haben.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Beleuchtungsvorrichtung, die das Fadenkreuz beleuchtet, dem die kurze Brennweite entspricht, eine Blende oder dergleichen sitzt, so daß für beide Ge­ sichtsfelder dieselbe Fadenkreuzhelligkeit erhalten wird, und daß die Beleuchtungsvorrichtungen in der Wei­ se übereinstimmen, daß die Helligkeit der Fadenkreuze über einen gemeinsamen Regler einstellbar ist.