DE3705142A1 - Einrichtung zur selbsttaetigen elektronischen messung und anzeige der trefferablagen von geschossen, wurfkoerpern, flugkoerpern u. dgl. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur selbsttäti­ gen elektronischen Messung und Anzeige der Trefferanlage von Geschossen, Wurfkörpern, Flugkörpern u. dgl. in ei­ ner vorgegebenen ortsfesten und bewegten Zielfläche auf der Grundlage einer elektrooptischen Vermessung der Ge­ schoßbewegung.

Bekannt sind elektroakustische Verfahren zur Trefferab­ lagemessung (DE-OS 27 38 213, DE-OS 25 28 075), die auf der Ausmessung einer akustischen Überschall-Stoßwelle beruhen. Sie sind deshalb darauf beschränkt, die Treffer­ lagen von überschallschnellen Geschossen, Wurfkörpern und Flugkörpern zu messen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Nachteil der genannten Beschränkung solcher elektroakustischer Verfahren auf Messungen im Überschallbereich zu beseiti­ gen und eine Einrichtung zu entwickeln, die sowohl zur Trefferlagemessung von mit Überschallgeschwindigkeit als auch mit Unterschallgeschwindigkeit fliegenden Geschoß­ körpern, Wurfkörpern, Flugkörpern u.dgl. mit ausreichen­ der Genauigkeit und Zuverlässigkeit geeignet ist.

Die Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich durch minde­ stens zwei vorzugsweise außerhalb der Zielfläche angeord­ nete elektrooptische Bildzeilensensoren mit vorgesetzter Abbildungsoptik, die den Durchflug der Geschosse, Flug­ körper oder Wurfkörper durch ihre Abbildungsräume erfas­ sen und als Signale an eine elektronische Auswerteinrich­ tung weitergeben.

Ein Bildzeilensensor ist ein handelsübliches elektroni­ sches Bauelement, das eine geradlinige Kettenanordnung einer großen Anzahl einzelner photoempflindlicher Ele­ mente enthält. Der Belichtungszustand der einzelnen pho­ toempfindlichen Elemente kann elektronisch ausgelesen werden. Die Anordnung eines bzw. mehrerer Bildzeilensen­ soren in einem abdunkelnden Gehäuse mit versetzter Abbil­ dungsoptik wird als ein- bzw. mehrzeilige Zeilenkamera bezeichnet.

Eine einzeilige Zeilenkamera bildet dauernd die Lichtein­ strahlung aus einem gegebenen Abbildungsraum auf dem Bildzeilensensor ab. Dieser Abbildungsraum ist ein fla­ ches, fächerförmiges Raumwinkelsegment, das hier mit Lichtfächer bezeichnet wird. Im Ruhezustand ist auf dem Bildzeilensensor die konstante oder nur langsam veränder­ liche Bildspur abgebildet, die dem Bildausschnitt des Um­ welthintergrundbildes, beispielsweise einem freien Himmel oder einer Landschaft, im Raumwinkelformat des Lichtfä­ chers entspricht.

Durchquert ein bewegter Körper, also ein Geschoß, Wurf­ körper oder Flugkörper den Lichtfächer, so wird während des Durchquerens, also kurzzeitig, auf dem Bildzeilensen­ sor der bewegte Körper vor dem Hintergrund abgebildet. Die Folge ist eine kurzzeitige Leuchtdichteänderung an einem oder mehreren der photoempfindlichen Elemente des Bildzeilensensors. Diese Leuchtdichteänderung wird elek­ tronisch festgestellt, beispielsweise durch schnelle, periodische Auslesung des Zeilensensors, Speicherung der Bildzeileninhalte und Bildpunktvergleich zeitlich aufein­ anderfolgender Bildzeileninhalte. Insbesondere wird elek­ tronisch ermittelt, welches Photoelement oder welche Pho­ toelemente des Bildzeilensensors von der Leuchtdichteän­ derung betroffen sind. Aus der bekannten Lage der so er­ mittelten Photoelemente auf dem Bildzeilensensor ergibt sich nach einer einfachen trigonometrischen Beziehung die Peilwinkelrichtung des Geschoßdurchfluges vom Blickpunkt der Zeilenkamera aus. Somit liefert ein Bildzeilensensor als Ortungsangabe einen Peilwinkelwert des bewegten Kör­ pers.

Werden nun erfindungsgemäß mehrere Bildzeilensensoren in einer oder mehreren Zeilenkameras angeordnet, so lassen sich mehrere Peilwinkelangaben des bewegten Körpers er­ halten, die über geometrische Gesetzmäßigkeiten den Rück­ schluß auf den Durchstoßort durch eine vorgegebene Ziel­ ebene, d.h., auf die gesuchte Trefferlage, erlauben.

Zur Trefferlagevermessung an bodenseitigen Zielflächen wird erfindungsgemäß eine bodenseitige Anordnung von min­ destens zwei Zeilenkameras vorgeschlagen, die in vorgege­ benem Abstand vorzugsweise außerhalb der Zielfläche posi­ tioniert sind. Die Lichtfächer der Zeilenkameras liegen in einer gemeinsamen Ebene, die sich nahe der Zielebene und parallel zu ihr erstreckt. Jeder der Lichtfächer über­ deckt den gesamten Zielflächenbereich, in dem Treffer ver­ messen werden sollen. Die Ausgangssignale der Zeilenkame­ ras liefern die Peilwinkelrichtungen des Trefferortes aus mindestens zwei auseinanderliegenden Blickpunkten. Der rechnerisch ermittelte Schnittpunkt der durch die Blick­ punkte und Winkelrichtungen definierten Geraden ergibt den gesuchten Trefferort des bewegten Körpers in der Zielebene. Die Zeilenkameras können zusätzlich durch mechanische Blenden oder Wälle gegen Beschußwirkung ge­ schützt werden.

Zur Treffervermessung an bewegten Zielen, beispielswei­ se an Flugzielen, wird erfindungsgemäß eine mit dem Ziel mitbewegte Anordnung von einer mindestens zweizeiligen oder gleichwertig mehreren, mindestens jedoch zwei ein­ zeiligen Zeilenkameras vorgeschlagen, die sich zum Schutz gegen Beschuß vorzugsweise außerhalb des Treffer­ bereiches befinden.

Die Ebenen der Lichtfächer fallen nicht zusammen, son­ dern schneiden sich in der oder nahe der Zeilenkamera- Anordnung unter spitzen Winkeln. Die Lichtfächer span­ nen somit einen pyramidenförmigen Raumbereich auf, der den Trefferbereich einschließt. Durchquert ein bewegter Körper diese Lichtfächer-Anordnung, so liefert jeder Bildzeilensensor eine Peilwinkelangabe zur Ortung der Durchflugbahn relativ zu den Bildzeilensensoren.

Unter der im Meßbereich praktisch zumeist erfüllten Vor­ aussetzung geradliniger Flugbahn und bei bekannter Flug­ geschwindigkeit und Flugrichtung des bewegten Körpers gestatten die Peilangaben von mindestens zwei Bildzei­ lensensoren aufgrund geometrischer Gesetzmäßigkeiten die eindeutige rechnerische Bestimmung der Flugbahn und damit des Trefferortes in der vorgegebenen Zielfläche. Ist entweder die Fluggeschwindigkeit oder die Flugrich­ tung des bewegten Körpers unbekannt, so sind für die eindeutige Bestimmung der Flugbahn und des Trefferortes mindestens drei Bildzeilensensoren erforderlich, sind sowohl Fluggeschwindigkeit als auch Flugrichtung des be­ wegten Körpers unbekannt, so sind mindestens vier Bild­ zeilensensoren notwendig.

Damit die Trefferlagemeßeinrichtung sowohl bei unter­ schiedlichen Tageslichtverhältnissen als auch bei Dunkel­ heit gleichermaßen einsetzbar ist, kann, gemäß einer wei­ teren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zielsei­ tig eine Beleuchtungsvorrichtung zur Beleuchtung der be­ wegten Körper angeordnet sein. Diese Beleuchtungsvorrich­ tung emittiert Strahlung in einem an den Empfindlich­ keitsbereich der Bildzeilensensoren angepaßten optischen Spektralbereich. Hierbei kann es sich um den Spektralbe­ reich des sichtbaren, des ultravioletten oder des infra­ roten Lichts handeln. Die Beleuchtungsvorrichtung kann dauernd oder zeitweilig in Betrieb sein.

Zur optimalen Ausnutzung der Beleuchtungsenergie können gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung in der Beleuchtungseinrichtung Lichtquellen und Abbildungsoptiken derart angeordnet sein, daß die Be­ leuchtungsenergie selektiv in flache, fächerförmige Raum­ winkelsegmente abgestrahlt wird, die näherungsweise mit den Lichtfächern der Bildzeilensensoren übereinstimmen. Dies läßt sich beispielsweise durch lineare Lichtquellen in Verbindung mit achsensymmetrischen Abbildungsoptiken erreichen. Eine andere Realisierungsmöglichkeit besteht in der Kombination von Punktlichtquellen und Abbildungs­ optiken mit Zylindercharakteristik. Die Abbildungsopti­ ken können Linsen-, Spiegel- oder Faseroptiken sein. Die Lichtquellen können Metallfadenlampen oder Gasentla­ dungslampen, insbesondere Blitzlampen, oder auch Laser- Lichtquellen sein.

Zur Vermeidung von Kühlungsproblemen an der Beleuchtungs­ vorrichtung ist es sinnvoll, die Beleuchtungsvorrichtung jeweils nur für die kurze Zeitspanne des Durchfluges der bewegten Körper durch den Zielbereich einzuschalten. Um das Einschalten der Beleuchtungsvorrichtung auszulösen, können, gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Vor­ schlags der Erfindung, in der Umgebung des Geschützroh­ res oder der Flugbahn der Geschosse, Flugkörper oder Wurfkörper ein oder mehrere elektrooptische oder elektro­ akustische Wandler angeordnet sein, deren Signale die An­ näherung von bewegten Körpern an die Meßeinrichtung er­ mitteln und an die elektronische Vorrichtung zur kurz­ zeitigen Einschaltung der Beleuchtungsvorrichtung wei­ tergeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher er­ läutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektro­ optischen Bildzeilensensors mit vorgesetzter Abbildungsoptik (Zeilenkamera) und nachge­ schalteter elektronischer Auswertungseinrich­ tung zur Erläuterung des Arbeitsprinzips der erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 2 eine Anordnung von zwei einzeiligen Zeilenka­ meras an einer bodenseitigen Zielfläche, und

Fig. 3 eine Anordnung einer dreizeiligen Zeilenkamera an einem bewegten Ziel.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, befindet sich der Bild­ zeilensensor 1 in der Bildebene der Abbildungsoptik 2 in dem abdunkelnden Gehäuse 3. Diese Anordnung, als einzeilige Zeilenkamera bezeichnet, bildet einen fächer­ förmigen Raumwinkelbereich 4, als Lichtfächer bezeichnet, auf den Bildzeilensensor 1 ab. Ein bewegter Körper, also ein Geschoß, Wurfkörper oder Flugkörper, bewegt sich auf der Flugbahn 5 und tritt am Ort 6 durch den Lichtfächer hindurch. Vermittels der Abbildungsgesetze der Strahlen­ optik ruft der Durchtritt des Geschosses am Photoele­ ment 7 des Bildzeilensensors 1 eine kurzzeitige Belich­ tungsänderung hervor, die durch die elektronische Aus­ wertungseinrichtung 8 ermittelt wird. Daraus folgt der Peilwinkel 9 zwischen der optischen Achse 10 und der Peilrichtung 11 zum Geschoßdurchtrittspunkt 6.

Im Falle einer bodenseitigen Zielfläche 12 werden die Koordinaten des Geschoßtrefferpunktes 13 in einem ziel­ festen Bezugssystem 14 gesucht. Wie aus Fig. 2 ersicht­ lich ist, überwachen zwei bodenfeste einzeilige Zeilen­ kameras 15 und 16 die Lichtfächer 17 und 18, deren Ebe­ nen zusammenfallen und parallel zur Zielebene nahe die­ ser verlaufen. Die Zeilenkameras 15 und 16 liefern die Peilwinkelangaben 19 und 20 des Lichtfächer-Durchtritts des bewegten Körpers, aus denen nach geometrischen Ge­ setzmäßigkeiten der Trefferpunkt 13 berechnet wird.

Für den Fall eines bewegten Zieles 21 mit dem Zielmit­ telpunkt 22 als Mittelpunkt der Zielfläche, hier ein am Seil 23 in der Flugrichtung 24 geschlepptes Flugziel, ist in Fig. 3 eine mehrzeilige, hier dreizeilige, d.h., mit drei Bildzeilensensoren ausgestattete Zeilenkamera 25 in fester geometrischer Beziehung zum Ziel 21 ange­ ordnet. Die mehreren, hier drei Lichtfächer 26, 27 und 28 liegen in zueinander geneigten, einander in spitzen Winkeln schneidenden Ebenen. Das pyramidenförmige Volu­ men, das von den äußeren Lichtfächern 26 und 28 aufge­ spannt wird, schließt das Ziel 21 sowie den gesamten zu vermessenden Zielbereich ein. Ein Körper 29, der sich auf der Flugbahn 30 bewegt, durchstößt die Lichtfächer 26, 27 und 28 an den Punkten 31, 32 und 33. Diesen Durchstoßereignissen entsprechen drei Peilwinkel und drei Ereigniszeitpunkte, aus denen nach physikalisch­ geometrischen Gesetzmäßigkeiten die Trefferlage relativ zur Zielmitte 22 bestimmt wird.

Claims (16)

1. Einrichtung zur selbsttätigen elektronischen Mes­ sung und Anzeige der Trefferlage von Geschossen, Wurf­ körpern, Flugkörpern u. dgl. in einer vorgegebenen ortsfesten und bewegten Zielfläche auf der Grundlage einer elektrooptischen Vermessung der Geschoßbewegung, gekennzeichnet durch mindestens zwei vorzugsweise außerhalb der Zielfläche (12) angeordnete elektrooptische Bildzeilensensoren mit vorgesetzter Ab­ bildungsoptik (15, 16, 25), die den Durchflug der Ge­ schosse, Flugkörper oder Wurfkörper (29) durch ihre Ab­ bildungsräume erfassen und als Signale an eine elektro­ nische Auswerteinrichtung (8) weitergeben.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Treffervermessung an einer bodenseitigen Zielfläche (12) mindestens zwei Bildzei­ lensensoren mit vorgesetzter Abbildungsoptik (15, 16) an auseinanderliegenden Orten außerhalb der Zielfläche angeordnet sind und sich die von den Bildzeilensensoren aufgespannten Lichtfächer (17, 18) in einer gemeinsamen, zur Zielebene parallelen Ebene befinden.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Treffervermessung an einer bewegten Zielfläche (21) mindestens zwei Bildzeilensen­ soren mit vorgesetzter Abbildungsoptik (25) in fester räumlicher Beziehung zur Zielfläche, jedoch vorzugswei­ se außerhalb des Beschußbereiches angeordnet sind, wobei die von den Bildzeilensensoren aufgespannten Lichtfächer (26, 27, 28) in Ebenen liegen, die einander in spitzen Winkeln schneiden.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß zielseitig eine dauernd oder zeitweilig wirksame Beleuchtungsvor­ richtung zur Beleuchtung der Geschosse, Flugkörper oder Wurfkörper angeordnet ist, die in einem an den Empfind­ lichkeitsbereich der Bildzeilensensoren angepaßten op­ tischen Spektralbereich emittiert.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Beleuchtungseinrichtung Lichtquellen und Abbildungsoptiken (15, 16, 25) derart angeordnet sind, daß die Beleuchtungsenergie selektiv in flache, fächerförmige Raumwinkelsegmente abgestrahlt wird, die näherungsweise mit den Lichtfächern (17, 18, 26, 27, 28) der Bildzeilensensoren übereinstimmen.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Umgebung des Ge­ schützrohres oder der Flugbahn der Geschosse, Flugkörper oder Wurfkörper ein oder mehrere elektrooptische oder elektroakustische Wandler angeordnet sind, deren Signale die Annäherung von Geschossen an die Meßeinrichtung er­ mitteln und mit elektronischen Mitteln eine kurzzeitige Einschaltung der Beleuchtungseinrichtung für die Zeit­ spanne des Geschoßdurchflugs durch den Zielbereich aus­ lösen.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Bildzei­ lensensoren mit vorgesetzter Abbildungsoptik (15, 16, 25) durch mechanische Blenden oder Wälle gegen Beschußwirkung geschützt sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mindestens zwei mit vorge­ setzter Abbildungsoptik versehenen Bildzeilensensoren zu einer mindestens zweizeiligen Zeilenkamera vereinigt sind, die mit dem Ziel mitbewegt wird.

9. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mindestens zwei mit vorge­ setzter Abbildungsoptik versehenen Bildzeilensensoren mindestens zwei einzeilige Zeilenkameras bilden, die mit dem Ziel mitbewegt werden.

10. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtfächer einen pyramiden­ förmigen Raumbereich begrenzen, der den Trefferbereich einschließt.

11. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der optische Spektralbereich, in dem die Beleuchtungsvorrichtung emittiert, derjenige des sichtbaren oder ultravioletten oder infraroten oder wei­ ßen oder farbigen Lichtes ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die selektiv in flache, fächer­ förmige Raumwinkelsegmente erfolgende Abstrahlung der Beleuchtungsenergie durch lineare Lichtquellen in Ver­ bindung mit achsensymmetrischen Abbildungsoptiken er­ reichbar ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die selektiv in flache, fächer­ förmige Raumwinkelsegmente erfolgende Abstrahlung der Beleuchtungsenergie durch eine Kombination von Punkt­ lichtquellen und Abbildungsoptiken mit Zylindercharak­ teristik erreichbar ist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abbil­ dungsoptiken Linsen-, Spiegel- oder Faseroptiken sind.

15. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Beleuchtungsvorrichtung Licht­ quellen aus Metallfadenlampen oder Gasentladungslampen, insbesondere Blitzlampen, aufweisen.

16. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Beleuchtungsvorrichtung eine Laser-Lichtquelle enthält.