DE3719136A1 - Vorrichtung zur optischen Fernlenkung eines Flugkörpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.

Bei einer derartigen Vorrichtung ist der Zeitpunkt des Duchganges des Strahles durch den Empfänger im Verlauf der Ablenkung oder Abtastung genauestens be­ kannt, da der entsprechende Taktgeber synchronisiert ist. Mithin ist die Verschiebung in Abhängigkeit von der Zeit und folglich die Lage des Flugkörpers in bezug auf die Führungs- oder Visierachse bekannt. Daher muß lediglich auf die Lenkvorrichtungen geeignet eingewirkt werden, um den Flugkörper auf dieser Achse zu halten.

Eine genaue Führung erfordert einen möglichst kleinen Licht- oder Infrarotfleck. Hierbei stößt man infolge der auf die Senderoptik zurückzuführenden Beugung rasch an Grenzen. Des weiteren erfolgt die vollständige Abtastung des Lenkbereiches oder Lenk­ feldes entsprechend der Zeit bis zur Erneuerung der Informationen an Bord des Flugkörpers umso rascher, je kleiner die Fleckabmessungen sind. Eine Grenze setzt hier die Trägheit der Ablenkvorrichtungen. Wenn die Ablenkung nur in einer Richtung, beispielsweise zeilenweise (Fernsehablenkung), erfolgt, führt dies zu einer schlechten Auflösung in der zur Ablenkrichtung rechtwinkeligen Richtung, uzw. wegen der relativen Größe des Fleckes.

Diese Art der Ablenkung wird bei einer aus der FR-PS 2 516 664 bekannten Vorrichtung benutzt. Bei dieser Vorrichtung geschieht die Ablenkung mit Hilfe eines akusto-optischen Ablenkers, wobei der Infrarot­ strahl durch einen Kristall hindurchgeschickt wird, der von hochfrequenten akustischen Wellen durchquert wird. Die Ablenkung beim Durchlaufen des durch diese Wellen erzeugten Gitters ist proportional zur Frequenz der Wellen. Zwar ist bei diesem Ablenkmittel das Problem der Trägheit behoben, jedoch ergeben sich andere, technologische Schwierigkeiten, die noch nicht gemeistert werden. Zur Verbesserung der Auflösung wird diegleiche Ablenkung aufeinanderfolgend in horizontaler und dann in vertikaler Richtung vorgenommen. Die Ablenkge­ schwindigkeit ist hierbei sehr hoch. Wenn z. B. 100 Zeilen notwendig sind, um den gesamten Lenkbereich in einer Richtung zu überdecken, muß die Genauigkeit des empfängerseitigen Taktgebers um den Faktor 100 höher sein als bei einem Ablenksystem, das den Lenk­ bereich oder das Lenkfeld mit einem Strahl über­ streicht, der die Form eines einzigen rechteckigen Stabes hat. Gegenwärtig ist es nicht möglich, Taktgeber mit einer solchen Genauigkeit herzustellen.

Es gibt weitere Ablenkarten, beispielsweise die radiale und die spiralige Ablenkung, jedoch sind die entsprechenden Ablenksysteme alle schwierig herzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, die es ermöglicht, bei einer gegebenen Folge der Infor­ mationserneuerung Strahlablenksysteme zu verwenden, die mit relativ niedrigen Frequenzen in der Größen­ ordnung von einigen 100 Hertz arbeiten.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der ein schematisch vereinfachtes Ausführungsbeispiel wiedergebenden Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein synoptisches Schema des einen Bestandteil der Vorrichtung bildenden Senders,

Fig. 2 eine Sequenz der Bilder, die der in Lissajous-Figuren abgelenkte Laserstrahl erzeugt,

Fig. 3 ein Zeitdiagramm der symmetrischen Sägezahnablenkung längs der zueinander rechtwinkeligen Achsen ox und oy der Fig. 2,

Fig. 4 ein Zeitdiagramm, das die Staffelung der an verschiedenen Punkten des Lenkfeldes empfangenen Signale veranschaulicht,

Fig. 5 ein Blockschaltbild des Empfängers und

Fig. 6 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Anderung der Sägezahlablenkung längs der in Fig. 2 angegebenen karthesischen Achsen ox′ und oy′.

Der in Fig. 1 dargestellte Lenksender umfaßt einen CW-Laser 1 (z. B. CO₂-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 µ), einen planen Umlenkspiegel 2, eine erste optische Umlenkvorrichtung 3 und eine zweite optische Umlenkvorrichtung 3′, die derart angeordnet sind, daß ihre jeweiligen Achsen 6 und 6′ aufeinander senkrecht stehen, sowie eine Pupillenübertragungsvorrichtung 4 , gebildet aus einer Anordnung von zwei oder mehr Linsen zwischen den beiden Ablenkvorrichtungen. Der von dem Laser 1 abgegebene Strahl durchquert nach dem Verlassen der zweiten Ablenkvorrichtung ein Zoom-Objektiv 7, das das Bild des Lasers in Höhe des Flugkörpers, also praktisch ins Unendliche, projiziert.

Dieses Zoom-Objektiv ermöglicht es, dem ausgeleuchteten Feld in jedem Moment die gewünschte Größe zu geben. Sofern die in Höhe des Flugkörpers gewünschte Breite konstant bleiben soll, muß die Brennweite proportional zu der von dem Flugkörper zurückgelegten Entfernung geändert werden.

Das in Höhe des Flugkörpers projizierte Bild ist ein kreisförmiger Fleck, dessen auf mittlere Leistung bezogener Durchmesser durch die Beugungs- und Brechungs­ gesetze bestimmt wird. Die maximale Energiekonzentration wird erhalten, wenn die Sendeoptik den unter Berücksich­ tigung des Platzbedarfes des Strahlsenders und der notwendigen Korrektur der optischen Aberrationen maximalen Durchmesser hat.

Diese Bild führt eine translatorische Bewegung mit konstanter Lineargeschwindigkeit aus, wenn jede optische Ablenkvorrichtung eine symmetrische Sägezahnablenkung liefert.

Die Frequenz der Ablenkung ist derart gewählt, daß die Zeit für die vollständige Abtastung des Lenk-"Tunnels" gleich der empfängerseitig gewünschten Wiederholperiode der Ablagemeßwerte ist und der Abstand zwischen den Zeilen der Ablenkung gleich dem Durchmesser des Laser­ flecks ist.

Hieraus ergibt sich, daß die Ablenkgeschwindigkeit proportional zur Auflösung der Sendeoptik sein muß, was jedoch zu Problemen bezüglich der Ablenkvorrichtungen führen kann. In der Praxis wird der bestmögliche Kompromiß zwischen der Energiekonzentration und der möglichen Ablenkgeschwindigkeit gewählt.

Die Ablenkperioden müssen durch folgende Beziehungen miteinander verknüpft sein:

(N+1)Tx = NTy = T.

Hierin bedeutet T die Wiederholperiode der Ablegemeßwerte.

In Fig. 2 ist eine Folge der Bilder der Lissajous- Ablenkung entsprechend einer Ablenkperiode dargestellt, d. h. der Zeit, während derer der gesamte Lenkbereich oder das gesamte Lenkfeld abgetastet wird. Das projizierte Bild S des Laserfleckes, dessen drei aufeinanderfolgende Stellungen in der Figur angegeben sind, ist bezogen auf ein rechtwinkliges Koordinatensystem oxy. Eine Trans­ lation, gefolgt von einer Drehung dieses Koordinaten­ systems um 135° entsprechend dem neuen Ursprung o′x′y′, verdeutlicht die Symmetrie der Bilder in bezug auf diese neuen Achsen.

Fig. 3 zeigt die zeitabhängige Anderung des Ablenk­ signals in Form symmetrischer Sägezähne entsprechend den Achsen ox und oy.

Die Fig. 4a bzw. 4b verdeutlichen die zeitliche Stellung O′ der beispielsweise in den Punkten O′ (in der Mitte des Lenkbereiches) bzw. A (auf der zu der Achse ox Senkrechten durch O′) empfangenen Signale. Die vorstehend genannten Punkte beziehen sich auf Fig. 2.

Den Darstellungen gemäß den Figüren 2, 3 und 4 könnte folgender typischer Anwendungsfall zugrundeliegen:

• - CO₂-Laser mit 10,6 µ;
• - Durchmesser der Sendeoptik: 100 mm;
• - Fleckdurchmesser bei 4000 m: 50 cm;
• - Breite des Lenkbereiches: 3,5 m;
• - Wiederholperiode: T = 20 ms;
• - Ablenkfrequenz in X-Richtung: Fx = 550 Hz;
• - Ablenkfrequenz in Y-Richtung: Fy = 500 Hz.

Jeder der optischen Ablenkvorrichtungen der Fig. 1 besteht vorteilhaft aus einem schwingenden Spiegel, der von einem Galvanometer angetrieben wird, die für geringe Geschwindigkeiten preiswerteste Lösung. Die Ablenkvorrichtung 3 umfaßt das Galvanometer 8, dessen Achse 6 den Planspiegel 9 trägt. Die Ablenkvorrichtung 3′ umfaßt das Galvanometer 10, dessen Achse 6′ den Plan­ spiegel 11 trägt.

Der von der Laserquelle 1 ausgehende Strahl wird durch den planen Umlenkspiegel 2 umgelenkt und fällt auf den um die Achse 6 des Galvanometers 8 schwingenden Plan­ spiegel 9. Nach Reflexion an diesem Planspiegel 9 durchläuft der Strahl die Pupillenübertragung 4 und wird an dem Planspiegel 11 reflektiert, der um die Achse 6′ des Galvanometers 10 schwingt. Die Schwing­ spiegel 9 und 11 sind derart angeordnet, daß die Achse des auf den Spiegel 9 auftreffenden, einfallenden Strahles rechtwinklig zu der Schwingachse 6 ist und daß die Achse des an dem Spiegel 11 reflektierten Strahles rechtwinklig zu der Schwingachse 6′ ist. Der plane Um­ lenkspiegel 2 dient dazu, den aus dem Zoom-Objektiv aus­ tretenden Strahl achsparallel zu dem von dem Laser abgegebenen Führungsstrahl zu machen.

Bei derartigen Ablenkvorrichtungen mit Schwingspiegeln ist es unmöglich, genau sägezahnförmige Schwingungen zu erzielen. In der Praxis kann man sich mit einer Annäherung an den Sägezaho entsprechend der folgenden Funktion begnügen:

sinX - 0,06 sin 3X.

Diese Funktion besitzt über 90% der Periodendauer eine ausgezeichnete Linearität. Man braucht daher nur die Ränder des Lenkbereiches oder Lenkfeldes durch Unter­ drückung der Laseremission zu opfern und erhält dann einen ebenso einfachen Zusammenhang wie zuvor zwischen der Zeit und den Koordinaten.

Die Unterdrückung der Laseremission ist bei mittlerer Geschwindigkeit einfach zu bewerkstelligen, jedoch ist das erneute Zünden des Lasers nicht ganz so einfach. Man begnügt sich deshalb mit einer Verminderung der Lasersendeleistung während das Bild des Flecks die Ränder des Lenkfeldes abtastet, statt den Laser vollständig abzuschalten.

Der in Fig. 5 schematisch dargestellte Empfänger an Bord des Flugkörpers umfaßt:

• - ein auf die Laserwellenlänge abgestimmtes optisches Filter 12;
• - eine optische Bündelungsvorrichtung 13 zur Erhöhung der Empfangsenergie;
• - einen an die Arbeitswellenlänge (10,6 µ bei einem CO₂-Laser) angepaßten Detektor 14;
• - eine Kühlvorrichtung 15, die mit Stickstoff oder Argon arbeitet und eine Temperatur von weniger als 100° K zu erreichen gestattet;
• - einen Vorverstärker 16, gefolgt von einem logarithmischen Verstärker 17, der wegen der enormen Signaldynamik erforderlich ist und die genaue Festlegung einer Ver­ gleichsschwelle gestattet;
• - einen Vergleicher 18 und einen Schwellwertgeber 19.

Der nachfolgende Digitalteil dient der Echtzeitver­ arbeitung der am Ausgang des Vergleichers erscheinenden Impulsempfangszeiten. Er umfaßt einen Zeitzähler 20, der von einem Querzoszillator 21 geführt wird und einen Digitalprozessor 22, dessen Augang die Ablagewerte x und y liefert.

Dieser Prozessor enthält einen Speicher für die von dem Fleck in Abhängigkeit von der Zeit beschriebene Bewegung. Jeder Durchgang des Laserstrahls durch den Detektor ermöglicht die Bestimmung eines Koordinaten­ paares durch einfaches Auslesen dieses Speichers. Dies setzt voraus, daß der Zeitmaßstab oder Zeittakt an Bord des Empfängers der gleiche wie derjenige des Senders ist. Vor dem Abfeuern müssen die Taktgeber daher synchronisiert werden und der Synchronismus muß während des gesamten Fluges aufrechterhalten werden.

Im Fall der Fig. 2 entspricht eine Genauigkeit von 1% des Lenkbereiches einem Zeitfehler von T/2000. Ein Flug von 10 Sekunden Dauer mit T = 20 ms erfordert daher eine relative Genauigkeit von 10^-6.

Diese Genauigkeit läßt sich nur dann leicht erzielen, wenn in dem Empfänger während des Fluges des Flugkörpers eine erneute Synchronisation stattfindet. Dies ist möglich, weil die Ablenkung symmetrisch ist, siehe die Fig. 4. Die Signale werden stets paarweise empfangen, wobei die Mitte zeitlich festgelegt ist.

Die Dekodierung der Ablagemeßwerte kann gegebenenfalls dadurch vereinfacht werden, daß berücksichtigt wird, daß die Ablenkung längs der in Fig. 2 dargestellten, karthesischen Achsen o′x′ und o′y′ erfolgt. Hierzu müssen die Ablenkamplituden proportional zu ihrer Periodendauer sein, so daß die Lineargeschwindigkeiten längs der beiden Achsen diegleichen sind.

Man kann dann davon ausgehen, daß die Abtastung zu gewissen Zeitpunkten der Periodendauer die Information x′ und zu anderen Zeitpunkten die Information y′ liefert. Fig. 6 erläutert diese Bemerkung.

Der Umstand, daß man je Periode vier Informationen erhält, ermöglicht es außerdem, das Ablagemeßrauschen in jeder Achse durch √ zu dividieren. Dieses Rauschen kann auf Instabilitäten des Lasers oder atmosphärische Störungen zurückzuführen sein.

Die Vorrichtung nach der Erfindung besitzt u. a. die folgenden Vorteile:

• - Verwendung eines einzigen Lasers, der nicht moduliert zu sein braucht;
• - sehr einfacher Senderaufbau;
• - ausgezeichnete Energiekonzentration (begrenzt durch die Beugung bzw. Brechung);
• - praktisch konstante Auflösung im Führungsfeld;
• - vergleichsweise einfache Signalverarbeitung auf der Empfangsseite;
• - Möglichkeit zur Resynchronisierung des Empfängers mit dem Sender.

Die Synchronisation der Taktgeber kann kurz vor dem Start oder Abschuß des Flugkörpers erfolgen. Sie kann mit einer hinreichenden Genauigkeit während der gesamten Flugdauer aufrechterhalten werden, uzw. zufolge der Redundanz und der Symmetrie der Abtastung, so daß nicht auf hochstabile Quarzoszillatoren zurückgegriffen werden muß.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur optischen Fernlenkung eines Flugkörpers in ein Ziel mittels eines Strahlsenders, der einen gegebenenfalls modulierbaren Laser umfaßt, dessen auf den an Bord des Flugkörpers befindlichen Empfänger projiziertes Bild ein kreisförmiger Fleck ist, der den Lenkbereich mittels optischer Ablenk­ vorrichtungen abtastet, wobei der Sender und der Empfänger vor dem Start des Flugkörpers synchroni­ sierte Taktgeber enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender zwei optische Ablenkvorrichtungen (3, 3′) umfaßt, die den Strahl längs zweier zueinander rechtwinkeliger Richtungen derart ablenken, daß das Bild des Lasers (1) eine translatorische Bewegung konstanter Geschwindigkeit in solcher Weise ausführt, daß es den Lenkbereich in Lissajous-Figuren abtastet und daß jede der Ablenkvorrichtungen (3, 3′) eine symmetrische Sägezahnablenkung liefert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, deren Sender zusätzlich eine Pupillenübertragungsvorrichtung (4) zwischen der ersten und der zweiten Ablenkvorrichtung (3 bzw. 3′) und im Anschluß an die letztere eine Linse umfaßt, die den Strahl in den Brennpunkt eines Objektivs (7) mit variabler Brennweite bündelt, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ablenkvorrichtungen jeweils aus einem ersten und einem zweiten Spiegel (9 bzw. 11) bestehen, die mit Frequenzen schwingen, deren Verhältnis gleich N/N+1 ist, worin N eine ganze Zahl ist, die proportional zu dem Quotienten aus der Breite des Lenkfeldes und dem Durchmesser des Bildfleckes ist, und daß der erste und der zweite Spiegel (9 bzw. 11) jeweils durch ein erstes und ein zweites Galvano­ meter (8, 10) antreibbar sind, deren Achsen recht­ winklig zueinander und für den ersten Spiegel (9) rechtwinklig zu dem Einf.allsstrahl, für den zweiten Spiegel (11) rechtwinklig zu dem reflektierten Strahl sind, welcher mittels einer beliebigen Umlenkvorrich­ tung in die Richtung des Lenkstrahles umgelenkt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger ein auf die Wellenlänge des Lasers abgestimmtes optisches Filter (12) umfaßt, gefolgt von einer Bündelungsvorrichtung (13), einem durch eine Kühlvorrichtung (15) gekühlten Detektor (14) und einem logarithmischen Verstärker (16), der mit dem einen Eingang eines Vergleichers (18) verbunden ist, dessen anderer Eingang einen Schwellenwert erhält und dessen Ausgang mit einem Zähler (20) verbunden ist, dessen Zeitbasis ein Quarzoszillator (21) liefert und der beim Start des Flugkörpers auf die Ablenkvorrichtungen (3 bzw. 3′) des Senders synchronisiert wird, und daß ein digitaler Prozessor (22) mit dem Zähler (20) verbunden ist, den Schwellwert liefert und die Daten dekodiert, um die Koordinaten des Flugkörpers zu erhalten.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (1) ein CO₂-Laser mit einer emittierten Wellenlänge von 10,6 µ oder ein anderer, einen Strahl mit Kreisquerschnitt lie­ fernder Laser ist.