DE3843042C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum fortlaufenden Orten und Lenken eines Flugkörpers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Ein Verfahren dieser Art behandelt die DE-PS 31 03 919. In der Praxis hat es sich aber gezeigt, daß für einen störsicheren Ablauf eines solchen Ver­ fahrens die Ausnutzung eines bordseitigen Retroreflektors und der Doppler- Frequenzverschiebung für das reflektierte Signal allein noch nicht aus­ reichen. Es ist nämlich erforderlich, den gesamten erlaubten Durchmesser der Flugbahn auszuleuchten, wobei auch das Empfänger-Sehfeld entsprechend groß ausgelegt sein muß. Hierzu benötigt man aber eine vergleichsweise hohe Sendeleistung, die dann der Gegenseite auch noch die Ortbarkeit mit Hilfe eines Wärmebildgerätes erleichtert, zumal die Laserquelle konti­ nuierlich im gesamten Projektionsfeld und während der gesamten Flugzeit strahlt. Das erwähnte große Empfänger-Sehfeld verlangt sodann ein hoch­ empfindliches Empfangssystem. Dies ist schwer zu realisieren, da große Detektoren erforderlich werden, die aber wieder eine unbefriedigende Empfindlichkeit mit einer wesentlich höheren Lokal-Oszillator-Strahlung auf­ weisen, wobei dann die auftretende Wärmebelastung des Detektor-Kühlsystems auch noch die Verwendung von Peltier-Kühlern erschwert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren gegenüber jeder Art von Störsignalen, die zu einer Fehllenkung des Flugkörpers führen, zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angeführten Merkmale gelöst. Bei der Verwendung mehrerer funktionell sinnvoll miteinander verknüpfter Gegenmaßnahmen lassen sich Störanfälligkeit und Laserstrahlleistung bei gleicher Reichweite reduzieren. Auch kommt man in der Regel mit nur einem Detektor im Größenbereich vom 100 µm Kantenlänge bzw. Durchmesser aus, sofern 10 µ Laserstrahlung Verwendung findet. Das momentane Sehfeld liegt dann bei ca. 0,8 mrad. Außerdem wird auf diese Weise der Einsatz handelsüblicher Peltierkühler möglich, mit denen sich diese kleinen Detek­ toren auf Temperaturen von -80°C kühlen lassen.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die in den einzelnen Figuren einander entsprechenden Teile dieselben Bezugszahlen aufweisen. Es zeigt
Fig. 1 ein Prinzipschaubild des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 2 das Blockschema mit einer Abschußvorrichtung mit Laser(beleuchter)sender und einem vorzugsweise kleinen einzelligen Detektor.
In Fig. 1 ist mit der Bezugszahl 1 ein mit einem sogenannten Goniometer 2 kombinierter Beleuchtungssender bezeichnet. Die Quelle des Beleuchtungs­ senders besteht aus einem Laser 1′ (Fig. 2). Das Verfahren eignet sich für Homo- und Heterodynempfang. In letzterem Fall wird ein weiterer Laser als Lokaloszillator bzw. eine durch z.B. akustooptische Mittelfrequenz verschobene Strahlung erforderlich. Als Beleuchtungssender kommen Dauer­ strichlaser (CW) oder gepulste Laser, z.B. CO2 Waveguidelaser, in Frage. Der Beleuchtungssender sendet Strahlung 3 mit einer Divergenz ϕ s in Rich­ tung Flugkörper 4 - z.B. ein Geschoß -, von dessen am Heck installiertem Retroreflektor 5 ein Teil dieser Strahlung mit dem Winkel ϕ retr in Rich­ tung Goniometer reflektiert und dort auf einen Detektor abgebildet wird. Der Detektor 12 besteht vorzugsweise aus nur einer kleinen aktiven Fläche von 100 µm Kantenlänge bzw. Durchmesser, wenn z.B. 10 µm Laserstrahlung verwendet wird. Für seine Kühlung wird der Peltierkühler 12′ verwendet. Das Sehfeld beträgt in diesem Fall ca. 0,8 mrad. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung können aber durchaus andere Kantenlängen, Durchmesser, Seh­ felder und Kühlmethoden vorsehen, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfin­ dung verlassen würde. Auch ein mehrzelliger Detektor ist denkbar.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für ein Homdyn­ empfangssystem näher dargestellt: Der Lasersender 1′ wird von der Energie­ versorgung 6, die z.B. eine Hochfrequenz-Versorgung sein kann, angeregt. Der Lasersender ist mit einem Abstimmelement 7 (z.B. Beugungsgitter) ausgerüstet, das den Laser auf eine der möglichen Linien (z.B. P 18, P 20, P 22) umschalten kann und die Längenabstimmung des Resonators automatisch optimiert - z.B. mit Hilfe eines Bolometers oder des optogalvanischen Effekts. Die Abstimmeinheit 7′′ (z.B. eine Bragg-Zelle) kann entweder im Senderstrahlengang oder die Abstimmeinheit 7′ im Lokaloszillator-Zweig eingefügt werden. Eine solche Abstimmeinheit dient zur störsicheren Fest­ legung einer Zwischenfrequenz, die von der Dopplerfrequenz verschieden sein kann. Bleibt der Laser 1′ auf einer Laserlinie mit ausreichender Ampli­ tude für die erforderliche Systemempfindlichkeit und wird auf die Linien­ umschaltung verzichtet, so kann auch auf die Stabilisierung 8 und das Abstimmelement 7 verzichtet werden.
Der Laserstrahl 3 gelangt auf die Polarisationsweiche 9, die z. B. als Brewsterplatte ausgeführt sein kann und die Sende- und Empfangsstrahlung trennt. Ein Teil der Sendeenergie wird über den ersten reflektiven Phase­ retarder 10 (=Phasenverzögerungsspiegel) auf den total reflektierenden Spiegel 11 gelenkt, um von hier über den gleichen Phaseretarder und durch die Brewsterplatte hindurch auf den Detektor 12 gespiegelt zu werden. In diesem Strahlengang kann ein Dämpfungsglied 11′ zwecks Einstellung der lokalen Oszillator-Leistung eingefügt werden. Diese Strahlung ist die Lokaloszillator-Strahlung bei Homodynempfang. Auf der Oberfläche des Detektors 12 wird diese Strahlung mit der vom Retroreflektor 5 zurück­ kommenden, durch den Dopplershift frequenzverschobenen und auf dem Detek­ tor 12 abgebildeten Strahlung gemischt.
Der restliche Teil der Sendeenergie durchdringt die Brewsterplatte 9, fällt auf den zweiten Phaseretarder 13, der die lineare Polarisation der Strahlung in zirkulare transformiert, und gelangt von hier über den Um­ lenkspiegel 14 und die Aufweiteoptik 15 auf das mit dem Scan-Positions- Sensor 31 verbundene Abtastelement 16. Die Laserstrahldivergenz wird mittels der Aufweiteoptik 15 entsprechend klein gehalten, so daß die Energiedichte im Fernfeld konzentriert wird. Mit dem Abtastelement 16 wird die Strahlung 3′′ auf den Flugkörper 4 bzw. dessen Retroreflek­ tor 5 abgestrahlt.
Vom Retroreflektor 5 wird nun ein Teil der Strahlung in Richtung des Beleuchtungssenders 1 (Fig. 1) zurückgestrahlt, wobei durch die Re­ flexion am Retroreflektor 5 der Umlaufsinn der zirkularen Polarisation der Laserstrahlung bezüglich der vom Sender austretenden Strahlung umge­ kehrt wird. Über die optischen Elemente 16, 15 und 14 gelangt die Strah­ lung auf den Phaseretarder 13 zurück, der die Strahlung in eine lineare Polarisation zurückwandelt, und zwar senkrecht zu der gesendeten Strah­ lung 3. An der Brewsterplatte 9 wird die Strahlung 3′ reflektiert und auf den Detektor 12 abgebildet.
Das von dem Detektor abgegebene Signal enthält u.a. eine Frequenzkompo­ nente, die charakteristisch ist für die durch die sich entfernende Flug­ körperbewegung hervorgerufene Frequenzverschiebung, bekannt als Doppler­ verschiebung, im Bereich von z.B. 38 MHz für eine Flugkörper-Geschwindig­ keit von ca. 200 m/s, wenn ein Laser mit der Wellenlänge 10,6 µm ver­ wendet wird. Die Signale werden über Vorverstärker 19 und abstimmbare oder mitlaufende Filter 20 mit z.B. 1 MHz Bandbreite der die Ablagewerte von der Visierachse ermittelnden Auswerteelektronik 21 zugeführt. Die Ab­ lagewerte können z.B. in kartesischen x/y-Werten oder in Polarkoordi­ naten ρ/ϕ -Werten gemessen werden. Das Filter 20 und das Abstimmelement 7′ (bzw. 7′′) werden mit dem ein Programm charakteristischer Flugdaten des zu steuernden Flugkörpers enthaltenden elektronischen Baustein 22 gesteuert, dem seinerseits die Flugkörperkenndaten und die Abschuß­ triggerung über die Einheiten 23 und 24 übergeben werden. Die Mittenfre­ quenz des Filters 20 wird entsprechend der Flugzeit eingestellt, die ge­ mäß der Schußtafel auch ein Maß für die Flugkörpergeschwindigkeit und damit für die Dopplerverschiebung der reflektierten Strahlung ist.
Zur Realisierung einer hohen Ortungsgenauigkeit, insbesondere in der Nähe der Visierachse, wird in der Auswerteelektronik 21 eine Häufigkeitsver­ teilung der Ablagesignale gebildet. Beim Überstreichen des Retroreflek­ tors 5 oder einer Retroreflektorgruppe wird der Amplitudenverlauf des Signals ausgewertet, um die zeitliche (bzw. örtliche) Lage seines Maximal­ wertes zu bestimmen. Bei Verwendung eines Radialscans steigt bei An­ näherung an die Visierlinie die Häufigkeit der auftretenden Signale so­ weit, bis jeder einzelne Scan (=eine Speiche des Radialscans) ein Sig­ nal liefert. Mit den auf diese Weise erzeugten Ablagesignalen wird die Häufigkeitsverteilung gebildet, deren Schwerpunkt die wahre örtliche Lage des Retroreflektors mit hoher Genauigkeit bestimmt.
Bei dem erfindungsgemäßen Ortungsverfahren ist es sodann denkbar, daß auch einmal ein kurzzeitiger Ortungsausfall eintritt. In einem solchen Fall besteht die Zwischenfrequenzverschiebung, z.B. Doppler-Frequenz­ verschiebung, programmgemäß weiter, so daß ein in Abhängigkeit vom Weg-Zeit-Diagramm des Flugkörpers 4 veränderbares Toleranzfeld generiert wird. Hierbei ist es möglich, eine sprunghafte Änderung der Ablagesignale x, y - bei ablaufgemäß richtiger Zwischenfrequenz - durch ein an sich bekanntes und daher zeichnerisch nicht gesondert dargestelltes elektro­ nisches Fenster auszublenden. Sein Durchlaßbereich läßt sich ebenfalls in Abhängigkeit vom Weg-Zeit-Diagramm des Flugkörpers 4 verändern.
Die Lenkung des Flugkörpers erfolgt in bekannter Weise über Lenkdrähte bzw. über Funksignale (sind in der Abbildung nicht dargestellt). Bei Ein­ bau eines geeigneten Empfängers im Flugkörper kann die Übermittlung der Steuersignale auch optisch erfolgen.
Bei anderen Ausführungsbeispielen ist auch denkbar, daß der optische Auf­ bau nach dem Laser unter Verwendung anderer optischer Bauelemente und einer anderen Anordnung derselben ausgeführt sein kann, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen würde. Insbesondere kann auf den ge­ meinsamen Sende- und Empfangskanal der Laserstrahlung verzichtet werden; unter Fortfall der Polarisationsweiche 9 können in einem solchen Fall auch getrennt optische Kanäle Verwendung finden. Auch können statt der Phaseretarder 10 und 13 λ/4-Platten verwendet werden.

Claims (17)

1. Verfahren zum fortlaufenden Orten und Lenken eines Flugkörpers, der von einer einen Positionssensor einschließlich Lasersender enthalten­ den Steueranlage gelenkt wird und am Ende eines von der Steueranlage ausgestrahlten und von einem bordseitigen Retroreflektor reflektierten Laserstrahls fliegt, wobei - für die Bestimmung der Ablage des Flug­ körpers von dem die Sollflugbahn enthaltenden Laserstrahl - die durch die Eigenbewegung des Flugkörpers erzeugte Doppler-Frequenzverschiebung mit einem Empfänger gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) die Ablagesignale des Flugkörpers (4) mit einer Ortungsanlage (1-3 und 6-24) durch Homodynempfang erzeugt werden,
  • b) ein Anteil (3′) der Strahlung (3) des Lasersenders (1′) über ein optisches Glied (9) abgelenkt und von einem Spiegel (11) auf einen wenigstens einzelligen Detektor (12) und ein anderer Anteil (3′′) über das optische Glied (9), einen polarisierte Strahlung trans­ formierenden Phaseretarder (13) und eine Aufweiteoptik (15) auf den Flugkörper (4) und von da in umgekehrter Richtung gleichfalls auf den Detektor (12) geführt wird,
  • c) die Strahlung (3′′) über ein mit einem Scan-Positions-Sensor (31) funktionell verbundenes Abtastelement (16) auf den Flugkörper (4) ausgestrahlt und nach Retroreflexion wenigstens teilweise auch wieder empfangen wird und
  • d) die Sendestrahlung in der Steueranlage mit Hilfe einer Programm­ steuerung (22) in ihrer Frequenz und/oder Amplitude moduliert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzverschiebung mittels eines mitlaufenden Filters (20) aus­ gewertet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzverschiebung mittels einer Frequenzabstimmung des Sende­ lasers eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer Braggzelle (7′) oder einer Längenänderung des Reso­ nators die Frequenz der ausgesandten Laserstrahlung (3′′) entsprechend der Charakteristik der Flugbewegung verschoben wird.
5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Vermeidung von Störungen von mindestens zwei in gegenseitigem Einflußbereich angeordneten Ortungs- und Lenk­ anlagen die Frequenzverschiebung bzw. die Laserlinie unterschiedlich eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei einem kurzzeitigen Ortungsausfall eine Zwischenfrequenzverschiebung, z.B. die Doppler-Frequenzverschiebung, programmgemäß weiterläuft und ein Toleranzfeld für mögliche Ablagen des Flugkörpers (4) generiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Toleranzfeld in Abhängigkeit des Ablaufs vom Weg-Zeit-Diagramm des Flugkörpers (4) verändert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine sprunghafte Änderung der Ablagesignale x, y bei ablaufgemäß richtiger Zwischenfrequenz durch ein elektronisches Fenster ausgeblen­ det wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaßbereich des elektronischen Fensters in Abhängigkeit des Ablaufs vom Weg-Zeit-Diagramm des Flugkörpers (4) verändert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer hohen Ortungsgenauigkeit eine Häufigkeitsver­ teilung (pro Bild) der Ablagesignale gebildet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung der Häufigkeitsverteilung der Amplitudenverlauf der Signale - zwecks Bestimmung seines der örtlichen und zeitlichen Lage entsprechenden Maximalwerts - ausgewertet wird.
12. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung (3) des Lasersenders (1′) auf eine Polarisationsweiche (9) auftrifft und
  • a) die Polarisationsweiche (9) einen Anteil (3′) der Strahlung über einen ersten Phaseretarder (10), einen total reflektierenden Spiegel (11) und über denselben Phaseretarder zurück auf einen wenigstens einzelligen Detektor (12) spiegelt,
  • b) die Polarisationsweiche (9) den restlichen Strahlungsanteil (3′′) in Richtung eines zweiten, die lineare in zirkular polarisierte Strahlung transformierenden Phaseretarders (13) passieren läßt, von wo aus er über eine Aufweiteoptik (15) und ein mit einem Scan- Positions-Sensor (31) verbundenes Abtastelement (16) auf den Flug­ körper (4) ausstrahlt und
  • c) der Retroreflektor (5) einen Strahlungsanteil reflektiert und dieser sich auf umgekehrtem Weg über das mit dem Scan-Positions-Sensor (31) verbundene Abtastelement (16), die Aufweiteoptik (15) und den zweiten, die zirkulare in linear polarisierte Strahlung trans­ formierenden Phaseretarder (13) und die Polarisationsweiche (9) auf dem Detektor (12) abbildet.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Phaseretarder (10, 13) durch λ/4-Platten ersetzt sind und zwischen den ersten Phaseretarder bzw. die erste λ/4-Platte (10) und dem Spiegel (11) ein Dämpfungsglied (11′) in den Strahlengang gekoppelt ist.
14. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Detektors (12) der Reihe nach mit (ansteuerbaren) Vorverstärkern (19), (ansteuerbaren) Filtern (20) und der Auswerte­ elektronik (21) für die Ablagewerte verbunden ist.
15. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Lasersender (1′) mit einer Energieversorgung (6) sowie eingangs- und/oder ausgangsseitig mit einem seine Amplitude und/ oder Frequenz stabilisierenden Abstimmelement (7) verbunden ist.
16. Anordnung nach Anspruch 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß Filter (20) und Abstimmelement (7 bzw. 7′ oder 7′′) über einen die charakteristischen Flugdaten des jeweils zu steuernden Flug­ körpers (4) enthaltenden elektronischen Programmbaustein (22) an­ steuerbar sind.
17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß Eingänge des Programmbausteins (22) mit die Flugkörperkenndaten und die Abschußtriggerung enthaltenden Baueinheiten (23; 24) verbunden sind.
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