DE3843601C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum selbsttätigen Bestimmen der Trefferkoordinaten von über­ schallschnellen Geschossen an einem fliegenden Zielkörper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Einrichtung ist bereits aus der DE-OS 21 32 173 bekannt. Bei dieser Einrichtung werden die Trefferkoordinaten mit optoelektrischen Einrichtungen ermittelt. Zur Ermittlung des Zeitpunkts der Geschoßpassage im Ziel­ körper ist ein Entfernungsmeßgerät vorhanden, das die Entfernung des Geschosses von dem Waffenrohr feststellt und an eine Auswertungsvorrichtung liefert.

Aus der DE-OS 36 07 312 ist beispielsweise eine Einrichtung bekannt, bei der die Trefferkoordinaten über akustische Sensoren unterschiedlicher Anordnung ermittelt wer­ den.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrich­ tung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die Trefferkoordinaten einfacher, schneller und genauer lie­ fert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Einrichtung der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Einrichtung weist demnach optoelektrische und akustische Elemente auf.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum Bestimmen der Trefferkoordinaten von Geschos­ sen an einem fliegenden Zielkörper; und

Fig. 2 eine die Auswertung einer Übereinander-Projektion einer Folge von Video-Einzelbildern erläuternde Darstellung.

Eine in Fig. 1 gezeigte Einrichtung zum Bestimmnen der Trefferkoordinaten eines Geschosses 1 an einem Zielkörper 2 weist eine Zielverfolgungskamera 10, z. B. Videokamera auf, die in der Lage ist, die fliegenden Geschosse aufzunehmen. Bei Verwendung einer Videokamera für das sichtbare Licht­ spektrum setzt dies die Verwendung von Leuchtspurge­ schossen voraus. Bei Verwendung einer im Infrarot- Spektralbereich empfindlichen Videokamera heben sich die Geschosse durch ihre höhere Temperatur vom Him­ melshintergrund bzw. dem Zielkörper ab.

Im Bildfeld der Zielverfolgungskamera 10 befindet sich stets der Zielkörper 2, dessen geometrische Mitte den Ursprung eines "Zielscheiben-Koordinatensystems" bildet, in dem die Trefferkoordinaten X und Y gesucht werden. Ein Ge­ schoß 1, das am Ziel vorbeifliegt oder dieses trifft, bewegt sich dabei zwangsläufig durch das Bildfeld der Videokamera. In der Folge der mit der Bildwechselfre­ quenz aufgenommenen Bilder dieser Kamera erscheint die Bahnspur des Geschosses 1 in jedem Einzelbild als nähe­ rungsweise gerade Spur des Bahnabschnittes zwischen Be­ ginn und Ende der vorliegenden Einzelbildperiode. Die geometrische Abfolge der Bahnspurstücke über die gesam­ te Bildfolge entspricht der Bahnspur des Geschosses in der Zielumgebung. Die zeitliche Abfolge der Bahnspur­ stücke entspricht dem Zeittakt der Video-Bildwechsel. Somit ist für die Folge der Einzelbilder der Kamera ei­ ne eindeutige Zuordnung zwischen Zeit und Ort des Ge­ schosses 1 gegeben.

Der an einem Seil 3 durch die Luft geschleppte Zielkör­ per 2 bewegt sich in Flugrichtung 4. Ein Waffensystem 5 besteht aus einem Waffenrohr 6, das das Geschoß auf die Geschoßbahn 7 abfeuert, und dem Zielfolgesystem 8, des­ sen Peilachse 9 stets auf das Ziel ausgerichtet ist und im vorliegenden Fall die Antenne eines Zielfolgeradars ist. Die Peilachse 9 verläuft aufgrund des wegen der Zielbewegung erforderlichen Vorhaltes nicht parallel zur Geschoßbahn 7 bzw. Schußrichtung des Waffenrohres 6. Die Zielverfolgungskamera 10 ist mit dem Zielfolgesystem 8 fest verbunden, so daß ihre optische Achse parallel zur Peil­ achse 9 liegt. Ferner ist ein Mündungsmikrophon 11 als elektroakustischer Wandler vorhanden, das den Mündungs­ knall beim Abschuß des Geschosses 1 erfaßt.

Am Zielkörper 2 ist ebenfalls ein elektroakustischer Wandler 12 in Form des Zielmikrophons angeordnet, das den Durchgang der kegelförmigen akustischen Stoßwelle 13 des Geschosses 1 als Stoßwellensignal 19 erfaßt. Das Signal des elektroakustischen Wandlers 12 wird über eine Funkstrecke 14 einem Empfänger 15 zugeleitet, der dieses Signal an eine Tref­ ferkoordinaten-Auswertungsvorrichtung 16 abgibt, die auch die Signale der Zielverfolgungskamera 10 und des Mündungsmikrophons 11 erhält.

Aufgrund der elektronischen Auswertung nach bekannten physikalisch-mathematischen Zusammenhängen ermittelt die Auswertungsvorrichtung 16 die Trefferkoordinaten X, Y des Tref­ ferpunktes 17 des Geschosses 1 in der "Zielscheiben"-Ebe­ ne, die durch das Ziel und senkrecht zur Geschoßbahn bzw. Schußrichtung verläuft.

Unter Bezug auf Fig. 2 wird im folgenden erläutert, wie mit Hilfe der elektronischen Auswertung einer Folge von Video-Einzelbildern, die die Passage eines Geschosses am Ziel darstellen, festgestellt wird, an welchen Punkt­ koordinaten und zu welchem Zeitpunkt das einzelne Geschoß durch die "Zielscheiben"-Ebene, also die senkrecht zur Kamera-Sichtlinie durch den Zielkörper 2 verlaufende Ebe­ ne, hindurchgetreten ist.

Das Ausgangssignal des Zielmikrophons 12 markiert den Zeitpunkt, zu dem die sich um die Geschoßbahn 7 aus­ breitende akustische Stoßwelle 13 des überschallschnel­ len Geschosses das Zielmikrophon durchquert. Die Aus­ breitung der akustischen Stoßwelle des Geschosses er­ folgt nach bekannten physikalischen Gesetzmäßigkeiten. Insbesondere erfolgt die Ausbreitung der Stoßfront auf einer zur Geschoßbahn 7 symmetrischen Kegelfläche, dem sogenannten Machkegel, dessen Öffnungswinkel eine Funktion nur der Machzahl des Geschosses, d.h. des Quo­ tienten aus Geschoßgeschwindigkeit und Schallgeschwin­ digkeit ist. Dieser Machkegel schneidet die "Zielschei­ ben"-Ebene unter dem vorgegebenen Ergänzungswinkel zu 90° des Winkels zwischen der Zielbahnrichtung oder Flug­ richtung 4 und der Richtung der Geschoßbahn 7 und damit der Kontur eines Kegelschnittes, d.h. bei senkrechtem Einfall in Kreiskontur und bei schrägem Einfall in ellip­ tischer, parabolischer oder hyperbolischer Kontur.

Aus der Kenntnis der Ankunftszeit der Stoßwelle 13 am Zielmikrophon 12, der beschriebenen Ausbreitungsge­ setzmäßigkeit der Stoßwelle und der über die Bild­ folge bekannten zeitlichen Folge der Geschoßorte läßt sich rückrechnen, zu welchem Zeitpunkt und damit in wel­ chem Einzelbild das Geschoß die Zielscheiben-Ebene durch­ quert hat. Dieses Einzelbild aus der von der Zielverfolgungskamera 10 aufgenommenen Bildfolge bezeichnet durch das in diesem Bild abgebildete Bahnspurstück ein Intervall für den Ort des Geschosses beim Durchtritt durch die "Zielscheiben"- Ebene. Der genaue Trefferort des Geschosses 1 innerhalb dieses Intervalls berechnet sich unter Berücksichtigung der relativen zeitlichen Lage des Stoßwellensignales des Zielmikrophons 12 innerhalb der betreffenden Einzelbild­ periode. Die gesuchten Koordinaten des Geschoßortes fol­ gen somit aus der elektronischen Bildauswertung, der geo­ metrischen Rückrechnung in der beschriebenen Weise sowie einer proportionalen Normierung des Winkelmaßes auf ein absolutes Längenmaß gemäß der vorgegebenen Entfernung zwischen Waffe und Ziel.

Eine einfache und kostengünstige Art der Nachführung der Zielverfolgungskamera 10 durch das Ziel läßt sich dabei dadurch erreichen, daß das Zielfolgesystem 8, das in Fig. 1 durch die Antenne des Zielfolgeradars dargestellt ist, immer auf das Ziel ausgerichtet bleibt.

Überträgt man die obigen allgemeineren Betrachtungen zur Feststellung der Trefferkoordinaten und des Zeitpunktes, an welchem des einzelne Geschoß durch die Zielscheiben­ ebene hindurchtritt, auf die schematische Darstellung von Fig. 2, die die Auswertung einer Übereinander-Projek­ tion einer Folge von Video-Einzelbildern, die die Passage eines Geschosses 1 am Ziel darstellen, erläutert, so ist folgendes festzustellen. In der Bildmitte befindet sich der Zielkörper 2. Das Geschoß beschreibt während jedes Einzelbildes eine kurze, gerade, im Bild sichtbare Bahn­ spur, an die sich ein kürzeres, nicht sichtbares Stück anschließt, und zwar entsprechend der Austastlücke der Fernsehnorm. Das Abbild der gesamten Bahnspur 18, die der Geschoßbahn 7 entspricht, ist die Kette der zeitlich nach­ einanderfolgenden Bahnspurstücke S_i in den Einzelbildern B_i, also der Bahnspurstücke S₁, S₂, ... S₁₀ in den Ein­ zelbildern B₁, B₂, ... B₁₀. Die derart abgebildete Bahn­ spur folgt nach geometrischen Gesetzmäßigkeiten aus der Zielbewegung und der ballistischen Fallbewegung des Ge­ schosses 1.

Das Zielmikrophon 12 liefert beim Durchgang der Stoßwelle 13 des Geschosses das Stoßwellensignal 19, dar­ gestellt in Fig. 2 als Oszillogramm des gemessenen Druckes über der Zeit. Der Beginn dieses Stoßwellensignals fällt in das zeitliche Intervall eines bestimmten Video-Einzel­ bildes, in diesem Beispiel also in den Zeitraum des Bil­ des B₉, das dem Bahnspurstück S₉ entspricht. Der Zeitraum dieses Einzelbildes umfaßt in der Regel nicht den Zeit­ punkt, zu dem das Geschoß die "Zielscheiben"-Ebene im ge­ suchten Trefferpunkt 17 mit den Trefferkoordinaten X, Y durch­ stoßen hat.

Dieser Zeitpunkt und damit der zugehörige Trefferpunkt läßt sich aber näherungsweise rückrechnen, da das Ausbrei­ tungsgesetz der Stoßwelle 13 in der "Zielscheiben"- Ebene vom Trefferpunkt 17 zum Zielmikrophon 12 bekannt ist. Rechnet man vom Zeitpunkt des Beginns des Stoßwellensignals 19 am Zielmikrophon 12 um eine gegebene Zeitdifferenz zurück, so befindet sich das auf das Zielmikrophon 12 zulaufende Element der Stoßwelle 13 in der "Zielscheiben"-Ebe­ ne in einem zunächst unbekannten Punkt auf einer kegel­ schnittförmigen, im vorliegenden Fall in typischer Weise elliptisch ausgebildeten Kontur, deren Gesetzmäßigkeit oben beschrieben wurde. Die beschriebenen Merkmale des Kegel­ schnittes hängen gemäß elementaren geometrischen Beziehun­ gen von der Geschoß-Machzahl und dem Winkel zwischen Ge­ schoßbahn und Zielbahn ab.

In der gleichen Weise läßt sich die Bewegung des Geschosses in der Video-Bildfolge zeitlich zurückverfolgen. Die in Fig. 2 dargestellte "rückgerechnete" Ellipse 20 trifft den auf der geraden Bahnspur 18 rückgerechneten Geschoßort zu einem gemeinsamen Zeitpunkt im gesuchten Trefferpunkt 17 mit den Trefferkoordinaten X und Y, im vorliegenden Beispiel also innerhalb des zum Einzelbild B₇ gehörenden Bahnspurstückes S₇.

Claims (6)

1. Einrichtung zum selbsttätigen Bestimmen der Tref­ ferkoordinaten von aus einem Waffenrohr (6) abgefeuer­ ten überschallschnellen Geschosses (1) in einer vorge­ gebenen Trefferebene an einem fliegenden Zielkörper (2), bei welcher eine Zielverfolgungskamera (10) mittels eines Zielfolgesystems (8) dem Zielkörper (2) so nach­ geführt wird, daß dieser etwa in der Mitte des Bild­ feldes bleibt, und die von der Zielverfolgungskamera (10) abgegebenen Signale einer Auswertungsvorrichtung (16) zugeleitet werden, die die Trefferkoordinaten (X, Y) des Trefferpunktes (17) des Geschosses (1) in der Trefferebene ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß ein am Zielkörper (2) angeordneter elektroakustischer Wandler (12) den Durch­ gang der akustischen Stoßwelle (13) des Geschosses (1) als Stoßwellensignal (19) erfaßt und dieses der Auswer­ tungsvorrichtung (16) zuleitet, die aus der Kenntnis der Ankunftszeit der Stoßwelle (13) am elektroakustischen Wandler (12), der Ausbreitungsgesetzmäßigkeit der Stoßwelle (13) und der mit der Zielverfolgungskamera (10) erfaßten zeitlichen Folge der Geschoßorte die Tref­ ferkoordinaten (X, Y) ermittelt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zielverfolgungs­ kamera (10) eine Videokamera oder eine Wärmebildkamera ist, die in der Nähe eines Waffenrohres (6) angebracht ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse der Zielverfolgungskamera (10) parallel zur Peilachse (9) des Zielfolgesystems (8) ausgerichtet ist.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zielverfolgungskamera (10) an nachgeführten Systemtei­ len des Zielfolgesystems (8), z. B. der Antenne des Zielfolgeradars, fest angebracht ist.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des elektroakustischen Wandlers (12) über eine Funkstrecke (14) einem Empfänger (15) zuleitbar ist, der dieses Signal an die Auswertungsvorrichtung (16) weiterleitet, und daß der elektroakustische Wandler (12) beim Durchgang der akustischen Stoßwelle (13) des Geschosses (1) ein Stoßwellensignal (19) liefert, das in das zeitliche Intervall eines bestimmten Kamera- Einzelbildes fällt.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter elektroakustischer Wandler in Form eines im Bereich der Mündung des Waffenrohres (6) angeordneten Mündungsmikrophons (11) vorgesehen und mit der Auswer­ tungsvorrichtung (16) verbunden ist.