DE4007712A1

DE4007712A1 - Geschoss mit einem bugseitig angeordneten ir-suchsystem

Info

Publication number: DE4007712A1
Application number: DE4007712A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Phys Dr Neff; Juergen Dipl Phys Heinrich; Gerhard Dipl Ing Dr Glotz
Original assignee: Tzn Forschung & Entwicklung
Current assignee: Tzn Forschung & Entwicklung
Priority date: 1990-03-10
Filing date: 1990-03-10
Publication date: 1991-09-12
Also published as: IL97230A0; EP0446413A1; US5088659A

Description

Die Erfindung betrifft ein Geschoß, wie es durch die Merk male des Gattungsbegriffes des Anspruchs 1 näher spezifi ziert ist.

Die erfolgreiche Bekämpfung taktischer und ballistischer Flugkörper mit Rohrwaffen erfordert den Einsatz von sensor unterstützter Munition mit vergleichsweise hoher Zielauf fassungsreichweite und Treffgenauigkeit. Die Sensorik zur Zielbestimmung kann dabei auf aktiven und passiven Syste men beruhen. Aktive Systeme bieten dabei die Möglichkeit zur autonomen Bestimmung der Zielentfernung, erlauben damit eine modifizierte proportionale Navigation mit dem Mehrzahl der bisher realisierten Systeme für Lenkwaffen sind kreiselstabilisierte Systeme mit hoher mechanischer Komplexität erforderlich. Diese Systeme können den beim Abschuß auftretenden Belastungen häufig nicht ausgesetzt werden.

So ist beispielsweise aus der DE-AS 29 23 547 eine Ziel suchvorrichtung für Flugkörper bekannt, die einen passiven Sensor enthält. Diese besteht im wesentlichen aus einem Kreiselrotor, der in einem Gehäuse gelagert ist, wobei ge häusefest in dem zentralen Schwenkarm ein Detektor angeord net ist. Auf dem Kreiselrotor befindet sich ein optisches System, welches ein im Unendlichen liegendes Sucherge sichtsfeld als Gesichtsfeldbild in der Ebene des Detektors abbildet. Als Mittel zur Erzeugung der Relativbewegung zwischen Gesichtsfeldbild und Detektor ist ein Drehmomen tenerzeuger vorgesehen, der auf den Kreiselrotor wirkt und von einem Abtastsignalgenerator entsprechende Abtastsigna le erhält. Bei geeigneter Wahl der Abtastsignale ist es möglich, eine rosettenförmige Abtastung des Zielgebietes zu erreichen. Dieses hat insbesondere den Vorteil, daß ein in der Umgebung des Mittelpunktes erfaßtes Ziel von allen Schleifen der Rosette mehr oder weniger überstrichen wird. Es läßt sich aus den erhaltenen Detektorsignalen dann mit verhältnismäßig geringem Aufwand die Ablage des Zieles in bezug auf den Mittelpunkt ermitteln und die Zielsuchvor richtung entsprechend nachführen.

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung einer passiven Zielsuchvorrichtung mit Rosettenabtastung wird in der DE-PS 36 23 343 weiterentwickelt. Auch in diesem Fall ist ein kreiselstabilisiertes System mit hoher mechanischer Komplexität erforderlich.

In der US-PS 30 35 818 ist eine Rakete offenbart, die so wohl eine optische Zielsuchvorrichtung als auch einen opti schen Annäherungszünder enthält. Dabei dient die Empfangs vorrichtung der passiven Zielsuchvorrichtung gleichzeitig als Empfänger des aktiven Annäherungszünders. Ein aktives Verfahren für die Zielsuchvorrichtung wird in dieser Schrift nicht offenbart.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Geschoß mit einem IR-Zielsuchsystem der eingangs erwähnten Art derart weiterzuentwickeln, daß einerseits auf mechanische Kompo nenten verzichtet wird und andererseits eine rosettenförmi ge Abtastung des Zielgebietes möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 gelöst.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung erge ben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung basiert also auf einem aktiven laserunter stützten Sensorsystem zur Zielerkennung und Lenkung. Mit tels eines im Suchkopf des rotierenden Geschosses ange brachten akusto-optischenen Sensorsystems wird der Ziel bereich abgetastet. Die Geschoßlage relativ zum Ziel bzw. der Sichtlinienwinkel kann dann aus den Abtastparametern der akusto-optischenen Einrichtung durch Empfang und Aus wertung des vom Ziel zurückgestreuten Laserlichtes ermit telt werden. Zur Geschoßlenkung werden mindestens zwei Steuerdüsen verwendet, die in einer festen vorgegebenen Ebene relaltiv zur Scanebene des Lasers angebracht sind.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles und mit Hilfe von Figuren näher erläutert: Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Geschosses;

Fig. 2 den Aufbau eines Lasersende- und Scanmoduls;

Fig. 3 die Anordnung eines Empfangsmoduls des vom Ziel rückgestreuten Laserlichtes;

Fig. 4 eine Auswerteelektronik der empfangenen Signale;

Fig. 5 die schematische Ansicht der Anordnung der Schub düsen; und

Fig. 6 und Fig. 7 schematisch den Scanvorgang.

In Fig. 1 ist mit 10 ein drallstabilisiertes Geschoß be zeichnet, welches um seine Längsachse 10′ rotiert. Das Geschoß 10 besitzt einen für die IR-Strahlen durchlässigen Dom 11.

Im Inneren des Geschosses 10 befinden sich ein Lasersende- und Scanmodul 12, ein Empfangsmodul 13 und eine Auswerte elektronik 14 sowie ein Rollratesensor 15 und radiale Schubdüsen 16 und 17. Der von dem Lasersende- und Scanmo dul 12 ausgehende Laserstrahl ist mit 18 und die entspre chende Scanebene mit 19 bezeichnet.

Der Aufbau des Lasersende- und Scanmoduls 12 ist in Fig. 2 dargestellt. Er besteht im wesentlichen aus einem Laser (z. B. DC-Festkörperlaser) 120, einer dem Laser nachge schalteten und nur schematisch angedeuteten Linsenanord nung 121 zur Strahlkonditionierung sowie einem vorzugswei se elektro-optischen Modulator 122 zur Amplitudenmodula tion des Laserstrahls. Die Amplitutenmodulation ist erfor derlich, weil aufgrund der dadurch verminderten Signalband breite eine Erhöhung des Signal/Rausch-Verhältnisses er zielt werden kann. Weiterhin ist eine Amplitudenmodulation des Laserstrahles zur Bestimmung des Abstandes von Geschoß und Ziel notwendig (vgl. weiter unten). Die Ablenkung des Laserstrahles erfolgt mit Hilfe einer akusto-optischen Ab lenkvorrichtung 123. Die Stromversorgung des Festkörper lasers 120 erfolgt mit Hilfe einer Stromversorgungsquelle 124, die von einer Steuervorrichtung 125 angesteuert wird. Mit der Steuervorrichtung 125 sind ebenfalls über eine Synchronisationsvorrichtung 126 Ansteuervorrichtungen 127 und 128 des elektro-optischen Modulators 122 bzw. der akusto-optischen Ablenkvorrichtung 123 verbunden. Die An steuervorrichtungen 127 bzw. 128 sind ferner über Leitun gen 129 bzw. 129′ mit der weiter unten beschriebenen Aus werteelektronik 14 verbunden.

Das Empfangsmodul 13 besteht im wesentlichen aus einer schnellen Fotodiode 130. Dieser ist eine schematisch dar gestellte Fokussieroptik 131 vorgeschaltet, mit der das einfallende, vom Ziel zurück reflektierte Laserlicht 132 auf die Fotodiode fokussiert wird. Die Ausgangssignale der Fotodiode 130 werden in einer Signalvorverarbeitungsvor richtung verstärkt und ggf. gefiltert und dann über eine Leitung 134 der Auswerteelektronik 14 zugeführt.

Ein Blockschaltbild der Auswerteelektronik ist in Fig. 4 wiedergegeben. Im wesentlichen besteht die Auswerteelek tronik 14 aus einem Mikrocomputer (µ C) 140. Dem µ C sind Vorrichtungen 141, 142, 143 und 144 zur Messung der Entfernung, des Sichtlinienwinkels, der Geschoßpendelung und der Rollrate vorgeschaltet. Aus der ermittelten Ent fernung des Zieles, dem Sichtlinienwinkel und der daraus abgeleiteteten Sichtliniendrehgeschwindigkeit sowie der Rollrate und ggf. der Geschoßpendelung (Nick- und Gierbe wegung) wird die Bahnkorrektur des Geschosses berechnet. Die entsprechenden Korrektursignale werden dann den Schubdüsen 16 und 17 zugeführt, so daß das Geschoß seine Flugbahn entsprechend ändern kann. Außerdem können die Entfernungsdaten für die Zündauslösung herangezogen werden.

Die Entfernungsmessung erfolgt vorzugsweise mit dem in der Publikation von R. S. Rogowsky et al "Proceedings of the International Society for Optical Engineering", vol. 663, Page 86, beschriebenen Verfahren. Hierzu wird eine Methode verwendet, die in anologer Weise zur Entfernungsbestimmung beim FMGW-RADAR (frequency modulated continous wave) An wendung findet. Die emittierte Laserstrahlung wird jedoch so moduliert, daß die Amplitude innerhalb einer vorge gebenen Periode linear in der Modulationsfrequenz an steigt. Das Ausgangssignal und das vom Ziel reflektierte Laserlicht werden mit Hilfe eines Mischers überlagert. Durch den Laufzeitunterschied zwischen beiden Signalen entsteht am Ausgang des Mischers eine niederfrequente sog. Beatfrequenz, die der Entfernung proportional ist.

Im folgenden einige Anmerkungen zur Ermittlung des aktuel len Sichtlinienwinkels bzw. zur daraus abgeleiteten Sicht liniendrehgeschwindigkeit: Der Sichtlinienwinkel ist der Winkel zwischen Sichtlinie und Geschoßlängsdrehachse. Der Sichtlinienwinkel wird aus den elektrischen Betriebsparame tern der akusto-optischen Ablenkeinheit abgeleitet, derart, daß die zur Ablenkung des Laserstrahles notwendige Be triebsspannung proportional (linear oder quadratisch) zum Ablenkwinkel ist. Die Sichtliniendrehgeschwindigkeit folgt aus der zeitlichen Änderung des Sichtlinienwinkels und wird durch Differentiation erhalten, beispielsweise durch Auswertung zweier aufeinanderfolgender Geschoßdrehungen.

Zur Ermittlung der Rollrate kann beispielsweise ein Be schleunigungslaufnehmer 15 eingesetzt werden, mit dem aus der Radialbeschleunigung die Drehrate ω des Geschosses ge mäß ω=√ ermittelt wird, wobei b_r die Radialbeschleu nigung und r der Abstand des Beschleunigungsaufnehmers 15 von der Drehachse des Geschosses bedeutet (vgl. auch Fig. 5).

Unter Umständen kann es erforderlich sein, eine Korrektur des Sichtlinienwinkels aufgrund von Geschoßpendelungen (Nick- und Gierbewegung) vorzunehmen. Dies kann entweder durch den Einsatz von Kreiseln oder von Beschleunigungs aufnehmern erfolgen. Der Sichtlinienwinkel ergibt sich dabei aus den allgemeinen bekannten Formeln der sog. Body Fixed Guidance.

Die Berechnung der Bahnkorrektur soll am Beispiel der vereinfachten Proportionalnavigation dargestellt werden. Für den Fall einer ebenen Flugbewegung ergibt sich folgende Beziehung für die Querbeschleunigung b mit der ein anfliegender Flugkörper ins Ziel gelenkt wird:

b = k · v · (dR/dt + q)

dabei bedeuten

k eine Proportionalitätskonstante
v die Fluggeschwindigkeit
dR/dt die Sichtliniendrehgeschwindigkeit
q die Nickwinkelgeschwindigkeit

v wird dabei aus der zeitlichen Änderung des Abstandes von Geschoß und Ziel erhalten; die Sichtliniendrehgeschwindig keit folgt aus der zeitlichen Änderung des Sichtlinien winkels. Die Nickwinkelgeschwindigkeit kann entweder mit Hilfe der Kreiselsignale oder entsprechend angeordneter - hier nicht näher erläuterter Konfiguration von Beschleuni gungsaufnehmern korrigiert werden. Für die im allgemeinen Fall auftretende Geschoßbewegung im Raum müssen zusätzlich Roll- und Gierbewegung einbezogen werden.

Die entsprechenden Korrektursignale werden den in Fig. 5 schematisch dargestellten Schubdüsen 16 und 17 zugeführt. Aus Fig. 5 geht ebenfalls die Lage der Scanebene 19 rela tiv zu den Schubdüsen sowie die Lage des Rollratesensors 15 hervor. Die Schubdüsen 16 und 17 werden vorzugsweise in einer durch den Schwerpunkt des Geschosses verlaufenden Linie angebracht. Vorzugsweise werden an sich bekannte Heißgas- oder Impulstriebwerke verwendet. Scanebene 19 und Schubdüsen 16 und 17 sind um den Winkel δ verdreht. Damit ergibt sich eine Vorhaltezeit τ, in der die Durchführung der Bahnkorrektur aus den Eingangsparametern erfolgen kann. Die Ermittelung der Zeit T zur Auslösung der Schub düsen erfolgt bei festem Winkel δ aus - wie oben näher be schrieben - der mittels des Rollratesensors 15 gewonnenen Drehrate ω des Geschosses. Der Rollratesensor 15 wird dabei im Abstand r von der Drehachse des Geschosses angebracht.

Der Scanvorgang ist aus den Fig. 6 und 7 entnehmbar. Dabei ist mit 10 wiederum das rotierende Geschoß, mit 18 der Laserstrahl und mit 20 ein Ziel bezeichnet. Durch die Rota tion des Geschosses mit der Winkelgeschwindigkeit ω im Be reich von 50 bis 200 Hz entsteht bei periodischer linearer Ablenkung des Laserstrahls im Zielbereich eine rosettenför mige Abtastfigur (vgl. Fig. 7), in der der Sichtlinienwin kel λ aus den Abtastparametern des akusto-optischen Mo duls 123 (Fig. 2) und die Entfernung - wie oben näher be schrieben - ermittelt werden.

Bezugszeichenliste

10 Geschoß
10′ Längsachse des Geschosses
11 Dom
12 Lasersende- und Scanmodul
120 Laser
121 Linsenoptik
122 elektro-optischer Modulator
123 akusto-optische Ablenkvorrichtung
124 Stromversorgungsquelle
125 Steuervorrichtung
126 Synchronisationsvorrichtung
127 Ansteuervorrichtung für 122
128 Ansteuervorrichtung für 123
129 elektrische Leitung
129′ elektrische Leitung
13 Empfangsmodul
130 Photodiode
131 Fokussieroptik
132 vom Ziel rückgestreutes Laserlicht
133 Signalvorverarbeitungsvorrichtung
134 elektrische Leitung
14 Auswerteelektronik
140 Rechner (µC)
141 Vorrichtung zur Messung der Entfernung
142 Vorrichtung zur Messung des Sichtlinienwinkels
143 Vorrichtung zur Messung der Geschoßpendelung
144 Vorrichtung zur Messung der Rollrate
145 Schubdüsensteuervorrichtung u. Zündvorrichtung
146 elektrische Leitung
147 elektrische Leitung
15 Rollratesensor
16 radiale Schubdüse
17 radiale Schubdüse
18 Laserstrahl
19 Scanebene
20 Ziel
21 rosettenförmige Abtastfigur
22 Schubdüsenebene

Claims

1. Geschoß (10) mit einem bugseitig angeordneten IR-Ziel suchsystem (12, 13, 14) und Mitteln (16, 17) zur Flug korrektur des Geschosses (10), wobei das Zielsuchsy stem (12-14) zur Abtastung des Zielgebietes Ablenkvor richtungen (123) aufweist, dadurch gekenn zeichnet, daß das Geschoß (10) um seine Längs achse (10′) rotiert, daß das Zielsuchsystem (12-14) einen Laser enthält, dem die Ablenkvorrichtung (123) nachgeschaltet ist, und daß die Ablenkvorrichtung (123) den Laserstrahl beim Abtastvorgang periodisch linear in einer festen, in der Geschoßachse (10′) liegenden Scan ebene (19) ablenkt, so daß aufgrund der Rotation des Ge schosses (10) im Zielbereich eine rosettenförmige Abta stung (Fig. 7) erfolgt.

2. Geschoß nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß als Ablenkvorrichtung des La serstrahls (123) eine akusto-optische Ablenkvorrichtung verwendet wird.

3. Geschoß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß dem Laser (120) zusätz lich zur Ablenkvorrichtung (123) ein elektro-optischer Modulator (122) zur Amplitudenmodulation des Laserstrah les nachgeschaltet ist.

4. Geschoß nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Kurskorrektur mindestens zwei Schub düsen (16, 17) vorgesehen sind, die in einer fest vorgegebenen Ebene (22) relativ zur Scanebene (19) des Lasertrahles (18) angeordnet sind.