DE4416210A1

DE4416210A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Rollwinkellage eines rotierenden Flugkörpers

Info

Publication number: DE4416210A1
Application number: DE4416210A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl Ing Romer; Gerd Dipl Phys Dr Wollmann; Helmut Prof Dr Ing Misoph
Original assignee: Tzn Forschungs- und Entwicklungszentrum Unterlues 29345 Unterlues De GmbH; Tzn Forschung & Entwicklung; Rheinmetall Industrie AG
Current assignee: Rheinmetall Waffe Munition GmbH
Priority date: 1994-05-07
Filing date: 1994-05-07
Publication date: 1995-11-16
Anticipated expiration: 2014-05-08
Also published as: CH691705A5; FR2719662A1; US5661555A; GB2289588A; DE4416210C2; FR2719662B1; GB9508503D0; GB2289588B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Roll winkellage eines rotierenden Flugkörpers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei rotierenden Geschossen, bei denen während des Fluges eine Flugbahnkorrektur erfolgt, muß in der Regel der Rollwinkel des Geschosses gegenüber einem (häufig erdfesten) Bezugswert ermittelt werden, um die entsprechende Korrekturladungen la gerichtig zu zünden.

Es ist bereits bekannt, den Rollwinkel mittels magnetischer Sensoren zu ermitteln. Dabei schneidet ein mit dem Geschoß verbundener magnetischer Sensor bei dessen Rotation perio disch unterschiedliche Feldlinien des Erdmagnetfeldes, so daß sich am Ausgang des Sensors ein periodisches und für die Drehzahl des Geschosses charakteristisches Signal ergibt. Um eine eindeutige Zuordnung der Winkellage des Geschosses zu einem erdfesten Bezugssystem zu erhalten, ist es dabei allerdings erforderlich, im Bereich der Rohrmündung der Abschußvorrichtung einen Magneten anzubringen, der auf das Geschoß beim Verlassen des Rohres ein entsprechendes Bezugs signal überträgt.

Nachteilig ist bei Rollagebestimmung mittels magnetischer Sensoren der relativ hohe Aufwand und der relativ hohe Ver schleiß des Mündungsmagneten.

Es sind ferner bereits optische Verfahren zur Rollagebestim mung des Flugkörpers bekannt. Hierbei wird ein ohnehin als Leitstrahl für den Flugkörper benutzter Laserstrahl verwendet und dessen Polarisation ausgenutzt. Dabei wird die Rotation des Flugkörpers über die Intensitätsänderung der empfangenen Strahlung detektiert, welche durch ein mit dem Flugkörper rotierendes Polarisationsfilter (Analysator) hindurchtritt. Da auch in diesem Fall die Winkelposition des Flugkörpers nur modulo 180° bestimmt werden kann, bedarf es zu Beginn des Abschußvorganges ebenfalls einer eindeutigen Zuordnung der Geschoßkoordinaten zu einem (z. B. erdfesten) Bezugssystem. Erreicht werden kann diese Zuordnung durch die seitliche Anordnung eines Senders in der Abfeuereinrichtung und mit einem zweiten seitlich versetzten Detektor im Flugkörper. Letzterer legt die Lage des Geschosses im Nahbereich der Waffe eindeutig fest. Danach wird die Lage durch Zählung der Polarisationsdurchgänge bestimmt.

Nachteilig ist bei dieser Anordnung ebenfalls der relativ hohe apparative Aufwand, da insbesondere ein zusätzlicher Sender in der Abfeuervorrichtung vorhanden sein muß.

Es sind ferner eine Reihe weiterer Verfahren zur Ermittlung der Rollwinkellage denkbar, die allerdings in der Regel voraussetzen, daß der Flugkörper sich stets in einer koaxia len Bahn zu einem Leitstrahl bewegt. So könnte beispielsweise jeweils eine nicht-spiegelsymmetrische Blende laserseitig und eine entsprechende Blende flugkörperseitig in den Strahlen gang des Leitstrahles eingebracht werden, wobei die Blenden derart ausgebildet sind, daß sich nur dann eine maximale Helligkeit hinter der flugkörperseitigen Blende ergibt, wenn beide formgleichen Blenden parallel zueinander orientiert sind. Eine koaxiale Anordnung von Leitstrahl und Empfänger stellt indessen die Ausnahme dar und kann daher in der Regel nicht vorausgesetzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Rollwinkellage der eingangs erwähnten Art anzugeben, welche(s) einfach, kostengünstig und außerdem genau ist, und bei dem (der) sich der Flugkörper an einer beliebigen Posi tion innerhalb des Leitstrahles befinden kann.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des erfindungsgemäßen Ver fahrens durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 und hinsichtlich der erfindungsgemäßen Vorrich tung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des An spruchs 4 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.

Im wesentlichen liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, zur Bestimmung der Rollwinkellage eines Flugkörpers einen mit Hilfe eines holographischen Elementes phasenkodierten Leit strahl zu verwenden. Dieser Leitstrahl wird dann in einer Empfangsvorrichtung des Flugkörpers mittels eines weiteren holographischen Elementes, welches starr mit dem Flugkörper verbunden ist, dekodiert. Das weitere holographische Element ist derart ausgebildet, daß maximale Helligkeit am Empfangs detektor nur dann auftritt, wenn es sich parallel zum laser seitigen holographischen Element befindet (d. h. dem Leit strahl muß eine Information aufgeprägt werden, die nicht spiegelsymmetrisch ist).

Da die Information nur als Phasen-Information im Leitstrahl gespeichert ist, ist es nicht mehr erforderlich, den Em pfangsdetektor des Flugkörper koaxial zum Leitstrahl auszu richten. Der Empfangsdetektor kann sich vielmehr an irgend einer Stelle innerhalb des Leitstrahles befinden, wobei natürlich vorausgesetzt werden muß, daß er in bestimmten Grenzen achsparallel zum Leitstrahl orientiert ist.

Bei einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die genaue Rollwinkellage des Flugkörpers nur im Nahbereich der Abschußvorrichtung nach dem erfindungsge mäßen Verfahren bestimmt und anschließend - ähnlich wie ein gangs beschrieben - die Lage des Flugkörpers durch Extrapola tion unter Heranziehung der Intensitätsänderungen bei Verwen dung eines Polarisationsfilters im Flugkörper ermittelt. Be sonders einfach ist dabei die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens aufgebaut, wenn das flugkörperseitige hologra phische Element gleichzeitig als Polarisator ausgebildet ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden anhand von Figuren erläuterten Ausführungs beispielen. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, beste hend aus einer Abfeuervorrichtung für ein drallstabili siertes Geschoß mit einer Laseranordnung;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den bodenseitigen Teil eines Flugkörpers;

Fig. 3 und 4 zwei schematische Darstellungen zur optischen Ermittlung der Rollwinkellage zur Erläuterung der Funktion der Erfindung.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Abschußvorrichtung zum Verschießen von drallstabilisierten Geschossen 2 bezeichnet. Die Abschuß vorrichtung 1 ist mit einer Laservorrichtung 3 zur Erzeugung eines Leitstrahles 4 und einem mit dem Bezugszeichen 5 ange deuteten Feuerleitsystem verbunden. Mit Hilfe eines an der Laservorrichtung 3 angeordneten holographischen Elementes 6 wird der Leitstrahl 4 phasenkodiert und gelangt in eine im Boden 7 des Geschosses 2 angeordnete Empfangsvorrichtung 8, die in Fig. 2 im wesentlichen wiedergegeben ist.

Die Empfangsvorrichtung 8 wird nach außen hin durch eine optisch durchlässige Abdeckplatte oder eine Schutzplatte 9, die nach dem Verlassen des Rohres abfällt, geschützt und besteht im wesentlichen aus einer Linse 10, einem weiteren holographischen Element 11, welches randseitig mit dem Geschoßboden 7 verbunden und gleichzeitig als Polarisator ausgebildet ist, sowie zwei Empfangsdetektoren 12, 13 und einer Elektronik 14 mit nachgeschaltetem Mikroprozessor 15.

Der mit Hilfe des holographischen Elementes 6 (Fig. 1) phasen modulierte linearpolarisierte Leitstrahl 4 gelangt durch die Abdeckplatte 9, die Linse 10 und das Element 11 sowohl auf den Empfangsdetektor 12 als auch - aufgrund der Streuung an der Struktur des holographischen Elementes 11 - in den Em pfangsdetektor 13. Der Empfangsdetektor 12 dient dabei in Verbindung mit dem als Polarisator wirkenden holographischen Element 11 zur Ermittlung der Drehzahl des Geschosses 2.

Hierzu werden die Intensitätsschwankungen mit dem Detektor 12 gemessen, welche sich bei der Drehung des Geschosses 2 und damit auch des Elementes 11 ergeben (die Polarisationsrich tung des Laserstrahles 4 bleibt während der Messung kon stant).

Der Empfangsdetektor 13 dient erfindungsgemäß zur Ermittlung der absoluten Rollwinkellage des Geschosses 2 in einem ersten Abstandsbereich (Nahbereich) 17 (Fig. 1). Er erhält immer dann maximale Helligkeit, wenn die beiden holographischen Elemente 6 und 11 parallel zueinander stehen. Da die von dem hologra phischen Element 6 aufgeprägten Informationen nur als Phasen informationen im Leitstrahl 4 gespeichert sind, ist es nicht mehr erforderlich, das Geschoß mit dem holographischen Element 11 und dem Empfangsdetektor 13 koaxial zum Leit strahl 4 auszurichten. Der Empfangsdetektor 13 ist an einer Stelle im Geschoß angeordnet, die durch die Aufnahmegeometrie des holographischen Elementes definiert ist, also z. B. auch - wie in Fig. 2 dargestellt - am oberen äußeren Rand der Empfangsvorrichtung 8.

Nach Ermittlung der Rollwinkellage des Geschosses 2 im Nahbe reich 17 kann die weitere Bestimmung der Rollwinkellage durch Extrapolation unter Hinzuziehung der mit dem Empfangsdetektor 12 bestimmten Drehzahl des Geschosses 2 erfolgen.

Im folgenden wird mit Hilfe der Fig. 3 und 4 noch einmal der Vorteil der Verwendung der holographischen Elemente 6 und 11 (Fig. 1 und 2) erläutert: Dabei zeigt Fig. 3 eine prinzipiell mögliche Anordnung zur eindeutigen Bestimmung des Rollwin kels. Mit 18 ist eine Lichtquelle gekennzeichnet, die einen nicht notwendigerweise polarisierten Lichtstrahl (Leitstrahl) 19 erzeugt, welcher über eine Blende 20 und eine sich mit dem Geschoß (aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt) drehende Blende 21 auf einen Empfangsdetektor 22 gelangt. Um die eindeutige Lageerkennung des Geschosses zu ermöglichen, muß dem Leitstrahl eine Information aufgeprägt werden, die nicht spiegelsymmetrisch ist. Im vorliegenden Fall wird dieses dadurch erreicht, daß die Blendenöffnungen der beiden Blenden 20, 21 die Form eines "F" aufweisen. Wie unmittelbar aus Fig. 3 ablesbar ist, ergibt sich eine eindeutige Lageer kennung bei dieser Anordnung allerdings nur, wenn der Empfangsdetektor 22 sich stets koaxial im Leitstrahl 19 befindet.

Dieses ist bei der erfindungsgemäßen, in Fig. 4 schematisch dargestellten Anordnung nicht erforderlich. Mit 23 ist dabei wiederum eine Lichtquelle, in diesem Fall ein Laser, mit 24 der Leitstrahl und mit 25 ein erstes holographisches Element bezeichnet. Der Leitstrahl 24 wird durch das holographische Element 25 phasenmoduliert und gelangt über ein geschoßseitig angeordnetes zweites holographisches Element 26 auf einen Empfangsdetektor 27. Wie in Fig. 4 durch die mit den Bezugs zeichen 28 und 29 versehenen Mittelachsen angedeutet, braucht der Empfangsdetektor 27 nicht koaxial zum Leitstrahl 24 aus gerichtet sein, sondern kann sich auch in einer achsparalle len Stellung befinden. In dem holographischen Element 11 ist als Interferenzmutter die Überlagerung von mindestens zwei Wellenfeldern gespeichert. Aufgrund des holographischen Prinzips werden bei Bestrahlung des Elements 11 mit einem dieser Wellenfelder jeweils das andere rekonstruiert bei korrekter Winkellage im Leitstrahl. Die laterale Position im Leitstrahl ist drei nicht von Bedeutung. Eines dieser Wellenfelder wird von einer Punktlichtquelle erzeugt, deren rekonstruiertes Bild auf den Detektor 13 trifft.

Bezugszeichenliste

1 Abschußvorrichtung, Feststation
2 Geschoß, Flugkörper
3 Laservorrichtung
4 Leitstrahl
5 Feuerleitsystem
6 holographische Element
7 Geschoßboden
8 Empfangsvorrichtung
9 Abdeckplatte
10 Linse
11 holographische Element
12, 13 Empfangsdetektoren
14 Elektronik
15 Mikroprozessor
16 Längsachse
17 erste Abstandsbereich
18 Lichtquelle
19 Lichtstrahl, Leitstrahl
20, 21 Blenden
22 Empfangsdetektor
23 Lichtquelle, Laser
24 Leitstrahl
25, 26 holographische Elemente
27 Empfangsdetektor
28, 29 Mittelachsen.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung der Rollwinkellage eines rotie renden Flugkörpers (2) relativ zu einer Feststation (1) mit Hilfe eines von der Feststation (1) ausgesendeten und von dem Flugkörper (2) empfangenen Laserlichtstrah les (4, 24), dadurch gekennzeichnet, daß durch Einbringen eines holographischen Elementes (6, 25) in den Strahlen gang des Laserlichtes (4, 24) in dem Bereich der Feststa tion (1) eine Phasenkodierung des Laserlichtstrahles (4, 24) vorgenommen wird, daß der Laserlichtstrahl (4, 24) im Flugkörper (2) durch ein weiteres mit dem Flugkörper (2) verbundenes holographisches Element (11, 26) deko diert wird, wobei das flugkörperseitige holographische Element (11, 26) derart gewählt wird, daß maximale Hel ligkeit an einem in dem Flugkörper (2) angeordneten ersten Empfangsdetektor (13, 27) nur dann auftritt, wenn das flugkörperseitige und das feststationsseitige holo graphische Element (6, 25; 11, 26) kongruente Positionen, insbesondere jedoch gleiche Winkellagen, aufweisen, und daß die Helligkeitsänderungen in einer dem ersten Empfangsdetektor (13, 27) nachgeschalteten Elektronik (14) weiterverarbeitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollwinkellage nur in einem ersten vorgegebenen Abstandsbereich (17) von der Feststation (1) gemessen wird, und daß anschließende die Rollwinkellage in bezug auf die Feststation (1) durch Extrapolation der in dem ersten Abstandsbereich (17) ermittelten Werte - unter Berücksichtigung der gemessenen Anzahl der Umdrehungen des Flugkörpers (2) - bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Anzahl der Umdrehungen des Flugkörpers (2) mittels eines polarisierten von der Feststation (1) ausgesendeten und von dem Flugkörper (2) empfangenen Laserlichtstrahles (4, 24) erfolgt, wobei die Intensi tätsänderung der empfangenen Strahlung gemessen wird, welche durch ein mit dem Flugkörper (2) verbundenes Polarisationsfilter (11, 26) hindurchtritt, und daß als Laserlicht (4, 24) der gleiche Lichtstrahl verwendet wird, welcher in dem ersten Abstandsbereich (17) zur Bestimmung der Rollwinkellage des Flugkörpers (2) heran gezogen wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An spruch 1 mit einer in der Feststation (1) angeordneten Laservorrichtung (3) und einer im Boden (7) des Flug körpers (2) angeordneten Empfangsvorrichtung (8) mit einem ersten Empfangsdetektor (13, 27), dem eine Elektro nik (14) zur Auswertung der empfangenen Signale nachge schaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststa tion (2) ein optisches Element mit Amplituden- und/oder Phasenstruktur, insbesondere ein holographisches Element (6, 25) aufweist, durch welche der Laserstrahl (4, 24) mit einer definierten Amplituden- und/oder Phasenstruktur kodiert wird, daß die Empfangsvorrichtung (8) im Boden (7) des Flugkörpers (2) ebenfalls ein mit dem Flugkörper (2) rotierendes holo graphisches Element (11, 26) aufweist, durch welches der Laserstrahl (4, 24) gelangt, bevor er auf den ersten Empfangsdetektor (13, 27) auftrifft, wobei das flugkör perseitige holographische Element (11, 26) derart gewählt ist, daß maximale Helligkeit an dem in dem Flugkörper (2) angeordneten ersten Empfangsdetektor (13, 27) nur dann auftritt, wenn das flugkörperseitige und das fest stationsseitige holographische Element (6, 25; 11, 26) kongruente Positionen, insbesondere die gleiche Winkel lagen, aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Empfangsdetektor (13, 27) achsparallel zum La serstrahl (4, 24) orientiert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich net, daß das flugkörperseitige holographische Element (11, 26) ebenfalls als Polarisator ausgebildet ist, und daß in dem Boden (7) des Flugkörpers (2) ein zweiter Empfangsdetektor (12) angeordnet ist, welcher die Inten sitätsänderung des polarisierten Laserlichtes mißt, die durch das mit dem Flugkörper (2) rotierende holographi sche Element (11, 26) gelangt.