DE69314832T2 - Infrarotverfolger für einen tragbaren Flugkörperwerfer - Google Patents

Description

Hintergrund 1. Bereich der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein Flugkörperverfolgungsgerät bzw. einen Flugkörperverfolger und insbesondere ein derartiges Verfolgungsgerät, das einen Teil der optischen Zielüberwachungsvorrichtung und des Infrarotflugkörperverfolgungssystems für ein tragbares Flugkörperstartgerät bzw. einen tragbaren Flugkörperwerfer bildet.
2. Beschreibung der betreffenden Technik
• In einer Ausgestaltung eines Flugkörpers, bei der die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft ist, umfaßt der auf ein besonderes Ziel eingesetzte Flugkörper eine Infrarotfunkbake, die von der Ausrüstung auf der Startseite überwacht wird, um den Kurs des Flugkörpers zu bestimmen und um, wo es notwendig ist, Mittelkurskorrekturen durchzuführen, um das Ineingriffbringen mit dem Ziel sicher zu stellen. Dementsprechend haben derartige, gegenwärtige Tagesflugkörperstartsteuersysteme zwei Hauptteile, namentlich ein visuelles Überwachungssystem und eine Infrarotfunkbakenabtast- und Infrarotfunkbaken-verfolgungseinrichtung. Das Infrarotverfolgungsgerät erzeugt ein Lenkfehlersignal und ein Vergleich der Optik mit der IR-Verfolgung der Funkbake wird von einer elektronischen Lenkungssteuervorrichtung unterstützt, die Signale berechnet und diese an den Flugkörper liefert, um Mittelkurskorrekturen zu erzeugen, wenn es nötig ist.
• In tragbaren Flugkörperstartgeräten ist es ein Hauptziel, den Aufbau zu vereinheitlichen und die Funktion so weit wie möglich zu vereinfachen, während zur gleichen Zeit das Gesamtgewicht auf einem vernünftigen Minimum gehalten wird. Bei allen bekannten, tragbaren Flugkörperstartgeräten hat sich herausgestellt, daß sie den optischen Justierungsverschiebungen aufgrund von Wärmegradienten und der Erzeugung von Winkelrauschen unterworfen sind, das aus einem mechanischen Zahnradantriebsbetrieb resultiert, welcher einen Motordrehmelder und ein Spinprisma bzw. Drehprisma verbindet, wobei eine verminderte Betriebsleistungsfähigkeit erzeugt wird. Das erwähnte Zahnradquellenrauschenproblem hat sich wie das Alter des Verfolgungssystems auch als Verschlechterung herausgestellt, und es wird daher gewünscht, diesen Mangel bei tragbaren Flugkörperstartgeräten vollständig zu eliminieren.
• Das US Patent US-A-3 974 383 beschreibt ein Infrarotstrahlverfolgungsgerät für die Verwendung in einem Flugkörperstartgerät mit den Merkmalen, wie sie in dem Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert sind.
Zusammenfassung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung sieht ein Infrarotstrahlverfolgungsgerät gemäß Anspruch 1 vor.
• In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Abbildung der Flugkörperfunkbake anfangs von einem drehenden Strahlenteilerprisma aufgenommen, das die Abbildung neigt und einen größeren Betrag der Abbildungslichtenergie auf einen Schmalfelddetektor und den verbleibenden, kleineren Bereich der Energie auf einen Weitfelddetektor richtet. Bei jedem Detektor sind die Gierdetektoren vertikal angeordnete Bauteile und die Stampfdetektoren horizontal angeordnete Bauteile.
• Wenn der Flugkörper zu dem Ziel geht (d.h. der Fehlerwinkel Null ist), liegen alle Detektorbauteile auf orthogonalen Radien des Neigungskreises bzw. Nutationskreises. Wenn der Flugkörper nicht zu dem Ziel geht (d.h. ein Fehlerwinkel β existiert), werden die Neigungskreise um den Winkel β von ihrem Null-Fehlerwinkel verschoben. Dieser Fehlerwinkel führt zu der Phase des Detektorsignales, wobei seine Phase um einen entsprechenden Wert verschoben wird. Weil es zwei orthogonal bezogene Gruppen von Detektoren gibt, wird die Beziehung sowohl für das Gieren als auch für das Stampfen unabhängig angewandt. Es ist bzw. sind auch eine Elektronik bzw. elektronische Geräte vorgesehen, um Korrektursignale auszubilden, die an den Flugkörper gesendet werden, um das Fehlersignal auf Null zu setzen und den Flugkörper auf den geeigneten Kurs zurückzubringen.
• In einer bevorzugten Ausführungsform arbeiten Vorverstärker für das Flugkörperverfolgungsgerät mit auf der Oberfläche angebrachte Teile zusammen, wobei sie früher verwendete, relativ lange Verbindungsleitungen eliminieren, deren Netzergebnis ein strengeres Anbringen und ein Eliminieren von viel Rauschen bzw. Lärm und von Mikrofonen ist, die sich in diskreten Komponenten mit relativ langen Anschlußschaltkreisen befunden haben. Ein bürstenloser, impulsbetriebener Gleichstrommotor sieht für das Prisma ebenso wie für einen Drehgeber eine äußerst genaue Ansteuerung vor, wobei der letztere in seinem Aufbau einen Glasring umfaßt, der an der Außenseite des Drehprismagehäuses gekittet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Figur 1 ist eine schematische Ansicht eines tragbaren Startgerätes bzw. Werfers, das bzw. der in Verwendung bei der Steuerung des Fluges eines Flugkörpers gezeigt ist;
• Figur 2 ist eine teilweise schematische Darstellung eines Nahinfrarotverfolgungsgerätes dieser Erfindung;
• die Figuren 3A und 3B stellen relative Lichtstrahlspuren für zwei nichtkursmäßige Verfolgungszustände dar;
• die Figuren 4A und 4B zeigen elektrische Signalimpulse, die für die nichtkursmäßigen Zustände der Figuren 3A bzw. 3B erzeugt werden; und
• Figur 5 ist eine Teilschnittansicht der Infrarotverfolgungsprismaansteuerung und der Synchronisierungsvorrichtung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
• Mit bezug auf die Zeichnung und insbesondere auf Figur 1 ist ein Flugkörper 10 gezeigt, der von einem tragbaren Startgerät bzw. Werfer 12 auf ein Ziel 14 gestartet bzw. abgeworfen wird. Während dem Flug wird das Ziel unter Verwendung einer Teleskopeinrichtung in dem Startgerät über ein Okular 16 visuell überwacht und der Flugkörper wird unter Überwachung einer nahinfrarotlichterzeugenden Xenon- Funkbake 18 auf dem Flugkörper mit der Verfolgungsvorrichtung 20 verfolgt. Wie insbesondere beschrieben wird, entwickelt die Verfolgungsvorrichtung ein Fehlersignal, wenn detektiert wird, daß der Flugkörper 10 von dem gewünschten Kurs 22 abgewichen ist, und sie liefert anschließend Kurskorrektursignale an den Flugkörper.
• Wenn man sich nun im wesentlichen der Figur 2 zuwendet, empfängt die Verfolgungsvorrichtung 20 dieser Erfindung entlang der Hauptstrahlrichtung 26 von dem Flugkörper 10 Nahinfrarotlichtenergie und sie fokussiert sie auf ein drehendes Strahlenteilerprisma 28. Insbesondere ist das Prisma, wenn es, wie in Figur 2, von der Seite betrachtet wird, keilförmig, wobei die Fläche, die auf den Flugkörper gerichtet ist, in bezug auf eine vertikale Linie zu der Zielrichtung 26 geringfügig gekippt bleibt. Ein dünner Film 30 auf der Prismavorderfläche agiert als Strahlenteiler für die hereinkommende Lichtenergie, wobei dem Hauptteil der Lichtenergie (z.B. 90%) erlaubt wird, durch das Prisma hindurchzugehen und auf den Nahinfrarotsensoren 32 einzufallen, um eine enges Blickfeld vorzusehen. Die verbleibende, hereinkommende Lichtenergie (z.B. 10%) wird von dem Strahlenteilerfilm 30 auf einen Nahinfrarotsensor 34 reflektiert, auf den hier bezug genommen wird, als daß er ein weites Blickfeld vorsieht.
• Weil, wie schon angemerkt worden ist, die den Film 30 tragende Prismafläche in bezug auf die Vertikale verkantet ist (Winkel α), formt die auf die Sensoren 32 einfallende Lichtenergie und die auf die Sensoren 34 reflektierte Lichtenergie ein geneigtes Bild, weil sich das Prisma um die Zielrichtung 26 als Achse dreht. Die Figuren 3A und 3B zeigen einen großen Kreis 36, der den Weg, der von der Abbildung verfolgt worden ist, auf den Sensoren 32 als Ergebnis von zwei verschiedenen, nichtkursmäßigen Zuständen, namentlich Gieren nach links und Stampfen nach unten (Figur 3A) und Gieren nach rechts und Stampfen nach oben (Figur 3B), definiert. Der Gierdetektor 37 erstreckt sich vertikal, während die horizontal angeordneten Sensoren das Stampfen messen.
• Wenn der Flugkörper nun auf Kurs ist, gibt es einen Null-Fehlerwinkel und alle Sensorbauteile liegen auf den orthogonalen Radien des Neigungskreises. Wenn auf der anderen Seite der Flugkörper nicht auf Kurs ist (z.B. wenn ein Fehlerwinkel β existiert), werden die Neigungskreise von dem Aufkurs-Zustand um den Wert verschoben, der durch den Winkel β angezeigt ist. Wenn ein solches Fehlersignal existiert, erzeugt es in der Signalphase um einen Betrag gleich arcsin (β/Radius des Neigungskreises) eine Verschiebung von der Aufkurs-Phase. Weil die Detektordatenfelder ihre Sensoren für das Gieren bzw. das Stampfen in zwei orthogonalen Mustern bzw. Rastern angeordnet haben, werden zwei getrennte Fehlersignale gebildet.
• Wie schon angemerkt worden ist, sieht der Sensor 34 ein relativ weites Blickfeld vor. Eine ähnliche Gruppe von Impulsen wird für ein enges Blickfeld erzielt, das auf dem Sensor 32 erscheint, wobei es auf einen Kreis reagiert, der von dem vom Prisma auf den Sensor reflektierten Infrarotstrahl verfolgt wird.
• Figur 4 zeigt in grafischer Form die elektrischen Impulse, die von dem System für sowohl das Gieren als auch das Stampfen vorgesehen sind. Figur 4A zeigt ein Paar von Impulsen 40 von dem Gierdetektor und ein weiteres Paar von Impulsen 42 von dem Stampfdatenfeld, die der Verfolgesituation aus Figur 3A entsprechen, namentlich, Stampfen nach unten und Gieren nach links. Ähnlich zeigen die Impulse 40 und 42 in Figur 4B die relativen Impulspositionen, die für die Verfolgesituation aus Figur 3B verschoben worden sind, namentlich Stampfen nach oben und Gieren nach rechts. Das System erzeugt anschließend Korrektursignale, die an den Flugkörper übertragen werden, um ihn auf Kurs zu bringen.
• Für die nachfolgende Beschreibung der konstruktiven Anordnung der verschiedenen Bauteile der Erfindung wird besonders auf die Figur 5 verwiesen. Wie gezeigt ist, ist das Strahlenteilerprisma 28 direkt auf das äußere Ende einer hohlen Drehkraftantriebswelle 44 angeheftet bzw. angefügt, die innerhalb eines tragbaren Startgerätgehäuses 48 angebracht ist. Die Antriebswelle hat einen axialen Durchgang 50, um der von dem Flugkörpersignal 18 einfallenden Strahlung zu erlauben, auf die Vorderfläche des Prismas ungehindert gerichtet zu werden und durch das Prisma hindurch zu gehen. Um die Reflexion der hereinkommenden Strahlung von den Innenwänden 52 des Durchganges 50 zu minimieren und um Fehler von dieser Quelle zu vermeiden, haben diese Wände ein Gewinde und sind schwarz bemalt. In einem praktischen Aufbau der Erfindung wird der bürstenlose Motor 53 mit einem 20 Hertz Gleichstromimpuls angetrieben.
• Die Synchronisierung in Systemen mit drehenden Teilen wurde in der Vergangenheit durch die Verwendung eines Drehmelders erreicht, der eine mechanische, elektromagnetische Vorrichtung ist, die zum Beispiel die genaue Winkelverschiebung eines Drehgebers vorsehen kann. Drehmelder sind unerwünschterweise einem "Jitter bzw. einer Signalschwankung" unterworfen, weil die Steigung der ausgegebenen Wellenform relativ stufenweise erfolgt und sich eine Detektierung eines Nulldurchgangs ändern kann. Anstatt eines Drehmelders verwendet die vorliegende Erfindung einen Drehgeber 54, der im wesentlichen aus einem Glasring 56 besteht, welcher an die Außenfläche der Prismaantriebswelle gekittet ist. Eine Zeitmarke 48 an dem Glasring verursacht eine Reflexion eines Strahles 60 von einer Lichtquelle 62, die für die in der Steuerung 66 verwendeten Synchronisierung einen Zeitimpuls im Sensor 64 erzeugt. Ein derartiger Geber kann einen sehr genauen Impuls erzeugen, der nicht der mit den Drehmeldern verbundenen Jitter-Schwierigkeit unterworfen ist.
• Ein weiterer und vorteilhafter Aspekt der Erfindung ist, daß alle Teile für die Infrarotlichtenergieverfolgung, die unmittelbar in den vorhergehenden Abschnitten diskutiert worden sind, an dem Gehäuse 48 integral befestigt sind, wobei die Erfindung für die Verwendung bei einem tragbaren Flugkörperverfolgungsgerät besonders gut geeignet ist. Es sind zum Beispiel die Motorgeschwindigkeitsteuerelektronik und die die elektrische Energie aufbereitenden Schaltkreise in der Einheit integral verpackt und als 66 aufgezählt, wobei sie innerhalb des Gehäuses 48 angebracht sind. Eine Vorrichtung 68, die auf die Weit- und Nahblickfelddetektoren reagiert, ist auch für das Erzeugen von Kursfehlersignalen und für das Übertragen von diesen an den Flugkörper vorgesehen, um, wenn nötig, eine Kursverbindung zu bewirken. Details der Elektronik, der Motorsteuerung und ähnlichem wird für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht als relevant erachtet und sie sind daher in der Zeichnung nicht gezeigt und nicht beschrieben.

Claims (9)

1. Infrarotstrahlverfolgungsgerät für die Verwendung in einer tragbaren Flugkörperstartanlage 12, wobei das Verfolgungsgerät aufweist:

einen drehenden Strahlenteiler (28, 30), der angeordnet ist, um den Infrarotstrahl zu kreuzen und um einen ersten Bereich des Strahles entlang einer ersten Richtung durch den Strahlenteiler (28, 39) hindurch zu lassen und um den verbleibenden Bereich entlang einer anderen Richtung zu reflektieren;

einen ersten Infrarotdetektor (34) zum Empfangen des reflektierten Strahlbereiches von dem Strahlenteiler (28, 30) und zum Erzeugen von elektrischen Signalen als Reaktion dazu; und

einen zweiten Infrarotdetektor (32) zum Empfangen des Strahlbereiches, der durch den Strahlenteiler (28, 30) hindurch geht, und zum Erzeugen von elektrischen Signalen als Reaktion dazu; dadurch gekennzeichnet,

daß der erste Infrarotdetektor (34) auf einer Seite des Infrarotstrahles angeordnet ist, wobei dadurch vor dem Einfallen an dem Strahlenteiler (28, 30) das Abfangen des Strahles verhindert wird.

2. Infrarotstrahlverfolgungsgerät gemäß Anspruch 1, in dem der erste Infrarotdetektor (34) auf die über ein relativ weites Blickfeld empfangene Infrarotstrahlung reagiert und der zweite Detektor (32) auf die über ein relativ enges Blickfeld empfangene Strahlung reagiert.

3. Infrarotstrahlverfolgungsgerät gemäß Anspruch 1 oder 2, in dem jeder Detektor (32, 34) Infrarotsensoren (37, 39) umfaßt, die angeordnet sind, sich in zwei gegenseitig orthogonale Richtungen zu erstrecken, wobei der eine (37) das Flugkörpergieren und der andere (39) das Flügkörperstampfen mißt.

4. Infrarotstrahlverfolgungsgerät gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem der Strahlenteiler (28, 30) ein keilförmiges Prisma (28) umfaßt, das an einer Fläche, die auf der Seite der hereinkommenden Infrarotstrahlung angeordnet ist, eine Strahlenteilerbeschichtung (30) besitzt.

5. Infrarotstrahlverfolgungsgerät gemäß Anspruch 4, in dem die Fläche, an der die Beschichtung (30) aufgebracht ist, eben ist und zur Richtung des hereinkommenden Infrarotstrahles unter einem anderen Winkel als 90 Grad angeordnet ist.

6. Infrarotstrahlverfolgungsgerät gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem der Strahlenteiler (28, 30) an einer hohlen Welle (44) angebracht ist, deren Achse auf die Quelle der Infrarotstrahlung gerichtet ist, wobei der zweite Detektor (32) angeordnet ist, um die Infrarotstrahlung zu empfangen, die durch den Strahlenteiler (28, 30) und anschließend durch die hohle Welle (44) hindurchgegangen ist.

7. Infrarotstrahlverfolgungsgerät gemäß Anspruch 6, in dem die die hohle Wellenbohrung definierenden Wände (52) mit Gewinden versehen und mit einem relativ schlecht reflektierenden Material beschichtet sind.

8. Infrarotstrahlverfolgungsgerät gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem der Strahlenteiler (28, 30) von einem bürstenlosen Gleichstrommotor (53) gedreht wird.

9. Infrarotstrahlverfolgungsgerät gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Drehgeber (54) zum Synchronisieren der von den ersten und zweiten Infrarotdetektoren (34, 32) erzeugten, elektrischen Signale mit der Drehposition des Strahlenteilers (28, 30).