EP0078506A1

EP0078506A1 - Einrichtung zur Messung des seitlichen Abstandes von einem drallstabilisierten Flugkörper zu einem Zielobjekt

Info

Publication number: EP0078506A1
Application number: EP82109952A
Authority: EP
Inventors: Rainer Strietzel
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1981-10-31
Filing date: 1982-10-28
Publication date: 1983-05-11
Also published as: DE3143238A1

Abstract

Einrichtung zur Messung des seitlichen Abstandes von einem drallstabilisierten Flugkörper zu einem Zielobjekt.

Zur Messung des seitlichen Abstandes von einem drallstabilisierten Flugkörper (1) zu einem Zielobjekt (5) sind am Flugkörper (1) drei Antennen (3.1, 3.2, 3.3) angeordnet, die jeweils einen eng gebündelten, kontinuierlichen Energiestrahl (4.1, 4.2, 4.3) etwas tangential gerichtet abstrahlen. Die am Zielobjekt (5) reflektierten Anteile (6) des Energiestrahls (4.1) werden von der momentan auf das Zielobjekt (5) gerichteten Antenne (3.1) aufgenommen. Die reflektierten Anteile (6) sind gegenüber dem abgestrahlten Energiestrahl (4.1) in der Frequenz verschoben sowie amplitudenmoduliert. Durch die Modulation des reflektierten Signalanteils (6) entsteht eine etwa sinusförmige Signalspannung mit einer Frequenz entsprechend dem Drall des Flugkörpers (1) und einer Amplitude entsprechend dem seitlichen Abstand zwischen Flugkörper (1) und Zielobjekt (5). Diese sinusförmige Spannung wird mit fest eingestellten Werten verglichen, die einem bestimmten Mindestabstand zwischen Flugkörper (1) und Zielobjekt (5) entsprechen. Bei Unterschreiten des Mindestabstandes wird ein Auslösesignal erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung des seitlichen Abstandes von einem drallstabilisierten Flugkörper zu einem Zielobjekts mittels eines gebündelten Energiestrahls. Sie eignet sich insbesondere für einen Geschoßzünder.
Bei den heute im Gebrauch befindlichen Flugabwehr-Systemen ist man mit der Kadenz, d.h. mit der Menge der pro Zeiteinheit zu verschießenden Munition an einer Grenze angelangt. Um die Wirksamkeit dieser Systeme zu erhöhen, muß die Wirksamkeit des einzelnen Geschosses erhöht werden. Bei direktem Treffer des Geschosses im Zielobjekt wird ein Aufschlagszünder ausgelöst. Für den Fall, daß das Geschoß am Zielobjekt vorbei fliegt, wird eine Teilwirkung dadurch erreicht, daß das Geschoß in einer vorgegebenen Höhe explodiert und die Geschoßsplitter das Zielobjekt treffen. Die Wirkung hängt in diesem Fall davon ab, daß die beim Abschuß des Geschosses eingestellte Explosionszeit bzw. -höhe dem tatsächlichen Abstand zwischen Abschußstelle und Zielobjekt möglichst genau entspricht.
Eine Verbesserung der Teilwirkung wäre in jedem Fall dann zu erreichen, wenn das Geschoß unabhängig von den voreingestellten Werten der Geschoßzünder immer dann aktiviert wird, wenn das Geschoß in einem relativ kleinen Abstand - Größenordnung ₁ Meter - am Zielobjekt vorbeifliegt.
Aus der DE-OS 24 56 162 eine optoelektronische Meßeinrichtung für Geschoßzünder bekannt, die bei Erreichen einer bestimmten Entfernung zwischen einem sich bewegenden Körper und einer Oberfläche ein Signal abgibt. Diese Meßeinrichtung enthält einen durch eine Linse optische Impulse mit einer Sendefrequenz emmitierenden Sender und einen über eine weitere Linse von der Oberfläche zurückgestreute Anteile dieser optischem Impulse aufnehmenden Empfänger mit Empfangsverstärker. Dem Empfangsverstärker ist ein extrem schmalbandiges Bandpaßfilter nachgeschaltet, welches dafür sorgt, daß möglicherweise störende Fremdlichteinflüsse ausgefiltert werden. Dem Bandpaßfilter ist eine Auswerteschaltung nachgeschaltet, die den Zünder aktiviert. Diese Auswerteschaltung enthält einen astabilen Multivibrator und ein Integrierglied mit nachgeschaltetem Schmitt-Trigger. Sobald eine gewisse Impulsanzahl am Eingang des astabilen Multivibrators aufgetreten ist und das integrierte Ausgangssignal des Multivibrators einen Schwellwert überschreitet, wird durch den Schmitt-Trigger ein Thyristor durchgeschaltet, der ein Zündmittel zündet.
Es sind ferner mehrere Verfahren zur automatischen Fokussierung von Photo- und Filmkameras bekannt. Bei der Infrarot-Autofokusmethode sendet eine bewegliche Infrarot-Leuchtdiode einen eng gebündelten Lichtstrahl im Infrarotbereich aus und tastet dabei den Objektraum ab. Der auf ein Objekt treffende Strahl wird reflektiert und von einem infrarotempfindlichen Photoempfänger, der sich neben dem Sender in der Kamera befindet, registriert. Durch die Bewegung der Senderdiode erreicht den Empfänger bei einer bestimmten Position ein maximales Signal. Aus dieser Senderposition ergibt sich ein Meßwinkel zum Motiv, aus dem mit Hilfe der Trigonometrie die Entfernung errechnet wird. Dieses Verfahren arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie die zuvor beschriebene optoelektronische Meßeinrichtung für Geschoßzünder.
Ein weiteres Verfahren ist das Ultraschall-Autofokusverfahren. Es arbeitet nach dem Prinzip eines Echolots. Ein Ultraschallsender schickt einen Schallimpuls in Richtung Objekt, das wiederum den Impuls zur Kamera zurückwirft. Um das reflektierte Schallsignal empfangen zu können, ist der Sender gleichzeitig als Empfänger ausgelegt. Aus der Laufzeit des Schalls wird von der Kamera-Elektronik der Abstand zwischen Kamera und Objekt errechnet. Die Elektronik ist so programmiert, daß nur Gegenstände bis zu einer vorgegebenen Mindestgröße berücksichtigt werden.
Es sind ferner eine Vielzahl von Raumüberwachungsgeräten zum Schutz gegen Eindringlinge bekannt, die im Ultraschallbereich, im Mikrowellenbereich oder im Infrarotbereich arbeiten.
Alle diese bekannten Systeme sind als Abstandsmeßeinrichtung für drallstabilisierte Flugkörper zur Messung des seitlichen Abstands vom Flugkörper zum Zielobjekt weder vorgesehen noch geeignet, da sie entweder zu groß, zu kompliziert, zu teuer oder zu ungenau sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine einfache und preiswerte Meßeinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die lediglich bei seitlichem Vorbeiflug am Zielobjekt anspricht.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß auf dem Flugkörper ein Sender vorgesehen ist, der kontinuierlich Sendeenergie erzeugt, daß wenigstens ein Sendewandler vorgesehen ist, der die Sendeenergie als eng gebündelten Energiestrahl etwa tangential gerichtet abstrahlt, daß wenigstens ein tangential gerichteter Empfangswandler vorgesehen ist, der die vom Zielobjekt reflektierten Anteile des Energiestrahls aufnimmt, daß ein Empfänger vorgesehen ist, der die frequenz- und amplitudenmodulierten Anteile im aufgenommenen Signal abtrennt und gleichrichtet und daß ein Detektor vorgesehen ist, der das gleichgerichtete Signal mit vorgebenen Schwellwerten vergleicht und gegebenenfalls ein Auslösesignal abgibt.
Die Erfindung nutzt die Tatsache aus, daß bei einem drallstabilisierten Flugkörper der abgestrahlte Energiestrahl periodisch auf das Zielobjekt gerichtet wird und daß nur während dieser Zeitspanne Energiestrahlung vom Zielobjekt reflektiert werden und zum Flugkörper zurückgelangen kann. Sie nutzt ferner die Tatsache aus, daß infolge der hohen Relativgeschwindigkeit zwischen Flugkörper und Zielobjekt und dem Drall die empfangenen Signale infolge des Doppler-Effektes frequenzverschoben sind und daß ihre Amplitude umso größer wird, je kleiner der Abstand zwischen Flugkörper und Zielobjekt ist. Da die Maximalwerte von Drall und Fluggeschwindigkeit bekannt sind, können die frequenzverschobenen Anteile im aufgenommenen Signal mit Hilfe eines einfachen Tiefpaßfilters abgetrennt werden; ein extrem schmalbandiges Bandpaßfilter, dessen Mittenfrequenz der momentanen Senderfrequenz nachgeführt werden muß, ist somit nicht nötig.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind auf dem Flugkörper drei Sende- bzw. Empfangswandler vorgesehen. Dadurch wird verhindert, daß mit steigender Geschwindigkeit des Flugkörpers und abnehmendem Drall sowie bei kleinen Zielobjekten der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Entfernungsmessungen zu groß und die Abstandsmessung selbst damit unzuverlässig wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung enthält der Empfänger eine Mischstufe, der ein Tiefpaßfilter, ein Amplitudendemodulator und ein Verstärker nachgeschaltet sind, die von den Mischprodukten der Mischstufe das Meßsignal abtrennen, gleichrichten und verstärken; der Detektor besteht vorteilhafterweise aus einem Schmitt-Trigger, der die Amplitude des gleichgerichteten und verstärkten Meßsignals in ein pulsbreitenmoduliertes Rechtecksignal umwandelt und einem retriggerbaren Monoflop, welches die Länge der Pausen zwischen aufeinanderfolgenden Rechteckpulsen überwacht und bei Unterschreiten einer bestimmten Pausendauer das Auslösesignal abgibt. Durch Änderung des Verstärkungsfaktors kann über die Änderung der Amplitude des Meßsignals die Impulslänge bzw. die Impulspausenlänge und damit der gewünschte Auslöseabstand variiert werden.
Die Sendeenergie kann vorteilhafterweise im Infrarotlichtbereich oder im Ultraschallbereich liegen. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Verwendung von Mikrowellen. Hier können Sender und Empfängermischstufe als Gunn-Oszillator ausgebildet sein, der als selbstschwingende Mischstufe arbeitet und dem ein Tiefpaßfilter nachgeschaltet ist, das von den Mischprodukten das Meßsignal abtrennt. Die Verwendung eines Gunn-Oszillators führt somit zu einem besonders einfach und kostengünstig zu realisierenden Sender-Empfängerkonzept. Vorzugsweise werden Sende- und Empfangswandler in Streifenleitungstechnik realisiert, wodurch sich ein besonders platzsparender, stabiler und kostengünstiger Aufbau ergibt. Außerdem können Sende- und Empfangswandler identisch sein.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Es zeigen:

Fig. 1 einen drallstabilisierten Flugkörper in Seitenansicht,
Fig. 2 das verwendete Meßprinzip zur Bestimmung des seitlichen Abstandes zwischen Flugkörper und Zielobjekt,
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Sender-Empfängerkonzepts im Mikrowellenbereich,
Fig. 4 das Prinzip der Umwandlung des gleichgerichteten Meßsignals in ein pulsbreitenmoduliertes Rechtecksignal,
Fig. 5 ein pulsbreitenmoduliertes Rechtecksignal, bei dem noch kein Auslösesignal erzeugt wird und
Fig. 6 ein pulsbreitenmoduliertes Rechtecksignal, bei dem das Auslösesignal erzeugt wird.

Fig. 1 zeigt als Beispiel für einen drallstabilisierten Flugkörper 1 eine Flugabwehr-Granate. An der Spitze des Flugkörpers 1 ist ein Aufschlagzünder 2 angebracht, der bei einem direkten Auftreffen des Flugkörpers 1 auf ein Zielobjekt die Zündung auslöst. Unterhalb des Aufschlagzünders 2 ist eine Antenne 3 angebracht, die einen gebündelten Energiestrahl 4 kontinuierlich aussendet und gegebenenfalls einen vom Zielobjekt reflektierten Strahlungsanteil aufnimmt.
Fig. 2 zeigt das verwendete Meßprinzip. Man erkennt den Flugkörper 1 in Draufsicht. An seiner Außenseite sind drei Sende-Empfangsantennen 3.1, 3.2, 3.3 angeordnet, die kontinuierliche Energiestrahlungsbündel 4.1, 4.2, 4.3 aussenden. Der Drall des Flugkörpers 1 ist durch einen Rotationspfeil angedeutet. Der von der Antenne 3.1 ausgesandte Energiestrahl 4.1 trifft auf ein Zielobjekt 5, welches einen Anteil 6 in die Antenne 3.1 reflektiert.
Aus der Fig. 2 erkennt man, daß die von den Antennen 3.1, 3.2, 3.3 ausgestrahlten Energiestrahlenbündel 4.1, 4.2, 4.3 das Zielobjekt 5 nur jeweils für eine kurze Zeitspanne überstreichen, so daß auch nur während dieser kurzen Zeitspanne reflektierte Strahlung zur Empfangsantenne zurück reflektiert werden kann. Man erkennt ferner, daß die Stärke des in der Antenne ankommenden Reflektionssignals abhängig ist von der Entfernung zwischen Flugobjekt 1 und Zielobjekt 5. Es ist ferner einsichtig, daß die Frequenz des reflektierten Strahlungsanteils 6 infolge des Dralls des Flugkörpers 1 aufgrund des Doppler-Effekts frequenzverschoben ist.
Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild einer Sender-Empfängerschaltung, die im Mikrowellengebiet arbeitet. Ein Gunn-Oszillator 7 speist wenigstens eine, bevorzugt jedoch drei am Flugkörper angebrachte Antennen 3.1, 3.2, 3.3. Die Mikrowellenenergie wird kontinuierlich erzeugt und ausgestrahlt; infolge des Dralls sowie der endlichen Ausdehnung des Zielobjekts sind die reflektierten Strahlungsanteile gepulst. Durch die hohe Geschwindigkeit, ca. 1000 m/sec., und den Drall, ca. 100000 U/min, des Flugkörpers sind die empfangenen Energieanteile frequenzverscroben. Ihre Amplitude ist umso größer, je kleiner der Abstand des Geschosses vom Ziel ist. An der nichtlinearen Kennlinie der Gunn-Diode im Oszillator 7 werden das erzeugte und das empfangene Signal gemischt, so daß der Gunn-Oszillator gleichzeitig als selbstschwingende Mischstufe wirkt. Von den Mischprodukten wird mit Hilfe eines Tiefpaßfilters 8 das Meßsignal abge trennt. Nach einem Amplitudendemodulator 9 und einem anschließenden Verstärker 10 erhält man eine sinusförmige Spannung U_e, die einen nachgeschalteten Schmitt-Trigger 11 ansteuert. Überschreitet diese Eingangsspannung U_e eine obere Triggerschwelle U_eei_n, so springt die Ausgangsspannung U_a des Schmitt-Triggers 11 an die Übersteuerungsgrenze U_amax. Sie springt erst dann wieder auf Null zurück, wenn die Eingangsspannung U_e eine untere Triggerschwelle U_eaus unterschreitet. Als umgeformte Meßsignale erhält man Rechteckimpulse, deren Länge bei einem festgelegten Verstärkungsfaktor des Verstärkers 10 direkt vom Abstand zwischen Flugkörper und Zielobjekt abhängig ist. Ein dem Schmitt-Trigger 11 nachgeschalteter, retriggerbarer Zeitschalter 12 überwacht die Impulslänge und damit den gemessenen Abstand und löst bei Erreichen eines vorgegebenen Wertes ein Ausgangssignal Us aus. Durch Änderung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 10 kann die Impulslänge und damit der gewünschte Abstand zwischen Flugkörper und Zielobjekt beim Auftreten des Auslösesignales Us variiert werden.
Zur Stromversorgung der Bauteile ist eine Batterie 13 vorgesehen. Da ein Gunn-Oszillator etwa 20mA Strom verbraucht, wird die Batterie 13 erst bei oder nach dem Start des Flugkörpers eingeschaltet. Diese Maßnahme dient außerdem zur Erhöhung der Sicherheit gegen vorzeitiges Auslösen des Zünders, solange sich der Flugkörper noch im Bereich der Startvorrichtung befindet.
Fig. 4 zeigt die Bildung des pulsbreitenmedulierter Rechtecksignals U_a am Ausgang des Schmitt-Triggers 11. Die am Eingang des Schmitt-Triggers 11 anliegende Eingangsspannung U_e besitzt einen sinusförmigen Verlauf mit einer Frequenz proportional dem Drall des Flugkörpers.
Liegt am Eingang des Schmitt-Triggers eine erste Eingangsspannung U_e.1, deren Amplitude gerade die Einschaltschwelle U_eei_n überschreitet, so hält man Ausgang schmale Rechteckimpulse U_a.1 mit einer Zeitdauer Δt1. Steigt mit wachsender Annäherung des Flugkörpers an das Zielobjekt die Amplitude der Eingangsspannung auf den Wert U_e.2, so entstehen am Ausgang des Schmitt-Triggers Rechteckimpulse U_a.2 mit der größeren Zeitdauer A t2. Die in der Amplitude des Eingangssignals U_e liegende Information über den Abstand zwischen Flugkörper und Zielobjekt wird in Pulsbreitenmodulation umgewandelt. Die Breite der Impulse U_a oder die Breite der Pausen zwischen zwei Impulsen U_a werden überwacht durch Vergleich mit einer in einem monostabilen Multivibrator fest vorgegebenen Impulszeit und gegebenenfalls das Auslösesignale U_S erzeugt.
Fig. 5 zeigt den Verlauf der Rechteckimpulse U_a bei einer Anordnung von drei Antennen 3.1, 3.2, 3.3. Die von den einzelnen Antennen hervorgerufenen Impulse folgen direkt aufeinander. Bei einem relativ großen Abstand zwischen Flugkörper und Zielobjekt mit entsprechend kleiner Eingangsspannung U_e am Eingang des Schmitt-Triggers ergeben sich schmale Rechteckimpulse mit der Breite Δt1.
Fig. 6 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung U_a nachdem sich der Flugkörper bis auf den Sollwert dem Zielobjekt genähert hat. Die von den einzelnen Antennen hervorgerufenen Rechteckimpulse am Ausgang des Schmitt-Triggers besitzten die Breite Δ t2, so daß die Pausenzeiten zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rechteckimpulsen verschwinden. Das Verschwinden der Pausen wird von dem dem Schmitt-Trigger nachgeschalteten monostabilen Multivibrator erkannt, worauf dieser das Auslösesignal Us abgibt. Der genaue Abstandswert, bei dem das Auslösesignal U_S auftritt, wird bei dieser Ausführung durch entsprechende Einstellung des Verstärkungsfaktors im Verstärker 10 vorgewählt.
Da die Stärke des vom Zielobjekt reflektierten Strahlungsanteils nicht nur vom Abstand allein abhängig ist, sondern auch die Größe des Zielobjekts einen gewissen Einfluß besitzt, ist die Amplitude des am Eingang des Schmitt-Triggers anliegenden Meßsignals U_e auch abhängig von der Größe des Zielobjektes. Ein kleines Zielobjekt reflektiert weniger Strahlung, so daß das Auslösesignal erst bei einer größeren Annäherung zwischen Flugkörper und Zielobjekt auftritt, wodurch die Wahrscheinlichkeit, daß ein Splitter des Geschosses das Zielobjekt trifft, erhöht wird.

Claims

1. Einrichtung zur Messung des seitlichen Abstandes von einem drallstabilisierten Flugkörper (1) zu einem Zielobjekt (5) mittels eines gebündelten Energiestrahls (4), dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Flugkörper (1) ein Sender (7) vorgesehen ist, der kontinuierlich Sendeenergie erzeugt, daß wenigstens ein Sendewandler (3) vorgesehen ist, der die Sendeenergie des eng gebündelten Energiestrahls (4) etwa tangential gerichtet abstrahlt, daß wenigstens ein tangential gerichteter Empfangswandler (3) vorgesehen ist, der die vom Zielobjekt (5) reflektierten Anteile (6) des Energiestrahls (4) aufnimmt, daß ein Empfänger (7,8,9,10) vorgesehen ist, der die frequenz- und amplitudenmodulierten Anteile im aufgenommenen Signal abtrennt und gleichrichtet, und daß ein Detektor (11,12) vorgesehen ist, der das gleichgerichtete Signal (U_e) mit vorgegebenen Schwellwerten (U_eei_n7U_eaus) vergleicht und gegebenenfalls ein Auslösesignal (U_S) abgibt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Flugkörper (1) drei Sende- bzw. Empfangswandler (3.1,3.2,3.3) vorgesehen sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger eine Mischstufe enthält, der ein Tiefpaßfilter (8), ein Amplitudendemodulator (9) und ein Verstärker (10) nachgeschaltet sind, die von den Mischprodukten der Mischstufe (7) das Meßsignal abtrennen, gleichrichten und verstärken, und daß der Detektor aus einem Schmitt-Trigger (11), der die Amplitude des gleichgerichteten und verstärkten Meßsignales (U_e) in ein pulsbreitenmoduliertes Rechtecksignal (U_a) umwandelt, und einen retriggerbaren Monoflop (12) besteht, welches die Länge der Pausen zwischen aufeinanderfolgenden Rechteckpulsen (U_a) überwacht und bei Unterschreiten einer bestimmten Pausendauer das Auslösesignal (U_S) abgibt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeenergie im Infrarotlichtbereich liegt.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeenergie im Ultraschallbereich liegt.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeenergie im Mikrowellenbereich liegt.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Sender und Empfängermischstufe als Gunn-Oszillator (7) ausgebildet sind, der als selbstschwingende Mischstufe arbeitet und dem ein Tiefpaßfilter (8) nachgeschaltet ist, das von den Mischprodukten das Meßsignal abtrennt.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß Sende- und Empfangswandler (3.1,3.2,3.3) in Streifenleitungstechnik realisiert sind.

9. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Sende- und Empfangswandler (3) identisch sind.