KR19990062963A - 장거리 탄도 미사일 표적에 사용하는 새로운 추적 수단 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이동하는 물체(12)의 표면을 스캐닝하기 위하여 두 방향으로 디더링(dithering)되는 레이저 에너지의 빔을 조향하는 레이저 추적 시스템(10)에 관한 것이다. 레이저 에너지 검출기(58)는 표적(12)으로부터 반사된 레이저 에너지를 검출한다. 반사된 에너지는 두 방향 신호에 대한 디더 주파수를 구별하기 위하여 필터링되는데, 이 신호는 레이저 빔에 대한 표적(12)의 위치를 결정하기 위하여 독립적으로 분석된다. 생성된 바이어스 신호는, 표면 반경을 향하여 조준되는 레이저 에너지 빔이 표적(12)에 대한 추적기의 관심 영역 내에서 즉 표적의 추적된 위치에 대하여 가장 큰 복합 곡률(largest compound curvature)의 표면을 향하여 조준되도록 하는데, 다시 말하자면 표적에 대한 제 2인게이지먼트(engagement) 위치를 향한 대부분의 빔 에너지를 오프셋(offset)시키고 표적에 대한 최적의 추적 위치를 향하여 레이저 에너지 빔의 일부가 조준되게 한다. 또한, 추적 테스팅 시스템(12)은 미사일에 초점을 둔 레이저 빔을 모니터링 할 수 있고 자전하는 표적에 효과적인 레이저 인게이지먼트를 결정하는 능력이 있다.

Description

장거리 탄도 미사일 표적에 사용하는 새로운 추적 수단
본 출원은 1996년 4월 2일에 출원된 공동 계류 중인 특허 출원 명세서, 일련 번호 제08/631,645호의 부분 계속 출원이다.
본 발명은 일반적으로 이동하는 물체를 추적하기 위한 시스템에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 표적화된 물체를 추적하고 인게이지(engage) 하는, 이미지를 생성하지 않는 레이저를 기저로 하는 시스템과 방법 및 표적 적중도(hit)를 확인하는 시스템과 방법에 관한 것이다.
추적 시스템은 군사적인 목적을 위해 물체를 파괴하거나 못쓰게 만들기 위하여 그 물체를 일반적으로 인게이지 하기 위해 로켓 또는 미사일과 같은 표적화된 이동하는 물체를 추적하기 위하여 발전되어 왔고 전개되어왔다. 일반적으로 말해면, 종래의 추적 시스템은 이미지 생성 추적기로 지칭되는 것으로 전자 카메라와 같은 이미지 생성 장치를 사용하는데, 이 전자 카메라는 이미지를 포착하며 그 이미지의 일부를 선택하고 그후 이미지의 프레임(frame)에 관하여 그 이미지에 자동 추적하게 하는 것이다. 하나의 추적 시스템에 따라, 표적을 인식하는 방법은 일반적으로 표적을 발견하는 단계와, 넓은 시야의 추적기로 그 표적을 고정하는 단계와, 그후 좁은 시야의 추적기에 그 표적의 위치의 순간적으로 찍은 크기를 전달하는 단계로 구성된다. 차례로, 좁은 시야의 추적기는 추적 게이트라고 일반적으로 알려진, 프레임의 가장자리에 맞게 그 표적의 화상을 고정한다. 그 프레임에 고정된 이미지로, 서보 루프로 구성된 전기 회로는 고출력 레이저 빔 또는 다른 무기류가 표적을 섬멸하도록 하기 위하여 표적을 추적하고 인게이지 하게 해주는 에러 신호를 생성시킨다.
따라서, 종래의 이미지 생성 추적기는 먼저 대략적인 위치를 결정하고 그후 표적화된 물체의 현재의 순간 위치를 결정하기 위하여 일반적으로 전자 카메라와 같은 하나 이상의 이미지 생성 장치의 연속적인 사용을 필요로 하며 그 장치의 사용을 의지하고 있다. 부가적으로, 몇몇의 종래의 이미지 생성 추적기는 표적의 속도 정보를 결정하도록 하고 표적의 예상되는 발사를 예견하고자 한다. 광학적으로 표적화된 무기에서, 공지된 종래의 이미지 생성 추적기는 목표로 정해진 검출된 물체를 섬멸하거나 못쓰게 만들기 위하여 별도의 고출력 레이저 빔이나 다른 무기류의 인게이지먼트(engagement) 수단과 결합된다. 고출력 레이저 빔 무기류는 이미지 생성 장치와는 독립적이고 표적에 있는 최적의 취약한 지역을 인게이지 하기 위한 목표로 정한 오프셋 각도(offset angle)로, 이미지 생성 장치의 처리된 산물로 결정되는 계산된 최적의 위치와 속도 벡터에 반응하여 전형적으로 조향된다.
종래의 이미지 생성 추적기 시스템은 표적의 위치를 효과적으로 정할 수 있는 반면에 다수의 제한 사항이 이동하는 물체를 연속적으로 추적하고 효과적으로 인게이지(engage) 하는 성능에 있어서 존재하고 있다. 첫째, 종래의 이미지 생성 접근법을 보면, 인게이지먼트에 사용되는 고출력 레이저 빔이 이미지 생성 장치에 간섭 효과를 일으킬 수 있고 그리하여 추적점(track point)을 말소시킬 수 있는데, 이것에 의해서 그 장치는 표적화된 물체의 궤도를 잃어버리게 한다. 이미지 생성 장치에 있는 이러한 레이저 빔의 간섭 효과를 줄이기 위하여, 고출력 레이저 빔이 이미지 생성 장치로부터 오프셋될 수 있다. 그러나, 그 오프셋 레이저 빔은 전반적인 추적 계획안에 부가적인 에러를 도입할 수는 있지만 간섭 효과의 문제를 항상 효과적으로 줄이거나 제거하지는 못한다. 둘째, 레이저를 효과적으로 지시하기 위하여 이미지 생성 센서 데이터를 사용하는 능력은 레이저 라인오브사이트(line of site) 위치와 더불어 센서 라인오브사이트(line of sight)의 정확한 보어사이트(boresight)에 달려있다. 역사적으로 보면, 압력을 받는 환경 조건 하에서 적합한 보어사이트를 유지하는 것은 어려운 일이다. 셋째, 종래의 이미지 생성 추적기는 일반적으로 이미지 생성 추적기 그 자체로의 해상도(resolution)로 제한되어 있다. 즉, 표적이 매우 작고 이미지 생성 추적기의 해상도 한계값 아래에 있을 때, 표적에 고정하는 능력은 추적기의 해상도에 의해 제한되어질 수 있다. 따라서, 종래의 이미지 생성 추적기는 일반적으로 추적기의 해상도 제한 범위 보다 더 작은 표적을 용인할 수 없는 큰 추적 에러를 나타냄이 없이는 추적할 수 없게 된다. 비록 해결할 수 있는 표적이라 하더라도, 시간에 대한 추적 각도의 제 2 및 제 3 도함수와 조준점 오프셋 각도의 도함수에 비례하는 추적 에러는 특히 포위된 접근 비행(close-in fly-by) 교전에 있어서 용인할 수 없이 큰 에러가 생길 수 있다. 이것은 효과적으로 추적될 수 있는 표적의 크기에 제한이 있기 때문에 발생한다. 이것을 교정하지 않으면, 종래의 고에너지 레이저 무기의 효과성은 제한된다. 결과적으로, 주어진 출력으로, 적절한 영향력있는 파괴를 달성하기 위해서는 일반적으로 더 긴 드웰 시간(dwell time)이 필요하게 되는데 그렇게 함으로써 구역 안에 못들어오게 하는 거리가 짧아지게 되고 레이저 연료 시스템을 더 소모시키게 된다.
부가적으로, 교란, 지시 시스템의 작은 교란이나 추적 시스템의 작은 교란, 또는 고출력 레이저 빔의 전파는 레이저 빔이 표적을 놓치게 할 수 있다. 마찬가지로, 광학적으로 비균질인 대기를 통한 레이저 빔의 전파는 또한 레이저 빔이 표적으로 빗나가게 유도하는 원인이 될 수 있다. 레이저 빔에 대한 그러한 교란은 표적을 추적하는 종래의 이미지 생성 장치가 인게이지 하는 고출력 레이저 빔의 무기류와는 독립적이기 때문에 검출되지 않는 경향이 있다.
더욱이, 표적에 레이저 빔의 효과적인 살상 인게이지먼트의 포텐셜을 결정함으로써 레이저 무기 추적 시스템의 정확성을 효과적으로 결정할 필요가 있다. 즉, 주어진 레이저 무기 추적 시스템의 효과성을 결정하기 위하여, 이동하는 표적, 특히 낮은 출력의 레이저를 사용하는 예비 추적 테스트에서 레이저 빔의 적중도(hit)를 계수할 수 있는 것이 바람직하다. 현재, 실재로는 표적의 파괴를 필요로 하지 않고 효과성을 테스트하기 위하여 이동하는 미사일 표적에 부딪히는 레이저 빔의 순간적인 위치를 독립적으로 엑세스할 필요가 있다.
따라서, 에러와 간섭 효과의 문제에 덜 영향을 받는 레이저 빔으로 이동하는 물체를 추적하는 시스템과 방법을 제공하는 것이 그러므로 바람직하다.
양호하게 보어사이트 된 이미지 생성 추적기 장치에 독립적인 고출력 레이저 빔으로 이동하는 표적을 추적하고 자동 고정하는 레이저 빔 추적 시스템을 제공하는 것이 또한 바람직하다.
그러나, 이미지 생성 추적기 해상도에 상관없이, 해상할 수 없는 표적 같은 작은 표적을 추적할 수 있는 그러한 레이저 추적기를 제공하는 것이 또한 바람직하다.
또한, 레이저 무기 시스템의 파괴 효과를 테스팅하기 위해 이동하는 표적에 레이저 빔 적중도를 독립적으로 억세스하는 시스템과 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 설명에 따라, 레이저 에너지로 이동하는 물체를 추적하는 시스템과 방법이 제공된다. 그 시스템은 레이저 에너지의 빔을 생성시키는 레이저 생성기와 표적화된 이동하는 물체를 추적하기 위하여 레이저 에너지의 상기 빔을 조향하기 위한 빔 조향기를 포함한다. 그 빔 조향기는 진동 방식으로, 바람직하게는 두 개의 직교 방향으로 진동하는 진동 방식으로 레이저 에너지의 상기 빔을 조향한다. 그 고출력 레이저 빔은 제 1 디더(dither) 주파수에서 제 1방향으로 진동하고 상기 제 1 디더 주파수로부터 구별되는 제 2 디더 주파수에서 제 2방향으로 진동한다. 망원경은 상기 표적화된 물체에서 반사되어 나오는 레이저 에너지를 수렴하고 검출기는 수신된 반사 에너지의 양을 검출한다. 검출된 에너지는 각 채널에서 제 1 및 제 2 디더 주파수를 분리하기 위하여 필터링된다. 필터링된 신호는 그 채널에 대하여 레이저 미러 생성기로부터 유도되는 사인 함수로 각각의 채널을 증폭함으로써 동기적으로 검출된다. 그 빔의 중심이 정확히 예를 들면 원통형 표적의 중심선에 위치될 때, 반사된 출력은 디더 주파수의 고조파만을 포함한다는 것은 관찰된 사실이다. 만약 양 측에 배치된다면, 디더 주파수의 성분의 크기는 어느 측을 가리키는 부호의 변위에 비례하여 증가한다. 바이어스 신호는, 빔의 중심이 어느쪽에 있느냐에 따라 플러스 또는 마이너스인 부호를 갖는, 표적의 중심선에서의 빔 중심 변위에 비례하는 수신되고 반사된 동기적으로 검출된 출력으로부터 생성된다. 이것은 빔 조향기가 레이저 빔을 조향하여 표적에 중심이 오게 해주는데, 이것에 의하여 표적화된 물체를 추적하게 한다.
본 발명의 추적 시스템은 물체의 중심 부분을 추적하기 위하여 중심부 추적 모드(centroid track mode)에서 또는 에지부를 검출하고 추적하기 위하여 에지부 추적 모드(edge track mode)에서 각 채널에 대해 동작할 수 있다. 중심부 추적 모드에서, 레이저 빔은 하나 또는 양 채널에 의해 스캐닝된 방향에서 표적화된 물체의 중심 부분에 자동 고정된다. 에지부 추적 모드에서, 수렴된 신호는 주어진 채널에 대해 에지부를 구별하고 에지부에 자동 고정하기 위하여 하나 또는 양 채널에 대하여 동기 검출전 변조 방법(modified before synchronous detection technique)을 사용하여 처리된다.
부가적으로, 본 발명의 추적 시스템은 표적 중심이나 하나 이상의 에지부에서 표적 추적을 하기 위해 빔 에너지의 일부를 사용하고, 또한 표적 상에서의 취약 영역(vulnerable region)이라고 알려진 별개의 영역으로의 큰 빔에너지를 오프셋팅 하는 식으로 동작할 수 있다. 이 오프셋은 시간적이거나 공간적인 영역으로 시행될 수 있다. 시간적인 영역에서 오프셋은 추적 루프를 교대로 폐쇄시키고 고주파수에서 희망하는 양만큼 빔을 오프셋함으로써 실현될 수 있다. 공간 영역(domain)에서는, 빔의 낮은 파워 세그먼트는 추적 기능을 성취하는데 사용하면서 빔을 공지된 오프셋 각도를 이용하여 물리적으로 크고 작은 부분으로 분할함으로써 오프셋이 달성될 수 있다. 이러한 접근법은 본 발명의 추적 시스템이 추적을 하기 위해 최적인 표적의 에지부나 특징부 상으로 추적을 계속 하게 해주는 반면에, 인게이지먼트에 최적인 취약한 지역에 그 에너지의 대부분을 사용한다.
본 발명의 또다른 측면에 따라, 이동하는 표적의 레이저 빔 적중도를 독립적으로 평가하는 시스템과 방법이 달성되어질 수 있다. 테스트 방법론은 표적 미사일에 있는 다수의 대역 내에 스코어링 영역(scoring regions)을 할당하는 단계를 포함한다. 각 대역은 반사하는 스트립을 분리하는 흡수 페인트를 바람직하게는 제공하면서, 반사 스트립의 선택된 수를 포함한다. 각 영역은 다른 대역으로부터 해당 대역을 구별하게 하는 서로 다른 수의 스트립을 가지게 될 것이다. 레이저 에너지는 미사일 표적으로부터 반사되고 인게이지먼트의 영역은 스트립의 수와 미사일 회전율(roll rate)의 함수로 결정된다.
본 발명의 또다른 목적과 장점은 처부되는 상세한 설명을 습득하고 도면을 참조할 때 당업자에게는 명백하게 될 것이다.
도 1은 추적기로 미사일 표적을 추적하기 위한 각도 정의를 도시하는 도면.
도 2는 이미지 생성 추적기와 결합되어 통합되어 있는 본 발명의 추적 시스템의 블록도.
도 3은 일실시예에 따라 일차원적인 추적을 이루기 위한 본 발명의 추적 시스템.
도 4는 표적의 중심선 축을 따라 일차원적인 디더(dither) 추적도이고 빔의 중심이 표적의 중심선 상에 있을 때 검출된 신호의 페이즈 변화도.
도 5는 일차원을 따른 미사일 중심으로부터 여러 레이저 빔의 변위에 대한 반사된 신호 진폭의 그래프.
도 6은 몇몇 디더 크기에 대한 상대적인 에러를 도시하는 에러 특성 곡선도(빔 중심 표적 센터 변위의 함수로서의 에러 신호).
도7은 본 발명으로 에지와 중심의 추적의 여러 가지 가능한 결합에 따른 미사일의 에지 추적도.
도 8은 편평하고 원통형인 표적으로부터 미소 변화 전후에 에지 검출을 위한 수신된 신호.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 에지 검출로부터 유도된 에러 신호.
도 10은 다른 실시예에 따라 시간적 또는 공간적 영역 중 어느 하나를 사용하는 두 개의 오프셋 빔 위치로 추적하는 도면.
도 11은 다른 실시예에 따라 공간적 영역에서 두 개의 오프셋 빔을 제공하기 위한 프라이머리 미러와 가동된 세컨더리 미러 조립체의 측면도.
도 12는 본 발명의 레이저 인게이지먼트의 테스트에 따라 테스트 미사일을 사용하는 레이저 추적 테스트 시스템의 개략도.
도 13은 본 발명의 레이저 추적 테스트 시스템을 도 도시하는 블럭도.
도면 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 추적 시스템 12 : 미사일 표적
30x, 30y : 제 1 및 제 2 서보 루프 32x, 32y : 디더 생성기
56 : 이미지 디로테이터 58 : 수신기 망원경 및 대역 통과 필터
60 : 고출력 레이저 빔 156 : 오목 일차 미러
158 : 중앙 홀 160 : 볼록 이차 미러 조립체
162 : 반사면 164 : 볼록 미러면
166 : 이동 가능한 피스톤 작동기 168 : 중앙 미러 장착대
100 : 레이저 추적 테스팅 시스템 102,104,106 : 스코어링 대역
108 : 반사하지 않는 영역 110 : 반사하는 스트립(strip) 영역
이제 도 1로 돌아가 보면, 추적 각도의 정의는 미사일 표적(12)과 추적 시스템(10)에 관련되어 정의된다. 추적 각도는 본 발명의 추적 시스템(10)을 기술하는데 사용될 수 있는 선택된 벡터에 관련되어 정의된다. 미사일(12)과 같은 이동 표적은 추적 시스템(10)으로부터 순간 거리(R) 지점에서 접근 비행(fly-by)하고 있는 것으로 도시된다. 추적 시스템(10)은 지상 기지 발진의 플랫홈(land-based platform), 공중 기지 발진의 플랫홈(airborne platform) 또는 우주선 발진의 프랫홈(spacecrft platform)으로 운송되어질 수 있다. 모든 그러한 프랫홈들은 본 발명의 범주 내에 있다.
표적 미사일(12)은 표적 속도(V)를 갖고 델타(Δ)를 앞에 붙여서 도시된 작은 미분 각도(differential angle)에 비하여 일반적으로 큰 각도인 보어사이트 각도(boresight angle)를 갖는다. 또한 추적기(10)와 미사일(12)의 선단 중심부에 의해 한정되는 조준점 라인오브사이트 벡터(aimpoint line-of-sight vector)(14)가 도 1에서 도시된다. 추적기 라인오브사이트 벡터(16)는 추적기(10)과 미사일(12)의 후단 부근의 에지부-에지부 지점(edge-edge point)에 의해 한정된다. 또한 HEL(high energy laser) 빔의 축(15)과 추적기 보어사이트 벡터(17)가 포함되어 있다.
시스템 에러(εSYS)는 순간적인 HEL 빔의 축(15)과 선택된 조준점 라인오브사이트 벡터(14) 사이의 차이로서 한정되어 도시된다. 추적 에러(εSYS)는 추적기 보어사이트 벡터(17)와 추적기 라인오브사이트 벡터(16) 사이의 차이로서 정의된다. 이제부터 설명되는 바와 같이 본 발명의 추적 시스템(10)은, 열등한 표적 해상도와, 측정된 미사일 속도 벡터 또는 각가속도에 기초를 둔 미사일 회전축(roll-axis)의 불충분한 판단과, 및 특히 최근접 범위의 거리 부근에서 일어날 수 있는 가속도 에러율로 인하여 종래의 이미지 생성 추적기에서 일어날 수 있는 시스템 에러(εSYS)를 감소시키거나 제거해준다.
도시된 미분 각도에는 추적기 보어사이트 벡터(17)와 HEL 빔 축(15) 사이의 각변위(angular displacement)로 정의되는 고 에너지 레이저(HEL)의 레이저 빔 변위(ΔθHEL)가 포함되어 있다. 응차 조준 각도(Δθaim)는 추적기 라인오브사이트 벡터(16)와 조준점 라인오브사이트 벡터(14) 사이의 각변위로 정의된다. 추적기 보어사이트 변위(θbore)는 수직축으로부터 추적기 보어사이트 벡터(17)의 각변위로 정의되는 반면에 표적 각도(θtarget)는 수직축으로부터 추적기 라인오브사이트 벡터(16)의 각변위로 정의된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 추적 시스템(10)은 종래의 이미지 생성 추적기(20)와 통합되어 도시된다. 종래의 이미지 생성 추적기(20)는 표적화된 물체의 대략적인 위치를 초기에 결정하기 위하여 본 발명의 추적 시스템(10)과 더불어 사용될 수 있다. 이것은 차례로 본 발명의 추적 시스템(10)의 고 에너지 출력 레이저 빔이 표적의 대략적인 부근에 위치되게 하고 그 표적을 추적하는 것과 그 다음의 자동 추적(lock-on)으로 그 표적을 인게이지(engage) 하게 할만큼 충분히 가까이 위치되게 해준다. 종래의 이미지 생성 추적기(20)는 본 발명과 더불어 도시되는 반면에, 추적 시스템(10)이 이미지 생성 추적기(20)와 또는 그 추적기 없이 사용될 수 있다는 것과 다른 형태의 추적기가 이미지 생성 추적기(20)를 대신하여 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도시된 바와 같이 종래의 이미지 생성 추적기(20)는 전자 카메라(도시되지 않음)과 같은 이미지 생성 장치를 포함한다. 이미지 생성 추적기는 표적으로부터 나오는 에너지, 곧 태양 광선이나 표적 조사기로부터 나오는 반사 에너지 또는 표적의 열 에너지로부터 나오는 에너지를 수신한다. 이미지 생성 추적기(20)는 표적을 이미지의 프레임(frame) 내에서 정의하고 표적 각도(θtarget)와 조준점의 변화(Δθaim)를 결정한다. 표적 각도(θtarget)는 추적 루프(25)로부터 결정되는 보어사이트 각도(θbore)와 함께 가산기(22)에 입력된다. 이러한 가산 결과는 일반적으로 제 1 필터(L(s))(24)의 입력이 되는 추적 에러(εtrack)를 정의해줄 것이다. 조준점의 변화(Δθaim)는 가산기(27)를 통하여 추적 에러(εtrack)에 함께 가산되고 그 가산 결과는 ΔθHEL을 유도하는 제 2 필터(F(s))(28)에 입력된다. 출력(ΔθHEL)은 레이저 빔 각도(θHEL)의 추점(estimation)를 제공하기 위하여 가산기(26)를 통하여 제 1 필터(L(s))(24)의 출력과 더불어 가산된다. 이미지 생성 추적기(20)로부터 유도된 이러한 정보는 표적화된 물체의 위치를 대략적으로 추적하는데 유리하게 제공될 수 있다.
본 발명의 추적 시스템(10)은 이차원에서 표적을 추적 하는 것을 위해 제공하는 것이 바람직하고, 그러나 일차원에서 표적을 추적 하는 방법도 본 발명의 설명에 따라 사용될 수 있다. 도 2에서 도시된 바와 같이, X 좌표로 정의된 제 1 방향으로 표적을 추적 하는 것을 성취하기 위하여, 제 1 서보 루프(30x)가 제공된다. 마찬가지로 Y 좌표로 정의된 제 2 방향으로 표적을 추적 하는 것을 성취하기 위하여, 제 2 서보 루프(30y)가 제공된다. 제 1 서보 루프(30x)는 X 좌표를 따라 중심부 또는 에지부를 추적하는 것을 제공하는 반면에, 제 2 서보 루프(30y)는 Y 좌표를 따라 중심부 또는 에지부를 추적하는 것을 제공해준다. 바람직한 실시예에 따라, X 및 Y 좌표는 서로 직교하고 표적(12)의 회전축에 대하여는 평행하고 수직한 것이 바람직하다.
추적 시스템(10)은 상대적으로 넓은 시야로부터 들어오는 산란된 레이저 에너지를 수신하는 수신기 망원경 및 대역 통과 필터(58)를 더 포함한다. 수신기 망원경 및 대역 통과 필터(58)는 개개의 제 1 및 제 2 디더 주파수(dither frequencies)를 필터링하고 그 대응하는 디더 주파수 신호를 각각의 제 1 및 제 2 서보 루프(30x 및 30y)로 통과시킨다. 즉, 제 1 디더 주파수를 포함하는 신호는 망원경 및 대역 통과 필터(58)를 통하여 필터링되고 제 1 서보 루프(30x)에 통과되는 반면에 제 2 디더 주파수 신호는 마찬가지로 제 2 서보 루프(30y)에 통과된다.
또한 디더 생성기(32x 및 32y)에 연결되는 이미지 디로테이터(derotator)(56)가 도 2에 도시되어 있다. 이미지 디로테이터(56)는 적절한 선형 결합을 취함으로써 X 및 Y 생성기로부터 두 개의 디더 주파수 신호를 디로테이트(derotate)하여, 그 결과 그 직교 디더 주파수 신호들은 바람직하게도 표적 회전축에 평행하고 또한 수직하다. 디로테이션(derotation)을 시행하는데 필요한 각도의 정보는 이미지 생성 추적기(20)로부터 유도될 수 있다. 출력으로서, 이미지 디로테이터(56)는 그 대응하는 직교 신호(U 및 V)를 디더 미러 드라이브(54)에 제공한다.
제 1 및 제 2 서보 루프(30x 및 30y)는 동일한 서보 제어 루프인데 각 루프는 지정된 좌표에 대한 신호를 처리한다. 제 1 서보 루프(30x)에 대하여 설명하자면면, 스위치(46x)는 동작의 에지부 추적 모드(edge track mode)와 중심부 추적 모드(centroid track mode) 사이를 선택한다. 에지부 추적 모드에서, 추적 시스템(10)은 X 좌표를 따라 에지부 검출을 제공하는 반면에 동작의 중심부 추적 모드는 추적 시스템(10)이 X 좌표를 따라 그 표적의 중심부를 추적하게 해준다. 일실시예에 따라, X 좌표는 미사일 표적(12)의 회전축으로서 정의될 수 있다.
또한 에지부 추적 출력이나 중심부 추적 출력 중 하나를 수신하는 가산기(40x)가 제 1 서보 루프(30x)에 포함되어 있다. 더구나, 가산기(40x)는 폐쇄된 루프 경로의 일부로서 광 경로 루프 폐쇄 신호(optical path loop closure signal)(38x)를 수신한다. 가산기(40x)가 제공되는 가산 결과는 곱셉기(34x)에 공급되고, 곱셉기는 제 1 디더 생성기(32x)로부터의 신호를 가산 결과와 곱셈을 한다. 제 1 디더 생성기(32x)는 X 좌표를 따라 진동 신호(oscillatory signal)에 제 1 디더 주파수를 제공한다. 곱셉기(34x)의 출력은 광 경로 루프 폐쇄 신호(38x)를 순차로 제공하는 필터(H(s))(36x)에 통과된다. 사실상, 그 필터(36x)는 적분 및 필터링을 제공한다. 또다른 필터(LP(s))(42x)는 가산기(45)에 바이어스 출력을 제공한다.
제 1 서보 루프(30x)와 마찬가지로, 제 2 서보 루프(30y)도 동작의 에지부 추적 모드(44y)와 중심부 추적 모드 사이를 전환시키는 스위치(46y)를 포함하고 있다. 또한 제 2 디더 주파수를 제공하기 위하여 가산기(40y), 곱셉기(34y), 및 디더 생성기(32y)가 포함된다. 제 1 및 제 2 디더 주파수는 서로 구별 가능하고, 그러나 바람직하게는 잘 어울리지 않아서 그 결과 그 비율이 작은 정수로 감소시킬수 없다. 필터(H(s))(36y)도, 마찬가지로 광 경로 루프 폐쇄 신호(38y)를 따라 가산기(40y)에 역으로 공급되는, 적분 및 필터링을 제공한다. 부가적으로, 또다른 필터(LP(s))(42y)는 가산기(40y)로부터 서보 루프(30x 및 30y)의 두 출력을 순차로 가산하는 가산기(45)에 바이어스 출력을 제공한다. 가산기(45)의 출력은 이미지 생성 추적기(20)의 출력과 함께 가산기(49)에 입력으로 제공된다.
도 3을 참조하면, 추적 시스템(10)은 서보 루프(30x)와 같은 일차원으로 주어진 하나의 서보 루프로 표적을 추적하기 위하여 좀더 상세하게 도시된다. 고출력 레이저 빔 생성기(50)는 표적(12)을 향하는 레이저 빔의 방향 지시를 제어하기 위하여 고속 방향 지시 미러(fast pointing mirror)(52)에 고출력 레이저 빔(60)을 집중시킨다. 고속 방향 지시 미러(52)는 바이어스 신호(55)에 반응하여 조향되며 일반적으로 짐벌(gimbal) 위에 장착되는 서보로 제어되는 방향 지시 미러이다. 레이저 빔(60)이 표적(12)을 인게이지 하거나 표적(12)에 매우 가까이 있을 때에는, 레이저 에너지는 표적(12)으로부터 반사된다.
추적 시스템(10)은 상대적으로 넓은 시야로부터 나오는 레이저 에너지를 수렴하기 위하여 일반적으로 위치되는 망원경/검출기(64)를 더 포함한다. 망원경/검출기(64)는 충분히 큰 시야를 갖기 때문에, 망원경/검출기(64)의 정밀한 방향 지시는 필요하지 않다. 망원경/검출기(64)는 망원경으로 수신되는 총 산란된 에너지를 검출하기 위하여 초점 평면(focal plane)에 위치되는 검출기를 가지는 망원경을 포함할 수 있다. 망원경/검출기(64)는 자체 내에서 수렴된 광의 세기에 비례하는 전기 신호를 생성한다. 망원경/검출기(64)는 대역 통과 필터와 같이, 수신된 에너지를 고출력 레이저 빔(60)의 레이저 파장으로 제한하는, 필터를 포함하는 것이 바람직하다. 또한 망원경/검출기(64)는 특별히 이차원의 추적을 하는 것에 사용될 때, 디더 주파수를 분리하기 위하여 대역 통과 필터를 갖는 것이 바람직하다.
망원경/검출기(64)로부터의 전기 신호 출력은 증폭기(66)를 경유하여 증폭되고 커패시터(C)와 저항기(R)로 이루어진 R-C 회로를 지나 전송되어진다. 곱셉기(34)는 전기 신호를, 디더 생성기(32)와 가변 위상 이동 블록(variable phase shift block)(69)에 의해 생성된, 진동 신호와 혼합한다. 곱셉기(34)의 출력은 적분기 및 필터(68)을 거쳐 전송된다. 따라서, 주어진 채널에 대해 필터링된 신호는 레이저 미러 디더 생성기(32)로부터 유도된 코사인 신호로 그 신호를 멀티플라잉함으써 동기적으로 검출되고 적분기 및 필터(68)로 전송된다. 적분기 및 필터(68)의 출력은 디더 생성기(32)로 생성되는 진동 신호와 가산되고 그 결과 바이어스 신호를 생성한다. 바이어스 신호는 고속 조향 미러(52)가 바이어스 신호에 비례하는 속도로 해당되는 차원 즉 디더 축을 따라 바이어스 또는 에러 신호를 제로화(null-out)시키기 위한 방향으로 반사면을 움직이게 해준다.
추적 시스템(10)의 동작은 이제 도 3에서 도시되는 일차원 추적 장치와 연관해서 여기에 기술될 것이다. 고출력 레이저 빔 생성기(50)는 미사일(12)과 같은 표적을 향하여 고속 방향 지시 미러(52)로 조사되는 고출력 레이저 빔(60)을 생성시킨다. 전술된 바와 같이, 종래의 이미지 생성 추적기(20)는 먼저 표적의 대략적인 위치를 결정하는데 사용될 수 있는데, 이것에 의해서 고출력 레이저 빔(60)이 표적 미사일(12)의 일반적인 부근에 위치되게 한다. 도 4를 특별히 참조하면, 고출력 레이저 빔(60)은 미사일(12)의 회전 축에 수직인 Y 좌표로 도시된 디더 축을 따라 디더 주파수에 따라서 진동(oscillating)하는 것으로 도시된다. 고출력 레이저 빔(60)은 미러 드라이브 신호(32)에 대응하여 진동하는데, 이것에 의해서 진동 주파수에 의하여 Y 축을 따라 미사일(12)의 몸체 부분을 통과하여 지나간다. 레이저 빔(60)은 미사일 몸체의 짧은 크기를 가로지르는 주기적인 스캐닝을 실시하도록 조향되고, 그에 반응하여 도 4의 오른쪽에 도시된 두 개의 검출된 파형(70a 및 70b)으로 도시된 바와 같이 반사된 에너지 신호를 생성시킨다. 두 개의 검출된 신호 파형(70a 및 70b)은, 레이저 빔(60)의 평균 빔 중심이 표적(12)의 중심 라인에 대하여 한 쪽 또는 다른 쪽(즉, 높은 또는 낮은)에 있느냐에 따라 서로에 대하여 180°만큼 위상이 다르게 된다. 그러므로 미러 드라이버에 대한 이러한 위상을 검출하는 것은 추적 시스템(10)이 고출력 레이저 빔(60)을 낮추거나(down) 또는 높게(up) 조준하느냐를 지시해준다.
따라서, 본 발명의 레이저 추적 시스템(10)은 일차원 또는 이차원으로 표적(12)을 가로질러 스캐닝할 것이고 표적으로부터 반사된 에너지를 검출할 것이다. 반사된 에너지는 레이저 빔에 대하여 표적의 위치를 결정하기 위해 분석되어 더 나아가서 레이저 빔을 표적 미사일(12)에 더 가까이 인게이지먼트 하도록 해주는데 필요한 바이어스 신호를 결정하게 할 것이다. 자동 추적이 달성되면, 디더 진폭은 일정값으로 감소될 수 있다. 예를 들면, 표적에 있는 스폿(spot)에 대하여 일정값, 10퍼센트이면 일례에 따라 충분할 것이다. 군사적인 파괴를 목적으로 한다면, 고에너지 레이저 빔(60)은 표적 미사일(12)을 신속히 무력화하거나 심지어 파괴하는데 충분한 에너지로 제공될 수 있다.
도 5를 참조하면, 망원경/검출기(64)의 출력이 도시되는데 단일 차원으로 디더링하기 위해 검사된다. δ는 빔 반경의 단위로 측정되는, 표적 중심라인으로부터 레이저 빔 중심의 변위를 나타낸다. 망원경/검출기(64) 출력의 진폭은 고출력 레이저 빔(60)이 표적(12)의 중심으로 더 가까이 이동됨에 따라 증가한다. 또한, 빔이 표적 위의 중심이 있을 때 잔류하는 검출된 신호는 δ가 0.0과 같은 것으로 증명되는 바와 같이 주기의 절반을 일반적으로 나타내는 제 2 고조파이다. 만약 도 5의 도면이 제로를 통과 해서도 계속된다면, 0.2, 0.4, 0.8 값의 δ로 명명된 곡선은 위상이 180° 만큼 변화되는 것을 제외하고는 재생성이 될 것이다.
도 6은 적분기 및 필터(68)의 출력을 도시하는 에러 특성 곡선의 도면을 도시한다. 에러 신호는 제로를 통과 가고 평균 레이저 빔의 중심이 표적의 중앙라인을 거쳐 지나갈 때 부호를 변화시킨다. 디더 주파수의 진폭이 작을 때, 상기 에러 신호는 빔 반경 단위로 표시된 디더 주파수 진폭에 직접적으로 비례한다. 상대적인 에러 신호는 빔의 중심 변위가 제로를 통과할 때, 즉 기본적으로 서보-제어 영역에서의 죽은 영역(dead zone) 및 결과적으로 정적 잔류 에러가 없다는 것을 의미하는 것을 나타낼 때, 유한하게 유지되는 경사를 갖는다. 또한, 도시된 레이저 빔의 포획 범위는 표적의 중심으로부터 빔 중심까지에 이르는 두 개의 빔 반경 포획 범위(capture range)를 제공해 준다. 도 5에서의 라인(74a 및 74b)는 빔 직경의 일부로서 표현된 상대적인 디더 진폭의 두 개의 다른 값을 지칭한다.
지금까지, 추적 시스템(10)의 동작은 중심부 추적 모드에 대하여 논의해 왔었다. 그 개념은 또한 도 2a에서 기술된 바와 같은 디더 생성기 출력을 변조함으로써, 응차 처리 과정을 도입함으로써 표적 에지부를 추적하는 것에도 적용가능하다는 것을 이해하여야 할 것이다. 추적 시스템(10)의 에지부-에지부 및 중심부-에지부 추적의 예가 도 7에 도시되어 있다. 실례(76)는 표적 미사일(12)의 탄두부분에 대하여 에지부-에지부 추적을 도시한다. 추적 시스템(10)은 에지부-에지부 검출을 구별하기 위하여 X 좌표와 Y 좌표 모두에서 에지부를 검출한다. 실례(78)는 표적 미사일(12)의 탄두부분에 대하여 중심부-에지부 추적을 도시한다. 이러한 예에서, 중심부 검출은 Y 좌표에서 수행되는 반면에 에지부 검출은 X 좌표를 따라 제공된다. 실례(80)는 표적 미사일(12)의 후미부분 부근의 뾰족한 부분(sharp feature)에 대하여 에지부-에지부 추적을 더 도시한다. 본 발명에 따른 에지부 및 중심부 추적에 대한 여러 가지 조합이 표적이 될 수 있는 여러 가지 물체 중 하나를 추적하고 인게이지 하기 위하여 달성될 수 있다는 알 수 있다.
십자선 상에 중심을 둔 직사각형 모양의 영역은, 빔이 직교 방향으로의 두 개의 다른 디더 주파수에서 디더링될 때, 고출력 빔(60)의 중심부에 의해 추적되는 리사쥬(lissajou)로 스캐닝되는 패턴이다. 리사쥬 패턴은 이차원 디더 추적에서 나타나는 구별되는 특성이다. 사실상, 이차원으로 추적하는 것은 두 개의 디더 주파수가 유한한 크기를 갖는 이차원 표적에 적용가능하게 만들어진 검출 방법 내에서 밀도있고 균일하게 채워지는 스캐닝 패턴을 만들어낼수 있도록 선택되는 스캐닝을 제공한다. 고출력 레이저 빔(60)이 표적의 희망하는 추적 에지부 또는 중심부로 인게이지먼트 하도록 하는데 필요한 해당 에러 신호를 결정하기 위하여 각각의 차원 내에서 여러 가지 표적 모양으로부터 산란된 신호가 분석된다.
에지부 검출을 더 도시하기 위하여, 도 8은 편평한 직사각형 모양의 스트립 및 동일한 폭을 갖는 실린더형의 표적으로부터 수신된 신호가 어떠한지를 도시한다. 그 빔의 라인오브사이트는 표적 부근에 있으나 표적위에 있지 않다. 직사각형 모양의 스티립의 표적 반응은 신호(82)로 도시되고, 결국 에지부로 미분된 반응(edge differentiaged response)은 신호(84)로 제공된다. 마찬가지로, 실린더 표적의 에지부를 스캐닝하는 것은 신호(86)로 도시되는 반면에 그 에지부로 응차된 파형은 신호(88)로 제공된다. 따라서, 차분기를 부가함으로 중심부 검출기를 에지부 검출기로 전향시키게 하는데 그러므로 그 개념은 두 개의 일차원 디더 자동 추적 라인의 교차점 상에 표적 위의 자동 추적점을 확립하는데 사용된다. 그때 에러 신호는 도 9에서 도시된 바와 같이 에지부 검출로부터 유도될 수 있다.
대안적으로, 본 발명의 추적 시스템(10)은 동작의 공간적 또는 시간적 모드중 하나에 따라 오프셋 추적(offset tracking)으로 구체화될 수 있다. 도 10을 참조하면, 실례(130 및 132)는 표적 중심부 또는 하나 이상의 에지부 중 어느 하나 위의 표적을 추적하기 위해 레이저 빔 에너지(60)의 작은 부분(60a)을 사용하는 것을 도시하고, 표적(12)위에 별도의 공지된 취약한 영역에 레이저 빔 에너지(60)의 대부분 즉 큰 부분(60b)을 더 사용하는 것을 도시한다. 따라서, 레이저 빔의 낮은 에너지 부분(60a)이 표적(12)을 추적하는 반면에, 레이저 에너지의 큰 부분(60b)은 표적(12)위에 희망하는 영역을 인게이지 하기 위하여 일반적으로 표적(12)을 파괴하려는 의도에서 희망하는 양만큼 오프셋된다. 실례(130)에서 도시된 바와 같이, 낮은 에너지 부분(60a)이 표적(12)의 탄두에 대하여 중심부-에지부를 추적하는 반면에 높은 에너지 부분(60b)은 표적(12)의 중앙부를 향하여 오프셋된다. 실례(132)는 표적(12)의 후미 부근에 뾰족한 부분(sharp feature)에 대하여 낮은 에너지 부분(60a)으로 에지부-에지부 추적을 도시하는 반면에 높은 에너지 부분(60b)은 표적(12)의 희망하는 중앙영역으로 향해간다.
희망하는 레이저 빔 오프셋을 달성하기 위하여, 시간적인 또는 공간적인 영역(domain)이 사용될 수 있다. 시간적인 영역에서, 오프셋은 교대로 추적하는 루프를 폐쇄시키고 높은 주파수에 있는 희망하는 양만큼 레이저 빔을 오프셋팅함으로써 달성될 수 있다. 따라서, 시간적인 영역은 레이저 빔이 표적 부위와 섬멸 부위 사이를 교대로 해줄 것이다. 그렇게 하게 될 때, 레이저 빔은 표적 부위에 있을 때는 낮은 에너지 레벨을 갖고 섬멸 부위에서는 높은 에너지 레벨로 전환되는 것이 바람직하다. 공간적 영역에서 레이저 에너지의 낮은 에너지 부분(60a)과 높은 에너지 부분(60b) 사이의 오프셋은 물리적으로 레이저 빔을 잘 알려진 각도 오프셋으로 바람직하게는 추적 기능을 달성하는데 사용되고 있는 빔의 낮은 출력 분할로 큰 에너지 부분과 작은 에너지 부분으로 분할함으로써 달성될 수 있다. 이러한 접근법은 본 발명의 추적 시스템(10)으로 하여금 추적하기 위한 목적에 적합한 표적(12)의 에지부나 특징부에 추적을 유지하게 해주는 반면에, 가용 에너지의 대부분을 인게이지먼트에 적합한 취약 영역으로 가게 해준다. 시간적 또는 공간적인 영역에 대해, 오프셋의 양은 각도 오프셋으로 제공될 수 있는데, 이것은 표적(12)에 대한 희망하는 인게이지먼트 영역과 거리에 기초를 두고 결정될 수 있다.
도 11은 공간적인 영역에 따라 레이저 에너지의 분할된 높은 에너지 부분(60b)과 낮은 에너지 부분(60a)을 실현시키는데 사용될 수 있는 미러 어셈블리(154)를 도시한다. 미러 어셈블리(154)는 지지용 버팀목(170)을 통하여 볼록 세컨더리 미러 어셈블리(160)와 고정된 상관 관계로 연결된 오목한 프라이머리 미러(156)의 결합을 포함한다. 프라이머리 미러(156)는 높은 에너지 레이저 빔(60)을 수용하기 위하여 형성된 중앙 홀(158)을 갖는다. 세컨더리 미러 어셈블리(160)는 어셈블리(160)의 중앙부에 중앙미러 장착대(168)을 통하여 제자리에 고정된 볼록 미러 표면(164)을 포함한다. 세컨더리 미러 어셈블리(160)는 반사면(164)의 외부 경계면의 고리띠 주위로 형성된 반사면(162)을 더 포함한다. 외부 고리띠 반사면(162)은 다수의 이동 가능한 피스톤 작동기(166)를 통하여 위치된다. 네 개의 피스톤 작동기는 일실시예에 따라 충분할 수 있다. 피스톤 작동기(166)는 X 및 Y 좌표 방향으로 적절한 디더 주파수로 변조되는 낮은 에너지 레이저 빔(60a)을 제공하기 위하여 미러 어셈블리(160)에 상대적으로 외부 고리띠 반사면(162)의 배향을 변화시킨다.
동작 중에, 에너지(60)와 같은 레이저 에너지는 프라이머리 미러(156)의 중앙 홀(158)을 통하여 수신된다. 레이저 에너지는 볼록 세컨더리 미러면(164)에서 반사되고 높은 에너지 빔(60b)을 구성하기 위한 희망하는 위치로 향하여 에너지를 집중시키는 프라이머리 미러(156)를 채우게 된다. 동시에, 레이저 에너지는 세컨더리 미러 어셈블리(160)의 외부 고리띠 반사면(162)으로부터 반사되어 세컨더리 미러(164)의 중앙부에 독립인 낮은 에너지 빔(60a)에 프라이머리 미러(156)에서 반사된다. 피스톤 작동기(166)의 상대적인 배치는 환상형 광 빔(60a)이 높은 출력 빔(60b) 그 자체의 주요 부분으로부터 오프셋되는 표적(12) 위 다른 장소를 향하여 집중되게 한다. 더욱이, 피스톤 작동기(166)는 전술된 바와 같이 배치된 환상형 빔의 초점이 디더링 하도록 하는 방식으로 진동할 것이다. 세컨더리 미러의 디더 경로 및 경사(tilt) 오프셋은 마이크로 라디안 범위로 되기 쉬울 것이고 그리하여 다른 시스템 요구사항을 충족시키는 표준적인 어포컬(afocal) 망원경 디자인이 사용될 수 있다.
따라서, 추적은 추적하는 위치와 오프셋 인게이지먼트 위치에 배치된 빔출력 사이의 공간적 또는 시간적인 오프셋을 제공함으로써 달성된다. 빔의 출력(Pf)의 일부가 공간적인 영역에서 추적하는데 사용될 수 있는 반면에 빔 추적 주기(TP)의 주기적인 요소(Tf)(여기서 (TP)는 빔이 추적 위치를 재 방문하는 시간과 같다)는 시간적인 영역에서 추적하는데 사용될 수 있다. 시간적인 오프셋에 대하여, 인게이지먼트 위치를 비추는데 소비되는 시간(Tf)은 총 추적 주기 즉 재방문 시간(TP)보다 더 작다. 공간적인 오프셋(Pf)에 대해, 추적에 사용되는 빔의 출력의 일부는 물론 효과적인 인게이지먼트를 위하여 총 빔의 출력(PTotal)과 비교해 작아야만 한다.
공간적인 오프셋에서, 빔의 조각 즉 빔의 일부(Pf)는 각도에서 포인터 추적기에 인게이지먼트 빔(PT- PF)으로부터 분리되어, θoffset을 변화시킴으로써 희망하는 추적 위치에 일정한 추적 상태로 희망하는 인게이지먼트 위치의 조정을 하게 한다. 시간적인 오프셋에서, 빔은 시간 주기(Tf)에 대해 최적의 추적 위치로 자동 추적하고 그후 시간(TP- Tf)에 대해 희망하는 인게이지먼트 조준점에 θoffset만큼 오프셋된다. 그후 에너지 빔은 시간(TF)에 대해 희망하는 추적점으로 되돌아가고 전환되는 시간 사이클이 반복된다.
도 12 및 도 13으로 이제 돌아가보면, 레이저 추적 시스템은 레이저 추적 시스템의 성능을 평가하기 위하여 이동하는 표적위에 스코어링(scoring) 적외선 레이저 빔의 적중도(hit)에 사용하기 위해 도시된다. 추적 시스템이 때때로 에러를 내기 쉽기 때문에 레이저 추적 테스팅 시스템(100)은 독립적인 방법으로 표적에 테스트 스코어링 레이저 적중도를 제공해준다. 특별히 도 9를 참조하면, 미사일 표적(12)이 추적 시스템(10)과 레이저 빔(60)에 대하여 도시된다. 여기에 기술된 추적 시스템(10)이 일반적으로 높은 출력의 레이저 빔을 제공하는 반면에, 레이저 빔의 추적과 인게이지먼트를 테스트하기 위한 목적에서는 낮은 출력의 레이저 빔으로 충분할 수 있고, 일반적으로 바람직하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
또한 미사일(12)의 전면부의 분해도가 도 12에 도시되어 있다. 테스팅 방법론에 따라, 스코어링 영역은 초기에 결정되고 스코어링 대역(102,104 및 106)과 같은 다수의 대역으로 분할된다. 각각의 스코어링 대역(102,104, 및 106)은 다른 대역에서의 스트립의 수와는 다른, 반사하는 스트립의 유일한 숫자를 포함한다. 바람직한 실시예에 따라, 스코어링 대역(102,104, 및 106)은 대략적으로 예상되는 레이저 빔의 폭 만큼의 폭으로 제공된다. 각 대역은 반사하지 않는 영역(108)에 의해 분리되어 있는, 반사되는 스트립(110)의 미리 결정된 수를 포함한다. 도시된 예에 따라, 스코어링 대역(102)은 세 개의 반사하는 스트립을 포함하고 스코어링 대역(104)는 네 개의 반사하는 스트립을 포함하는 반면에, 스코어링 대역(106)은 다섯 개의 반사되는 스트립을 포함한다. 각 대역에 대한 반사하는 스트립(110)은 스코어링 영역의 각 대역을 통하여 미사일의 외부면에 적외선을 초기에 페인팅하고 반사하는 스트립(110)을 형성하기 위하여 흡수하는 페인트를 파쇠(scraping)함으로써 형성될 수 있고, 한편 반사하지 않는 영역(108)을 형성하기 위하여 적외선을 흡수하는 페인트의 영역은 남긴다. 반사하는 스트립(110)과 반사하지 않는 영역(108)은 미사일(12)의 경계면의 스코어링 대역 주위에 그리고 미사일 회전축에 평행하게 균등한 간격으로 형성되는 것이 바람직하다. 세 개의 스코어링 대역은 세 개, 네 개 및 다섯 개의 반사하는 스트립을 포함하는 스코어링 영역 내에 도시되는 반면에, 스코어링 대역의 다른 수와 반사하는 스트립의 여러 조합들은 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 사용될 수 있다.
레이저 추적 시스템 테스트에서, 레이저 빔(60)은 주어진 추적 시스템의 동작에 따라 미사일(12)의 스코어링 영역에 집중된다. 낮은 출력의 레이저 빔(60)이 미사일(12)의 회전축을 따라 집중되어 형성되기 때문에, 반사된 복귀 에너지는 픽 업되고 간단한 망원경(114)으로 수용되며 검출기(116)에 모아진다. 검출기(116)에서 검출된 수렴된 에너지는 증폭기(118)에 전기 신호로서 제공되고 증폭된 신호는 주파수 계수기(120)에 통과된다. 주파수 계수기(120)는 스코어링 영역 내의 어느 스코어링 대역으로 레이저 빔(60)이 추적하고 인게이지 하는가를 결정하기 위하여 프로세서(122) 또는 다른 계산용 장치에 바람직하게는 통과되는 산란된 레이저 광 변조 주파수를 제공해 준다.
레이저 빔(60)이 스코어링 영역(102,104, 또는 106) 중 하나를 차단하게 될 때, 반사된 에너지는 미사일 회전축으로 인하여 멀티플라이된 반사하는 스트립(110)의 수와 같은 비율로 변조될 것이다. 미사일 회전율은 기준 스트립(fiducial strip)을 모니터링하는 것으로부터 또는 이용가능하다면 독립된 레이다로부터 결정될 수 있다. 기준 스트립에서, 기준 스트립은 미사일(12)의 회전율을 카운트하는데 사용될 수 있는 유일한 길이를 갖는다. 따라서, 프로세서(122)는 변조된 주파수를 모을수 있고 인게이지된 영역 내의 스트립의 수를 결정하기 위하여 그 주파수를 결정된 미사일 회전율로 분할하며, 그리하여 에너지가 반사되고 있는 대역이 스코어링 대역(102,104 또는 106) 중 어느 대역인지를 결정할 수 있다. 레이저 추적 테스트 시스템(100)은 희망하는 추적점을 주어진 추적 시스템에서 어디에 에러가 있는 지를 결정하기 위하여 특정 스코어링 곳인 레이저 빔의 실제 위치와 비교한다. 추적 시스템 테스트(100)은 유리하게도 이미지 생성 추적기의 성능을 입수하기 위한 독립 수단을 제공하고 대기의 영향과 상세한 빔의 휘도 분포에는 무감각하게 된다.
전술한 추적 시스템은 공중 발진의 및 우주선 발진의 프랫홈으로부터 장거리 탄두 미사일 표적을 추적하는데 특히 적합하다. 공중 발진의 프랫홈의 분야에서, 고출력 레이저는 그 빔을 표적으로 가는 도중에 상대적으로 난기류의 대기를 통하여 전송되게 할 수 있어야 한다. 물론 그 빔은 공중 발진의 분야에서 난기류인 대기를 통과하여 지나감으로써 열약하게 조직될 것이다. 그러나, 그 시스템의 테스트하고 분석을 해보면, 표적의 곡률 중 가장 뾰족한 반경에 그 시스템이 레이저 빔의 중심에 자리잡는다는 것을 볼 수 있다. 우주선 기지 발진의 분야에는, 대기가 문제가 되지 않는데 다만 나노(nano) 라디안 포인팅의 정밀성이나 높은 출력의 레이저 빔은 우주선의 진동으로 교란을 받기 쉽다. 전술한 레이저 십자선과 추적 시스템은 두 분야에 대해 특별히 적합하다. 특히 공중 기지 발진의 프랫홈 분야에서, 표적은 일상적인 방식으로 공중 기지 발진의 추적기로 포착된다. 이미지는 꼭대기에 위치된 미사일의 검은 몸체를 갖는 큰 프룸(plume)으로 형성된다. 고출력 레이저는 리사쥬 패턴으로 표적의 영역을 스캐닝하는데 사용된다. 고출력 레이저 빔이 리사쥬 패턴의 영역을 스캐닝할 때(즉 큰 진폭의 스캐닝), 고출력을 내는 빔은 또한 약 100Hz의 두 개의 양립하지 않는 주파수로 두 개의 직교 방향으로 디더링된다. 결과적으로, 단단한 몸체인 표적으로부터 후방 산란하는 복사선은 표적-프룸 이미지를 둘러싸는 시야를 갖는 단순한 망원경으로 수용된다.
서치 페이즈 동안에 두 개의 디더 주파수에 망원경 출력의 동기적인 검출은 그 빔이 표적을 스캐닝하는지 그렇다면 스캐닝 방향에 상대적으로 표적의 배향으로 스캐닝하는지를 개시할 것이다. 순차적으로 스캐닝 방향은 미사일 회전축에 일반적으로 수직이 되도록 회전된다. 그후 그 빔은 디더 미러 드라이버에 상대적인 산란 신호의 페이즈를 감지하도록 하는 동기적인 검출기 출력을 사용하는 서보 루프로써 미사일 중심라인에 자동추적된다. 그후 서보는 최저 진동수의 전파를 제로로 하도록 작동하고 그 빔이 미사일 회전축에 자동 추적되는 것을 보증하도록 복귀 신호의 제 2 조화파를 최대가 되도록 작동한다. 마지막으로 공중 발진의 분야만에 대하여, 표적에 자동 고정된 고출력 레이저 빔은 대기 감지용 비콘(beacon)으로 사용된다. 복귀 페이즈의 간섭계 또는 하르트만-플레이트(Hartmann-plate) 감지 장치는 그 휘도를 개선시키고 표적에 전달되는 영향력을 증가시키기 위하여 보상하는 페이즈 정정이 출력되는 레이저 빔에 적용되도록 해준다. 대안적으로 여러 가지 간섭성 적용 광학 기법(COAT :Coherent Adaptive Optics Technique) 은 표적의 휘도를 개선시키는데 사용될 수 있다. COAT 기법 뿐만 아니라 하르트만-플레이트 감지 장차는 완전히 문헌에 기술되어 있다. 예를 들면, 타이슨(R.K. Tyson)의 적용 광학 기구의 원리( 아카데미 프레스, Inc. 보스톤, 1991년. p. 66-159)에 기술되어 있다.
공중 기지 발진의 분야에 대해서, 필요로 하지 않는 대기 감지 비콘이 없는 고출력을 내는 빔을 사용하는 것을 제외하고는 유사한 방식으로 동작하게 될 것이다.
전술한 바와 같이, 도 10 및 도 11와 연결하여, 고출력 레이저 빔은 고출력 빔과 추적점 빔과 같은 두 개의 빔으로 분리될 수 있다. 그러한 분야에서, 미사일 탄두와 같은 편리한 이차원 추적점은 몸체를 따라 배치된 주요한 빔의 오프셋으로 두 개의 디더 주파수를 사용하여 추적점 빔으로 자동 추적될 수 있다. 오프셋 빔이나 빔의 고출력 부분은 상대적으로 높은 정밀도로 제어될 수 있기 때문에, 표적에서의 고출력 빔 스폿은 추적하는 빔 그 자체만큼 안정성을 가질 수 있을 것이다.
본 발명은 특정한 예와 연결하여 기술되어왔는 반면에 그 제한 사항은 첨부하는 청구항으로 한정된 것을 외에는 있지 않다. 숙력된 실무자는 본 명세서와 도면을 습득한 후에 다른 변경도 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 가능하다는 것을 알수 있을 것이다.

Claims (16)

  1. 가변 에너지를 갖고 이동하는 물체를 추적하기 위한 추적 시스템으로서,
    레이저 에너지의 빔을 발생시키기 위한 레이저 생성기와,
    레이저 에너지의 상기 빔을 조향하기 위한 빔 조향기와,
    상기 빔 조향기가 상기 레이저 에너지 빔을 제 1 주파수에 따라 제 1 방향으로 디더링하도록 해주기 위한 제 1 디더(dither) 생성기와,
    상기 빔 조향기가 상기 레이저 에너지 빔을 제 2 주파수에 따라 제 2 방향으로 디더링하도록 해주기 위한 제 2 디더 생성기와,
    표적화된 물체로부터 반사되는 레이저 에너지를 검출하기 위한 레이저 에너지 검출기와,
    상기 검출된 레이저 에너지에 반응하여 표적화된 물체의 최대 곡률 반경을 추적하기 위하여 상기 빔 조향기가 상기 레이저 에너지 빔을 조향하도록 해주는 바이어스 신호를 생성시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 에너지를 갖고 이동하는 물체를 추적하기 위한 추적 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 레이저 에너지의 상기 조향되는 빔은 제 1빔과 제 2빔으로 분할되고, 상기 제 1빔은 상기 표적화된 물체를 추적하고 상기 제 2빔은 희망하는 영역(region)을 인게이지(engage) 하기 위하여 상기 제 1빔으로부터 오프셋(offset)되는 것을 특징으로 하는 가변 에너지를 갖고 이동하는 물체를 추적하기 위한 추적 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제 1빔은 상기 제 1 및 제 2 주파수에 반응하여 피스톤으로 작동되는 반사면을 통하여 조향되는 반면에 상기 제 2빔은 상기 희망하는 영역에 초점이 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 에너지를 갖고 이동하는 물체를 추적하기 위한 추적 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 레이저 에너지의 상기 조향되는 빔은 상기 표적화된 물체를 추적하기 위한 추적 영역과 상기 표적 위에 있는 희망하는 인게이지먼트 영역을 인게이지 하기 위한 오프셋 인게이지먼트 영역 사이에서 전환되는 것을 특징으로 하는 가변 에너지를 갖고 이동하는 물체를 추적하기 위한 추적 시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 레이저 에너지 빔은 추적할 때는 낮은 에너지 레벨을 제공하고, 희망하는 인게이지먼트 영역을 인게이지 할 때는 높은 에너지 레벨을 제공하는 것을 특징으로 하는 가변 에너지를 갖고 이동하는 물체를 추적하기 위한 추적 시스템.
  6. 레이저 에너지로 이동하는 물체를 추적하기 위한 추적 시스템으로서,
    레이저 에너지의 빔을 생성시키기 위한 레이저 생성기와,
    레이저 에너지의 상기 빔을 조향하고 상기 빔을 제 1축을 따라 제 1 주파수로 진동시키기 위한 빔 조향기와,
    표적화된 물체로부터 반사된 레이저 에너지를 검출하기 위한 레이저 에너지검출기와,
    상기 검출된 레이저 에너지에 반응하여 상기 표적화된 물체의 최대 곡률 반경을 추적하기 위하여 상기 빔 조향기가 레이저 에너지의 상기 빔을 조향하도록 해주는 바이어스 신호를 생성시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 에너지로 이동하는 물체를 추적하기 위한 추적 시스템.
  7. 레이저 에너지로 이동하는 물체를 추적하기 위한 추적 시스템으로서,
    레이저 에너지를 생성시키는 레이저 생성기와,
    적어도 상기 레이저 에너지의 일부는 이동하는 물체를 추적하고 적어도 상기 레이저 에너지의 일부는 상기 이동하는 물체에 있는 희망하는 영역을 인게이지 하도록 상기 레이저 에너지를 조향하기 위한 수단과,
    상기 조향하기 위한 수단이 제 1주파수에 따라 제 1방향으로 추적하기 위하여 상기 레이저 에너지의 적어도 상기의 일부를 디더링 하게 해주기 위한 제 1디더 생성기와,
    상기 조향하기 위한 수단이 제 2주파수에 따라 제 2방향으로 추적하기 위하여 상기 레이저 에너지의 적어도 상기 일부를 디더링 하게 해주기 위한 제 2디더 생성기와,
    표적화된 물체로부터 반사된 레이저 에너지를 검출하기 위한 레이저 에너지 검출기와,
    상기 조향하기 위한 수단이 상기 검출된 레이저 에너지에 반응하여 상기 표적화된 물체의 가장 큰 곡률 반경을 추적하도록 상기 표적을 인게이지 하기 위하여 상기 레이저 에너지의 적어도 상기 일부를 조향하게 해주는 신호를 생성하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 에너지로 이동하는 물체를 추적하기 위한 추적 시스템.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 레이저 에너지는 제 1 및 제 2 빔으로 분할되고, 상기 제 1빔은 상기 표적화된 물체를 추적하고 상기 제 2빔은 상기 물체에 있는 희망하는 영역을 인게이지 하기 위하여 상기 제 1빔으로부터 오프셋되는 것을 특징으로 하는 레이저 에너지로 이동하는 물체를 추적하기 위한 추적 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 조향하기 위한 수단은 상기 제 2빔을 제공하기 위한 세컨더리 미러와 고정된 상관 관계로 배열된 프라이머리 미러를 포함하는데, 상기 미러는 상기 제 1빔을 제공하기 위하여 상기 레이저 에너지의 일부를 조향하기 위하여 조향가능한 반사면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 에너지로 이동하는 물체를 추적하기 위한 추적 시스템.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 레이저 에너지는 상기 레이저 에너지가 추적 위치와 상기 추적 위치로부터 오프셋되는 인게이지먼트 위치 사이에서 반복적으로 전환될 수 있도록 추적 영역과 상기 표적화된 물체에 있는 인게이지먼트 영역 사이에서 전환(switched)되는 것을 특징으로 하는 레이저 에너지로 이동하는 물체를 추적하기 위한 추적 시스템.
  11. 레이저 에너지로 이동하는 물체를 추적하기 위한 방법에 있어서,
    레이저 에너지의 빔을 생성시키는 단계와,
    상기 빔을 제 1 주파수에 따라 제 1방향으로 진동시키기 위하여 레이저 에너지의 상기 빔을 조향하는 단계와,
    표적화된 물체로부터 반사된 레이저 에너지를 검출하는 단계와,
    상기 검출된 레이저 에너지와 상기 제 1 주파수에 반응하여 바이어스 신호를 생성시키는 단계와,
    상기 표적화된 물체의 가장 큰 곡률 반경을 추적하기 위하여 상기 바이어스 신호에 반응하여 레이저 에너지의 상기 빔을 조향하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 에너지로 이동하는 물체를 추적하기 위한 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 레이저 에너지의 상기 빔을 제 2부파수에 따라 제 2방향으로 조향하는 단계와 상기 제 1 및 제 2주파수를 분리하기 위하여 상기 검출된 신호를 필터링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 에너지로 이동하는 물체를 추적하기 위한 방법.
  13. 레이저 에너지로 이동하는 물체를 추적하는 방법에 있어서,
    레이저 에너지의 빔을 생성시키는 단계와,
    상기 빔을 제 1축으로 제 1 주파수에 따라 진동시키기 위하여 레이저 에너지의 상기 빔을 조향하는 단계와,
    상기 빔을 제 2축으로 제 2주파수에 따라 진동시키기 위하여 레이저 에너지의 상기 빔을 조향하는 단계와,
    표적화된 물체로부터 반사된 레이저 에너지를 검출하는 단계와,
    상기 검출된 레이저 에너지에 반응하여 신호를 생성시키는 단계와,
    상기 제 1주파수와 상기 제 2주파수를 구별하기 위하여 상기 신호를 필터링하는 단계와,
    레이저 에너지의 상기 빔으로 상기 표적화된 물체의 가장 큰 곡률 반경을 추적하고 상기 물체를 인게이지 하기 위하여 상기 필터링된 신호에 반응하여 레이저 에너지의 상기 빔을 조향하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 에너지로 이동하는 물체를 추적하는 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 레이저 에너지의 상기 빔을 제 1빔과 제 2 빔으로 분할하는 단계와, 상기 제 1빔으로 상기 표적화된 물체를 추적하는 단계와, 상기 제 1빔으로부터 오프셋이 되는 상기 제 2빔으로 희망하는 인게이지먼트 영역을 인게이지 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 에너지로 이동하는 물체를 추적하는 방법.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 제 1빔은 상기 제 2빔 보다 낮은 에너지 레벨을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 에너지로 이동하는 물체를 추적하는 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 레이저 에너지의 상기 빔은 추적하는 영역과 상기 추적하는 영역와는 오프셋이 되는 인게이지먼트 영역 사이에 전환되며, 레이저 에너지의 상기 빔은 상기 표적을 추적하고 그 후 시간 공유 방식으로 상기 인게이지먼트 영역에 전환(switched)되는 것을 특징으로 하는 레이저 에너지로 이동하는 물체를 추적하는 방법.
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