DE19846655A1

DE19846655A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Feuerleitung

Info

Publication number: DE19846655A1
Application number: DE19846655A
Authority: DE
Inventors: Sagie Tsadka; Ehud Azoulay; Gideon Bar-Tal
Original assignee: Israel Atomic Energy Commission
Current assignee: Israel Atomic Energy Commission
Priority date: 1997-10-09
Filing date: 1998-10-09
Publication date: 1999-04-15
Also published as: IL121934A; US6247259B1; FR2769698B1; FR2769698A1

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen von Feuerleitsystemen (FLS) für Flugbahnwaffen zahlreicher Arten, insbesondere von solchen miniaturisierten Systemen zur Feuer lenkung kleiner Waffen, z. B. Gewehren, Raketenwerfern und Granatwerfern.

Die Feuergenauigkeit von Flugbahnwaffen erfordert, daß die Zielentfernung möglichst genau bestimmt wird und Seiten wind auf der Geschoßflugbahn berücksichtigt werden sollte. Der erste Faktor beeinflußt die erforderliche Position der Waffenachse in der vertikalen Ebene, während der zweite ihre Position in der horizontalen Ebene beeinflußt. Da beim Zielen mit Waffen, insbesondere kleinen, der Ziel- bzw. Haltepunkt des Visiers (z. B. Fadenkreuz, roter Punkt usw.) auf das Ziel ausgerichtet werden muß, ist es wünschenswert, den Visierhal tepunkt zu verschieben, um der Zielentfernung und den Flug bahnabweichungen durch Seitenwind Rechnung zu tragen. In der Technik gibt es kein befriedigendes Verfahren und keine be friedigende Vorrichtung mit spezieller Anwendbarkeit auf kleine Waffen, um dem Schützen die Möglichkeit zu geben, den Visierhaltepunkt zu verschieben, oder kein Verfahren und keine Vorrichtung zum automatischen Verschieben des Visier haltepunkts je nach Zielentfernung und Seitenwindgeschwindig keit.

Technisch bekannt ist die Bestimmung der Zielentfernung von einem bestimmten Ausgangspunkt, wobei der Begriff "Ziel" keine militärische Bedeutung hat, sondern jedes Objekt be zeichnen kann, dessen Entfernung bestimmt werden soll, durch Projizieren eines Laserstrahls auf das Ziel und Messen des Zeitintervalls zwischen Abstrahlung der Laserimpulse und Emp fang der am Ausgangspunkt eingehenden Echos infolge der Re flexion des Laserstrahls vom Ziel. Unlängst wurde die Bestim mung der Seitenwindstärke mittels Laserstrahlen vorgeschla gen.

In Applied Optics, Band 11, Nr. 2, Seiten 239 bis 243 beschreiben R. S. Lawrence et al. die Verwendung von Laser szintillationsmustern zur Messung der mittleren Windgeschwin digkeit.

Die US-A-5123738 beschreibt eine Vorrichtung, die eine Lichtquelle und einen Strahlteiler zum Teilen eines Licht strahls in ein erstes übertragenes Strahlsegment und einen zweiten abgeblendeten Strahl aufweist. Vorgesehen ist ein Me chanismus zur Frequenzverschiebung eines oder beider Strahl segmente und zum Lenken des ersten Strahlsegments auf ein Ziel. Ein entferntes Ziel ist zum Streuen des ersten Strahls vorgesehen, wobei das entfernte Ziel z. B. ein Aerosol ist. Vorgesehen ist ferner ein Mechanismus zum Kombinieren des vom Ziel zurückkehrenden gestreuten ersten Strahlsegments und des zweiten Strahlsegments zu einem kombinierten Strahl und zum Detektieren des kombinierten Strahls. Ein Detektor arbeitet so, daß er ein Vorzeichen für Seitenwind auf dem Weg des er sten Rückstrahlsegments erzeugt. Außerdem ist ein Mechanismus zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit senkrecht zum Weg an hand des erzeugten Signals vorgesehen. Obwohl ein solcher Me chanismus für meteorologische Bestimmungen nützlich ist, kann er nicht zur Feuerleitung dienen.

In Applied Optics, Band 20, Nr. 23, Seiten 4073 bis 4081 diskutieren Ting-l Wang et al. verschiedene Korrelationsana lyseverfahren, die eingesetzt werden können, um Seitenwind anhand eines wandernden Szintillationsmusters abzuleiten, und schlußfolgern, daß keine Technik ideal ist, schlagen aber die Verwendung einer Technik auf der Grundlage der Kreuzkovari anzfunktion vor, für die sie eine mathematische Analyse lie fern.

Die US-A-4182570 offenbart eine Vorrichtung zur Messung einer Windgeschwindigkeitskomponente, die aufweist: einen La sergenerator, der zum Abstrahlen eines Laserstrahls auf ein Ziel geeignet ist, zwei photoelektrische Empfänger, die seit lich zur Ausgangsachse des Lasergenerators angeordnet sind, um einen Teil der Energie des Strahls zu empfangen, und eine Schaltung zum Verarbeiten der durch die Empfänger abgegebenen elektrischen Signale, um die Neigung des Originals der nor mierten Kovalenzfunktion entsprechend den Signalen zu bestim men, wobei die Neigung die Komponente der Geschwindigkeit des im Weg eines Laserstrahls wehenden Winds in Richtung der die Empfänger durchlaufenden Geraden darstellt, wobei der Laser generator eine Einrichtung zum Abstrahlen des Strahls in auf einanderfolgenden Gruppen von zwei Impulsen aufweist, die Im pulspaare durch ein vorbestimmtes Zeitintervall getrennt sind, und wobei die Empfänger in der Nähe des Generators so angeordnet sind, daß jeder ein Echo der durch das Ziel zu rückgeführten Laserimpulse empfängt. In dieser Patentschrift ist angegeben, daß die Vorrichtung auf ein Artillerie-Feuer leitsystem anwendbar ist, aber eine solche Anwendung ist we der beschrieben, noch sind Anweisungen für ihre praktische Überführung gegeben.

In Applied Optics, Band 27, Nr. 12, Seiten 2532 bis 2539 beschreiben J. Fred Holmes et al. den Einsatz der Fleck-Tur bulenz-Wechselwirkung zur Windvektormessung in einer senk rechten Ebene zur Visierlinie von einem Lasersender auf ein Ziel.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Feuerleitsystem bereitzustellen. Diese Auf gabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, ein Feuerleit system (FLS) bereitzustellen, das genauer als jedes derar tige, im Stand der Technik bereitgestellte System ist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, ein FLS-Verfahren und eine FLS-Vorrichtung bereit zustellen, die auf alle Flachbahnwaffen, insbesondere auf kleine Waffen, anwendbar sind.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung für ein FLS bereitzustellen, die klein und "miniaturisiert" und somit auf tragbare Waffen anwendbar ist.

Noch ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, durch die der Schütze einer Waffe, insbesondere einer kleinen Waffe, das Waffenvisier so einstellen kann, daß Abweichungen infolge von Seitenwind auf der beabsichtigten Flugbahn kompensiert werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, durch die der Visierhaltepunkt automatisch verschoben werden kann, um Sei tenwind und Geschoßabfall auf der Flugbahn zu kompensieren.

Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen aus dem weiteren Verlauf der Beschreibung hervor.

Das Feuerleitverfahren der Erfindung weist die folgenden Schritte auf: Messen der Zielentfernung und der Seitenwindge schwindigkeit auf der beabsichtigten Geschoßbahn vor Abfeuern der Waffe und anhand der bekannten ballistischen Geschoßglei chungen erfolgendes Bestimmen der erwarteten vertikalen und horizontalen Geschoßablenkung sowie Einstellen des Waffenvi siers, um die Ablenkungen zu kompensieren.

Insbesondere betrifft die Erfindung Flachbahnwaffen, bei denen für praktische Zwecke die Geschoßbahn der Visierlinie vom Kollimator bzw. Waffenvisier zum Ziel gleichgestellt wer den kann, so daß verständlich sein sollte, daß bei nachfol gender Erwähnung der Flugbahn statt dessen auch auf die Vi sierlinie und umgekehrt Bezug genommen werden könnte, sofern der Kontext dies zuläßt.

Insbesondere weist das Verfahren vor Abfeuern der Waffe die folgenden Schritte auf:

(a) Erzeugen eines Laserstrahls an der Abschußposition;
(b) Empfangen des durch das gewünschte Ziel reflektier ten Strahls;
(c) Bestimmen der Zielentfernung durch Messen der Zeit verzögerung zwischen der Erzeugung des Laserstrahls und dem Empfang des reflektierten Strahls (d. h. der doppelten Lauf zeit des Laserimpulses zwischen Sender und Ziel). Verfahren zur Durchführung einer solchen Bestimmung, die bei der Über führung der Erfindung in die Praxis zum Einsatz kommen kön nen, sind z. B. in The Electro-Optical Systems Handbook, Band 6: "Active Electro-Optical Systems", Clinton S. Fox Editor, SPIE Press 1993, USA beschrieben;
(d) Bestimmen der Seitenwindrichtung und -geschwindig keit auf der Flugbahn durch Empfangen des reflektierten La serstrahls an zwei getrennten Positionen und Messen der Stär keschwankungen des Strahls an den beiden getrennten Positio nen;
(e) anhand der ballistischen Geschoßgleichungen erfol gendes Bestimmen der erwarteten vertikalen und horizontalen Ablenkung des Geschosses; und
(f) Einstellen des Waffenvisiers, um die Ablenkungen zu kompensieren durch a) Bereitstellen ausreichender Informatio nen für den Schützen, um das Visier der Waffe so einzustel len, wie es die Ablenkungen erfordern, oder durch b) automa tisches Einstellen des Visiers. In jedem Fall ist die Vor richtung mit einer entsprechenden Einrichtung versehen.

Die Übermittlung der Informationen an den Schützen kann z. B. erfolgen durch Anzeigen der Richtung und der Anzahl der Kimmenstellungen, um die der Haltepunkt des Waffenvisiers zu verschieben ist, auf einem im Sichtfeld des Waffenvisiers eingebetteten alphanumerischen Monitor, wodurch eine solche Verschiebung durch den Schützen erfolgt. Die Richtung und An zahl der Kimmenstellungen werden mittels eines Prozessors oder Mikrocomputers bestimmt, der in einem Speicher die bal listischen Geschoßgleichungen speichert, als Eingabe die ge mäß der vorstehenden Erläuterung bestimmte Zielentfernung so wie die Seitenwindrichtung und -geschwindigkeit empfängt und die erwartete vertikale und horizontale Geschoßablenkung so wie die zu ihrer Kompensation erforderliche entsprechende Einstellung des Waffenvisier-Haltepunkts auf der Grundlage der ballistischen Gleichungen berechnet. Die automatische Einstellung des Waffenvisiers kann dadurch erfolgen, daß der Prozessor oder Mikrocomputer befähigt ist, die Position des Haltepunkts zu steuern und dessen Verschiebung direkt vor zu nehmen. Vom Fachmann lassen sich diese beiden Möglichkeiten zur Waffenvisiereinstellung leicht realisieren.

In einer speziellen Ausführungsform weist das Verfahren der Erfindung den folgenden Schritt auf: Erhalten einer ge nauen Messung der Stärke des Seitenwindvektors in einem cha rakteristischen Bereich des Wegs - im folgenden mitunter als Seitenwindmessung mit "Entfernungsauflösung" (RR) bezeichnet - und nicht nur ihres Mittelwerts, wodurch eine bessere Vor hersage der horizontalen Geschoßablenkung durch Seitenwind auf der Flugbahn erhalten wird, da Seitenwind das Geschoß in verschiedenen Flugbahnbereichen unterschiedlich beeinflußt, und besonders für Überschallgeschosse der gleiche Seitenwind einen größeren Schußfehler (Abweichung vom Ziel) näher am Ab schußpunkt und einen abnehmenden Fehler mit zunehmender Ge schoßannäherung an das Ziel erzeugt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist auf:

- einen Laserstrahlsender;
- zwei beabstandete Detektoren, jeweils mit ihrer eige nen Sammeloptik und mit einem das Ziel erfassenden Sichtfeld, wobei erwünscht ist, daß sich die Aperturen der gemeinsamen Optiken teilweise überlappen;
- eine Einrichtung zum Bestimmen der Entfernung des Ziels auf der Grundlage der Zeitverzögerung zwischen der Ab strahlung des Laserstrahls und dem Empfang des vom Ziel re flektierten Strahls;
- eine Einrichtung zum Verarbeiten des (analogen) Aus gangssignals jedes Detektors und Bestimmen der mittleren Sei tenwindrichtung und -stärke auf der beabsichtigten Geschoß flugbahn anhand der Signale; und
- eine Einrichtung zum Bestimmen der erforderlichen Ein stellung des Waffenvisiers anhand der bestimmten Entfernung und der Detektorausgangssignale.

In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Seitenwindmessung mit Entfernungsauflösung erfolgt, weist die Vorrichtung vorzugsweise einen einzelnen Mehrele mentempfänger anstelle zweier getrennter Detektoren auf. Ein Aufbau eines spezifischen einzelnen Mehrelementempfängers wird später beschrieben.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung so miniaturisiert, daß sie auf eine trag bare Waffe anwendbar ist, z. B. ein Gewehr.

Bevorzugte Ausführungsformen werden im folgenden beispielhaft beschrieben:

In den Darstellungen zeigen:

Fig. 1 schematisch den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des allgemeinen Aufbaus einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Er findung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines speziellen einzelnen Mehrelementempfängers, der Teil einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;

Fig. 4a, 4b und 4c nacheinander einen allgemeinen Ab laufplan der Software, die in einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zum Einsatz kommt;

Fig. 5 eine schematische Perspektivansicht einer Vor richtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die zur Anwendung auf eine tragbare Waffe geeignet ist; und

Fig. 6 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung von Fig. 5 in Anwendung auf ein herkömmliches Gewehr.

Die Erfindung nutzt eine Konfiguration einer Sender-Emp fänger-Einheit, die einen Laserstrahl auf ein natürliches diffuses Ziel (Hang, Gebäudewand usw.) abstrahlt und die vom Ziel zurück reflektierte Laserstärke erfaßt, anhand derer sie die mittlere Seitenwindgeschwindigkeit und -richtung zwischen Sender-Empfänger-Einheit und Ziel extrahieren und berechnen kann. Das System kann die Zielentfernung messen, indem es die doppelte Laufzeit des Laserimpulses zwischen Sender und Ziel mißt. Die wirksame Einsatzentfernung des Systems beträgt 50 bis 1000 Meter. Die Meßgenauigkeit für die mittlere Seiten windgeschwindigkeit ist besser als 1 m/s. Die Entfernungsmeß genauigkeit ist besser als ±10 m.

Seitenwind auf einer Bahn kann jedes Geschoß oder jeden Flugkörper, der auf ein spezifisches Ziel abgeschossen wird, vom gewünschten Auftreffpunkt im Ziel horizontal ablenken. Unsicherheit über die Zielentfernung kann zu vertikaler Ab lenkung des Geschosses oder Flugkörpers vom gewünschten Ziel auftreffpunkt führen. Durch Messung dieser beiden Parameter vor dem Feuern und Verwendung der bekannten ballistischen Ge schoßgleichungen kann die erwartete vertikale und horizontale Geschoßablenkung berechnet werden. Daher kann das System der Erfindung dem Schützen eine Haltepunktkorrektur zu liefern, was die erwartete Geschoßablenkung kompensiert und die Feuer genauigkeit stark verbessert. Allgemein erfolgt die Korrektur des Haltepunkts durch eine Haltepunktverschiebung im Waffen visier.

Die Vorrichtung der Erfindung läßt sich als Feuerleitsy stem (FLS) reduzierter Größe (oder als "miniaturisierte" Vor richtung, wie sie mitunter genannt wird) nutzen, um an der Waffe befestigt zu werden, auch wenn es sich um eine tragbare Waffe handelt. Sie ist auf zahlreiche Arten von Flachbahnwaf fen anwendbar, beispielsweise u. a. auf:

1. Panzerabwehr-Raketenwerfer
2. Scharfschützengewehr
3. Panzerbekämpfung
4. Granatwerfer

Die miniaturisierte Vorrichtung wird an der Waffe befe stigt und wirkt als "intelligentes" Waffenvisier für den Schützen. Zum FLS gehört die Visieroptik des Schützen (Ziel fernrohr) zusammen mit der Lasereinheit, die Seitenwind und Zielentfernung mißt. Der Schütze richtet das Zielfernrohr auf das Ziel (oder ein Objekt in Zielnähe) und betätigt danach einen Knopf, was den Betrieb der Lasereinheit auslöst. Die Lasereinheit mißt den Seitenwind auf der Bahn und die genaue Zielentfernung. Die FLS-Verarbeitungseinheit weist eine Com putereinrichtung auf, die je nach verwendeter Waffenart sowie Geschoßart und deren ballistischen Gleichungen programmiert ist. Als Eingabe empfängt die Computereinrichtung die Seiten wind- und Entfernungsdaten und verarbeitet sie, um die ent sprechende horizontale und vertikale Geschoßablenkung im Ziel sowie die Waffenvisiereinstellung, allgemein die Haltepunkt einstellung, zu berechnen, die erforderlich ist, um die Ab lenkungen zu kompensieren und das Auftreffen des Geschosses im Ziel zu bewirken. Der Begriff "Geschoß" in dieser Be schreibung und den Ansprüchen umfaßt Raketen bzw. Flugkörper und ist bei jedem Auftreten so zu interpretieren. Obwohl im folgenden stets auf eine Waffenvisiereinstellung Bezug genom men wird, die durch Verschieben des Waffenvisier-Haltepunkts erfolgt, sollte ferner verständlich sein, daß dies keine Ein schränkung darstellt und andere Einrichtungen zur Waffenvi siereinstellung von der Erfindung auch erfaßt sind. Nachdem die Laser- und Verarbeitungseinheit ihre Funk tionen erfüllt haben, stehen zwei Verfahren zur Auswahl, um die Waffenvisiereinstellung durchzuführen:

1. Anzeigen der Anzahl von Kimmenstellungen und der Richtung, in die der Schütze seinen Haltepunkt bewegen sollte, um Seitenwind und Geschoßabfall auf der Flugbahn zu kompensieren, auf einem im Sichtfeld des Visiers eingebette ten kleinen alphanumerischen Monitor.
2. Automatisches Verschieben des Waffenvisier-Halte punkts auf eine Weise, so daß der Schütze das Ziel unabhängig von Seitenwind und Geschoßabfall trifft.

Die Art des Bilds und Haltepunkts, die der Schütze sehen kann, ist entweder ein reales "Live"-Bild von einem regulären optischen Visier, in dem der Haltepunkt in die Visierlinie des Schützen projiziert ist, oder ein Fernsehbild, in dem der Haltepunkt elektronisch erzeugt und auf dem Monitor angezeigt ist.

Der Laser sendet einen schmalen gebündelten Strahl zu einem entfernten Ziel. Der Strahl wird vom Ziel zurück re flektiert, und die zurückgeführte Stärke wird durch den Emp fänger des Systems aufgefangen und detektiert. Der Empfänger setzt sich aus zwei beabstandeten Detektoren zusammen, jeder mit seiner eigenen Fokussierlinse oder mit einer gemeinsamen Fokussierlinse für beide Detektoren, wobei der Mittenabstand zwischen den Linsen z. B. 2 bis 4 Zentimeter beträgt. Da der Strahl die atmosphärischen Turbulenzen auf seinem Weg vom Sender zum Ziel und zurück vom Ziel zum Empfänger durchläuft, akkumuliert er Stärkeschwankungen über seine Phasenfront in folge der Beugung von Brechzahlunregelmäßigkeiten, die das turbulente Medium aufweist. Nach der Taylorschen Hypothese (Hypothese der "eingefrorenen" Turbulenz) wird für kurze Zei ten angenommen, daß die Brechzahlunregelmäßigkeiten mit dem atmosphärischen Wind ohne wesentliche Änderung ihrer Form oder räumlichen Verteilung wandern. Daher wandert auch das Beugungsbild des Strahls auf dem Ziel und auf der Empfänger ebene mit einer Geschwindigkeit, die mit der Seitenwindkompo nente auf dem optischen Weg in Beziehung steht. Durch zeitli ches Analysieren der Stärkeschwankungen an zwei getrennten Positionen auf der Empfängerebene läßt sich die Seitenwindge schwindigkeit berechnen. Die Messung der Stärkeschwankungen an getrennten Positionen auf der Empfängerebene erfolgt durch Verwendung der Geometrie zweier beabstandeter Detektoren in der Fokalebene der Empfängeroptiken.

Fig. 1 zeigt schematisch die Bestimmung der Seitenwind geschwindigkeit in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Bezugszahl 20 bezeichnet einen Lasersender, der einen auf ein Ziel 21 gerichteten Laserstrahl erzeugt. Mit 22 und 23 sind zwei Detektoren bezeichnet, die auf der Fokalebene der Emp fängeroptiken in einem Abstand voneinander angeordnet sind. Der Laserstrahl wird zum Detektor 22 gemäß der Darstellung bei 24 und 25 sowie zum Detektor 23 gemäß der Darstellung bei 26 und 27 reflektiert. Mit 28 ist eine Turbulenz bezeichnet, die aufgrund eines Seitenwinds wandert, dessen Richtung mit dem Pfeil 29 bezeichnet ist. Nach einer Zeitverzögerung, die vom Abstand zwischen den beiden Detektoren und der Seiten windgeschwindigkeit abhängig ist, ist die Turbulenz zu der mit Strichlinien bei 28' bezeichneten Position gewandert. Der Detektor 22 detektiert ein Stärkebild des reflektierten La serstrahls. Nach der Verzögerung detektiert der Detektor 23 etwa das gleiche Stärkebild des reflektierten Laserstrahls. Da der Abstand zwischen den beiden Detektoren fest und be kannt ist, hängt die Verzögerung lediglich von der Geschwin digkeit des Seitenwinds ab.

Dementsprechend zeigt Fig. 2 schematisch den allgemeinen Aufbau einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Er findung. Die Bezugszahlen 20, 22 und 23 bezeichnen erneut ei nen Lasersender und zwei Detektoren, die eine Sender-Empfän ger-Einheit 30 bilden. Die Bezugszahl 31 bezeichnet eine op tische Zielvorrichtung, im wesentlichen ein Zielfernrohr, das mit einer schematisch bei 32 und 33 gezeigten Einrichtung zum Einstellen seines Haltepunkts nach Richtung bzw. Höhe verse hen ist. Mit 34 ist eine Einheit bezeichnet, die die notwen digen elektronischen Komponenten und Schaltungen aufweist. Mit 35 ist eine Einheit bezeichnet, die die Signale von den Detektoren empfängt und sie zu einem Prozessor 36 sendet, der die Zielentfernung anhand der Zeitverzögerung zwischen Ab strahlung eines Laserstrahls und Erfassung seiner Reflexion vom Ziel auf bekannte Weise bestimmt sowie die Seitenwindge schwindigkeit gemäß der Erläuterung im Zusammenhang mit Fig. 1 ermittelt. Der Prozessor berechnet die erforderlichen Ein stellungen des Waffenvisiers und sendet die berechneten Daten zur Elektronikeinheit 34, die die Daten dem Schützen anzeigt, damit er das Waffenvisier entsprechend einstellen kann, oder die Einstellung automatisch vornimmt.

Vorzugsweise sendet der Laser kurze Impulse (Impuls breite etwa 40 Nanosekunden HWB) mit einer hohen Impulsfolge frequenz (etwa 1 kHz) und einer geringen Energie je Impuls (etwa 100 µJ). Diese Laserparameter ergeben eine ausreichend hohe Spitzenleistung je Sendeimpuls (wenige Kilowatt) bei ei ner ausreichend hohen Impulsfolgefrequenz, die zusammen mit einer Empfängeraperturoptik mit ausreichender Größe zum Auf fangen der notwendigen Lichtmenge zur Seitenwindgeschwindig keitsmessung für jede Zielentfernung geeignet sind, die nicht größer als die Höchstentfernung ist, in der das System be trieben werden soll. Allerdings gelten die genannten bevor zugten Daten unter der Annahme von Zielreflexionsgradwerten von 0,05 bis 0,1, wobei es sich um die minimalen Reflexions gradwerte handelt, die erwartungsgemäß von natürlichen oder künstlichen Objekten abgegeben werden. Dabei können andere Geländegegebenheiten, natürliche oder künstliche Objekte Re flexionsgradwerte bis 0,6 bis 0,7 haben, und übersteigen diese 0,1, kommen vorzugsweise andere Impulsbreiten, Frequen zen und Bereiche zum Einsatz, wobei vom Fachmann in jedem Fall die am besten geeigneten Werte leicht zu bestimmen sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wer den die folgenden Schritte zur Messung des Seitenwinds durch laufen:

1. Ein diodengepumpter Nd : YLF-Laser mit < 5 cm Strahl durchmesser und schmaler Strahldivergenz (< 0,2 mrad) dient zur Erzeugung des Laserstrahls.
2. Ein entferntes Ziel vom diffusen Typ wird anvisiert, und etwa 1000 Impulse werden mit einer Impulsfrequenzfolge < 1 kHz darauf abgegeben.
3. Die Stärke des vom Ziel reflektierten Lichts wird mit zwei beabstandeten Detektoren detektiert, jeder mit seiner eigenen oder einer gemeinsamen Sammeloptik und mit einem dem Fleck im Ziel erfassenden Sichtfeld (» 0,2 mrad) sowie mit einem solchen Mittenabstand zwischen ihren Sammeloptiken, daß sich ihre Aperturen teilweise überlappen (d. h. größer als der Mittenabstand zwischen den beiden Optikaperturen), z. B. im Bereich von 1 bis 4 cm. Zur Realisierung dieses Merkmals kommt bevorzugt ein 45°-Strahlteiler in der Eintrittspupille des Systems zum Einsatz, der das Empfangslicht in zwei senk rechte Strahlen teilen kann, jeweils mit der gleichen räumli chen und zeitlichen Charakteristik neben der Stärke, die halb so groß wie die ursprüngliche Stärke ist.
4. Die Verarbeitung des (analogen) Ausgangssignals jedes Detektors erfolgt durch Verstärken des Signals, Auswählen der Spitzenwerte jedes Signals, Umwandeln des analogen in ein di gitales Signal und Eingeben der digitalisierten Daten in eine Computereinrichtung.
5. Zwei Felder bzw. Arrays der Spitzenwerte jedes Detek tors werden gespeichert (jedes Array enthält bis 1000 Werte).
6. Die mittlere und normierte Varianz jedes der Arrays wird berechnet.
7. Die normierte zeitverzögerte Kreuzkorrelationsfunk tion (KKF) zwischen den Stärkewerten in den beiden Arrays mit einer Zeitverzögerung von bis zu ± 20 ms wird berechnet und erstellt.
8. Die kumulativen Differenzen zwischen den Werten im positiven Teil der KKF zum negativen Teil der KKF werden be rechnet. Das Vorzeichnen des Ergebnisses gibt die mittlere Seitenwindrichtung auf der Bahn an (von rechts nach links oder links nach rechts)
9. Die Signalschwankungen in jedem Wertearray werden durch laufende Mittelung von 3 bis 6 Werten geglättet.
10. Nach dem Glätten wird für jedes Array die Anzahl von Nulldurchgangspunkten berechnet (wie oft das momentane Signal das mittlere Signal in jedem Detektor kreuzt). Die Anzahl von Nulldurchgängen ergibt zusammen mit anderen Parametern - der Entfernung zum Ziel und der Varianz des Signals - die Stärke des mittleren Seitenwinds auf der Bahn nach Verwendung einer geeigneten Kalibrierfunktion.

Die Zielentfernung kann den durch das System gemessenen Wert des mittleren Seitenwinds beeinflussen. Das vom Detektor des Systems empfangene Signal wird durch das Beugungsbild des Laserlichts beeinflußt, wo das Beugungsbild durch Turbulenz wirbel über die Entfernung erzeugt wird. Der Abstand eines Turbulenzwirbels vom Empfänger bestimmt zusammen mit der Größe des Wirbels und der Laserwellenlänge den charakteristi schen räumlichen Umfang des Beugungsbilds an der Empfänger ebene. Daher ist auch das zeitliche Spektrum des Empfängersi gnals, das die Realisierung des durch den Windgeschwindig keitsvektor abgedrängten räumlichen Umfangs ist, ebenfalls vom Abstand zu den Wirbeln und damit auch von der Entfernung vom Ziel abhängig. Da die Anzahl von Nulldurchgängen ein Maß für das zeitliche Spektrum eines Signals ist, ist klar, daß die mit dem Nulldurchgangsverfahren gemessene Seitenwind stärke von der Entfernung zum reflektierenden Ziel abhängt.

Das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung lassen sich in einer besonderen Form der Erfindung zur Durchführung von Seitenwindmessungen mit Entfernungsauflösung (RR) einset zen. Die Vorrichtungsabwandlung weist die Entwicklung eines einzelnen Mehrelementempfängers (anstelle der beiden getrenn ten Detektoren), eines abgewandelten Senders (gleicher Laser mit neuer Strahlform) und einer neuen Softwareversion auf, durch die eine reale entfernungsaufgelöste Seitenwindmessung auf der Bahn erfolgen kann.

Bei einem vorgeschlagenen einzelnen Mehrelementempfänger handelt es sich um ein lineares InGaAs-PIN-Photodiodenarray, das in Fig. 3 schematisch veranschaulicht ist. Dies ist ein kundenspezifisch gestaltetes monolithisches Photodiodenarray mit bis zu 16 Elementen in einer Reihe, wobei das Detekti onsarray in einem Flachchipträger (LCC) mit 68 Anschlüssen angeordnet ist. Dieses Detektorarray hat eine gemeinsame Ka thode mit isolierten Anoden, die in Fig. 3 mit den Zahlen 1 bis 16 bezeichnet sind. Mit 40 bis 46 sind entsprechende Vor verstärker und mit 50 Spitzendetektoren bezeichnet. Die digi talen Signale werden zu einem Prozessor gesendet, was mit 52 bezeichnet ist. Die Größe jedes Detektors im Array beträgt 50 µm (Breite) × 250 µm (Höhe), und die Teilung beträgt eben falls 50 µm. Als Lieferant für ein solches Array kommt Sen sors Unlimited Inc., NJ, USA in Frage.

Der Mehrelementlösung liegt die Idee zugrunde, daß die Bewegung turbulenter Wirbel quer durch den Laserstrahl in folge von Seitenwinden in einem spezifischen Bereich des Lichtwegs eine eindeutige zeitliche und räumliche Stärkesi gnatur in der Fokalebene des Empfängers erzeugt. Durch Analy sieren des Signals benachbarter Detektoren in der Fokalebene und durch Verwendung verschiedener Zeitskalen zur Integration des Signals ist es möglich, die spezifische Signatur zu re konstruieren und damit die Stärke der Seitenwindgeschwindig keit im betreffenden Bereich der Bahn aufzulösen. Auch in diesem Fall gilt die zur Bestimmung der mittleren Seitenwind geschwindigkeit verwendete Technik, aber die KKF wird für un terschiedliche Kombinationen aus Detektorpaaren in der Fokal ebene des Empfängers berechnet.

In Fig. 4a, 4b und 4c ist eine Ausführungsform der in der Vorrichtung der Erfindung verwendeten Software gezeigt, die aufgrund ihrer Länge in drei aufeinander folgende Ab schnitte unterteilt ist, wobei der Ablaufplan unmittelbar verständlich ist.

Als Veranschaulichung eines spezifischen Falls zeigen Fig. 5 und 6 die Anwendung einer Vorrichtung gemäß einer Aus führungsform der Erfindung auf ein herkömmliches Gewehr. Fig. 5 zeigt die Vorrichtung als schematische Perspektivansicht, die teilweise weggebrochen ist, um die Seitenwind- und Ent fernungsverarbeitungseinheit und den Haltepunkt darzustellen. In einer Seitenansicht zeigt Fig. 6 schematisch ein Gewehr 55, das keiner Beschreibung bedarf, da es nicht Teil der Er findung bildet und allgemein herkömmlich ist, auf das eine Ausführungsform der Erfindung angewendet ist. Mit 57 ist eine Befestigungsplatte bezeichnet, an der die Vorrichtung befe stigt werden kann, z. B. durch Schrauben, von denen eine schematisch bei 58 gezeigt ist, wobei die Platte am Gewehr durch eine lösbare Verbindung befestigt sein kann, die sche matisch bei 59 dargestellt ist.

Obwohl zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsfor men der Erfindung beschrieben wurden, ist deutlich, daß die Erfindung vom Fachmann mit zahlreichen Abwandlungen, Änderungen und Anpassungen in die Praxis überführt werden kann, ohne von ihrem Grundgedanken oder dem Schutzumfang der Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Verfahren zur Feuerleitung von Flachbahnwaffen, das die folgenden Schritte aufweist: Messen der Zielentfernung und Seitenwindgeschwindigkeit auf der beabsichtigten Ge schoßbahn vor Abfeuern der Waffe und anhand der bekann ten ballistischen Geschoßgleichungen erfolgendes Bestim men der erwarteten vertikalen und horizontalen Geschoß ablenkung sowie Einstellen des Waffenvisiers, um die Ab lenkungen zu kompensieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das die folgenden Schritte aufweist:

(a) Erzeugen eines Laserstrahls an der Abschußposition;
(b) Empfangen des durch ein gewünschtes Ziel reflek tierten Strahls;
(c) Bestimmen der Zielentfernung durch Messen der Zeit verzögerung zwischen der Erzeugung des Laserstrahls und dem Empfang des reflektierten Strahls;
(d) Bestimmen der Seitenwindrichtung und -geschwindig keit auf der Flugbahn durch Empfangen des reflek tierten Laserstrahls an zwei getrennten Positionen und Messen der Stärkeschwankungen des Strahls an den beiden getrennten Positionen;
(e) anhand der ballistischen Geschoßgleichungen erfol gendes Bestimmen der erwarteten vertikalen und ho rizontalen Geschoßablenkung; und
(f) Einstellen des Waffenvisier-Haltepunkts, um die Ab lenkungen zu kompensieren, durch Bereitstellen aus reichender Informationen für den Schützen der Waffe, um das Visier einzustellen, oder durch auto matisches Einstellen des Visiers.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Seitenwind richtung und -geschwindigkeit in charakteristischen Be reichen der Geschoßbahn bestimmt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, das die folgenden Schritte aufweist:

I. Erzeugen eines Laserstrahls durch einen diodenge pumpten Nd : YLF-Laser mit < 5 cm Strahldurchmesser und schmaler Strahldivergenz (< 0,2 mrad);
II. Anvisieren eines entfernten Ziels diffuser Art und Abgeben von etwa 1000 Impulsen mit einer Im pulsfolgefrequenz < 1 kHz darauf;
III. Detektieren der vom Ziel reflektierten Licht stärke mit zwei beabstandeten Detektoren, jeder mit seiner eigenen oder einer gemeinsamen Sammel optik und mit einem das Ziel erfassenden Sicht feld (» 0,2 mrad) sowie mit einem solchen Mit tenabstand zwischen ihren Sammeloptiken, daß sich ihre Aperturen teilweise überlappen;
IV. Verarbeiten des analogen Ausgangssignals jedes der Detektoren durch Verstärken seines Signals, Auswählen der Spitzenwerte jedes Signals, Umwan deln des analogen in ein digitales Signal und Eingeben der digitalisierten Daten in eine Compu tereinrichtung;
V. Speichern zweier Arrays der Spitzenwerte jedes der Detektoren;
VI. Berennen der mittleren und normierten Varianz jedes der Arrays;
VII. Berechnen und Erstellen der normierten zeitverzö gerten Kreuzkorrelationsfunktion (KKF) zwischen den Stärkewerten in den beiden Arrays;
VIII. Berechnen der kumulativen Differenzen zwischen den Werten im positiven Teil der KKF zu ihrem ne gativen Teil, wobei die Richtung des mittleren Seitenwinds auf der Bahn durch das Vorzeichen des Berechnungsergebnisses festgelegt ist;
IX. Glätten der Signalschwankungen in jedem Array der Werte durch laufende Mittelung von 3 bis 6 Wer ten;
X. anschließendes Berechnen der Anzahl von Null durchgangspunkten für jedes der Arrays, um die Stärke des mittleren Seitenwinds auf der Bahn zu berechnen.

5. Vorrichtung zur Feuerleitung von Flachbahnwaffen, die aufweist:

- einen Laserstrahlsender;
- zwei beabstandete Detektoren, jeweils mit einem das gewünschte Ziel erfassenden Sichtfeld;
- eine Einrichtung zum Bestimmen der Zielentfernung auf der Grundlage der Zeitverzögerung zwischen der Ab strahlung des Laserstrahls und dem Empfang des vom Ziel reflektierten Strahls;
- eine Einrichtung zum Verarbeiten des Ausgangssignals jedes Detektors und Bestimmen der Richtung und Stärke des mittleren Seitenwinds auf der beabsichtigten Ge schoßflugbahn anhand der Signale; und
- eine Einrichtung zum Bestimmen der erforderlichen Ein stellung des Waffenvisiers anhand der Entfernung und der Detektorausgangssignale.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Detektoren ge meinsame Optiken aufweisen, deren Aperturen sich teil weise überlappen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, die einen einzelnen Mehrelementempfänger aufweist, damit eine entfernungs aufgelöste Seitenwindmessung erfolgen kann.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, die so miniaturi siert ist, daß sie auf eine tragbare Waffe anwendbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8 mit einer Einrichtung zum Übermitteln der Daten der erforderlichen Einstellung des Waffenvisier-Haltepunkts an den Schützen der Waffe.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Einrichtung zum Übermitteln der Daten der erforderlichen Einstellung des Waffenvisiers an den Schützen der Waffe aufweist: eine Einrichtung zum Anzeigen der Richtung und der Anzahl von Kimmenstellungen, um die der Haltepunkt des Visiers zu verschieben ist, auf einem im Sichtfeld des Waffenvi siers eingebetteten alphanumerischen Monitor.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10 mit einer Einrichtung zum automatischen Verschieben des Halte punkts des Waffenvisiers als Funktion der bestimmten Entfernung und der Detektorausgangssignale.

12. Verfahren zur Feuerleitung von Flachbahnwaffen, das im wesentlichen der Beschreibung und Darstellung ent spricht.

13. Vorrichtung zur Feuerleitung von Flachbahnwaffen, die im wesentlichen der Beschreibung und Darstellung ent spricht.