DE2448898C1 - Annäherungszünder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Annäherungszünder gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1. Die Rückstrahlmessungen erfolgen beim erfindungsgemäßen Zünder vorzugsweise nach dem Radarverfahren, kön­ nen prinzipiell aber auch mittels eines Laser-Gerätes durchgeführt werden. Ein gattungsgemäßer Zünder ist in dem älteren Patent 24 35 949 bereits vorgeschlagen worden.

Nachteilig beim vorgeschlagenen Zünder ist die Möglichkeit, daß bei vorübergehend - infolge interferenzbedingter Signaleinbrüche - aus­ fallenden Dopplersignalen eine vorzeitige Zündung auftritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zünder dieser Art anzugeben, der in Abhängigkeit von der relativen Annäherungsge­ schwindigkeit an sein Zielobjekt und von der Splittergeschwindig­ keit der eigenen Granate oder Rakete auch dann nicht vorzeitig windet, wenn infolge von Interferenzen Einbrüche in den Doppler­ schwingungen erfolgen, die zum ggf. mehrfachen vorübergehenden Ausfall von Ausgangssignalen aus der Dopplerfrequenz-Schwingungs­ quelle führen.

Die erfindungsgemäßen Merkmale eines diese Aufgabe lösenden gat­ tungsgemäßen Zünders sind dem Patentanspruch 1 entnehmbar. Die Unteransprüche beinhalten die Merkmale vorteilhafter Ausführungs­ formen und Weiterbildungen der Erfindung.

Fig. 1 zeigt - soweit zur Erläuterung der Erfindung notwendig - das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Der Hochfrequenzteil mit Dopplerfrequenzverstärker dieses Ausfüh­ rungsbeispiels ist in Fig. 1, weil er an sich bekannt und selbst nicht Gegenstand der Erfindung ist, nicht gezeigt; "vom HF-Teil" deutet auf diese Dopplerfrequenz-Schwingungsquelle hin, die das Dopplersignal von der Frequenz f_D in digitalisierter vorm ab­ gibt, und zwar gleichzeitig auf einen D/A-Wandler und einen Ein­ gang eines Phasenkomparators PC. Die in Fig. 1 gezeigte Inter­ ferenzsperre bleibe zunächst außer Betracht, da sie weiter unten näher beschrieben wird. Zunächst sei vielmehr angenommen, daß der andere Eingang des Phasenkomparators PC unmittelbar mit dem Ausgang eines Bezugsfrequenzgenerators verbunden sei, der beim Beispiel gemäß Fig. 1 aus der gezeigten Serienschaltung des bereits erwähnten D/A-Wandlers mit einem Funktionsgeber, einem Speicher und ausgangsseitig einem spannungsgesteuerten (VCO) Oszillator G besteht und dessen Ausgangsfrequenz die vor­ gegebene Dopplerfrequenz des Zündkriteriums ist. Da der Phasen­ komparator beim Zünder nach Fig. 1 ein digitaler Phasenkompa­ rator ist, wird ihm sein Eingangssignal vom Bezugsfrequenzgene­ rator durch entsprechende Ausbildung desselben gleichfalls in digitaler vorm zugeführt.

Bei Zielerfassung, die in der Regel in einer zur Zündentfernung vorgleichsweise sehr großen Zielentfernung auftritt, ist die Frequenz f_D die maximal mögliche Dopplerfrequenz f_Dmax, weil dann die Sichtlinie zwischen Zünder und Ziel praktisch mit der Zünderflugbahn richtungsgleich ist und zusammenfällt. Der D/A- Wandler wandelt die momentane Dopplerfrequenz immer in eine dazu proportionale Spannung U_fD um, die durch den Funktions­ geber so verändert wird, daß der nachfolgend angesteuerte Generator (VCO) auf der Zündfrequenz schwingt, was weiter unten im einzelnen noch näher erläutert wird. Die Zündfrequenz wird in digitaler Form dem digitalen Phasenkomparator PC zugeführt, der eine flankengesteuerte, aus vier Flip-Flops und Steuer­ gattern bestehende an sich bekannte digitale Speicherschaltung darstellt und gleichfalls weiter unten noch näher erläutert wird. Nähert sich der Zünder weiter dem Ziel, so nimmt die Dopplerfrequenz f_D bis zum Passieren des Zieles auf Null ab und steigt daraufhin wieder an, sofern der Zünder nicht be­ stimmungsgemäß zuvor zündet. Der Phasenkomparator vergleicht die vom Bezugsfrequenzgenerator ab gegebene Zündfrequenz mit der durch die Annäherung kleiner werdenden ihm unmittelbar zu­ geführte Dopplerfrequenz und gibt das Zündsignal ab, sobald die momentane Dopplerfrequenz die Zündfrequenz unterschreitet, wobei sich in der Praxis typischerweise nur eine Zündsignal­ verzögerung (infolge einer Schaltzeit von zwei Dopplerhalb­ wellen) in der Größenordnung von µs ergibt.

Durch diese verzögerungsfreie Signalauswertung ist beim Er­ findungsgegenstand eine optimale Zündung auch bei sehr dichten Zielvorbeiflug in einer Zielentfernung unter 1 m möglich, was bei zum Stand der Technik gehörenden Annäherungszünder, insbe­ sondere solchen mit Analogauswertung, nicht gewährleistet ist; die bekannten Zünder zünden bei derartig kleinen Vorbeiflug­ entfernungen erfahrungsgemäß viel früher als in ihrem opti­ malen Zündzeitpunkt.

Der Zünder nach der Erfindung, insbesondere sein Phasenkompa­ rator und Bezugsfrequenzgenerator (Zündfrequenzquelle), sind ohne weiteres in IC-Technik realisierbar und daher klein, billig und beschleunigungsfest.

Fig. 2 dient der Erläuterung der Zündgeometrie des erfindungs­ gemäßen Zünders. Bei vorgegebener Splittergeschwindigkeit v_S ist jedem Wert der Relativgeschwindigkeit V_R zwischen Zünder und Ziel ein bestimmter Zündwinkel α_Z gemäß tg α_Z = v_S/v_R zuzuordnen. Da v_a = v_R . cosα, ergibt sich die Annäherungsge­ schwindigkeit V_aZ im Zündpunkt zu

Der Verlauf dieser Funktion v_aZ = f(v_R) für v_S = 1000 m/s ist in Fig. 3 dargestellt.

Der Funktionsgeber beim Beispiel gemäß Fig. 1 hat die Aufgabe, diese Funktion - übertragen in proportionale Spannungswerte - nachzubilden. Er besteht gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 zweckmäßigerweise aus dem Spannungsteiler R1/R2 sowie aus der Zenerdiode D1. Die Diode D2 und der Kondensator C nach Fig. 4 bilden ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für den Speicher in Fig. 1.

Bei der Zielerfassung erhält man (wegen α ≈ 0) U_fD = U_fDmax ∼ v_R. Dieser Wert wird im Funktionsgeber sofort umgesetzt in die Spannung U_Sp ∼ f_DZ ∼ v_aZ und im Speicher abgespeichert. Im fol­ genden VCO wird aus U_Sp die Zündfrequenz hergestellt.

Beim Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 1 ist im Sinne der Erfindung die bereits oben kurz erwähnte und bisher nicht nä­ her betrachtete Interferenzsperre vorgesehen, die Fehlzündungen infolge Dopplersignal-Einbrüchen verhindert, indem sie bei feh­ lendem Dopplersignal am Eingang der in Fig. 1 gezeigten Schal­ tung Bezugsfrequenzsignale aus dem Zündfrequenzkanal vom Phasen­ komparator fernhält. Eine vorteilhafte Realisierungsmöglichkeit dieser Interferenzsperre ist der Fig. 5 entnehmbar, in der die Schaltung der Interferenzsperre durch ein gestricheltes Kästchen eingegrenzt ist. In Fig. 5 ist außerdem ein übliches Differen­ zierglied aus einem Kondensator C und einem ohmschen Widerstand R ersichtlich, das im Sinne einer Digitalisierung die Differentiation der Ausgangssignale des Oszillators VCO (Fig. 1) durchführt. Am Ausgang des Phasenkomparators befindet sich gemäß Fig. 5 ein Belastungswiderstand R_L, über dem das Zündsignal erscheint.

Fig. 6 zeigt einen an sich bekannten und vorteilhaft als Phasenkomparator der Anordnung nach Fig. 1 benutzbaren digi­ talen Phasenkomparator, der beispielsweise auf Seiten 2 und 3 unter Bezugnahme auf Phase-comparator II in der Druckschrift ICAN 6101 bezüglich Aufbau und Wirkungsweise ausführlich beschrieben ist. Diese Druckschrift ist im Jahre 1972 vom Fa. RCA herausgegeben.

Der Phasenkomparator nach Fig. 6 ist ein flankengesteuertes digitales Speichernetzwerk. Es besteht aus vier bistabilen Stufe, Steuerschaltungen und einer Ausgangsschaltang, die drei Zustände annehmen kann sowie p und n Treiberstufen mit einem gemeinsamen Ausgang 13 enthält. Dieser Phasenkomparator reagiert lediglich auf die positiven Flanken seiner digitalen Eingangs­ signale an den Eingängen 3 und 14. Falls die Eingangsfrequenz bei 3 höher ist als diejenigen bei 14 befindet sich der mit p bezeichnete Ausgangsteil des Komparators beständig in seinem durchgeschalteten Zustand. Falls die umgekehrten Eingangsfrequenz­ beziehungen vorliegen, ist dagegen der mit n bezeichnete Aus­ gangsteil beständig angesteuert. Sofern die Eingangsfrequenz bei 3 und 14 übereinstimmen, aber ein Phasenunterschied zwischen den beiden Eingangssignalen besteht, ergeben sich gleichfalls drei Ausgangszustände des Phasenkomparators, die infolge positiver Flanken der Signale an Anschluß 3 und 14 gemäß folgender Tabelle variiert werden können; vgl. hierzu auch Fig. 6.

Der Zustand B wird durch den externen Widerstand R_L auf D = O fixiert.

Das digitalisierte Dopplersignal A wird in der Form angeboten, daß sowohl die positive als auch die negative Halbwelle des analogen Signals - soweit ein bestimmter Schwellwert über- bzw. unterschritten wird - als logische L erscheint. Man erhält da­ durch eine Frequenzverdoppelung.

Das Vergleichssignal B wird durch Differenzierung des VCO-Sig­ nals gewonnen. Die Frequenz entspricht der doppelten Zündfre­ quenz.

Die Interferenzsperre hat die Aufgabe, bei fehlendem Doppler­ signal A die Impulse der Vergleichsfrequenz (Signal B bzw. C) vom Phasenkomparator fernzuhalten. Bei jedem Impuls des Sig­ nales B wird geprüft, ob A = L. Nur dann erscheint das Signal C. Dadurch erreicht man eine sehr schnell wirkende Interferenz­ ausblendung.

Bei der Zielannäherung ist zunächst die Dopplerfrequenz größer als die Vergleichsfrequenz. Der Ausgang des Phasenkomparators nimmt die Zustände A und B an, d. h. D = O. Bei Abfall der Dopplerfrequenz unter die Vergleichsfrequenz wird der Zustand erreicht, daß innerhalb eines Intervalls des Signals A zwei Impulse der Vergleichsfrequenz (B bzw. C) am Phasenkomparator anliegen. Dadurch wird D = L (Zustand C) und die Zündung wird eingeleitet.

Die im folgenden beschriebene Weiterbildung der Erfindung er­ weist sich gegenüber dem Stand der Technik besonders dann vor­ teilhaft, wenn Luftfahrzeuge mittels des erfindungsgemäßen Annäherungszünders bekämpft werden sollen und mit Störungen des Zünders durch Boden-Clutter zu rechnen ist, beispielsweise bei der Tieffliegerbekämpfung. Je nach Bodenbeschaffenheit und nach Flughöhe können nämlich Reflexionen der Sendewellen am Boden Annäherungen des Zünders an ein Ziel vortäuschen.

Durch diese Weiterbildung der Erfindung wird gleichzeitig die ECM-Festigkeit des Zünders wesentlich erhöht. Ein Stör­ sender muß, um erfolgreich zu sein, mehrere Millisekunden lang mit genügend großer Leistung die Störfrequenz mit einer Ge­ nauigkeit von 0,01‰ ausstrahlen, was praktisch immense Schwierigkeiten verursachen dürfte.

Wie es in der Radartechnik bekannt ist, hat die Boden-Clutter- Leistung N typischerweise eine Verteilung gemäß Fig. 7. In dieser Figur sind folgende Abkürzungen benutzt.

A = zur Auswertung notwendige Empfangsleistung
f_A = zu messende Dopplerfrequenz des Boden-Clutters ohne Boden-Clutter-Unterdrückung
f₂ = Vergleichsfrequenz
f_Do Dopplerfrequenz eines ruhenden Zieles

Benötigt z. B. ein Annäherungszünder die Empfangsleistung A, dann mißt die Auswerteschaltung die von: Boden erzeugte Doppler­ frequenz f_A. Verhindert man durch eine Schaltung, daß nur Frequenzen größer f₂ ausgewertet werden können (die Empfangs­ leistung bei f₂ erreicht nicht die Ansprechschwelle), dann sind die Störungen des Boden-Clutters unwirksam.

Auch Fig. 8 zeigt in ähnlicher Weise wie Fig. 7 die spektrale Verteilung des Boden-Clutters für einen wagerecht über der Erdoberfläche sich bewegenden Annäherungszünders, wobei die Cluttergrenze f_Do derjenigen Dopplerfrequenz entspricht, die der Zünder Eigengeschwindigkeit v_g proportional ist.

Das Blockschaltbild der Fig. 9 bezieht sich auf ein vorteil­ haftes Ausführungsbeispiel gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, die gemäß dem oberen Teil der Fig. 9 weitgehend mit dem Bei­ spiel nach Fig. 1 übereinstimmt. Diese Weiterbildung der Er­ findung ist dadurch gekennzeichnet, daß zum Unterdrücken ggf. störenden Boden-Clutter-Signale im Dopplerkanal des Zünders und/oder zum Erhöhen dessen ECM-Festigkeit eine Spannungsver­ gleichsschaltung (Komparator) vorgesehen ist, die eine der augen­ blicklichen Dopplerfrequenz der Empfangsschwingungen proportionale Spannung mit einer Funktionsgeberspannung (Funktionsgeber 2) vergleicht und die die Erzeugung oder Abgabe des Zündsignals verhindert, solange die der Dopplerfrequenz der Empfangsschwing­ ungen proportionale Spannung kleiner als die Funktionsgeber­ spannung ist, wobei die Funktionsgeberspannung immer kleiner als die und größenordnungsmäßig gleich der 0,9-fachen Spannung ist, die derjenigen Dopplerfrequenz proportional ist, die sich aufgrund der momentanen eigenen Fluggeschwindigkelt des Zünders ergeben würde.

Fig. 10 zeigt weitere Einzelheiten über zweckmäßige Realisierungs­ möglichkeiten des Spannungskomparators und Funktionsgeber 2 der Anordnung nach Fig. 9.

Da die Frequenzmeßschaltung breitbandig arbeitet, d. h. inte­ gralen Charakter hat, wird sich - wenn Clutter-Signale aus­ reichender Amplitude anstehen - am Ausgang des D/A-Wandlers eine Spannung U_fD einstellen, die einer effektiven Clutterfrequenz entspricht; vgl. Fig. 11. Diese liegt wesentlich niedriger als f_D0. Im Komparator wird nun die entstehende Spannung U_fD mit einer Vergleichsspannung U_vgl, die etwa 0,9 . f_D0 entspricht, verglichen. Im Falle U_fD<U_vgl wird der VCO gesperrt, so daß eine Zündung unmöglich wird. Liegt nun ein Nutzsignal von einem stehenden oder anfliegenden Ziel an, so steigt U_fD auf den der Relativgeschwindigkeit v_R entsprechenden Wert an. Nun gilt U_fD<_{U vgl}, der VCO wird freigegeben und der Phasen- bzw. Fre­ quenzvergleich kann beginnen.

Die Clutterkante f_D0 bzw. die Eigengeschwindigkeit v_g nimmt über der Flugzeit nach einer e-Funktion ständig ab. Um einwand­ frei zwischen Ziel- und Cluttersignale detektieren zu können, muß auch die Vergleichsspannung entsprechend abnehmen. Dies erfolgt durch den Funktionsgeber 2 (Fig. 9). Die Funktion desselben ist aus Fig. 10 ersichtlich. Beim Einschalten des Gerätes ist U_vgl gleich der Durchbruchspannung U_Z der Zenerdiode (Kondensator C ist entladen). Mit ansteigender Flugzeit wird C über R aufge­ laden, so daß U_vgl nach einer e-Funktion abnimmt.

Bezüglich Störung des Gerätes durch ECM-Maßnahmen gilt die Forderung, daß das Störsignal ca. 5 ms mit einer Frequenz zwischen f_S + f_D0 und f_S + f_Dmax anliegen muß. Die Zeit von 5 ms wird benötigt, um den Speicher aufzuladen.

Claims (8)

1. Annäherungszünder, der in einer Granate oder Rakete deren Ex­ plosivladung bei Annäherung an ein Zielobjekt durch Auswertung lau­ fender Rückstrahlmessungen unter Ausnützung des Dopplereffekts zün­ det, bei dem das vorgegebene Zündkriterium das Erreichen einer vor­ gegebenen Dopplerfrequenz ist, bei dem zum Feststellen des Zündkri­ teriums und Erzeugen des Zündsignals ein digitaler Phasenkomparator mit zwei Eingängen vorgesehen ist, dessen einer Eingang unmittelbar an die Dopplerfrequenz-Schwingungsquelle, die das Dopplersignal in digitalisierter Form abgibt, und dessen anderer Eingang an einen gleichfalls digitalen Bezugsfrequenzgenerator angeschlossen ist, wiederum dessen Ausgangsfrequenz die vorgegebene Dopplerfrequenz des Zündkriteriums ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Bezugsfrequenzgenerator und den Phasenkomparator eine aus einer logischen Schaltung mit zwei Eingängen bestehende Interferenzsperre eingefügt ist, deren einer Eingang am Bezugsfrequenzgenerator und deren anderer Eingang an der Dopplerfrequenz-Schwingungsquelle lie­ gen und die verhindert, daß bei fehlendem Ausgangssignal der Doppler­ frequenz-Schwingungsquelle Signale des Bezugsfrequenzgenerators zum Phasenkomparator gelangen.

2. Zünder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppler­ frequenz-Schwingungsquelle derart ausgebildet ist, daß an ihrem Aus­ gang sowohl die positive als auch die negative Halbwelle des ana­ logen Dopplersignals als logische L erscheint, und daß die Aus­ gangsschwingung des Bezugsfrequenzgenerators gleichfalls fre­ quenzverdoppelt ist.

3. Zünder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugsfrequenzgenerator aus einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) besteht, dessen Steuerspannung aus einer Batterie oder aus einem Spannungsspeicher, z. B. einem aufgeladenen Kondensator, stammt und dem ein Differenzierglied nachgeschaltet ist.

4. Zünder nach Anspruch 3 mit einem Speicherkondensator als Steuer­ spannungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufladen des Konden­ sators ein Funktionsgeber vorgesehen ist, der bei Annäherung an das Zielobjekt während der Zeit des Auftretens von Dopplerschwingungen die Kondensatorspannung auf der Höhe hält, die für den Oszillator zum Erzeugen der dem Zündkriterium entsprechenden Frequenz erfor­ derlich ist.

5. Zünder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Funk­ tionsgeber aus der Reihenschaltung zweier ohmscher Widerstände ge­ gen Masse und einer Zenerdiode besteht, die dem eingangsseitigen Widerstand parallel liegt, und daß das Ausgangssignal des Funktions­ gebers über dem ausgangsseitigen der zwei Widerstände abnehmbar ist.

6. Zünder nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator eine Diode vorgeschaltet ist.

7. Zünder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der Phasenkomparator aus vier bistabilen Schaltungen, Steuer-Torschaltungen und einer Ausgangsschaltung besteht, die drei Zustände annehmen kann und daß er infolge an sich bekannter Zusammenschaltung seiner Bausteine in Verbindung mit der Vorwahl seines Belastungswiderstandes lediglich auf die positiven Flanken seiner digitalen Empfangssignale reagiert, in der Weise, daß er bei Erfüllung des Zündkriteriums das Zündsignal liefert.

8. Zünder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Unterdrücken ggf. störender Boden-Clutter-Signale im Doppler­ kanal des Zünders und/oder zum Erhöhen dessen ECM-Festigkeit eine Spannungsvergleichsschaltung (Komparator) vorgesehen ist, die eine der augenblicklichen Dopplerfrequenz der Empfangsschwingungen pro­ portionale Spannung mit einer Funktionsgeberspannung (Funktionsge­ ber 2) vergleicht und die die Erzeugung oder Abgabe des Zündsignals verhindert, solange die der Dopplerfrequenz der Empfangsschwingungen proportionale Spannung kleiner als die Funktionsgeberspannung ist, wobei die Funktionsgeberspannung immer kleiner als die und größen­ ordnungsmäßig gleich der 0,9-fachen Spannung ist, die derjenigen Dopplerfrequenz proportional ist, die sich aufgrund der momentanen eigenen Fluggeschwindigkeit des Zünders ergeben würde.