DE29819394U1 - Vorrichtung zur Treffererkennung bei Schießanlagen - Google Patents

Description

4188/6 Gerd Büche*3r,*&eligajg Schnitzler* * j J * * &iacgr; * * I * ²³· Oktober 1998

BESCHREIBUNG Vorrichtung zur Treffererkennung bei Schießanlagen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine bekannte Vorrichtung zur Ermittlung der Flugbahn eines Geschosses sowie dessen Trefferlage in einem Zielfeld beruht auf akustischen Gegebenheiten, und zwar auf der Messung der Laufzeitdifferenzen der durch das sich im Überschallbereich bewegende Geschoß ausgelösten Überschallwellen relativ zu mehreren, sich in einer Ebene befindlichen Mikrophonen. Nach an sich bekannten geometrischen Beziehungen kann auf diese Weise eine Ortsbe-Stimmung des Geschoßes innerhalb der genannten Ebene vorgenommen werden. Die Position eines Treffers auf einer Scheibe kann in ähnlicher Weise durch eine zur Aufnahme von Körperschall eingerichtete Mikrophonanordnung vorgenommen werden. Problematisch ist das auf der Messung von Luftschall basierende Verfahren bei Geschossen im Unterschallbereich, da das entwickelte Schallfeld keine eindeutige Messung ermöglicht. Probleme ergeben sich auch bei der Erfassung von Geschossen, die sich mit mehrfacher Schallgeschwindigkeit bewegen, da das sich ergebende mehrfache Schallsignal ebenfalls zu Fehlmessungen führt. Ferner haftet diesen Meßverfahren eine gewisse Trägheit bei der Meßwerterfassung an, so daß diese sich nur bedingt für die Erfassung schneller Schußfolgen wie z. B. derjenigen von automatischen bzw. Schnellfeuerwaffen eignen.

Es ist bei Raumschießanlagen bekannt, die Trefferpositionen auf einer Papierleinwand dadurch zu markieren, daß eine hinter dieser befindliche Lichtquelle die Durchschußstellen anzeigt, deren Positionen anschließend anhand der Zeilen- und Spaltenanordnung eines Videoabbildungssystems ermittelt und mit einer Treffermaske verglichen werden. Probleme ergeben sich bei dieser Art der Treffererkennung infolge von Streulicht, insbesondere jedoch bei schnellen

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Schußfolgen, da die vorangegangenen Durchschußlöcher vorab eliminiert werden müssen.

Beschränkungen dieser bekannten Vorrichtungen bestehen somit hinsichtlich der Art der zu erfassenden Geschosse, deren Geschwindigkeit, der Schußfolge sowie der erreichbaren Genauigkeit der Messung.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art dahingehend auszugestalten, daß unabhängig von der Art des eingesetzten Geschosses und der Schußfolge eine sehr genaue Ermittlung der Flugbahn bzw. einer Trefferlage ermöglicht wird. Gelöst ist diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.

Erfindungswesentlich ist hiernach, daß die Vorrichtung ein Radargerät umfaßt, mittels welchem die, die Flugbahn beschreibenden Daten eines jeden Geschosses radargestützt erfasst werden. Im Rahmen eines solchen Gerätes kann grundsätzlich jedes bekannte Radarverfahren verwendet werden, bei welchem beispielsweise die Entfernung des Geschosses aus der Laufzeit des Radarsignals vom Sender über das Ziel zum Empfänger und die bezogen auf den Sender feststellbare Geschwindigkeit des Geschosses anhand einer Frequenzverschiebung der Frequenzen von Sende- und Empfangssignal bestimmt werden. Von besonderem Vorteil ist die geringe Trägheit dieser Verfahren, welches die Ermittlung der Daten der Flugbahnen in unterscheidbarer Weise auch bei raschen Schußfolgen ermöglicht. Aus den Daten der Flugbahn wird die Trefferlage in einem Zielfeld rechnergestützt ermittelt, ein Vorgang, der ebenfalls sehr rasch durchführbar ist, so daß eine solche Vorrichtung unabhängig von den oben dargelegten, dem Stand der Technik anhaftenden Beschränkungen insbesondere betreffend die Schußfolge sowie die Geschoßgeschwindigkeit universell verwendbar ist. Die Vorrichtung kann bei Raumschießanlagen und gleichermaßen bei im Gelände installierten Anlagen benutzt werden. Neben einem Radargerät wird lediglich ein Rechner zur analytischen Auswertung der ermittelten Flugbahndaten benötigt. Radargerät und Rechner

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können als kompakte Meßeinheit ausgebildet und mit einer geeigneten Energiequelle versehen werden, so daß eine Verwendbarkeit bei beliebigen Schießanlagen gegeben ist. Die Anwendbarkeit dieses Verfahrens ist bei ortsfesten Zielen, jedoch gleichermaßen auch bei bewegten Zielen gegeben. Insbesondere bei letztgenannten Zielen gestaltet sich die Benutzung der Vorrichtung sehr einfach, da an dem bewegten Zielkörper keinerlei Veränderungen vorgenommen werden müssen.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2 wird zur Flugbahnerfassung bzw zur Ortsbestimmung eines Geschosses ein Doppler-Radar verwendet. Hierbei können grundsätzlich jegliche Radarverfahren eingesetzt werden, die auf einer kontinuierlichen oder impulsgetakteten Abstrahlung beruhen und die zur Ermittlung von Ort und Geschwindigkeit eines Geschosses geeignet sind.

Radarsender und Radarempfänger können grundsätzlich als Baueinheit vorliegen, wobei einem Zielfeld eine oder zur weiteren Verbesserung der Meßgenauigkeit auch weitere Baueinheiten zugeordnet sein können. Es ist jedoch gemäß den Merkmalen des Anspruchs 3 auch möglich, Radarsender und Radarempfänger räumlich voneinander beabstandet vorzusehen. Auch bei dieser räumlichen Trennung können zur Verbesserung der Genauigkeit, jedoch auch zur Erhöhung der Geschwindigkeit der Ermittlung der Flugbahndaten mehrere Sender und Empfänger beiderseits einer Schießbahn vorgesehen sein.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 4 ist der für eine Radarauswertung zur Verfügung stehende Meßraum auf einen Bereich in unmittelbarer Nähe des Zielfeldes beschränkt. Auf diese Weise werden Störeinflüsse eliminiert, die in dem übrigen Raum unter Umständen bestehen könnten. Die praktische Durchführung der Begrenzung des Meßraumes kann in einer noch zu erläuternden Folgeschaltung grundsätzlich realisiert werden.

Die an sich bekannte Festzeichenunterdrückung gemäß den Merkmalen des Anspruch 5 basiert bei einem Puls-Doppler-Radar bekanntlich auf der Aus-

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Wertung der Amplituden des empfangenen Signals, wobei sich bei konstanter Sendeamplitude bei Festzielen konstante Empfangsamplituden ergeben, wohingegen die Empfangsamplitude bewegter Ziele durch die Dopplerfrequenz moduliert wird.

Der Meßraum ist entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 6 mit einer beweglichen Sende- und Empfangsantenne abtastbar, wobei die Konturen der von der Antennencharakteristik innerhalb des Meßraumes überstrichenen Fläche an diejenige des Zielfeldes angepaßt sein können. Die dem empfangenen Radarsignal entnehmbare Information wird somit in jedem Fall um eine, durch die Position der Antenne gegebene Information ergänzt und einer weiteren Auswertung zugeführt.

Anstelle einer mechanischen Verschwenkung der Antenne, bei welcher das von der Richtcharakteristik der Antenne abhängige Meßfeld zwecks Abtastung des Zielfeldes infolge einer rotatorischen oder oszillatorischen Bewegung des Antennenkörpers relativ zu einem Zielfeld mechanisch bewegt wird, kommt gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7 auch die Verwendung einer Antenne, insbesondere einer Sende- und Empfangsantenne mit elektrisch schwenkbarer Richtcharakteristik in Betracht. Bei diesen, auch als Phased-Array-Antennen an sich bekannten Antennen handelt es sich um Dipolkombinationen, bei denen sich durch gezielte Aussteuerung der Phasendifferenzen zwischen den einzelnen Dipolen aus der überlagerten Wirkung aller Dipole eine Schwenkung der Richtcharakteristik der gesamten Dipolkombination ergibt, wobei die Schwenkbewegung wiederum eine rotatorische oder eine oszillatorische sein kann. Diese elektrische Verschwenkung der Richtcharakteristik, bei der somit keine mechanisch bewegten Teile zum Einsatz kommen, ermöglicht sehr hohe Abtastgeschwindigkeiten und eignet sich insbesondere zur Erfassung schneller Schußfolgen.

Die Bemessung bzw. Plazierung des von dem mechanisch oder elektrisch bewegten Meßfeld der Richtcharakteristik der Antenne erfaßten Bereiches entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 8 dahingehend, daß dieser Bereich

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sich über das Zielfeld hinauserstreckt, ermöglicht eine weiter verbesserte Auswertungsmöglichkeit einer Geschoßbahn, insbesondere mit Hinblick auf Korrekturnotwendigkeiten. Auf diese Weise werden somit auch solche Geschoße erfaßt, die das Zielfeld verfehlen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 9 ferner ein mit einer eigenen Energiequelle in der Form einer Batterie oder auch in der Form einer Brennstoffzelle ausgerüstetes Gerät sein. Dieses kann mit Hinblick auf den jeweiligen speziellen Einsatzzweck hin weiter ausgestaltet sein. Falls das Gerät für einen Einsatz im Gelände in Betracht kommt, kann dieses beispielsweise mit einer Sendeeinheit versehen sein, über welche die durch Radarvermessung gewonnenen Daten per Funk zu einer Auswertestation übertragbar sind. Es handelt sich in diesem Fall um ein mobiles Gerät, welches bei unterschiedlichen Schießanlagen einsetzbar ist.

Der Meßraum, innerhalb welchem eine Vermessung der Flugbahn des Geschosses stattfindet, wird durch elektronische Unterdrückung von Empfangssignalen aus übrigen Räumen definiert. In einfacher Weise können mehrere derartiger Meßräume definiert werden, die mittels eines einzigen Gerätes auswertbar sind.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf das in den Zeichnungen schematisch wiedergegebene Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines Zielfeldes mit einem X-Y Koordinatensystem;

Fig.2 eine schematische, beispielhafte Darstellung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur radargesteuerten Positionserfassung und Treffererkennung eines Geschosses; Fig. 3 eine schematische Darstellung des Erfassungsbereichs der rotierenden Radarantennencharakteristik der Vorrichtung in ihrer Projektion in Richtung auf das Zielfeld hin.

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Das in Fig .1 gezeigte Zielfeld ist in an sich bekannter Weise durch ein System zueinander konzentrischer Kreise gekennzeichnet, deren Mittelpunkt 2 den Ursprung eines X-Y Koordinatensystems bildet. Die exakte Lage der Treffer innerhalb dieses Koordinatensystems wird erfindungsgemäß indirekt durch Erfassung der Flugbahn des Geschosses innerhalb des Zielraumes vor dem Zielfeld ermittelt und in üblicher Weise, gegebenenfalls nach Zwischenspeicherung ausgewertet.

Das gemäß Fig. 2 sich in der Beschußrichtung 4 auf das Zielfeld 1 hin bewegende bewegende Geschoß gelangt auf seiner Flugbahn an der Stelle 5 in einen Bereich 6, der mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung überwacht wird. Diese besteht aus einem Radarsender 7, der gleichzeitig als Empfänger eingerichtet ist und dessen rotierende Radarkeule den Bereich 6 überstreicht, so daß die Flugbahn der Geschoße beginnend mit der Stelle 5 erfaßt wird.

Der Radarsender 7 befindet sich in einer Entfernung 8 vor dem Zielfeld 1, wobei dessen Betriebsparameter derart eingestellt sind, daß der maximal erfaßbare Bereich in einer geringfügigen Entfernung vor dem Zielfeld 1 endet und daß von diesem maximal erfaßbaren Bereich lediglich ein vergleichsweise schmaler Bereich 9 unmittelbar vor dem Zielfeld als Meßraum für die Auswertung, insbesondere zur Vermessung der Geschoßflugbahn benutzt wird. In dem verbleibenden Bereich 10 hingegen wird das durch das hindurchfliegende Geschoß verursachte Echosignal unterdrückt. Für die Radarerfassung steht somit lediglich der Bereich 9 zur Verfügung.

Die Beschränkung auf den Bereich 9 kann beispielsweise über eine Folgeschaltung erreicht werden, bei welcher das insgesamt zur Verfügung stehende Signal 11 mittels eines Steuerimpulses 12 mit der Maßgabe unterdrückt wird, daß für eine Flugbahnvermessung nur ein solches Signal 13 zur Verfugung steht, welches innerhalb des Bereichs 9 generiert worden ist. Über ein rampenförmiges Steuersignal 14, durch dessen Impulslänge bzw. Taktfrequenz der maximal erfaßbare Bereich 8 festgelegt ist, werden die Steuerimpulse 12 getaktet. Der Abstand des Radarsenders 7 von dem Zielfeld 1 ist somit über eine

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Variierung der Impulslänge des Steuersignals 14 nahezu beliebig anpaßbar. Gleiches gilt hinsichtlich der Bemessung des Bereiches 9, der über eine Variierung der Impulslänge des Steuerimpulses 12 ebenfalls veränderbar ist.

Der eingesetzte Radarsender 7 verfügt über eine rotierende Antenne mit einer sich in Richtung auf das Zielfeld 1 hin erstreckenden, an sich bekannten keulenartigen Charakteristik. Deren Querschnitt, das Meßfeld kann eine Kreisgestalt aufweisen und es ist in Fig. 3 innerhalb eines X-Y Koordinatensystems der kreisförmige Bereich 15 dargestellt, der durch die rotierende Radarkeule bzw. das Meßfeld überstrichen wird. Dieser Bereich 15 erstreckt sich in einer Vertikalebene, und zwar - in Beschußrichtung 4 gesehen - innerhalb des Bereiches 9, innerhalb welchem eine Flugbahnvermessung stattfindet. Die rotierende Keulencharakteristik der Radarantenne stellt sich innerhalb des Bereiches 15 als Rotation des kreisförmigen Erfassungsbereichs bzw des Meßfeldes 16 um den Mittelpunkt 17, beispielsweise in Richtung des Pfeiles 18 dar.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, daß das Meßfeld 16 mit der Maßgabe bewegt wird, daß der Bereich 15, der dem auszuwertenden Zielbereich entspricht, nicht überschritten wird. Dieser Zielbereich kann mit einem Zielfeld 1 übereinstimmen. In diesem Fall ist ein Geschoß feststellbar und lokalisierbar, wenn es sich innerhalb des Bereiches 15 bewegt. Eine Bewegung außerhalb des Bereiches 15 wird hingegen nicht erkannt. In vielen Fällen ist jedoch auch die Frage von Interesse, in welcher Richtung relativ zu einem Zielfeld 1 ein einzelner Schuß abweicht, so daß der Bereich 15, der durch das bewegte Meßfeld 16 abgetastet wird, auch größer als das Zielfeld 1 bemessen sein kann.

Mit 19 ist ein Winkelgeber bezeichnet, mittels welchem die aktuelle Drehwinkelposition der Radarantenne hinsichtlich eines Bezugswinkels erfasst und für die Auswertung des Echosignals zur Verfügung gestellt wird. Das dem Radarempfänger zugeleitete Empfangssignal ist auf diese Weise noch mit einer den Drehwinkel beschreibenden Funktion gewichtet. Anstelle der gezeigten, in einer

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Horizontalebene rotierenden Antennencharakteristik kommt auch eine in einer Vertikalebene in horizontaler Richtung oszillierende Antennencharakteristik, beispielsweise mit einem rechteckförmigen Erfassungsbereich 20 in Betracht. Dieser kann durch entsprechend dimensionierte Hohlleiter bereitgestellt werden.

Anstelle einer rotierenden oder auch oszillierenden Antenne, deren Richtcharakteristik, insbesondere deren Meßfeld 16 innerhalb eines definierbaren Bereiches 15 mechanisch bewegt wird, kommt auch eine sogenannte Phased-Array-Antenne in Betracht, deren Richtcharakteristik innerhalb des genannten Bereiches 15 elektrisch bewegt wird. Dieser Antennentyp ist bekanntlich durch keine mechanisch bwegte Teile gekennzeichnet und ermöglicht demzufolge sehr hohe Abtastgeschwindigkeiten.

Der erfindungsgemäß eingesetzte Radarsender und -empfänger kann ein PuIs-Doppler-Radar sein, bei welchem anhand eines Vergleichs von Sende- und Echosignalen nach unterschiedlichen, an sich bekannten Methoden die Enfernung des Geschoßes von einem Bezugspunkt sowie dessen Geschwindigkeit ermittelt werden, wobei die Messung mittels einer an sich bekannten Festzeichenunterdrückung auf Hochgeschwindigkeitsziele, nämlich fliegende Geschosse beschränkt wird. Die Unterscheidung von festen unbeweglichen Zielen und bewegten Zielen beruht bekanntlich auf der Auswertung einer Dopplerfrequenzverschiebung, insbesondere darauf, daß das Echosignal auf ein Sendesignal mit konstanter Amplitude bei Festzielen wiederum ein Signal mit konstanter Amplitude ist, wohingegen die empfangenen Impulsamplituden bei bewegten Zielen durch die Dopplerfrequenz moduliert erscheinen.

Ziel der innerhalb des Bereichs 9 erfolgenden Flugbahnvermessung ist die Ermittlung der Trefferpositionen des Geschosses innerhalb des Zielfeldes 1. Im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung können sämtliche an sich bekannten radargestützten Meßverfahren zur Ermittlung von Ort und Bewegungsrichtung eines sich bewegenden Objektes angewandt werden. Diese Auswerteverfahren basieren sämtlich auf der Auswertung der Laufzeit von Echosignalen in Verbindung mit der Auswertung einer Frequenzverschiebung

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zwischen Sende- und Echofrequenz, die sich um die Dopplerfrequenz unterscheiden, wobei das Empfangssignal durch die rotierende oder oszillierende Bewegung einer Sende- bzw. Empfangsantenne, gewichtet ist. Ein solches Radargerät kann bei Schießanlagen innerhalb geschlossener Räume, jedoch gleichermaßen auch im Gelände eingesetzt werden. Die ermittelten Flugbahndaten können nach Maßgabe der Lage des Meßraumes in einfacher, insbesondere computergestützter Weise in Trefferkoordinaten des Zielfeldes 1 umgerechnet werden, um anschließend in an sich bekannter Weise ausgewertet werden.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Treffererkennung steht somit ein System zur Verfügung, bei welchem bei hoher Genauigkeit die dem eingangs dargelegten, dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile vermieden werden, insbesondere nachdem eine Meßwertbildung innerhalb der zur Verfügung stehenden Zeit im Nanosekundenbereich möglich ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann bei allen Geschoßen bzw Flugkörpern Anwendung finden, deren Geschwindigkeit einem Wert von wenigstens 5 m/sec entspricht. Ihre Anwendung ist demzufolge nicht auf Feuerwaffen beschränkt.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Treffererkennung bei Schießanlagen, wobei die Lage eines Treffers in einem Zielfeld (1) nach Maßgabe der Koordinaten eines Koordinatensystems beschreibbar ist und für eine weitere Auswertung zur Verfügung steht, gekennzeichnet durch

1. ein Radargerät, welches zur Ermittlung der Daten der Flugbahn eines jeden Geschosses eingerichtet ist und

2. einen Rechner, der zur analytischen Ermittlung der Trefferlage im Zielfeld (1) eingerichtet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

1. zumindest ein, nach Art eines Doppler-Radars ausgebildetes Radargerät (7).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch

1. räumlich voneinander getrennte Radarsender und Radarempfänger.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

1. daß der für eine Radarauswertung zur Verfügung stehende, von dem Geschoß durchquerte Meßraum auf einen Bereich (9) in unmittelbarer Nähe des Zielfeldes (1) beschränkt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

1. daß das Radargerät mit einer Festzeichenunterdrückung ausgerüstet ist, die zur Beschränkung der Radarauswertung auf Hochgeschwindigkeitsziele eingerichtet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

1. daß das Radargerät mit einer den Meßraum abtastenden, rotierenden oder oszillierenden Sende- und Empfangsantenne ausgerüstet ist und

2. daß die Richtung und die Geschwindigkeit der jeweiligen, den Meßraum durchquerenden Geschosse in an sich bekannter Weise anhand der Laufzeit des Echosignals in Verbindung mit einer Frequenzverschiebung der Frequenzen von Sende- und Echosignal ermittelbar sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

1. daß das Radargerät mit einer, den Meßraum unter Verwendung einer, eine elektrisch schwenkbaren Richtcharakteristik abtastenden Sende- und Empfangsantenne ausgerüstet ist,

2. wobei die Richtung und die Geschwindigkeit der jeweiligen, den Meßraum durchquerenden Geschosse in an sich bekannter Weise anhand der Laufzeit des Echosignals in Verbindung mit einer Frequenzverschiebung der Frequenzen von Sende- und Echosignal ermittelbar sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,

1. daß ein, infolge der schwenkbaren Richtcharakteristik der Antenne abgetasteter Bereich (15) sich über das Zielfeld (1) hinaus erstreckt.

9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch

1. eine Energiequelle in der Form einer Batterie oder einer Brennstoffzelle.