DE3422232C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des An
spruches 1.
Die gattungsgemäße Einrichtung ist aus der DE-AS 27 57 585 bekannt.
Zum selbsttätigen Ausrichten bzw. Nachführen eines Laserstrahles auf
ein entferntes Ziel ist dort eine Richtvorrichtung in Form eines ver
schwenkbar gelagerten Planspiegels im abgehenden Strahlengang hinter
einem Fokussierteleskop vorgesehen, der mittels phasenversetzter Ansteuerung
von Piezo-Stellgliedern in eine Taumelbewegung versetzt wird, um eine
kreisförmige Bewegung eines Laser-Lichtfleckes im Ziel hervorzurufen.
Mittels eines Strahlungsdetektors empfangene reflektierte Energie ist
ein Mass für die Ablage des Zieles aus der mittleren Strahlrichtung und
kann deshalb für die Strahlnachführung ausgewertet werden.
Nicht berücksichtigt ist bei jener vorbekannten Einrichtung, daß es bei
Verwendung eines Hochenergie-Laserstrahles, der unmittelbar im Ziel
Funktionsstörungen oder sogar Beschädigungen hervorzurufen im Stande
sein soll, wichtig ist, dieser Ziel-Ausrichtung des Strahles auch noch
Maßnahmen zur Strahlformung zu überlagern, die störenden Streueinflüssen
auf dem Übertragungsweg zum Ziel und damit einer ungewünschten Strahl-Auf
weitung entgegenwirken.
Problematisch ist jedoch, daß die bekannten Maßnahmen nur Kompensation
von Störeinflüssen auf dem Wege des Strahles zum Ziel nur eine relativ
geringe Dynamik aufweisen, also durch die Maßnahmen zur Zielnach
führung schnell übersteuert sind und dann keine Kompensation defokus
sierender Atmosphäreneinflüsse mehr zulassen. Ein zusätzlicher Tracking-
Spiegel für die Ziel-Suche bedingt andererseits einen erheblichen
apparativen Mehraufwand und zusätzliche Verluste im Strahlengang.
In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung gattungsge
mäßer Art so auszubilden, daß sich mit vergleichsweise geringem
apparativem und schaltungstechnischem Aufwand eine Ziel-Suche und
eine Ziel-Nachführung in relativ großem Raumbereich realisieren
läßt, ohne selbst in Grenzbereichen auf die Atmosphären Korrektur
zur Erzielung eines optimal kleinen Brennfleckes im Ziel verzichten
zu müssen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst,
daß das Verfahren bzw. die Einrichtung gattungsgemäßer Art auch
die Kennzeichnungsmerkmale des Anspruches 1 aufweisen.
Zur erfindungsgemäßen Lösung wird also zwar sowohl für die Ziel-
Suche und -Verfolgung wie auch für die Atmosphären-Korrektur von
einem sogenannten MDA-Spiegel Gebrauch gemacht, wie er beispiels
weise bezüglich Fig. 1 in der Arbeit von James E. Harvey & Gray
M. Callahan "Wavefront error compensation capabilities of multi
actuator deformable mirrors" (SPIE Vol. 141 Adaptive-Optical-Compo
nents, 1978, Seiten 50-57) beschrieben ist; wobei nun aber die
jenigen Verformungen der Spiegelfläche, die auf der Ziel-Suche bzw.
Ziel-Verfolgung beruhen, hinsichtlich der Raumausrichtung von der
Plattform und hinsichtlich der Entfernung von der Teleskopoptik
ausgeglichen werden. Dadurch steht eine im Mittel stets ebene Spie
gelfläche für die Atmosphären-Korrektur zur Verfügung, die sich
somit über die volle Verformungsdynamik der Spiegelfläche erstrec
ken kann. Da andererseits für die Atmosphären-Korrektur in der
Regel nicht die vollständige Verformungsdynamik der Spiegelfläche
erforderlich ist, kann, nach Übernahme der Strahl-Grobsteuerung
durch die Plattform und die Teleskopoptik, der Kompensationsspiegel
noch der Feinorientierung der Strahlrichtung und der Feineinstel
lung der wirksamen Brennweite, im Interesse einer Ziel-Erfassung
mit optimal fokussiertem Strahl, dienen.
Für die Verformung der Spiegelfläche kann der Kompensationsspie
gel mit piezo-elektrischen Linear-Stellgliedern ausgestattet sein,
die über eine Frequenzkennung im Multiplex-Zugriff ansteuerbar
sind; wobei die Frequenzkennung als elektrische oder mechanische
Modulation der dem jeweiligen Stellglied zugeordneten Stellgröße
realisiert sein kann. Für die Bestimmung des Radius und der Rich
tung der Krümmung der Spiegelfläche des Kompensationsspiegels, also
der momentanen Abgangsrichtung des Strahles und seiner Brennweite
- die dann von der Plattform und der Teleskopoptik zu übernehmen
sind - genügt es prinzipiell, die momentanen Stell-Hübe von wenigstens
vier nicht längs einer Geraden angeordneten Stellgliedern zu erfas
sen. Dazu können Meß-Elektroden vorgesehen sein, wie in der DE-OS
32 41 601 für solche Stellglieder beschrieben; zweckmäßiger, da
weniger aufwendig, ist es jedoch, zur Übernahme der Richtungs- und
Brennweiteninformation aus dem Kompensationsspiegel, unmittelbar
die bestimmten Stellgliedern zugeordneten Eingangs-Stellgrößen auf
eine Nachführschaltung zur Bestimmung der Azimuth- und Elevation-
Bewegung der Plattform und der Brennweiten-Einstellung der Teleskop
optik, für Kompensation der diesbezüglichen Verformungen des Kom
pensationsspiegels, zu übernehmen.
Die Arbeitsweise des Stellwertgebers zur Gewinnung von Stellgrößen
für die Atmosphären-Korrektur ist als solche nicht Gegenstand vor
liegender Erfindung; diesbezüglich wird auf die Ableitungen zu Fig. 2
der vorstehend zitierten Arbeit von Harvey und Callahan Bezug genom
men.
Zusätzliche
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschrän
kung auf das Wesentliche stark abstrahiert skizzierten bevorzugten
Realisierungsbeispieles zur erfindungsgemäßen Lösung. Die einzige
Figur der Zeichnung zeigt nach Art eines Blockschaltbildes die im
Strahlengang liegenden Vorrichtungen zur Strahl-Beeinflussung und
-Führung sowie deren elektrische Ansteuerung.
Die in der Zeichnung skizzierte Einrichtung zum Ausrichten eines
Such- und Verfolgungs- oder Nachführ-Strahles 1 hoher Energiedichte
auf ein entferntes, eine wenigstens teilweise reflektierende Ober
fläche aufweisendes Ziel 2 zeigt im Strahlengang 3 einen auf einer
Plattform 4 angeordneten Spiegel 5. Durch entsprechende, hier nicht
näher zu erläuterende, Ansteuerung der Plattform 4 kann deshalb der
abgehende Strahl 1 in Azimut-Richtung a und in seiner Elevation e
verschwenkt und ausgerichtet werden.
Als Energiequelle 6 für den Strahl 1 dient vorzugsweise ein Hoch
energie-Gaslaser; prinzipiell kann das Prinzip der dargestellten
Einrichtung aber auch bei anderen Energiequellen 6, also für Strah
len 1 in anderem Frequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums,
realisiert werden, wenn die im Strahlengang 3 befindlichen Umlenk
einrichtungen entsprechend ausgelegt werden.
Über eine Umlenkeinrichtung 7 wird der Strahlengang 3 zur Reflexion
an einer deformierbaren Spiegelfläche 8 gegen einen Kompensations
spiegel 9 gelenkt, wie er als MDA-Spiegel oder Multi-Dither-Actua
tor-Spiegel gemäß eingangs zitierter Literaturstelle als solcher
bekannt ist, um Verzerrungen zu kompensieren, die der abgehende
Strahl 1 auf dem Wege zum Ziel 2 durch atmosphärisch bedingte Stör
einflüsse erfährt. Vor dem Plattform-Spiegel 5 verläuft der Strah
lengang 3 ferner - gegebenenfalls über weitere Umlenkeinrichtungen 7 -
durch eine Teleskopoptik 10 mit elektromechanisch einstellbarer
Brennweite, um je nach der Distanz zum reflektierenden Ziel 2, in
das die gebündelte Energie des abgehenden Strahles 1 auftreffen
soll, den Brennpunkt-Abstand dieses abgehenden Strahles 1 variie
ren zu können.
Ein am Ziel 2 reflektierter Anteil des Strahles 1 wird vom schon
erwähnten oder einem entsprechenden Plattform-Spiegel 5 über eine
Empfangsoptik 11 auf einen Detektor 12 geleitet. Dessen Intensitäts
information 13 ist ein Maß dafür, wie stark die tatsächliche Bünde
lung des Strahles 1 im reflektierenden Ziel 2 ist. Dieses Maß
wird schlechter, wenn das Ziel 2 sich aus dem Brennpunkt des Strah
les 1 richtungsmäßig oder entfernungsmäßig verlagert oder wenn
zwischen dem Abgangs-Spiegel 5 und dem Ziel 2 Energieübertragungs
verhältnisse vorliegen, die zu einer von der Strahlengeometrie
abweichenden Stellung und deshalb wieder zu verringerter Energie
dichte im Ziel 2 führen.
Um solcher Schwächung der Energiedichte im Ziel 2 entgegenzuwir
ken, wird ein Stellwertgeber 14 mit der Intensitätsinformation 13
aus dem Detektor 12 angesteuert, um Kompensationsinformationen 15
an einen Verstärker 16 zu liefern, dessen Ausgänge ihrerseits Stell
größen Ui zur Ansteuerung der MDA-Stellglieder 18 i liefern. Bei
den MDA-Stellgliedern 18 i handelt es sich vorzugsweise um in ihrer
Länge spannungssteuerbare Piezo-Stellglieder, die zwischen der de
formierbaren Spiegelfläche 8 und einem rückwärtigen Widerlager 19
des Kompensationsspiegels 9 eingespannt sind. Nach Maßgabe der
Aufschaltung von Stellgrößen Ui auf die Stellglieder 18 i - also
nach Maßgabe deren Ansteuer-Spannungen - verändern sich die Stell
glieder-Längen, was somit zu einer mechanischen Verformung, also
räumlichen Deformation, der wirksamen Spiegelfläche 8 führt. Die
örtliche Verformung der Spiegelfläche 8 über dem Querschnitt des
an ihr reflektierten Strahlenganges 3 führt also zu entsprechender
optischer Beeinflussung der Querschnitts-Gegebenheiten im abgehen
den Strahl 1 in dem Sinne, daß die atmosphärischen Störeinflüsse
und eine nicht-optimale Brennweitenvorgabe zum Ziel 2 gerade kom
pensiert werden; wobei wechselnde Ziel-Entfernungen durch wechselnde
Längen des wirksamen mittleren Krümmungsradius der Spiegelfläche 8
und winkelmäßige Zielablagen durch entsprechende Richtungswechsel
des Krümmungsvektors der Spiegelfläche 8 kompensiert werden - ohne
daß es insoweit einer Verschwenkung der Plattform 4 oder einer Ver
stellung der Teleskopoptik 10 bedürfte.
Allerdings sind aus funktionellen Gründen, hinsichtlich der Ober
flächengegebenheiten der Spiegelfläche 8 und der Stell-Dynamik
der Stellglieder 18 i, nur relativ kleine Auslenkungen (in der Grö
ßenordnung von beispielsweise 30 µ) der einzelnen Angriffspunkte
der Stellglieder 18 an die Rückseite der Spiegelfläche 8 realisier
bar. Um diese Verformungs-Dynamik der Spiegelfläche 8 möglichst
vollständig für die Kompensation atmosphärischer Störeinflüsse ver
fügbar zu haben, und um mittels des abgehenden Strahles 1 ein Ziel 2
in großem Winkelbereich und auch bei starken Entfernungs-Schwankun
gen erfassen und verfolgen zu können, ist vorgesehen, den Stell
wertgeber 14 auch für eine Verschwenk-Bewegung der Plattform 4 und
eine Verstell-Bewegung der Teleskopoptik 10 einzusetzen; wobei diese
Bewegungen derart gerichtet sind, daß sie die Strahlnachführ-Verform
ung der Spiegelfläche 8 hinsichtlich Ausrichtung und Brennpunkts
abstand (nämlich zum Ziel 2) übernehmen und dadurch die entsprechen
de Verformung der Spiegelfläche 8 zurückgeführt werden kann. Im
stationär arbeitenden System wird deshalb dann der Spiegel 9 nicht
mehr zur Auffassung des Zieles 2 mittels des Strahlen-Brennpunktes,
sondern nur noch zur Kompensation atmosphärischer Störeinflüsse
auf den abgehenden Strahl 1 benötigt, mit der Folge, daß die Spie
gelfläche 8 im Mittel ihre - gewöhnlich ebene - Basiskonfiguration
aufweist und nur geringe örtliche Verformungen von den Stellglie
dern 18 i erfährt, soweit diese zur Ausbreitungsfehler-Kompensation
erforderlich sind. Somit steht bei der stationär arbeitenden Einrich
tung, also nachdem die Plattform 4 und die Teleskopoptik 10 die
Ziel-Auffassung übernommen haben, die gesamte Verformungs-Dynamik
der Spiegelfläche 8 für die Übertragungs-, also Ausbreitungsfehler-
Kompensation, und erforderlichenfalls zur Feineinstellung der wirk
samen Brennweite und Strahlrichtung, zur Verfügung; und es besteht
keine Gefahr, daß aufgrund stationärer, zur Zielauffassung erforder
licher, Verformung die Dynamik der Spiegelfläche 8 beispielsweise
in Randbereichen nicht mehr zur überlagerten Störungs-Kompensation
ausreichte.
Aufgrund der bekannten Gesetzmäßigkeit (insbesondere hier: der
Proportionalität) zwischen den Stellgrößen Ui und den von den Stell
gliedern 18 i hervorgerufenen Verformung der Spiegelfläche 8 kann
eine Nachführschaltung 20 zur Ansteuerung der Plattform 4 und der
Teleskopoptik 10 dem Verstärker 16 nachgeschaltet - und insoweit
den Stellgliedern 18 i parallel geschaltet - sein; es kann aber auch
vorgesehen sein, die Nachführschaltung 20 unmittelbar aus dem Stell
wertgeber 14 (in der Zeichnung nicht berücksichtigt) oder einer
ihr nachfolgenden Schaltung zu speisen, um beispielsweise durch
entsprechende Ansteuer-Dynamik das unterschiedliche Masseträgheits
verhalten der elektromechanischen Stellglieder für die Plattform 4
und die Teleskopoptik 10 zu berücksichtigen und unabhängig davon
eine optimierte Ansteuerung der Piezo-Stellglieder 18 i sicherzustellen.
Um nach Maßgabe der regionalen Verformung der Spiegelfläche 8 die
Stellglieder 18 i individuell ansteuern zu können, wird ein Multi
plex-Zugriff realisiert, für den beim skizzierten Ausführungsbei
spiel ein Vielfach-Frequenzgenerator 21 vorgesehen ist. Jedem der
Stellglieder 18 i ist eine Identifikationsfrequenz Fi fest zugeordnet,
die in einer Überlagerungseinrichtung 22 mit der Stellgröße Ui
des gerade anzusteuernden Stellgliedes 18 i modulativ verknüpft
wird. Da diese Modulation auch in der reflektierten Strahlungsener
gie enthalten ist, ist sie Bestandteil der Intensitätsinformation 13;
so daß über ein Frequenz- oder Phasenfilter 23 sicherstellbar ist,
daß der Stellwertgeber 14 nur mit einer dem momentan angesteuerten
Stellglied 18 i zugehörigen Intensitätsinformation 13 beaufschlagt
wird. Dadurch ist eine eindeutige Zuordnung in der Ansteuerung der
Nachführschaltung 20 und damit im Verstell-Eingriff auf die Platt
form 4 und die Teleskopoptik 10, nach Maßgabe der mittleren Verfor
mung der Spiegelfläche 8 hinsichtlich Krümmung und Krümmungs-Rich
tung, gegeben.
Unabhängig davon, wie die Stellglieder 18 i bei der Realisierung
dieser Einrichtung angesteuert werden, ist die aktuelle Krümmung
und Verkippung der wirksamen Spiegelfläche 8 eindeutig - und mit
vergleichsweise geringem schaltungstechnischem Aufwand - dadurch
bestimmbar, daß die momentane Auslenkung von wenigstens vier nicht
auf einer gemeinsamen Geraden hinter der Spiegelfläche 8 angreifen
den Stellgliedern 18 i ermittelt und der Nachführschaltung 20 (zur
Kompensation dieser Verformung mittels der Plattform 4 und der
Teleskopoptik 10) eingespeist wird. Dafür kann die jeweilige tat
sächliche Auslenkung aktiv gemessen werden; oder sie wird, aufgrund
des linearen Stellgliedverhaltens zwischen Stellgrößen-Spannung
und Auslenk-Weg, wie in der Zeichnung berücksichtigt aus der jewei
ligen aktuellen Stellgröße Ui abgeleitet.
Die Überlagerungseinrichtung 22 kann eine elektrische Multiplika
tions- oder Additionsschaltung sein. Am einfachsten ist die Reali
sierung durch Hintereinanderschaltung von Piezo-Elementen, von denen
jeweils eines als Stellglied 18 i und das andere als Modulationsglied
zur Überlagerung einer höherfrequenten Längenänderung der Identi
fikationsfrequenz Fi dient.
In der Zeichnung ist auch noch eine externe Zielsuch- und Verfol
gungsschaltung 24 berücksichtigt, mittels der in als solcher bekann
ter Weise nach einem Programmablauf für die Erfassung des interes
sierenden Raumes, eine anfängliche Zielüberwachung durchgeführt
werden kann, ehe die dargestellte Einrichtung mit der rückgeführten
Intensitätsinformation 13 als autonomer Regelkreis arbeitet. Die
externe Schaltung 24 kann (in der Zeichnung nicht berücksichtigt)
auch direkt zur Ansteuerung der Nachführschaltung 20 herangezogen
werden, wenn z. B., vor Eintritt in den autonomen Regelkreis-Betrieb
der dargestellten Einrichtung, mit nach Maßgabe einer Grobüberwachung
des interessierenden Raumbereiches abgewandelten Steuerungspara
metern gearbeitet werden soll.
Claims (10)
1. Einrichtung zur Ziel-Suche und Ziel-Nachführung mittels einer räumlich
verschwenkbaren Spiegel-Plattform (4) und einer Telekopoptik (10)
im Strahlengang (3) zu einem abgehenden Laser-Strahl (1) sowie mit
einem Detektor (12) für nach Zielreflexion empfangene Strahlungs
energie, der eine Nachführschaltung (20) für die Plattform (4) speist,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Strahlengang (3) zum abgehenden Strahl (1) vor der Spiegel-Platt
form (4) zusätzlich ein Kompensationsspiegel (9) mit elektromechanisch
deformierbarer Spiegelfläche (8) vorgesehen ist und der Detektor
(12) außerdem einen Stellwertgeber (14) für die Spiegelflächen-Stell
glieder (18 i) und eine Nachführschaltung (20) für die Einstellung
der Brennweite (f) der Teleskopoptik (10) nach Maßgabe der räumlichen
Lage des vom abgehenden Strahl (1) erfaßten Zieles derart ansteuert,
daß die ziellage-abhängige Verformung der Spiegelfläche (8) durch
Zielnachführung der Spiegel-Plattform (4) und der Teleskop-Brenn
weite (f) reduziert wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Stellglieder (18 i) lineare Piezo-Stellglieder vorgesehen
sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Piezo-Stellglieder (18 i) individuell im Multiplex-Zugriff
über eine Frequenzkennung mit voneinander unterscheidbaren Identifikations
frequenzen (Fi) ansteuerbar sind, die in einer Überlagerungseinrichtung
(22) mit der jeweiligen Stellgröße (Ui) des gerade anzusteuernden
Stellgliedes (18 i) modulativ verknüpft sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Überlagerungseinrichtung (22) eine Hintereinanderschaltung
von Piezoelementen vorgesehen ist, von denen jeweils eines als das
Stellglied (18 i) und das andere als ein Modulationsglied zur Überlagerung
einer höherfrequenten Längenänderung der Identifikationsfrequenz
(Fi) angesteuert ist.
5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Nachführschaltung (20) dem Stellwertgeber (14) für die Lieferung
von Stellgrößen (Ui) für die Verformung der Spiegelfläche (8) nachge
schaltet ist.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Nachführschaltung (20) aus dem Stellwertgeber (14) ge
speist und für Kompensation der Einflüsse des Masseträgheitsver
haltens der Stellglieder für die Plattform (4) und für die Teles
kopoptik (10) ausgelegt ist.
7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Nachführschaltung (20) gemäß der momentanen Auslenkung
von wenigstens vier nicht auf einer gemeinsamen Geraden hinter
der Spiegelfläche (8) angreifenden Stellgliedern (18 i) ansteuerbar
ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß unmittelbar die aktuellen Stellgrößen (Ui) ausgewählter
Stellglieder (18 i) auf die Nachführschaltung (20) geführt sind.
9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Feineinstellung der Brennweite bzw. der Strahlrichtung
vom Stellwertgeber (14) eine Variation des wirksamen mittleren
Krümmungsradius bzw. eine Variation des momentanen Krümmungs
vektors der Spiegelfläche (8) ohne zusätzliche Ansteuerung der
Nachführschaltung (20) vorgesehen ist.
10. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine externe Zielsuch- und Verfolgungsschaltung (24) vorgesehen
ist, die alternativ zum Detektor (12) auf die Nachführschaltung
(20) schaltbar ist.
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- 1984-06-15 DE DE19843422232 patent/DE3422232A1/de active Granted
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1985
- 1985-06-14 FR FR8509038A patent/FR2566134B1/fr not_active Expired
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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FR2566134B1 (fr) | 1988-10-28 |
DE3422232A1 (de) | 1985-12-19 |
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