DE3743583A1 - Verfahren zur Erzeugung eines automatischen Zündbefehls für eine Panzerbekämpfungsvorrichtung und Zündvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Erzeugung eines automatischen Zündbefehls für eine Panzerbekämpfungsvorrichtung und Zündvorrichtung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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- DE3743583A1 DE3743583A1 DE19873743583 DE3743583A DE3743583A1 DE 3743583 A1 DE3743583 A1 DE 3743583A1 DE 19873743583 DE19873743583 DE 19873743583 DE 3743583 A DE3743583 A DE 3743583A DE 3743583 A1 DE3743583 A1 DE 3743583A1
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff
des Anspruches 1 angegebenen Art sowie eine Zündvorrich
tung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Im einzelnen handelt es sich darum, eine in horizontaler
Richtung wirksame, "intelligente" Boden/Boden-Bekämp
fungsvorrichtung zu schaffen, die aus einer manuell
über einen Träger auf dem Boden angeordneten Panzer
mine oder dergleichen besteht, deren Zündvorrichtung
u. a. die folgenden Möglichkeiten und Eigenschaften
bietet, die auch Gütekriterien darstellen:
- - Die Mine verfügt über mindestens zwei Sensoren, die ohne körperlichen Kontakt Änderungen physikali scher Größen unterschiedlicher Art in der näheren Umgebung festzustellen vermögen, nämlich einen ersten Sensor im dauernden Überwachungszustand, der bei Aktivierung seinerseits die Detektierung durch einen zweiten Sensor auslöst.
- - Die Zündvorrichtung ist einfach zu installieren.
- - Die Zündvorrichtung ist unempfindlich gegenüber klimatischen Beanspruchungen und mangelnder Sicht.
- - Die Zündvorrichtung ist schwer zu orten.
Minen des vorstehend geschilderten Typs sind bekannt,
insbesondere die MIACAH, die mit einem Zünder IRMAH
versehen ist, hergestellt von der Firma GIAT (10 Place
Georges Clemenceau in SAINT CLOUD, Frankreich).
Die Zündvorrichtung dieser Mine umfaßt einen Schall
überwachungssensor, der bei Überschreiten einer be
stimmten Rauschschwelle einen zweiten, infrarot-arbei
tenden Sensor aktiviert, der aus einem einzigen, in der
Schießachse der militärischen Ladung, d. h. in der
Ebene Δ, liegenden Strahl besteht. Eine derartige Mine
ist zwar wegen der zuvor aufgeführten Eigenschaften
Panzerminen überlegen, die einen körperlichen Kontakt
zur Zündung erfordern, hat aber dennoch zahlreiche
Nachteile. Hierzu gehören beispielsweise die Möglich
keit zahlreicher Fehlalarme und vor allem der Umstand,
daß kein Beschußentfernungsfenster vorgesehen ist.
Aus mehreren, später noch erläuterten Gründen soll
nämlich die militärische Ladung nicht auf ein Objekt
abgefeuert werden, das sich außerhalb eines optimalen
Entfernungsfensters befindet (Fensterbreite = Maximal
entfernung dmaxi - Minimalentfernung dmini).
Folgendes technisches Problem ist zu lösen:
Geschaffen werden soll eine Boden-Panzerbekämpfungs mine, die nach manueller Anbringung autark im Sinne von selbstversorgt ist und selektiv bestimmte Klassen von Objekten abfangen kann, auf andere Objekte jedoch nicht anspricht, beispielsweise also gegen gepanzerte Ketten- oder Radfahrzeuge wirksam ist, die durch einen Geschwindigkeitsvektor nach Betrag und Vorzeichen sowie durch physikalische Parameter wie Abmessungen, Masse, Erscheinungsbild im infraroten Wärmespektrum oder im radioelektrischen Spektrum gekennzeichnet sind. Die Beobachtung oder Überwachung der Umgebung soll unter einem Raumwinkel stattfinden, der durch einen Öffnungswinkel in der Höhen- und der Seitenebene defi niert ist und soll sich über eine Tiefe von einigen hundert Metern erstrecken. Die Schieß- oder Wirkungs achse wird als Gerade und festliegend angenommen. Zur Schaffung dieser Mine bzw. einer ähnlichen Bekämp fungsvorrichtung wird angenommen, daß die Eigenschaften der militärischen Ladung, wie etwa die Geschwindigkeit, die Wirksamkeitsentfernung, die Art der Ladung, die Genauigkeit der Einhaltung der Schußbahn, bekannt sind und die daher nur auf dem Boden installiert und in dem unter Berücksichtigung der Parameter des Systems günstigsten Zeitpunkt oder Augenblick gezündet werden muß. Die Einhaltung eines optimalen Schießentfernungs fensters ist zunächst einmal aus Gründen der Wirksam keit der militärischen Ladung geboten. Die Zündung unterteilt sich sehr deutlich je nach Art der verwende ten Ladung. Derzeit lassen sich zwei große Kategorien unterscheiden:
Geschaffen werden soll eine Boden-Panzerbekämpfungs mine, die nach manueller Anbringung autark im Sinne von selbstversorgt ist und selektiv bestimmte Klassen von Objekten abfangen kann, auf andere Objekte jedoch nicht anspricht, beispielsweise also gegen gepanzerte Ketten- oder Radfahrzeuge wirksam ist, die durch einen Geschwindigkeitsvektor nach Betrag und Vorzeichen sowie durch physikalische Parameter wie Abmessungen, Masse, Erscheinungsbild im infraroten Wärmespektrum oder im radioelektrischen Spektrum gekennzeichnet sind. Die Beobachtung oder Überwachung der Umgebung soll unter einem Raumwinkel stattfinden, der durch einen Öffnungswinkel in der Höhen- und der Seitenebene defi niert ist und soll sich über eine Tiefe von einigen hundert Metern erstrecken. Die Schieß- oder Wirkungs achse wird als Gerade und festliegend angenommen. Zur Schaffung dieser Mine bzw. einer ähnlichen Bekämp fungsvorrichtung wird angenommen, daß die Eigenschaften der militärischen Ladung, wie etwa die Geschwindigkeit, die Wirksamkeitsentfernung, die Art der Ladung, die Genauigkeit der Einhaltung der Schußbahn, bekannt sind und die daher nur auf dem Boden installiert und in dem unter Berücksichtigung der Parameter des Systems günstigsten Zeitpunkt oder Augenblick gezündet werden muß. Die Einhaltung eines optimalen Schießentfernungs fensters ist zunächst einmal aus Gründen der Wirksam keit der militärischen Ladung geboten. Die Zündung unterteilt sich sehr deutlich je nach Art der verwende ten Ladung. Derzeit lassen sich zwei große Kategorien unterscheiden:
- - Die sich selbst durchschweißenden Ladungen, deren Durchdringungsvermögen für Panzerungen sehr rasch mit der Entfernung abnimmt, so daß sie bei einem von der Seite angegriffenen, modernen Panzerfahrzeug über mehr als 40 Meter nicht mehr wirksam sind. Die minimale Schießentfernung stellt kein besonderes Problem dar, sofern die Aufschlagentfernung nämlich etwa das Fünffache des Ladungsdurchmessers berücksichtigt wird.
- - Die Geschosse oder Raketen mit Treibladung, bei denen die militärische Ladung durch einen Treibsatz in die Nähe des Objektes gebracht wird und das Durch dringungsvermögen unabhängig von der Entfernung ist. Zu berücksichtigen ist, daß der Treibsatz der Rakete (oder des Raketengeschosses) erst einige Meter nach dem Ausstoß aus dem Rohr oder der anderweitigen Abschußvorrichtung zündet und daß die Geschwindig keit dann langsam zunimmt und die Flugbahn genauer eingehalten wird.
Des weiteren stellt die begrenzte Genauigkeit der
Einhaltung der Flugbahn der militärischen Ladung
nach dem Abfeuern eine Begrenzung für die maximal
zulässige Entfernung dar.
- - Im Fall der selbstdurchschweißenden Ladungen ist die Ausrichtung der Achse des Aufschlages nur auf einige Grad genau in bezug auf die Struktur der Ladung beherrschbar; berücksichtigt werden muß auch eine winkelmäßige Versetzung dieser Struktur in bezug auf den Boden im Moment der Explosion. Unabhängig von diesen Schießungenauigkeiten beim Abfeuern der militärischen Ladung muß als eine korrekte Flugbahn oder Schußachse begünstigender Faktor der Umstand genannt werden, daß die Achse bis zum Aufschlag als geradlinig angesehen werden kann.
- - Bei Raketengeschossen hängt die Beherrschung der Schußachse oder Flugbahn von zahlreichen Parametern ab, hierunter der Aerodynamik, dem Antrieb, der Stabilität der Abschußstelle im Moment des Abfeuerns und der Seitenwindempfindlichkeit. Allgemein läßt sich sagen, daß die Genauigkeit des Schusses in bezug auf die theoretische Flugbahn durch die zu der Flugbahn rechtwinklige Abweichung gegeben ist, die auf den zunehmenden Höhenverlust und auf den Seiten windeinfluß zurückzuführen ist.
Eine der Aufgaben der Erfindung ist es, eine Unter
gruppe aus der Klasse der gepanzerten Fahrzeuge unter
anderen Arten von beweglichen Erdzielen selektiv er
kennen zu können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, den
Feuerbefehl gegen ein identifiziertes, gepanzertes Fahr
zeug davon abhängig zu machen, daß das letztere bestimmte
Entfernungs- und Geschwindigkeitsmerkmale, die inner
halb gewisser Entfernungs- und Geschwindigkeitsbereiche
liegen, aufweist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen,
den Zeitpunkt td der Auslösung der militärischen
Ladung vorweg zu berücksichtigen.
Diese Aufgaben werden dadurch gelöst und die Nachteile
des Standes der Technik dadurch gemindert oder vermieden,
daß das Verfahren der einleitend angegebenen Gattung
die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1
im einzelnen angegebenen, zeitlich aufeinanderfolgenden
Schritte umfaßt.
Eine Zündvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
ist im Patentanspruch 6 angegeben.
Vorzugsweise bestehen die Speicher-, Abschätz- und
Recheneinrichtungen aus einer elektronischen Schaltung,
die die von den Sensoren gelieferten Signale mittels
eines Signalverarbeitungsprozessors in Verbindung mit
einem Steuerungsprozessor digital verarbeitet.
Man erhält auf diese Weise eine Panzerbekämpfungs
vorrichtung, die deutliche Vorteile gegenüber bekannten
Panzerbekämpfungsvorrichtungen hat. Ihre Konzeption
hinsichtlich eines Schußvorhaltes erhöht die Auftreff
wahrscheinlichkeit der militärischen Ladung auf das
Ziel. Die Verminderung der Wahrscheinlichkeit von
Fehlalarmen erlaubt es in Verbindung mit der guten
Schußgenauigkeit, diese Art von Panzerminen zu mehreren
anzuordnen, so daß ein bevorzugter Einsatzzweck die
Zerstörung von Fahrzeugen ist, die sich auf Straßen
fortbewegen. Ein weiterer Vorteil beruht auf den
geringen Anforderungen an die Aufstellung, die wiederum
darauf zurückzuführen sind, daß die Zündvorrichtung, die
so ausgelegt ist, daß sie an verschiedene Arten von
militärischen Ladungen anpaßbar ist, demontierbar und
gegebenenfalls wiederverwendbar ist, wenn sie nicht bei
dem vorhergehenden Abschuß beschädigt wurde.
Die Zündvorrichtung ist außerdem unempfindlich gegenüber
klimatischen Beanspruchungen, kann bei Tag oder bei
Nacht arbeiten, selbst bei leichtem Regen oder schwachem
Nebel, läßt sich schlecht orten, weil sie im Über
wachungsbetrieb passiv mit Infrarotstrahlung arbeitet,
ist wenig anfällig gegen Stör- oder Täuschmaßnahmen
und wird durch ein Kampfgeschehen in der Umgebung
praktisch nicht beeinflußt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der nur beispiel
haft aufzufassenden Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1a und 1b eine Panzerbekämpfungsvorrichtung
mit einer Zündvorrichtung nach
der Erfindung, aufgestellt an
einem zuvor ausgewählten Ort,
in der Aufsicht und in der
Seitenansicht,
Fig. 2 eine geometrisch gehaltene Auf
sicht auf die Panzerbekämpfungs
vorrichtung und ein sich in dessen
näherer Umgebung bewegendes,
potentielles Ziel,
Fig. 3 eine konstruktive Anordnung zur
Verwirklichung der Technik der
passiven Infrarotdetektierung,
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Schal
tungsanordnung zur analogen Ver
arbeitung des Infrarotsignals,
Fig. 5 ein allgemeines Blockschaltbild
einer bevorzugten Ausführungsform
der Zündvorrichtung nach der
Erfindung,
Fig. 6 ein Flußbild oder Organigramm
einer in einen Schießbefehl ein
mündenden Entscheidungsabfolge,
Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Schal
tung zur Verarbeitung eines
Signals, das durch das Erscheinen
eines potentiellen Ziels in einem
äußeren Infrarot-Detektierungs
feld der Zündvorrichtung aus
gelöst wird,
Fig. 8 ein Diagramm der Signale in der
Schaltung nach Fig. 7,
Fig. 9 ein Blockschaltbild zur Erläute
rung des Übergangs von dem
Überwachungszustand in den
aktivierten Zustand der Zündvor
richtung,
Fig. 10 ein Blockschaltbild einer
Schaltung zur Verarbeitung eines
Signals, das durch das Erscheinen
eines Ziels in einem inneren
infraroten Detektierungsfeld der
Zündvorrichtung ausgelöst wird,
Fig. 11 ein Blockschaltbild eines
Ausführungsbeispiels des einen
Teil der Erfindung bildenden
Radarsystems.
In Fig. 1 ist eine Panzerbekämpfungsmine 1 dargestellt,
die aus einem Träger 2, einer in einem geeigneten Auf
nahmebehälter enthaltenen, militärischen Ladung 3,
einer Zündvorrichtung 4 und einer Richtvorrichtung 5
besteht. Die die Elemente 2 bis 5 umfassende Anordnung
ist vorzugsweise zerlegbar, was ihren Transport erleich
tert. Die verschiedenen Elemente werden an einem vorher
ausgewählten Ort 10 zusammengebaut und aufgestellt.
Die zu montierenden Untereinheiten umfassen vorzugsweise
den Träger 2 und die mit ihm über spezielle Befestigungs
mittel an ihrem Aufnahmebehältnis verbundene militärische
Ladung 3, sowie als weitere Untereinheit die Zündvorrich
tung 4 und das Richtgerät 5, wobei eine mechanische
Vorrichtung 6 zur Verbindung der Zündvorrichtung und
der militärischen Ladung und zur gleichsinnigen Ausrich
tung der Schußachse und der Felder der Sensoren der
Zündvorrichtung dient. Die Elemente 2 und 6 können je
nach Art der militärischen Ladung unterschiedlich aus
gebildet sein. Die Zündvorrichtung 4 ist vorteilhaft so
ausgebildet, daß sie rasch mit einem Abschußrohr für
Raketengeschosse zur Panzerbekämpfung oder mit einer
Mine mit selbstdurchschweißender Ladung und horizontaler
Wirkung verbindbar ist. Diese besondere konstruktive
Anordnung ermöglicht es, die Zündvorrichtung eventuell
wieder zu verwenden. Im Falle des Einsatzes mit einer
selbstdurchschweißenden Ladung oder mit auf kurze
Entfernung abgefeuerten Raketengeschossen ist allerdings
die Beschädigung oder auch die Zerstörung der Zündvor
richtung sehr wahrscheinlich. Die Eigenschaften der
militärischen Ladung werden als bekannt angenommen,
also die (entfernungsabhängige) Geschwindigkeit, die
Wirkungsentfernung, die Art der Ladung, sowie die Flug
bahngenauigkeit. Die Schußachse 7 der militärischen
Ladung (vergleiche Fig. 1b) verläuft parallel zum Boden
in einer Höhe von etwa 0,7 m. Diese Schußachse ist
eine Gerade und liegt ortsfest in einer Vertikalebene Δ.
Die nachfolgend beschriebene Zündvorrichtung beruht auf
einem System zur Analyse der Umgebung, das nach Er
kennung eines Ziels an unterschiedliche Bauformen
militärischer Ladungen einen Zündbefehl zu geben vermag.
Die Überwachung der Umgebung findet in einem Raumwinkel
statt, der durch eine gegebene Öffnung in der Seiten
ebene und in der Höhenebene begrenzt ist, und über eine
Tiefe von einigen hundert Metern. Hierzu führt die Zünd
vorrichtung, die mit der Abschußvorrichtung der militä
rischen Ladung starr verbunden ist, eine Überwachung der
Umgebung mit Hilfe von zwei Arten von Sensoren durch:
einem Infrarotsensor 8 (vergleiche Fig. 3) und einem
radioelektrischen Sensor 9 (vergleiche Fig. 5), die
beide Bestandteil der Zündvorrichtung sind. Die Detek
tierung der Annäherung eines Fahrzeuges und anschließend
seine Analyse erfolgen ausschließlich auf dem Empfangs
weg, ausgehend von wenigstens zwei IR-Strahlenbündeln,
die in Vertikalebenen V bzw. U liegen und durch den
Punkt 0 verlaufen, in dem sich die Zündvorrichtung be
findet (vergleiche Fig. 1a), wobei die Bezugszeichen
V und U auch zur Bezeichnung dieser Strahlenbündel dienen,
nämlich des äußeren Strahlenbündels V und des inneren
Strahlenbündels U. Diese Strahlenbündel, die vorzugs
weise eine passive Infrarotstrahlung im Fenster von
8 bis 12 µ sind, haben jeweils in der Höhenebene einen
Öffnungswinkel von θs, dessen einer Schenkel durch die
Horizontale und dessen anderer Schenkel durch eine Ge
rade gebildet wird, die mit der Horizontalen einen
Winkel von einigen zehn Grad nach unten einschließt.
Das innere Strahlenbündel U hat in der Seitenebene eine
Lage entsprechend einem Winkel β in bezug auf Δ in der
Größenordnung von etwa zehn bis zwanzig Grad und das
äußere Strahlenbündel V hat eine Lage in der Seiten
ebene entsprechend einem Winkel β + α, wobei α ein
kleiner Winkel von einigen Grad ist. In bekannter Weise
ermöglicht die Detektierung durch diese Strahlen die
Unterscheidung von Temperaturunterschieden von weniger
als 1 Grad Kelvin, vorausgesetzt, daß diese Änderungen
mit einer Frequenz von mehr als einigen Zehntel Hertz,
typisch mehr als 0,5 Hz und weniger als einige zehn Hertz
erfolgen.
Der zweite, radioelektrische Sensor ist ein linear
frequenzmoduliertes CW-Radar, ein sogenanntes FM/CW-Radar
mit vorzugsweise nur einer Antenne, deren Sende- und
Empfangkeulen in den Fig. 1a und 1b durch ihre
gestrichelt gezeichnete Hüllkurve 11 dargestellt sind.
Ein Ausführungsbeispiel dieses Radargerätes 9 wird
nachfolgend im Zusammenhang mit Fig. 11 beschrieben.
Die Keulen 11 umgeben im wesentlichen die Strahlen
bündel V und U, umschließen diese also gewissermaßen.
Dementsprechend haben die Keulen in der Seitenebene,
gerechnet ausgehend von der Ebene Δ, einen Öffnungs
winkel von etwas mehr als α + β und in der Höhenebene
einen Öffnungswinkel von etwas mehr als θs. Die
Entfernungsauflösung des Radargerätes ist besser als 5 m
und seine Empfindlichkeit ermöglicht die Wahrnehmung
eines Zieles mit einer äquivalenten Radarfläche von
mehr als 10 m² bis an die Reichweitengrenze. Festzuhalten
ist, daß dieses FM/CW-Radar nicht mit dem Doppler
effekt arbeitet.
Die beschriebene Anordnung der Keulen und der Strahlen
bündel ermöglicht die Zerstörung eines Ziels, das sich
aus einer der beiden möglichen Richtungen quer zur
Ebene Δ dieser nähert, im vorliegenden Fall in Richtung
des Pfeiles 12 für ein sich auf der Bahn 13 in Fig. 1a
bewegendes Ziel. Sofern angestrebt wird, ein potentielles
Ziel unabhängig davon zu zerstören, in welcher Richtung
es die Ebene Δ durchquert, kann man die Detektierung
symmetrisch zu der Ebene Δ dadurch ausbilden, daß man
die Keulen des FM/CW-Radars so vergrößert, daß die
Ebene Δ ihre Symmetrieebene ist und indem man zwei wei
tere IR-Strahlenbündel V′ und U′ vorsieht, die den
Strahlenbündeln V bzw. U entsprechen und symmetrisch zu
diesen in bezug auf die Ebene Δ verlaufen.
Aus Fig. 2 sind die geometrischen Beziehungen sowie
die hierfür verwendeten Bezeichnungen zu entnehmen,
anhand derer die Arbeitsweise der Zündvorrichtung nach
der Erfindung erläutert wird. Zusätzlich zu den bereits
im Zusammenhang mit Fig. 1a genannten Bezeichnungen
bedeuten
- - 14 das auf der Bahn 13 in Richtung der Ebene Δ mit einer Geschwindigkeit vc fahrende Ziel,
- - δ den Radialstrahl, der die Zündvorrichtung mit der Vorderfront des potentiellen Zieles 14 ver bindet und mit der Ebene Δ einen Winkel γ einschließt
- - ξ den Winkel, den die Bahn 13 mit der Ebene Δ einschließt,
- - B, A, und C die Schnittpunkte der Bahn 13 mit den Ebenen V bzw. U bzw. Δ.
Des weiteren ist ein Schießgebiet festgelegt, das aus
den schon einleitend genannten Gründen ein optimales
Schießentfernungsfenster erfordert, sowie eine Grenze
der Geschwindigkeit des potentiellen Ziels sowohl nach
Richtung als auch nach Betrag. Diese letztere Begrenzung
führt beispielsweise zu den nachfolgenden Bedingungen:
45° < ξ < 135° (1)
und
vcmini < vc < vcmaxi (2)
vcmini und vcmaxi sind hierbei die Minimalgeschwindigkeit
und die Maximalgeschwindigkeit des Ziels. Diese Bedingun
gen ergeben in Fig. 2 zwei verbotene Zonen, von denen
jede durch zwei Ebenen F, G bzw. H, I begrenzt wird, die
einen Winkel von 45° mit der Ebene Δ bilden und zu denen
die jeweiligen Entfernungsgrenzen dmini = OR und
dmaxi = OL gehören, innerhalb derer ein Fahrzeug die
Ebene Δ erreichen muß um ein potentielles Ziel zu sein.
In dem in Fig. 2 rechts von der Ebene Δ liegenden Teil
bilden die jeweiligen Ebenen F und H in der das Segment
OL enthaltenden Detektierungszone einen Winkel von 135°
mit der Ebene Δ. Der Schnitt zwischen den Ebenen F, V
und U legt ein Segment QP = Smini fest und der Schnitt
zwischen H, V und U legt ein Segment NM = Smaxi fest.
Das Radar 9 arbeitet in einer besonderen Weise.
Die grundlegenden Eingenschaften werden nachfolgend
erläutert:
- - Bei der ersten Detektierung, die sofort nach der
Anbringung der Zündvorrichtung und ohne irgendeine
von den IR-Strahlenbündeln festgestellte Änderung
der Umgebung durchgeführt wird, erstellt und speichert
das Radar eine Umgebungsfrequenzkarte, die auch als
Karte der äquivalenten Radarfläche der Echos bezeich
net werden kann. Zugrunde liegt eine spektrale
Analyse dessen was sich in dem Raumwinkel der Radar
keulen 11 befindet und nachfolgend bezeichnet wird
mit:
SERref = f₁(d) (3)hierin bedeuten:
SER: Äquivalente Radarfläche der Echos (französisch: Surface Equivalente Radar)
d: Entfernung - - Ausgelöst durch einen anderen Sensor, im vorliegenden
Fall einen IR-Sensor, der eine Änderung der Temperatur
in der Umgebung festgestellt hat, führt das Radar eine
weitere Detektierung und Messung der Umgebung,
ähnlich der vorhergehenden, durch.
Diese wird bezeichnet mit: SERm = f₂(d) (4) - - Anschließend wird folgende Beziehung errechnet: SERm - SERref = f₃(d) (5)
Die durch die Gleichung (5) ausgedrückte Differenz
karte der äquivalenten Radarfläche der Echos ermöglicht
es, festzustellen, in welcher Entfernung eine Änderung
der SER (äquivalenten Radarfläche) stattgefunden hat
und in welcher Größenordnung diese Änderung liegt.
Diese Meßtechnik hat den Vorteil, den Einfluß der
Umgebung praktisch vollständig auszuschalten, also
alle Festechos, aber auch die radarinternen Störechos,
was vor allem dann wertvoll ist, wenn ein Radar mit einer
einzigen Antenne sowohl zum Senden als auch zum Empfangen
benutzt wird.
Eine erste, vereinfachte Beschreibung der Arbeits
weise der Zündvorrichtung gibt die nachfolgende
Tabelle, die einerseits die chronologische Reihen
folge der zu realisierenden Funktionen und der
zur Erlangung der gewünschten Eigenschaften zum
messenden Parameter, andererseits den zu jeder
Funktion gehörigen Sensor angibt.
Nachfolgend wird in Zusammenhang mit den Fig. 3 und 4
die durch den IR-Sensor 8 (Fig. 5) durchgeführte
Detektierung beschrieben. Die Detektierung des Ein
dringens erfolgt ausgehend von den Strahlenbündeln
V und U oder den Strahlenbündeln V′ und U′.
Der Einfachheit halber werden diese nachfolgend
(wie auch schon in der voranstehenden Tabelle)
als Strahlen bezeichnet. Wie im Fall der Fig. 2 be
schränkt sich die Beschreibung auf eine Ausführungs
form mit den Strahlen V und U, da die Strahlen V′ und U′
den beiden erstgenannten vollkommen entsprechen.
Die Strahlen V und U werden ausgehend von nachfolgenden
Elementen erhalten:
- - eine Optik 16, die durch ihre Brennweite f, ihren Öffnungswinkel und ihre optische Achse 17 charak terisiert ist,
- - ein Filter 20, das die Auswahl des Analysespektral bandes erlaubt, das beispielsweise zwischen 3 µ und 14 µ liegt und vorzugsweise zwischen 8 und 12 µ liegt.
- - eine in der Brennebene der Optik 16 liegende Anord nung 18 aus mehreren IR-Detektoren 19 und 21, 22, 23, 24, die in dem verwendeten IR-Analyseband empfind lich sind, also beispielsweise pyroelektrische Detektoren sein können, die in dem Fenster von 8 bis 12 µ infrarotempfindlich sind. Die Abmessungen dieser Detektoren und ihre Anordnung relativ zu einander ergibt zusammen mit der Brennweite der Optik 16 das Analysefeld V für den Detektor 19 und das Analyse feld U für die Detektoranordnung 21, 22, 23, 24. Der Strahl V, dessen Analyseraumwinkel θs · θg beträgt, wobei θg ein sehr kleiner Seitenwinkel ist, besteht in der Vertikalebene aus n aneinandergrenzenden Einzelstrahlen, deren Öffnungswinkel in der Seiten ebene θg beträgt und deren Öffnungswinkel in der Höhenebene θs/n ist, wobei n im Beispiel der Fig. 3 gleich 4 ist.
Jeder Detektor der Anordnung 18 ist mit einer eigenen
Signalverarbeitungsschaltung verbunden, wie sie im
Blockschaltbild in Fig. 4 dargestellt ist. Diese
analoge Signalverarbeitungsschaltung umfaßt nacheinan
der einen Detektor 26 (der einen der Detektoren 19,
21, 22, 23 oder 24 symbolisiert), einen Vorverstär
ker 27, einen Verstärker 28 und ein Bandpaßfilter 29.
Das Filter 29 liefert die Spannung V₂₆ (V₁₉, V₂₁, V₂₂,
V₂₃ oder V₂₄). Die Gesamtbandbreite dieser Schaltung
liegt zwischen einigen Zehntel Hertz (typisch 0,5 Hz),
damit sie für Gleichkomponenten unempfindlich ist und
einigen zehn Hertz (typisch 50 Hz), was der maximal
für die Erkennung von Fahrzeugen notwendigen Modula
tionsfrequenz entspricht. Die aus der Optik, dem De
tektor 26 und dessen nachgeschalteter Verstärker- und
Filterschalter bestehende Gesamtanordnung hat ein
NETD (Noise Equivalent Temperature Difference)
von weniger als 1° K.
Eine Ausführungsform der Zündvorrichtung wird nach
folgend anhand der Fig. 5 und 6 beschrieben.
Die Fig. 5 zeigt neben dem IR-Sensor 8 und dem Radar 9
die Speicher-, Abschätz- und Recheneinrichtungen 31,
die im bevorzugten Fall der Fig. 5 eine analoge und
eine digitale Verarbeitung der Ausgangssignale der
Sensoren 8 und 9 vornehmen. Fig. 6 ist ein Organi
gramm oder Flußdiagramin zur Erläuterung der Arbeits
weise der in Fig. 5 dargestellten Zündvorrichtung.
Die Ausgangsspannung V₁₉ des IR-Sensors 8, die sich
auf den Strahl V (oder V′) bezieht, wird parallel einer.
IR-Überwachungsschaltung 32 und einem Multiplexer 33
zugeführt. Die Ausgangsspannungen V₂₁ bis V₂₄, die
sich auf den Strahl U beziehen und die Ausgangsspannung
VR des Radars 9 werden ebenfalls dem Multiplexer 33
zugeführt, der alle an ihm anliegenden Signale mit
einer geeigneten zeitlichen Trennung an seinem Ausgang
in Serie an eine Abtast- und Halteschaltung 34 abgibt.
Diese Signale werden anschließend über einen A/D-Wand
ler 35 in einen Abtastwertspeicher 36 in digitaler Form
eingeschrieben. Die in dem Speicher 36 gespeicherten
Daten stehen nun zur Verarbeitung durch einen Signal
verarbeitungsprozessor 37 bereit, der die notwendigen
Rechnungen vornimmt, sowie durch einen Steuerungs
prozessor 38, der die verschiedenen Rechenabschnitte
steuert und die notwendigen Entscheidungen trifft.
Hierzu können die in dem Speicher 36 enthaltenen,
digitalen Abtastwerte an die Prozessoren 37 und 38
übertragen werden, wobei Programmspeicher 39 im
Dialog mit dem Steuerungsprozessor 38 stehen und die
Befehle für den Signalverarbeitungsprozessor 37 liefern.
Der Steuerungsprozessor ist außerdem so ausgelegt, daß
er die im Prozessor 37 ermittelten Rechenergebnisse er
hält. Eine von dem Prozessor 38 getroffene Feuerbefehls
entscheidung wird in einem Zeitpunkt td über eine
elektronische Schaltung 39, die Sicherheitsvorkehrungen
enthält, an eine Zündschaltung 41 übertragen.
Der Ablauf der einzelnen Vorgänge, der die Programmie
rung des Speichers 39 bestimmt, kann beispielsweise
folgendermaßen geschehen (vergleiche Fig. 6):
In dem Schritt 101 erfolgt die allgemeine Initialisie rung der Zündvorrichtung im Zeitpunkt ihrer Anbringung oder Installation. Diese Initialisierung berücksich tigt alle Eingangsparameter, die an den Schnittstellen im Moment der Herstellung der Verbindung anstehen, beispielsweise die Aktivierungsdauer der Zündvorrich tung, die mehrere zehn Tage erreichen kann und eine selbsttätige Abschaltung oder eine Selbstzerstörung am Ende der Aktivierungsperiode.
In dem Schritt 101 erfolgt die allgemeine Initialisie rung der Zündvorrichtung im Zeitpunkt ihrer Anbringung oder Installation. Diese Initialisierung berücksich tigt alle Eingangsparameter, die an den Schnittstellen im Moment der Herstellung der Verbindung anstehen, beispielsweise die Aktivierungsdauer der Zündvorrich tung, die mehrere zehn Tage erreichen kann und eine selbsttätige Abschaltung oder eine Selbstzerstörung am Ende der Aktivierungsperiode.
Im Schritt 102 erfolgt die Einspeicherung der Karte
in den Speicher 36, die den Wert der Echos SERref = f₁(d)
angibt.
Nach Durchlaufen einer Adresse "ETI" wird im
Schritt 103 eine etwaige Reinitialisierung durchgeführt,
wenn ein Übergang in den Alarmzustand stattgefunden hat,
der nicht zum Zünden geführt hat.
Im Schritt 104 wird eine Unterbrechung des Strahls V
(bzw. V′) zum Zeitpunkt t₂ detektiert und in 104′ ge
speichert. Die Zündvorrichtung verbleibt im Überwachungs
zustand, d. h. daß lediglich die Detektierungsschaltungen
der außenliegenden Strahlen V und V′ spannungsversorgt
sind.
Im Schritt 105 wird eine Unterbrechung des Strahls U
(bzw. U′) im Zeitpunkt t₁ detektiert. Die Zündvorrichtung
geht vom Überwachungszustand in den aktivierten Zustand
über, in der alle elektronischen Schaltungen spannungs
versorgt werden.
Im Schritt 106 wird der Zeitpunkt t₁ gespeichert;
Erläuterungen über ein Ausführungsbeispiel zur Kenn
zeichnung der Zeitpunkte t₁ und t₂ werden später im
Zusammenhang mit den Fig. 7 bis 10 gegeben.
Im Schritt 107 wird geprüft, ob die Fahrrichtung der
zu identifizierenden Fahrzeuge mit den Sollwerten
übereinstimmt. Wenn dies nicht der Fall ist (N), d. h.
wenn das Fahrzeug sich in der nicht selektierten
Richtung bewegt - sofern nur eine bestimmte Fortbewe
gungsrichtung vorgegeben wurde - erfolgt die Rückkehr
zu der Adresse "ETI". Wenn das Kriterium der Bewegungs
richtung erfüllt ist (Y), folgt der Prüfschritt 108,
in welchem der Wert t₁-t₂ mit den Schwellwerten
s₁ und s₂ verglichen wird, die einen zugelassenen Ge
schwindigkeitsbereich und einen zugelassenen Entfer
nungsbereich für ein potentielles Ziel festlegen.
Wenn die Prüfung zu einem negativen Ergebnis führt
(Fahrzeug zu langsam oder zu schnell) erfolgt Rück
kehr zur Adresse ETI. Wenn der Wert t₁-t₂ inner
halb der vorgegebenen Grenzen liegt (Y), werden im
Schritt 109 die folgenden Messungen und Rechnungen
vorgenommen: SERm = f₂(d), SERm - SERref = f₃(d),
sowie dc im Punkt A, der als die Abszisse des Maximums
von f₃(d) definiert ist.
Anschließend wird im Prüfschritt 111 verifiziert,
ob der Wert von dc(d) innerhalb der Entfernungs
grenzen S₃ und S₄ entsprechend dmini bzw. dmaxi liegt.
Bei negativem Ergebnis (Fahrzeug zu nahe oder zu weit
entfernt) erfolgt Rückkehr zur Adresse "ETI".
Wenn das Prüfergebnis positiv ist (Y), wird im Schritt
112 f₃(d) eingespeichert. Hier ist einzuschieben,
daß dann, wenn das Objekt sehr nahe ist, die Zeit nicht
ausreicht, um seine vollständige Infrarotanalyse durch
vereinfachte Wärmebildabbildung durchzuführen.
Im Schritt 113 wird aus den Werten von t₂, t₁, dc und
anderen durch die Konstruktion des Systems bedingten
Parametern ein geschätzter Zeitpunkt tmd errechnet,
zu dem das Fahrzeug in die Ebene Δ eintreten sollte.
Die Infrarotanalyse muß vor dem Zeitpunkt tmd beendet
oder in diesem Zeitpunkt unterbrochen werden. Hierzu
wird im Zeitpunkt t₁ ein nicht dargestellter Echtzeit-
Taktgeber gestartet, was den Vergleich der gewünschten
Zeiten ermöglicht. Im Schritt 114 wird die Abtast
periode TEIR des vereinfachten Infrarotbildes des
Fahrzeuges errechnet, um für alle in Betracht kommenden
Entfernungen eine korrekte Auflösung zu erzielen.
Diese Abtastperiode ist durch die folgende Gleichung
gegeben:
Hierin ist rh die minimale waagerechte Auflösung,
die man sich für das Fahrzeug unter Berücksichtigung
des Winkels, unter dem es sich in bezug auf U (oder U′)
darbietet, wünscht und dγ/dt wird in erster Näherung
durch folgende Beziehung geliefert:
α ist hierbei in Radian einzusetzen.
Dieses Verfahren ermöglicht es, für ein Fahrzeug von
im vorhinein gegebener Länge stets die gleiche Anzahl
von Abtastwerten zu erhalten, unabhängig von seiner
Geschwindigkeit und seiner Passierentfernung innerhalb
der zugelassenen Grenzen. Im nächsten Schritt 115
wird die Konfiguration der Einzelstrahlen von U oder U′,
die durch die Detektoren 21, 22, 23 und 24 festgelegt
sind, an die Entfernung dc angepaßt. Befindet sich das
Fahrzeug in der minimalen Beobachtungsentfernung,
so nimmt sein aus Ketten oder Rädern bestehender
Rollantrieb das vertikale Feld der n Detektoren ein.
Befindet sich hingegen das Fahrzeug in der maximalen
Beobachtungsentfernung, so nimmt der Rollantrieb das
Feld lediglich eines einzigen Detektors ein, usw. des
jenigen des obersten Strahles, gerechnet von der
Schußachse 7 aus. Diese letztere Bedingung ermöglicht
es darüberhinaus im vorhinein den für θs/n zu wählen
den Wert festzulegen, also den Öffnungswinkel eines
Einzelstrahles in der Höhenebene. Hieraus ergibt sich
dann der Wert für n.
Die Abtastwerte entsprechend n′ (n′ ≦ n) Infrarotanalyse
zeilen des Gesichtsfeldes werden im Schritt 116 ge
speichert und parallel hierzu läuft ein Testschritt
117 ab, in dem geprüft wird, ob der Zeitpunkt tmd
verstrichen ist. Wenn dies der Fall ist (Y), folgt
der Schritt 118, in dem die Infrarotbeobachtung unter
brochen und in dem bereits gespeicherten, vereinfachten
IR-Teilbild nach einem charakteristischen Infrarot
kennzeichen gesucht wird. Ist hingegen tmd noch nicht
verstrichen (N), so folgt der Schritt 119, in dem ein
charakteristisches Infrarotkennzeichen gesucht wird,
das im wesentlichen die Form des Rollantriebes (der
Gleiskette) des Fahrzeuges ist, usw. unter Berück
sichtigung dessen, daß diese zufolge der Rollbewegung
eine Erwärmung erfahren hat, unabhängig davon, ob es
sich um Kettenfahrzeuge oder um Radfahrzeuge handelt.
Entweder vom Schritt 118 aus oder vom Schritt 119 aus
wird in eine Testsequenz im Schritt 121 eingetreten,
in dem durch Vergleich mit typischen Bildern oder
auch durch Extraktion charakteristischer Merkmale
ermittelt wird, ob das vereinfachte Infrarotbild des
Fahrzeugs einer Klasse von Fahrzeugen angehört, die
zu zerstören sind. Ist dies nicht der Fall (N), er
folgt Rückkehr zur Adresse "ETI". Ist dies der Fall (Y),
so schließt sich der Prüfschritt 122 an. Hierbei wird
ausgehend von f₃(d) bestimmt, ob die äquivalente
Radarfläche des Fahrzeugs hinreichend groß ist.
Hierbei handelt es sich um eine in dem Flußdiagramm
nur angedeutete Prüfung, zu der ergänzend auszuführen
und zu unterstreichen ist, daß die Minimalgröße des
anzugreifenden gepanzerten Fahrzeugs zuvor in Zusammen
arbeit mit den zuständigen Stellen und im Bedarfsfall
von Fall zu Fall festgelegt werden muß. Der Schritt
122 gibt an, daß es möglich ist, f₃(d), dessen Wert
im Schritt 112 gespeichert wurde, mit Karten der
SER (also der äquivalenten Radarfläche) typischer
Ziele zu vergleichen und zur Adresse "ETI" zurückzu
kehren, wenn die Amplitude von f₃(d) zu klein ist.
Der nächste, gestrichelt gezeichnete Schritt 123 ist
optional. Er besteht darin, in diesem Stadium eine
zweite Radarmessung der Entfernung dc2 Zündvorrichtung
- Fahrzeug durchzuführen, die es ermöglicht, durch
Vergleich mit dc die Änderung der Entfernung Zünd
vorrichtung - Fahrzeug zu ermitteln. Diese zweite
Messung hat den Zweck, die Kenntnis des Winkels ξ zu
verbessern, was die doppelte Folge hat, die Entfernung
OC und den Zeitpunkt td der Zündung der militärischen
Ladung jeweils mit besserer Genauigkeit errechnen zu
können. Diese zweite Messung ist mit einer zweiten
Prüfsequenz von dc2 im Schritt 124 verbunden, analog
der Prüfsequenz für dc im Schritt 111. Verläuft die
Prüfsequenz positiv (Y), so folgt der Schritt 125,
da nunmehr der Zündung der militärischen Ladung nichts
mehr entgegensteht. Daher wird in diesem Schritt 125
der Zeitpunkt td errechnet, usw. ausgehend beispiels
weise von den Variablen OC, ξ, dγ/dt, wie weiter unten
angegeben. Im nächsten Schritt 126 erfolgt noch eine
kurze Verzögerung, sofern sich herausstellt, daß der
Zeitpunkt td noch nicht erreicht ist und im letzten
Schritt 127 wird die militärische Ladung im Zeitpunkt
td ausgelöst, gezündet oder abgefeuert. Die zur Pro
grammierung der Prozessoren 37 und 38 notwendigen
Algorithmen zur Umsetzung des Flußdiagramms nach
Fig. 6 sind dem Durchschnittsfachmann, hier dem
Informatiker oder Programmierer, geläufig.
Nachfolgend werden Einzelheiten der Auswertung der von
den Sensoren gelieferten elektrischen Signale und
Berechnungsarten für den Zeitpunkt td erläutert.
Der Überwachungszustand der Zündvorrichtung ist dadurch
charakterisiert, daß nur das Eindringen eines warmen
Objektes in die Strahlen V und V′ überwacht wird.
Spannungsversorgt sind lediglich die zu dem Detektor 19
und seinem Gegenstück gehörenden elektrischen Schal
tungen. Der übrige Teil der Zündvorrichtung ist ab
geschaltet, um den elektrischen Energieverbrauch so
klein als möglich zu halten. Das Signal V₁₉ (Fig. 4)
wird dann gemäß Fig. 7 verarbeitet. Die Spannung V₁₉
gelangt an den Eingang eines Vergleichers 43, der
diese Spannung mit einem Bezugspegel S₁₉ vergleicht.
Der Überwachungszustand ist charakterisiert durch
V₁₉ < S₁₉ Sobald V₁₉ < S₁₉ ist, hat das Ausgangs
signal C₁₉ des Vergleichers 43 eine ansteigende
Flanke, die in einem Speicher 44 gespeichert wird,
dessen logisches Ausgangssignal m₁₉ dann beispiels
weise vom logischen Zustand "0" in den logischen
Zustand "1" übergeht. Zur Vermeidung von Fehlalarmen
sieht der Bezugspegel S₁₉ aus, wie in Fig. 8 dar
gestellt. S₁₈ beträgt das p-fache des Effektivwertes
von V₁₉, solange in dem Strahl V (oder V′) keine
Temperaturmodulation vorhanden ist. Außerdem ist
S₁₉ gegenüber einer Änderung von V₁₉ um τ₃ verzögert,
was bedeutet, daß dann, wenn V₁₉ sich abrupt ändert,
S₁₉ nicht sofort ansteigt, sondern erst nach Ablauf
einer Zeit τ₃. Fig. 8 veranschaulicht den zeitlichen
Verlauf von V₁₉ und S₁₉ zunächst bei Fehlen einer
Temperaturmodulation in V, dann beim Erscheinen eines
warmen Objektes.
Sobald das Signal m₁₉ in den Zustand "1" geht,
gelangt die Zündvorrichtung von ihrem Überwachungs
zustand in ihren aktivierten Zustand, also diejenige
Konfiguration, die es ihr ermöglicht, alle notwendigen
Messungen vorzunehmen und eine verläßliche Entscheidung
zu treffen, gemäß dem in dem Flußdiagramm der Fig. 6
dargestellten Entscheidungsbaum. Die ersten beiden
Maßnahmen im aktivierten Zustand sind die Bestimmung
der Bewegungsrichtung des Objektes und die Messung
dessen scheinbarer Winkelgeschwindigkeit. Hierzu
werden die Zeitpunkt t₂ und t₁ des Durchganges des
Fahrzeuges durch die Strahlen V (oder V′) und U (oder
U′) herangezogen. Der Zeitpunkt t₂ wird dadurch
markiert, daß das in Fig. 7 dargestellte Signal m₁₉
in den Zustand "1" übergeht. In der Zündvorrichtung
löst dies neben dem Anlegen der Speisespannungen
an die Detektoren 21 bis 24 (und ihren etwaigen
Entsprechungen symmetrisch zu Δ) und an die nachge
schalteten Signalverarbeitungsschaltungen die An
schaltung und die Freigabe eines Zählers 45 (vgl. Fig. 9)
aus, der im Takt eines Taktgebers 46 zählt. Der Zähler
15, der das Signal m 19 erhält und von dem Zeitpunkt
t₂ an mit der Spannung VA versorgt wird, liefert an
seinem Ausgang SO die Zeitdauer in Form von k Bit,
die von dem Zeitpunkt t₂ an verstreicht, zu dem der
vorderste Teil eines warmen Fahrzeuges den Strahl V
(oder V′) schneidet.
Die elektrischen Signale V₂₁ bis V₂₄ (vergleiche Fig. 4),
von denen jeder einem Einzelstrahl von U (oder von U′)
entspricht, werden zunächst nicht getrennt ausgewertet.
Zur Bestimmung des Zeitpunktes t₁, zu dem das Fahrzeug
in den Strahl U oder U′ eintritt, werden die n Signale
V₂₁ bis V₂₄ in einem Addierer 47 (vergleiche Fig. 10)
summiert, der ein Ausgangssignal VS liefert. Die
Spannung VS wird dann in gleicher Weise verarbeitet
wie V₁₉ (vergleiche Fig. 7 und 8 und die Beschrei
bung hierzu), usw. gemäß dem Blockschaltbild in Fig. 10,
das wiederum einen Vergleicher 48 und einen Speicher 49
umfaßt. Das Signal SS wird in der gleichen Weise wie
das Signal S₁₉ (vergl. Fig. 8) als Bezugspegel bereit
gestellt. Das Ausgangssignal mS des Speichers 49 geht
im Zeitpunkt t₁ in den logischen Zustand "1" über.
Dieses dem Inhibierungs- oder Sperreingang IH des
Zählers 45 (vergl. Fig. 9) zugeführte Signal hemmt dann
den Zähler, so daß dessen Ausgang SO auf einem Zähler
stand verbleibt, der proportional zu der Dauer t₁-t₂
ist.
In Fig. 11 ist links die eigentliche Radarschaltung
und der analoge Signalverarbeitungsteil dargestellt,
rechts hingegen die digitale Verarbeitung, die eine
dem Radargerät zugehörige Abwandlung der in Fig. 5
dargestellten digitalen Verarbeitungsmittel bildet.
Das beispielhaft wiedergegebene Radargerät arbeitet
mit einer einzigen Sende/Empfangs-Antenne 301.
Es könnte sich jedoch auch um ein übliches Radar
gerät mit zwei Antennen handeln. Die Sende- und
Empfangskeulen der Antenne 301 liegen fest; ihr
azimutaler Öffnungswinkel und ihr Elevationsöffnungs
winkel liegen jeweils im Bereich von einigen zehn Grad.
Die benötigte Entfernungsauflösung liegt im Bereich
von 5 Metern, was es ermöglicht, ein Radar mit einer
einzigen Antenne zu verwenden, bei dem bekanntlich die
Entfernungsauflösung unterhalb von etwa 3 Metern kritisch
wird. Die Empfindlichkeit des Radars muß so bemessen sein,
daß es Ziele zu erkennen vermag, deren äquivalente
Radarfläche bei einigen Quadratmetern liegt, so daß
das Radar sich zur Feststellung von eingedrungenen
Objekten (oder Zielen) eignet, bei denen es sich eher
um Fahrzeuge als um Personen handelt. Das Radar nach
Fig. 11 umfaßt einen gesteuerten Spannungsgenerator 302,
einen spannungsgesteuerten Oszillator 303 (sog. VCO) und
einen Richtkoppler 304, dessen erster Ausgang mit der
Antenne 301 und dessen zweiter Ausgang, an dem ein
Bruchteil des empfangenen Echosignals erscheint, mit
einem Mischer 305 verbunden ist. Ein Koppler 306 ver
bindet den Höchstfrequenz-Sendesignalausgang des
Oszillators mit einem zweiten Eingang des Mischers 305,
so daß dieser einen Bruchteil des Sendesignals erhält.
Am Ausgang 307 des Mischers 305 steht ein Signal
entsprechend der subtraktiven Überlagerung der Signale
an den beiden Eingängen zur Verfügung. Die Frequenz fb
dieses Schwebungs- oder Überlagerungssignals ergibt sich
aus
Hierin bedeuten:
fb : die subtraktive Überlagerungs- oder
Schwebungsfrequenz zwischen der gesendeten
und der als Echo (des Bodens oder eines Objektes)
empfangenen Welle in dem Ausgangssignal
des Mischers,
τ : die Verzögerungszeit zwischen der gesendeten und der als Echo empfangenen Welle
ΔF: den Frequenzhub des Sägezahns des Sendesignals, der auf einem festen Wert gehalten wird,
Te : die Dauer des Sägezahns des gesendeten Signals,
D : den Abstand des Bodens oder eines Objektes,
c : die Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer elektro magnetischen Welle in Luft.
τ : die Verzögerungszeit zwischen der gesendeten und der als Echo empfangenen Welle
ΔF: den Frequenzhub des Sägezahns des Sendesignals, der auf einem festen Wert gehalten wird,
Te : die Dauer des Sägezahns des gesendeten Signals,
D : den Abstand des Bodens oder eines Objektes,
c : die Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer elektro magnetischen Welle in Luft.
Die Arbeitsweise dieses Radars wird nachfolgend erläutert:
Gesteuert von einem monostabilen oder bistabilen Recht
ecksignal S31, Fig. 2b, erzeugt der Spannungsgenerator
302 eine positive Spannungsrampe S32 der konstanten
Dauer Te. Dieses veranlaßt den VCO 303 ein Höchstfrequenz-
Sendesignal S33 der Frequenz Fe zu erzeugen.
Es handelt sich um eine
Frequenzrampe, die symmetrisch zu der festen Mitten
frequenz Fc liegt und den konstanten Hub ΔF hat.
Die Sendeleistung Pe ist während der Dauer Te konstant.
Ein mit S34 bezeichneter Bruchteil des Signals S33, das
dieselben Frequenzmerkmale hat, wird dem Mischer 305
zugeführt. Des weiteren wird ein Bruchteil S351 jedes
reflektierten Signal für jede Entfernung DI, die aus
einem Entfernungsdetektierungsfenster stammt, dem anderen
Eingang des Mischers 305 zugeführt. Hieraus ergibt sich
am Ausgang des Mischers ein sinusförmiges, elementares,
subtraktives Schwebungssignal FbI der Frequenz fbI. Die
Summe aller dieser für alle Entfernungen DI des Entfernungsfensters
erhaltener Echosignale FbI bildet ein Signal 307 am
Ausgang des Mischers 305. Die Leistung des Signals 307
ist proportional zu der äquivalenten Radarfläche der
die verschiedenen Echos erzeugenden Objekte und umgekehrt
proportional zu der Entfernung DI⁴.
Das Signal 307 wird zunächst in analoger Form durch
Verstärker- und Filterschaltungen 308 verarbeitet, die
einen Verstärker 309, ein Verstärkungs/Frequenz-Korrek
turfilter 311, ein Filter 312 zur Dämpfung der Selbst
blendungssignale und ein Filter 313 zur Spektrumsbegren
zung umfassen. Die Aufgabe des Verstärkers 309, vorzugs
weise eines Operationsverstärkers, besteht darin, den
kleinsten Pegel des Überlagerungssignals 307 soweit zu
verstärken, daß er mit der Dynamik des im rechten Teils
der Fig. 11 dargestellten, digitalen Verarbeitungsteils
vereinbar ist. Das Filter 311 ist ein Bandpaßfilter,
das die 1/D⁴ - Abhängigkeit (40 dB je Dekade) der von dem
Radar empfangenen Signale kompensiert, was gleichbedeutend
mit einer frequenzabhängigen Verstärkung des Signals 307
ist. Zufolge der vorstehend angegebenen Gleichung (3)
ist die Frequenz fb proportional zur Entfernung D. Diese
Filterung hat den Vorteil, die für den nachgeschalteten
A/D-Wandler 314 erforderliche Dynamik zu verringern.
Die Aufgabe des Filters 213, eines Tiefpaßfilters,
besteht darin, Bandüberlappungsfehler bei der nachfolgen
den Abtastung zu verhindern. Dieses Filter dämpft oder
unterdrückt Signale, die aus einer Entfernung kommen, die
größer als die maximale Analyseentfernung Dmax
(Dmax = dmaxi) ist. Die vorstehend beschriebene Filterung
des Signals 307 reicht für ein Radar mit zwei Antennen
aus, also ein Radar mit einer Sendeantenne und einer
Empfangsantenne. Für das in Fig. 11 dargestell
te Radar mit einer einzigen Antenne ist hingegen zusätz
lich zu den Filtern 311 und 313 ein Hochpaßfilter 312
erforderlich. Dieses Filter hat die Aufgabe die
niederfrequenten Selbstblendungssignale des FM-CW-Radars
zu dämpfen. Bei Radargeräten, bei denen gleichzeitig
über dieselbe Antenne gesendet und empfangen wird,
tritt nämlich eine störende Erscheinung auf:
Ein Teil der von dem VCO 303 kommenden Leistung, die den Richtkoppler 304 durchquert hat, wird nicht abge strahlt sondern an der Antenne zufolge deren Reflexions faktors oder Stehwellenverhältnisses reflektiert und in dem Mischer wie ein Nahziel großer äquivalenter Radar fläche behandelt. Bei ein FM-CW-Radar erzeugt diese Erscheinung ein Störüberlagerungssignal FbP, das einen erheblichen Pegel und eine niedrige Frequenz entsprechend einem Nahziel, typisch zwischen 500 und 1000 Hz hat. Man geht so vor, daß die diesem Störsignal zugeordnete Hauptlinie außerhalb des Nutzspektrums liegt. Man wählt also die Werte von F, Te und Dmin (Dmin ist die minimale Beobachtungsentfernung des Radars und liegt im Bereich von 5 Metern - Dmin ≡ dmini) derart, daß der zugehörige Wert von fbmin nach der Gleichung (31) sehr deutlich höher als 1000 Hz liegt.
Ein Teil der von dem VCO 303 kommenden Leistung, die den Richtkoppler 304 durchquert hat, wird nicht abge strahlt sondern an der Antenne zufolge deren Reflexions faktors oder Stehwellenverhältnisses reflektiert und in dem Mischer wie ein Nahziel großer äquivalenter Radar fläche behandelt. Bei ein FM-CW-Radar erzeugt diese Erscheinung ein Störüberlagerungssignal FbP, das einen erheblichen Pegel und eine niedrige Frequenz entsprechend einem Nahziel, typisch zwischen 500 und 1000 Hz hat. Man geht so vor, daß die diesem Störsignal zugeordnete Hauptlinie außerhalb des Nutzspektrums liegt. Man wählt also die Werte von F, Te und Dmin (Dmin ist die minimale Beobachtungsentfernung des Radars und liegt im Bereich von 5 Metern - Dmin ≡ dmini) derart, daß der zugehörige Wert von fbmin nach der Gleichung (31) sehr deutlich höher als 1000 Hz liegt.
Die von dem Meßfenster (der Breite Te) erzeugten Neben
keulen liegen jedoch im Nutzbereich des Spektrums.
Um diese Nebenkeulen auf einen kleineren Pegel als den
jenigen der kleinsten Nutzsignale zu bringen, genügen
die beiden folgenden Maßnahmen:
- - Absenkung der Amplitude der Hauptlinie des Selbstblendungssignals; dies ist die Aufgabe des Filters 312.
- - Absenkung des Niveaus der Nebenkeulen durch Anwendung eines digitalen Bewertungsfensters, was nachfolgend beschrieben werden wird.
Die Filter 311, 312 und 313 wurden vorstehend getrennt
beschrieben, um die zu realisierenden Filterfunktionen
zu verdeutlichen. Die Zusammenfassung ihrer jeweiligen
Filterkurven würde zu einer Gesamtfilterkurve mit
Bandpaßcharakter führen, nämlich einem einzigen Filter,
das in der Praxis in bekannter Form durch Widerstände
und Kondensatoren in Verbindung mit einem Operations
verstärker verwirklicht werden kann, so daß sich ein
aktiver Verstärker ergibt, der die bei jeder Frequenz
gewünschte Verstärkung (oder Dämpfung) ermöglicht.
Dem Filter 313 ist im rechten Teil der Fig. 11 ein
System nachgeschaltet, das eine Abtast- und Halte
schaltung 315, den A/D-Wandler 314 (wobei diese beiden
Schaltungen die Digitalisierungsmittel bilden), einen
Abtastwert-Kurzzeitspeicher 320, digitale Verarbeitungs
mittel 316 und einen Frequenzabtastwertespeicher 317
umfassen. Vorzugsweise bestehen die digitalen Verarbei
tungsmittel 316 aus einem Mikroprozessor mit einem
zugeordneten Programmspeicher 318. Es kann sich beispiels
weise um eine elektronische Schaltung auf der Basis
der Mikroprozessorfamilie TMS 320 der amerikanischen
Firma Texas Instruments handeln.
Die Abtast- und Halteschaltung 315 hat die Aufgabe,
einen Abtastwert des verstärkten und gefilterten
subtraktiven Überlagerungssignales 307 mit einer Periode
TS zu entnehmen und zwar gesteuert von einem Taktsignal
SA, das über eine Leitung 319 beispielsweise von dem
Mikroprozessor 316 kommt, wobei die Periode TS wie folgt
festgelegt ist:
Der Nutzfrequenzbereich des Schwebungssignals liegt zwischen den Werten fbmin und fbmax:
Der Nutzfrequenzbereich des Schwebungssignals liegt zwischen den Werten fbmin und fbmax:
Das Shannon′sche Abtasttheorem fordert:
Das Taktsignal für die Abtastperiode TS wird auch dem
A/D-Wandler 314 zugeführt, der die notwendigen Synchro
nisationen zwischen den Schaltungen 314 und 315 gewähr
leistet. Für einen von der Antenne 301 gesendeten
Frequenzsägezahn beträgt die Gesamtanzahl NS der
Signalabtastwerte:
Die Abtastimpulse werden während der Dauer Te des Signals
S31A (bzw. S31B) im Rhythmus 1/TS geliefert und bilden
das den Schaltungen 314 und 315 zugeführte Signal SA.
Der A/D-Wandler 314 hat die Aufgabe, jedem der ent
nommenen analogen Abtastwerte einen Digitalwert zuzu
ordnen. Die Kodierung erfolgt beispielsweise auf 12 Bit.
Die NS digitalen Abtastwerte, die der A/D-Wandler 314
seriell liefert, werden in dem Speicher 320 eingeschrie
ben, von dem sie an den Prozessor 316 mittels einer
unidirektionalen Busverbindung 327 übertragbar sind.
Der Prozessor 316 enthält in seinem Programmspeicher 31B
ein Programm, das für die im Speicher 320 gespeicherten
Abtastwerte ein Fenster zur Unterdrückung von Rand
effekten im Zusammenhang mit einer Zeit/Frequenz-
Umsetzung beispielsweise einer schnellen Fouriertrans
formierten (SFT) erzeugt. Vorzugsweise ist das Fenster
ist ein Dreieck- oder Hamming-Fenster. Der Prozessor
führt den Algorithmus der SFT aus und überträgt die
errechneten Frequenzabtastwerte über eine bidirektionalen
Bus 321 an einen Abtastwertespeicher 317. Der Speicher 317
ist in drei Bereiche unterteilt, wobei jeder Bereich die
Kapazität zur Speicherung der von dem Radar bei der
Sendung eines Sägezahns während der Dauer Te gelieferten
Informationen hat. Der Speicher 317 hat also die drei
fache Speicherkapazität wie der Speicher 320, wobei als
Informationseinheit die für das Senden eines Sägezahns
des Höchstfrequenzsignals erhaltene Information angenom
men wird.
Das Programm des Programmspeichers 318 umfaßt eine
Initialisierungsphase z. B. unmittelbar nach der Auf
stellung des Radarsystems an einer gewählten Stelle
zu einem Zeitpunkt τ₁, der zur Initialisierungsphase
gehört und während dessen sich kein für die Detektierung
in Betracht kommendes Objekt im Beobachtungsfeld des
Radars befindet. In diesem Zeitpunkt τ1 wird dann ein
Höchstfrequenzsignal mit sägezahnförmiger Änderung der
Frequenz gesendet, usw. ausgelöst durch ein Auslösesignal
S31A, das beispielsweise von dem Prozessor 316 kommt und
dem Eingang des Steuerspannungsgenerators (bei S31)
zugeführt wird. Dann wird die im vorhergehenden Absatz
beschriebene Rechnung durchgeführt und die Rechen
ergebnisse werden in einem ersten Bereich des Speichers
317 gespeichert. Dieser Bereich ist mit SERref bezeichnet
wobei die Bezeichnung von dem französischen Ausdruck
Surface Equivalent Radar de reference abgeleitet ist,
also äquivalente Radarbezugsfläche bedeutet.
Zufolge der Programmierung des Programmspeichers 318
kann dieser erste Bereich des Speichers 317 anschlie
ßend nicht mehr gelöscht werden, es sei denn durch
späteren Eingriff von außen. Die äquivalente Radar
bezugsfläche SERref in Abhängigkeit von D stellt eine ra
dioelektrische Bezugskarte der Umgebung des Radargerätes dar.
Jedem Entfernungsabschnitt konstanten Wertes des Ent
fernungsfensters kann eine Adresse des Speichers 317
zugeordnet werden.
Nach der Initialisierungsphase kommt die sogenannte
Detektierungsphase, die nachfolgend beschrieben wird.
Sobald der aus einem IR-Detektor bestehende Sensor 328
ein neues Objekt im Detektierungsfeld feststellt,
sendet er ein Auslösesignal S31B, das im Zeitpunkt τ₂
dem Eingang des Steuerspannungsgenerators 302 sowie dem
Prozessor 316 zugeführt wird, woraufhin ein neues Signal
S32 gesendet wird. Die zuvor genannten Berechnungen
wiederholen sich und ihr Ergebnis wird in einem zweiten
Bereich des Speichers 317 gespeichert. Dieser Bereich
ist mit SERm bezeichnet. Vergleicht man SERref und SERm,
so stellt man fest, daß in der Entfernung DJ in SERm
ein stärkeres Echo als in SERref erscheint. Dieser Ver
gleich wird von dem Prozessor 316 durchgeführt, der
die Differenzkarte der äquivalenten Radarflächen der
Echos in Abhängigkeit von der Distanz errechnet, also
die Karte SERm - SERref, usw. Abtastwert für Abtastwert.
Die erhaltenen Ergebnisse werden im dritten Bereich SERm -
SERref gespeichert. Sobald die Differenz zwischen zwei
homologen Abtastwerten, also solchen, die den selben
Entfernungsabschnitt repräsentieren, einen bestimmten
vorgegebenen Schwellwert überschreitet, bei dem es sich
um den Quantifizierungsschritt der Abtastwerte oder um
ein Vielfaches dessen handeln kann, wird die Differenz
zwischen diesen beiden Abtastwerten berücksichtigt. Man
erhält auf diese Weise eine genaue Anzeige der Entfer
nung und der Größe mindestens eines in dem Detektierungs
feld knapp vor dem Zeitpunkt τ₂ aufgetauchten Objekts.
Es kann der Fall eintreten, daß mehrere Objekte gleich
zeitig in das Detektierungsfeld eintreten und auf diese
Weise identifiziert werden. Die zur Erzielung der oben
genannten Ergebnisse notwendige Programmierung des
Prozessors 316 ist dem Durchschnittsfachmann, im vor
liegenden Fall dem Programmierer oder Informatiker
bekannt.
Die in dem Speicher 317 enthaltene Information, haupt
sächlich die in dem dritten Bereich dieses Speichers
enthaltene Information- kann durch einen Führungs-
oder Steuerungsmikroprozessor 322 ausgewertet werden,
dem ein Programmspeicher 323 zugeordnet ist, der mit
dem Programmspeicher 318 verbunden ist. Der Mikro
prozessor 322 erhält die notwendigen Informationen
über einen Bus 324, der von dem Bus 321 abgezweigt
sein kann. Der Mikroprozessor 322 ist beispielsweise
ein Mikroprozessor 6809 oder 68 000 der amerikanischen
Firma MOTOROLA. Er kann über einen Ausgangsbus 325
die Angaben über den Zeitpunkt des Erscheinens, die
Größe und die Entfernung eines oder mehrerer in dem
Detektierungsfeld festgestellter Objekte liefern.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend
beschriebenen Ausführungsbeispiele. Insbesondere kann
auch ein FM-CW-Radar mit zwei Antennen benutzt werden,
wobei dann das Filter 312 überflüssig ist. Möglich
ist auch die Benutzung eines Impulsradars, sofern ge
eignete Verstärkungs- und Filtermittel verwendet werden,
die sich von den vorstehend beschriebenen unterscheiden.
In diesem letzteren Fall besteht Proportionalität zwi
schen der Entfernung der in dem Detektierungsfeld be
findlichen Objekte und der Verzögerungszeit t der Echos,
so daß eine Zeit/Frequenz-Transformation nicht durchge
führt zu werden braucht.
Hinsichtlich der Ermittlung der Bewegungsrichtung eines
detektierten Fahrzeuges wird erneut auf die Fig. 1
und 2 Bezug genommen. Angenommen wird ein Infrarot
detektor mit vier IR-Strahlen, nämlich den Gruppen U
und V einerseits sowie U′ und V′ andererseits, die
getrennt arbeiten. Im Überwachungszustand sind lediglich
die Strahlen V und V′ aktiv. Ein quer zu Δ ankommendes
Fahrzeug durchfährt zwangsläufig einen der beiden
Strahlen V oder V′, wodurch die Bewegungsrichtung sofort
bestimmbar wird. Diese Information kann von dem
Führungs- oder Steuerungsprozessor 38 (vergleiche Fig. 5)
der Zündvorrichtung ausgewertet werden. Diesem kann
die Anweisung erteilt sein, nur auf solche Fahrzeuge
zu feuern, die sich in einer vorgegebenen Richtung
bewegen. Im Falle einer Zündvorrichtung, die nur über
zwei seitliche Strahlen, beispielsweise V und U, verfügt,
wäre es hingegen notwendig, im Überwachungszustand beide
Strahlen aktiviert zu lassen um eine eindeutige Be
wegungsrichtungsbestimmung durchführen zu können.
Im Zusammenhang mit der Ermittlung der scheinbaren
Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeuges wird wiederum
auf Fig. 2 Bezug genommen. Gemessen werden soll die
Größe dγ/dt usw. für γ ≃ β und unter der hier erfüllten
Annahme, daß α klein gegenüber β. Es gilt dann in er
ster Näherung:
Da der Winkel α konstruktiv vorgegeben ist, liefert der
Betrag t₁-t₂ am Ausgang SO (vergleiche Fig. 9) eine
im Sinne einer umgekehrten Proportionalität repräsenta
tive Größe für dγ/dt. Der Wert von dγ/dt (oder von
t₁-t₂) wird auf drei unterschiedliche Arten in der
Zündvorrichtung verwertet:
- - In erster Linie dient der Wert zur Verifizierung,
daß das in den Strahlen V und U beobachtete Fahrzeug
vermutlich Eigenschaften aufweist, die es in das
Schießgebiet eintreten lassen werden. Die Zündvorrich
tung soll nämlich nur bei solchen Fahrzeugen einen
Zünd- oder Feuerbefehl abgeben, deren Fahrrichtung
oder Bahn einen Winkel ξ zwischen π/4 und 3π/4 mit
der Schießachse bildet und die sich mit einer Ge
schwindigkeit vc bewegen, für die erfüllt ist:
vcmini < vc < vcmaxi,′ sowie die Schießachse 7 in einem Gebiet zwischen dmini und dmaxi schneiden. Diese drei Bedingungen, die mit der Kenntnis der Winkel β und α verknüpft sind, die konstruktiv vor gegeben sind, ermöglichen die Errechnung der beiden Grenzwerte der Größe t₁-t₂. Die maximale Dauer (t₁-t₂)maxi entspricht dem mit Smaxi bezeichneten Segment MN, das mit der Geschwindigkeit vcmini durch fahren wird und die minimale Dauer (t₁-t₂)mini entspricht dem mit Smini bezeichneten Segment PQ, das mit vcmini durchfahren wird. Wenn das Ergebnis t₁-t₂ sich nicht in den so definierten Grenzen hält, schaltet die Zündvorrichtung auf Überwachungsbetrieb zurück. - - An zweiter Stelle dient dγ/dt (oder t₁-t₂) zur Bestimmung der Abtastperiode der Signale V₂₁ bis V₂₄ während der Infrarotanalysephase des Ziels. Hierzu wird dγ/dt mit der von dem Radar gemessenen Entfernung dc = OA kombiniert.
- - Zum dritten dient die Größe dγ/dt zur Vorhersage des geschätzten Zeitpunktes tmd, zu dem das Vorderteil des Fahrzeuges die die Schießachse enthaltende Ebene Δ erreicht. Der geschätzte Zeitpunkt tmd ist an der Errechnung des optimalen Schießzeitpunktes td nicht beteiligt, sondern bildet eine zeitliche Begrenzung, die einen eventuellen Abbruch der Infrarotanalyse bewirkt (vergleiche Schritte 113, 117, 118 und 119 in Fig. 6). Dieser Abbruch der Infrarotanalyse ist notwendig, sobald das Fahrzeug sich im Schießgebiet nahe der Zündvorrichtung befindet. Wie erläutert, ist es der Strahl U (oder U′), der, selbst ortsfest, das Objekt oder Ziel durch Ausnutzung seiner Bewegung analysiert. Damit das Fahrzeug insgesamt analysiert werden kann, muß es mit seiner gesamten Länge durch den Strahl laufen. Es darf aber hierbei nicht soweit kommen, daß es die Schießachse vollständig verläßt. Fig. 2 macht deutlich, daß es für nahe an der Mine liegende Bewegungsbahnen eine Grenze gibt, jenseits derer diese Bedingung nicht mehr erfüllt ist. Die Entfernung PR ist: entsprechend 2,6 m, wenn OR gleich 10 m und ß gleich etwa 150 ist. Wenn also in diesem Beispiel ein Fahr zeug mit einer typischen Länge gleich 6 m mit mehr als der Hälfte seiner Länge die Ebene Δ durchquert hat, ist es durch den Strahl U (oder U′) vollständig analysiert. Die Minimalentfernung OR liegt hingegen bei 22 m, sofern gefordert wird, daß ein Fahrzeug von 6 m Länge vollständig analysiert ist, bevor es die Schießebene Δ erreicht. Man ist bestrebt, tmd mit der bestmöglichen Genauigkeit abzuschätzen. Hierzu bedarf es einer Abschätzeinrichtung und einer Bestimmung der relativen Genauigkeit der Schätzung. Nimmt man an, daß der Zeitpunkt t₁ gespeichert ist, so läßt sich schreiben:Tmd = t₁ + Δte δΔ (8)
Hierin ist Δte δΔ der Schätzwert der Zeit tAC, die das
Fahrzeug zum Zurücklegen der Entfernung AC benötigt.
Δte δΔ kann nur ausgehend von dem Wert von dγ/dt
um γ = β herum geschätzt werden. Man kann zeigen,
daß folgende Beziehung gilt:
woraus sich ergibt, daß dγ/dt sich mit γ und ξ ändert.
Außerdem ist die Größe α/t₁-t₂ ein Schätzwert oder
Näherungswert für γ = β (vergleiche Gleichung (7)).
Unter der Voraussetzung, daß α klein ist, läßt sich
also schreiben:
Nimmt man beispielsweise als Schätzwert für tAC die
Größe:
so gewinnt man hieraus durch Einsetzen von (10) in (11):
Setzt man Δte δΔ ins Verhältnis zu tAC so ergibt sich:
Für kleine β gelten folgende Näherungen:
wodurch sich (13) vereinfacht zu:
Hieraus folgt mit π/4 < ξ < 3π/4, also -1 < cotgξ < 1,
daß
zwischen 1 - β und 1 + β liegt, wobei β
in Radian ausgedrückt ist (nämlich für einen Winkel
von β = 15° zwischen 0,75 und 1,25 liegt).
Der Fehler des Schätz- oder Näherungswertes beträgt,
solange keine genauere Kennnis über den Winkel ξ vor
liegt, in etwa 2β·tAC.
Nachfolgend wird ein Rechenverfahren beschrieben,
das wie die Errechnung des Zeitpunktes tmd in dem
Signalverarbeitungsprozessor 37 zur Ermittlung des
optimalen Zeitpunktes td zur Zündung der militärischen
Ladung durchgeführt werden kann. Das zu lösende
Problem besteht in der Bestimmung von td in der
Weise, daß der Aufschlag auf das detektierte, ana
lysierte und als zu zerstörendes Ziel erkannte Fahrzeug
stattfindet, wobei die mit dem Ziel verknüpften,
ausgehend von den durchgeführten Messungen verfügbaren
Parameter der Zeitpunkt t₁, die Entfernung OA und
die Winkelgeschwindigkeit dγ/dt des Radialstrahles δ,
bestimmt für γ = β, sind.
Ausgegangen wird von der Annahme, daß das Fahrzeug eine
geschätzte Länge L hat (gleich der minimalen Länge der
zu zerstörenden Klasse von Zielen). Das Fahrzeug bleibt
in der Schießebene Δ während eines Zeitintervalls,
das zwischen den Zeitpunkte tds und tfs liegt, wobei
tds derjenige Zeitpunkt ist, für den tmd der Schätz-
oder Näherungswert ist:
Die militärische Ladung muß unbedingt zwischen den
Zeitpunkten tds und tfs aufschlagen, um die Zerstörung
des Ziels zu bewirken. Die Errechnung des Zeitpunktes
td der Zündung erfolgt ausgehend von folgenden Bestim
mungselementen:
- - an erster Stelle anhand der bekannten oder voraus berechneten Daten, dies sind der Zeitpunkt t₁, die Länge L und das Bewegungsgesetz der militärischen Ladung, das zunächst einmal als lineare Gleichung des Typs: x = vm (t - td) (17)angenommen wird, worin vm die mittlere Geschwindigkeit der militärischen Ladung in der Schießebene Δ ist.
- - In zweiter Linie werden benutzt die Variable Δte δΔ, die nach Gleichung (11) ermittelt wurde, die Variable vc, die durch den Wert: angenähert wird und die Variable OC, für die die Entfernung dc eine erste Näherung darstellt. Bekanntlich ist für selbstdurchschweißende Ladungen die Geschwindigkeit vm höher als 1500 m/s, während für Raketen- oder Treibsatzgeschosse vm in der Antriebsphase bei 200 m/s liegt.
Eine Möglichkeit zur Errechnung des Zündzeitpunktes td
wird ausgedrückt durch:
Hierin drückt das Verhältnis L/2vc aus, daß angestrebt ist, das Ziel in seiner Mitte zu treffen (siehe die
Gleichung (15) und (16)), damit die Aufschlagwahrschein
lichkeit ein Maximum wird; der Ausdruck OC/vm be
rücksichtigt die Flugzeit der militärischen Ladung.
Die Flugzeit ist, bezogen auf den Aufschlagzeitpunkt,
abzuziehen, damit man einen Schießvorhalt erhält.
Unter Berücksichtigung der oben angegebenen Schätzwerte
läßt sich schreiben:
Hierin ist M ein Schätzwert des Punktes C und die Zeit
td - t₁ repräsentiert eine Wartezeit vor dem Abfeuern,
die von der dritten Detektierung an zu zählen ist,
d. h. von der IR-Detektierung in der Ebene U oder U′.
Somit ergibt sich:
Um die Errechnung des Zeitpunktes td noch weiter zu
optimieren, kann sich das in der Zündvorrichtung vor
handene Radar zu Nutze machen, um mindestens eine wei
tere Entfernungsmessung zwischen den Zeitpunkten t₁ und
tmd durchzuführen, gefolgt von einer fünften Detek
tierung der Umgebung, beispielsweise im Zeitpunkt:
Diese zweite Messung der Entfernung dc2 des Ziels wird
durch Errechnung von SERm2 - SERref erhalten und erlaubt
die Bestimmung zumindest der Änderung der Entfernung
des Ziels durch Vergleich mit der ersten Messung dc.
Folglich ist es möglich, den Bereich, innerhalb dessen
der Winkel ξ liegt, einzuengen und insbesondere fest
zustellen, ob ξ im Bereich [π/4, π/2 + β2] (im Fall ab
nehmender Entfernung) liegt oder dem Bereich
[π/2 + β/2, 3π/4) (im Fall zunehmender Entfernung)
angehört. Damit weiß man dann, welche der beiden
nachfolgenden Gleichungen anwendbar ist:
Der Maximalfehler der Abschätzung von Δte δΔ kommt dann
in den Bereich von β·tAC, d. h. er ist nur noch halb
so groß wie im Fall nur der Messung von dc. Des weiteren
ermöglicht die Messung von dc2 auch die Verbesserung der
Genauigkeit des Punktes M, d. h. der Abschätzung von OC,
usw. durch Extrapolation ausgehend von dc und dc2.
Wenn beispielsweise dc2 im Zeitpunkt:
bestimmt wird, so wählt man für OM
die Entfernung:
2dc2 - dc (23)
Ebenso kann man den Wert von vc besser als durch
annähern, wenn man den folgenden Wert
benutzt:
Hierin ist β in Radian einzusetzen.
Eine zweite Variante, die eine Verbesserung der Ab
schätzung der Zeit tAC ermöglicht, besteht darin, den
Winkel ξ mit größerer Genauigkeit zu messen. Man kann
dann nicht nur den Winkel ξ in einen der beiden durch
(21) und (22) definierten Bereiche legen, sondern es
ist auch möglich, diesen Winkel mit noch weiter verbes
serter Genauigkeit innerhalb jedes der Bereiche zu
definieren usw. mittels folgender nicht dargestellter
Technik: Zusätzlich zu den nach wie vor vorhandenen
IR-Strahlen U und V erzeugt man einen IR-Strahl W
zwischen den Ebenen U und Δ. Mittels des Radars mißt
man die Entfernung OX, wobei X der Schnittpunkt der
Bewegungsrichtung oder Bahn 13 eines Fahrzeuges mit
der den Strahl W enthaltenden Ebene ist. Die Kenntnis
von OA, OX und der jeweiligen Winkel zwischen den
verschiedenen, von O ausgehenden IR-Strahlen ermög
licht es, den Wert des Winkels ξ mit noch besserer
Genauigkeit der Näherung zu ermitteln.
Claims (9)
1. Verfahren zur Erzeugung eines automatischen Zünd
befehls im Zeitpunkt td für eine Panzerbekämpfungs
vorrichtung, bestehend aus einem Träger, einer
militärischen Ladung, einem Zünder und einem Richt
gerät, wobei die Panzerbekämpfungsvorrichtung an
einer vorgewählten Stelle angeordnet und in horizon
taler Richtung mit einer in einer Vertikalebene Δ
festliegenden Schußachse wirksam ist und berührungslos
auf eine Änderung der Umgebungsbedingungen anspricht
und wobei die Ebene Δ von dem aus einem gepanzerten
Fahrzeug bestehenden Ziel im Zeitpunkt tmd erreicht
wird, gekennzeichnet durch die zeitlich aufeinander
folgenden Schritte:
- 1 - eine erste Detektierung der Umgebung bei der Aufstellung der Vorrichtung durch ein FM/CW- Radar, dessen ortsfeste Sende- und Empfangs keulen die Ebene Δ schneiden sowie einen zweiten, infraroten Detektierungsstrahl und einen dritten, infraroten Detektierungsstrahl umschließen,
- 2 - die Erstellung und Speicherung einer ersten Karte der äquivalenten Fläche der Echos in Ab hängigkeit von der Entfernung, kurz SERref ge nannt, als Ergebnis der ersten Radardetektierung,
- 3 - eine zweite Detektierung (IR) eines potentiellen Ziels zu einem Zeitpunkt t₂ in einer Vertikal ebene V, die mit der Ebene Δ einen Winkel β + α einschließt, wobei diese Detektierung den Zünder aus dem ursprünglichen Überwachungszustand in den aktivierten Zustand bringt,
- 4 - eine dritte Detektierung (IR) des potentiellen Ziels zu einem Zeitpunkt t₁ in einer Vertikal ebene U, die sich zwischen den Ebenen Δ und V befindet und mit der Ebene Δ einen Winkel β einschließt,
- 5 - die Berechnung der Dauer t₁-t₂ und der radialen Winkelgeschwindigkeit dγ/dt Ziels aus der Be ziehung
- 6 - eine vierte Detektierung der Umgebung mittels FM/CW-Radar, gesteuert von der dritten Detektie rung im Infraroten, unmittelbar nach dem Zeit punkt t₁, welche vierte Detektierung zur Erstel lung und Speicherung einer zweiten Karte der äquivalenten Fläche der Echos in Abhängigkeit von der Entfernung, SERm genannt, führt,
- 7 - mindestens eine erste Messung der Entfernung dc und der SER des Ziels durch Errechnung von SERm-SERref für jede Entfernung,
- 8 - Analyse der Formmerkmale des Ziels durch Gewin nung eines vereinfachten Wärmebildes ausgehend von den bei der dritten Detektierung erhaltenen Daten,
- 9 - Entscheidung zur Abgabe des Zündbefehls mit Vorhalt unter Berücksichtigung der Merkmale der Form, der Größe, der Entfernung und der Ge schwindigkeit des Ziels,
- 10 - Errechnung des Zeitpunktes td aus den in den vor hergegangenen Schritten durchgeführten Rechnungen und den Eigenschaften der militärischen Ladung,
- 11 - Zündung der militärischen Ladung im Zeitpunkt td.
2. Verfahren nach Anspruch 1, zur Zerstörung von Zielen
unabhängig davon, in welcher Richtung sie in die
Schußebene Δ durchqueren, dadurch gekennzeichnet, daß
die IR-Sensoren doppelt angeordnet sind, um die
Detektierungen beidseits der Ebene Δ durchzuführen
und daß die Keulen des FM/CW-Radars symmetrisch zu
der Ebene Δ liegen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß mindestens eine fünfte Detektierung der
Umgebung durch FM/CW-Radar zu einem Zeitpunkt/mehre
ren Zeitpunkten nach dem Zeitpunkt t₁ durchgeführt
wird und zumindest eine zweite Messung der Entfernung
dc2 des Ziels führt, usw. durch Errechnung von
SERm2-SERref und daß die Änderung der Zielentfer
nung durch Vergleich mit der ersten Messung dc
ermittelt und die Abschätzung des Zeitpunktes tmd
verbessert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt td errechnet wird
aus
worin
- - Δte δΔ die geschätzte Dauer der Dauer tmd-t₁ ist,
- - L eine vorgegebene korrigierte mittlere Länge der zu zerstörenden Ziele ist,
- - Vc die scheinbare Lineargeschwindigkeit eines zu zerstörenden Ziels in der Nähe der Ebene Δ ist, errechnet ausgehend von dc und dγ/dt,
- - OM die geschätzte Entfernung ist, in der ein zu zerstörendes Ziel die Ebene Δ durchquert,
- - vm die vorgegebene mittlere Geschwindigkeit der militärischen Ladung auf der Bahn OM in der Ebene Δ ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und die dritte
Detektierung mit passiver IR-Strahlung im Spektral
band von 8 bis 12 µ und/oder von 3 bis 5 µ durchgeführt
werden.
6. Selbsttätig in einem Zeitpunkt td wirksam werdende
Zündvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 1 bis 5, für eine Panzerbe
kämpfungsvorrichtung, die außer der Zündvorrichtung
einen Träger, eine militärische Ladung und eine
Richtvorrichtung umfaßt und vorab an einer vorge
gebenen Stelle mit fester Schußachse in einer Verti
kalebene Δ und mit berührungsloser Detektierung der
Umgebung aufgestellt wird, gekennzeichnet durch
- - einen ersten Sensor, bestehend aus einem FM/CW-Radar, dessen feste Sende- und Empfangskeulen einen Öff nungswinkel in der Seitenebene haben, der, gerechnet ausgehend von der Ebene Δ größer als ein Winkel β im Bereich von einigen 10 oder 20 Grad und einen Öffnungswinkel in der Höhenebene von θs im Bereich von einigen 10 Grad haben,
- - mindestens einen zweiten Sensor, bestehend aus einem IR-Detektektor zum Auffangen eines IR-Strahls, der sich in einer Vertikalebene V erstreckt, die mit der Ebene Δ einen Winkel α + β bildet und die im wesent lichen in den Keulen des FM/CW-Radars enthalten ist, wobei sein Öffnungswinkel in der Höhenebene etwa gleich θs ist,
- - mindestens einen dritten Sensor, bestehend aus mindestens einem IR-Detektor zum Auffangen eines IR-Strahles, der sich in einer Vertikalebene U er streckt, die mit der Ebene Δ einen Winkel β bildet und die im wesentlichen in den Keulen des FM/CW- Radars enthalten ist, wobei der Öffnungswinkel in der Höhenebene etwa gleich θs ist und die IR-Strah len zwischen sich einen kleinen Winkel α einschlie ßen,
- - und Speicher-, Abschätz- und Recheneinrichtungen, einerseits zum Speichern der von dem ersten, zweiten und dritten Sensor gelieferten Daten, andererseits zum Identifizieren eines potentiellen Ziels, das in das Detektierungsfeld der Sensoren eindringt als eines zu zerstörenden Ziels und schließlich zur Errechnung des Zeitpunktes td einschließlich Schußvorhalt ausgehend von den von den Sensoren gelieferten Daten und vorgegebenen Daten nachdem ein zu zerstörendes Ziel identifiziert wurde.
7. Zündvorrichtung nach Anspruch 6, zur Zerstörung von
Zielen, die sich aus beiden möglichen Richtungen
quer zu der Schußebene Δ nähern, dadurch gekennzeich
net, daß die Keulen des FM/CW-Radars die Ebene Δ
als Symmetrieebene haben, mit einem Öffnungswinkel
in der Seitenebene etwas größer als 2β, und daß
des weiteren vierte und fünfte Sensoren vorgesehen
sind, die jeweils den zweiten bzw. dritten Sensoren
entsprechen und symmetrisch zu dem jeweiligen, ihnen
entsprechenden Sensor in bezug auf die Ebene Δ ausge
richtet sind.
8. Zündvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Speicher-, Abschätz- und Rechen
einrichtungen aus einer elektronischen Schaltung be
stehen, die einen Infrarotüberwachungsteil umfaßt,
sowie in aufeinanderfolgender Anordnung zwischen den
Ausganganschlüssen der Sensoren und einem ersten
Eingang eines Signalverarbeitungsprozessors sowie
einem ersten Eingang eines Steuerungsprozessors
einen Multiplexer, eine Abtastschaltung, einen
A/D-Wandler und einen Abtastwertspeicher umfassen,
wobei der Signalverarbeitungsprozessor seine Befehle
von Programmspeichern erhält und mittels eines bi
direktionalen Busses im Dialog mit dem Steuerungs
prozessor steht, der die von dem Signalverarbeitungs
prozessor ermittelten Rechenergebnisse erhält und
auswertet sowie über eine elektronische Sicherheits
schaltung an eine Zündschaltung den etwaigen Zünd
befehl für die militärische Ladung im Zeitpunkt td
übermittelt.
9. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß sie nach dem Zünden oder
Abfeuern der Ladung unter der Voraussetzung des
Ersatz es der für ihren Betrieb notwendigen elektri
schen Energiequelle wiederverwendbar ist.
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