DE3843006A1 - Vorrichtung fuer das auffinden und die identifizierung von einzelzielen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für das Auffinden und die Iden­ tifizierung von Einzelzielen.

Eine solche Vorrichtung, die bei schnellfliegenden Kampfflugzeugen ein­ gesetzt wird ist aus der DE 30 48 574 C2 der Anmelderin bekannt.

Dort wird neben einem Infrarot-Sensor ein Radargerät verwendet um z.B. bei Fahrzeugen als weiteres Zielmerkmal die Eigenschaft daß es aus Me­ tall besteht zu registrieren.

Da die Zielmerkmale wie Intensität der Infrarotstrahlung von Umweltsi­ tuationen wie Temperatur, Tageszeit, Jahreszeit, Sichtweite und zu erwar­ tender taktischer Lage (stehend oder fahrend) abhängig ist, wird in der o.g. Patentschrift deshalb vorgeschlagen, daß der Pilot/Kampfbeobachter die Möglichkeit erhält, diese Randbedingungen für die Zielmerkmale aktuell in die Sensorauswerteelektronik einzugeben.

Eine Radarerfassung ist jedoch ebenfalls störanfällig.

Die Erfindung hat die Aufgabe die vorgenannte Einrichtung hinsichtlich der Zielerkennung zu verbessern und auf Flugkörper anwendbar zu machen, welche zumindest nach ihrer Ablösung vom Trägerflugzeug ein autonomes System darstellen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Aus­ bildungen und Weiterbildungen der Erfindung im einzelnen sind in wei­ teren Patentansprüchen sowie der Beschreibung und Zeichnung von Ausfüh­ rungsbeispielen zu entnehmen. Wesentliche Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß es mit der Erfindung möglich ist, die hohen Anforderungen hinsichtlich Meßwerteerfassung, Signalverarbeitung und -auswertung sowohl zeitlicher und räumlicher Art bei feststehenden und beweglichen Zielen zu erfüllen. Durch den intelligenten Sensorver­ bund und die Art der Auswertung der gewonnenen Signale werden die Ziele automatisch aufgefaßt, identifiziert und klassifiziert. Eine mögliche Anwendung der Erfindung liegt bei der Bekämpfung von Zielen ebenfalls automatisch durch Schüsse von oben, wobei auch mehrere Ziele in rasche­ ster Folge angegriffen werden können. Dabei ist diese Art der Bekämp­ fung von oben auch gegen solche Ziele effektiv, die sich in Deckung be­ finden. Der Flugkörper kann als autonom angetriebener und geführter Be­ hälter an verschiedenen Flugzeugen angebracht werden und solche Behälter können mit Munition nachgeladen werden. Der autonome Flugkörper folgt dem Prinzip "Fire and forget".

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 die Blickrichtung des Laser-Entfernungsmessers an einem Flugkör­ per mit eingebautem Suchkopf zur Zielerkennung im Anflug auf ein mögliches Ziel,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Laser-Entfernungsmessers mit Dauer­ strich-Amplitudenmodulation,

Fig. 3 eine Sensoraufhängung verbunden einerseits mit einer Antriebs­ scheibe und elektrisch mit einem Rechner und ggf. einem Plotter,

Fig. 4 zeigt die Ansicht der Sensoreinheit im Gehäuse eingebaut vor der Montage,

Fig. 5 ein erfaßtes Objekt in Höhenliniennetzdarstellung, abgetastet vom Höhensprungsensor oder Laser-Entfernungsmesser.

In Fig. 1 ist ein Flugkörper 1 dargestellt während dem Anflug auf ein entfernt vor und unter ihm liegendes Ziel 2. Der Anflug geschieht nach der Ablösung vom Flugzeug als Träger autonom und die Flugführungs- bzw. Steuereinheit ist in dem Flugkörper 1 eingebaut. An der Spitze befindet sich ein Suchkopf mit verschiedenen Sensoren unter anderem für die Hal­ tung der Flughöhe des Flugkörpers während des Anflugs auf das Ziel bzw. das vermutete Ziel. Der Suchkopf bzw. Suchsensor ist dabei schwenkbar insbesondere kardanisch aufgehängt wie noch später in Fig. 3 erläutert wird. Er tastet den Boden ab um das Ziel zu erfassen und zu identifizie­ ren. Dabei kommt es besonders auf eine schnelle Abtastung der Schrägent­ fernung (Zielsichtlinie) mit hoher Auflösung an. Es wird deshalb bei der Erfindung nicht nur ein Infrarot-Sensor vorgesehen, sondern ein weiterer Dauerstrich-Laser-Entfernungsmesser, der als weiteres Charakteristikum zur Zielerkennung die bei der Bodenabtastung auftretenden Entfernungs­ sprünge auswertet. Die Bodenabtastung erfolgt linienhaft (keine Flächen­ abtastung nötig). Es genügen Linienabtastungen in Flugrichtung. Der La­ sersensor kann während des Marschfluges des Flugkörpers als Höhenmesser zur Flughöhenregelung derselben dienen und erst beim Erfassen einer mög­ lichen Zielsignatur durch den Infrarot-Sensor eingewiesen werden. Er liefert dann ein geometrisch verzeichnendes Höhenprofil der Landschaft, dessen Form durch ein Ziel charakteristisch beeinflußt wird.

Die Vorgehensweise ist wie folgt:

• - Eine Einfachstbildverarbeitung bewertet Größe der "hot spots" aus Bildinformation und Laser-Entfernungs-Messer LEM (FK-Höhenmesser und Bildwinkel) und sortiert die "besten", d.h. zu den Zielfahrzeugen passenden hot-spots aus,
• - Höhenhaltungs-LEM wird z.B. durch Schwenkspiegel seitlich ausge­ lenkt, so daß er - schräg seitlich in Flugrichtung vorausblickend - kurz vor dem "realistischsten" hot spot, d.h. möglichen Ziel, auf den Boden trifft. Die Höhenhaltung wird jetzt durch Extrapolation des bisher LEM-gestützten Flugkörper-Inertialsystems weitergeführt,
• - mit starr abgelenktem Laserstrahl wird durch die Flugkörper-Bewegung das durch hot spot vermutete Ziel/Scheinziel abgetastet (Längs­ schnitt-Höhenlinie). Ist der Höhensprung verträglich mit einem Echt­ ziel, wird die Zielsuche beendet und das gefundene Ziel bekämpft. Falls nicht, wird zum nächsten "guten" hot spot geschwenkt, bzw. falls der schon vorbei ist, wieder zur Höhenhaltung zurückgeschwenkt.

Vorteile der Erfindung sind u.a. gegenüber:

• - einem IR-Bildsensor alleine (Array-Detektor, line scanner etc.), daß dieser zwar hohe Pixelrate liefert, aber nur schlecht diskrimi­ nierbare (eindeutig auswertbare) Bildinformation,
• - einem LEM alleine, daß dieser schräg seitlich nach vorne, d.h. mit großer Reichweite blicken muß. Bei gegebener Laserleistung, Optik, Entfernungsauflösung etc. ist nur begrenzte Pixelrate möglich,
• - dagegen reicht bei der Erfindung durch die Vorauswahl der abzu­ tastenden Pixel durch den IR-Sensor die so gewonnene Pixelrate zur Zielerkennung aus. Aus N²/s IR-Pixeln werden jetzt nur noch N/s Pixel vom Laser-Entfernungsmesser abgetastet.

Meßprinzip des Laser-Entfernungsmesser-Sensors:

Als abtastender Entfernungssprungsensor eignet sich ein kontinuierlich oder quasikontinuierlich wirkender Laser-Entfernungsmesser (LEM) . Unter den beiden am häufigsten angewendeten Arbeitsverfahren, dem Puls-Lauf­ zeitverfahren und dem Dauerstrichverfahren mit Amplitudenmodulation bie­ tet das Dauerstrichverfahren spezifische Vorteile, weswegen ihm bei einem für die kontinuierliche Abtastung verwendbaren Laser-Entfernungs­ messer der Vorzug gegeben wurde. Dieses Prinzip wird im folgenden kurz beschrieben:

Es beruht darauf, daß ein amplitudenmoduliertes Dauerstrichsignal von einem Sender ausgesandt und nach diffuser Reflexion an einer Zielober­ fläche durch einen Empfänger empfangen wird. Die Laufzeit des Signals vom Sender zur reflektierenden Oberfläche und zurück zum Empfänger wirkt sich als Phasendifferenz der Modulation zwischen dem ausgesandten und dem Empfangssignal aus. Die Phasendifferenz ist also ein direktes Maß der zu messenden Entfernung. Das Blockschaltbild in Fig. 2 macht den Aufbau des amplitudenmodulierten Kohlenwasserstoff-Laser-Entfernungsmes­ sers deutlich.

Die als Sender verwendete Laserdiode mit Kollimatoroptik Konvex/Konkav (Fig. 2r, o) wird durch einen Modulator über eine Treiberstufe ange­ steuert und sendet eine modulierte Lichtstrahlung (Modulationsfrequenz hier einige MHz) aus, welche durch eine vorgeschaltete Optik gebündelt wird. Ein Teil der am Boden diffus reflektierten Strahlung wird durch die Empfängeroptik mit zwei Hohlspiegeln Konkav/Konvex (Fig. 2li, o) auf eine Photodiode gerichtet, deren Ausgangsspannung nach Verstärkung in einem doppelten phasenabhängigen Gleichrichter gleichgerichtet wird. Die Steuerphasen des phasenempfindlichen Gleichrichters werden aus der Modu­ lationsspannung durch eine Phasendrehung um 0 und 90 Grad abgeleitet. Die beiden Ausgänge des phasenabhängigen Gleichrichters sind dem Sinus bzw. dem Cosinus des Phasenwinkels des Empfangssignals proportional. Weil die Phasenverschiebung des Empfangssignals gegenüber dem Sendesig­ nal dem Abstand proportional ist, läßt sich aus den Ausgangsgrößen der phasenabhängigen Gleichrichters die Entfernung errechnen. Die Entfernung kann durch den Rechner/Plotter als analoge Spannung dargestellt werden, oder auch als digitale Größe.

Meßablauf:

Zur Veranschaulichung der Leistungen und technischen Möglichkeiten des Laser-Entfernungsmesser in der Anwendung als Sensor für die Zielerken­ nung wird wie folgt vorgegangen:

Zuerst wird der Sensor mit seiner kardanischen Aufhängung derart be­ festigt, daß der bestrichene Kreisbogen mindestens o · 25 *pi (45 Winkel­ grade) über freies Gelände führt. Der restliche Teil des Kreisbogens wird ausgeblendet, wobei der Eintritt der Meßstrahlengänge durch eine Markierung und eine Photodiode an der Antriebsscheibe markiert wird. Der Sensor wird eingeschaltet und die gesamte Anordnung auf einer Durchmes­ ser-Richtung über das auf dem bestrichenen Geländestück aufgestellte Zielfahrzeug hinweggeschwenkt. Das Ausgangssignal des Meßsensors wird digitalisiert und als sequentielle Datei auf eine RAM-Disk im Rechner eingelesen. Die Datenfolge aus der abgespeicherten Datei wird in Form einer Höhenprofil-Folge dargestellt. Die Darstellung kann in einem Feld mit der Fläche von 128 mal 128 Inkrementen erfolgen. Dies erfordert al­ lerdings einen relativ großen Speicheraufwand im zur Demonstration ver­ wendeten Rechner, so daß eine geringere Dichte angebracht sein kann. An­ schließend wird das Darstellungsprogramm im Rechner gestartet und die Werte werden als Folge von Höhenlinien bzw. als dreidimensionales Netz auf dem Bildschirm ausgegeben und mit dem Drucker ausgedruckt. Für die Dokumentation wird dann der Inhalt der RAM-Disk auf einen Datenträger (Diskette) ausgelesen. Dies veranschaulicht die Leistungen des Sensors besonders hinsichtlich erreichten Abtastgeschwindigkeit.

Der eigentliche Anwendungsfall des LEM wird durch den zweiten Schritt dargestellt, bei welchem der Sensor starr nach unten und vorne in einem Winkel von 30 Grad zur Horizontalen angeordnet wird. Dann bewegt sich das Zielfahrzeug unter dem Sensor durch den geneigten Meßstrahl hin­ durch. Es ergibt sich dabei ein Höhenprofil des Zielfahrzeuges aus einer erhöhten Ansichtsposition, mit einem relativ flachen Anstieg und einem abrupten Abfall, den man sich am besten mit dem Schattenwurf bei seit­ lich hoch angebrachter Lichtquelle veranschaulichen kann.

Auch die Sensor-Signalfolge wird aufgezeichnet und auf dem Rechnerdis­ play (Plotter) wiedergegeben.

Das Bild des gezeigten Höhennetzes in Fig. 5 dient nur zum Veranschau­ lichen der verwendeten Darstellungsart, welche bei einer doppelten Rasterdichte viel feiner gezeichnet wird, allerdings bei größerem Speicherbedarfs im Rechner. Es ist noch anzumerken, daß hier nur zur Veranschaulichung des Prinzips eine flächenhafte Darstellung gewählt wurde, während eine einmalige Abtastung auf einer Linie in Flugrichtung genügt, aber mit hoher Auflösung. Diese Darstellung bei der Erfindung entspricht dann einem Linien-Höhenprofil aus einer schrägen Vogelper­ spektive.

Claims (9)

1. Vorrichtung für das Auffinden und die Identifizierung von Einzel­ zielen von tieffliegenden Flugkörpern aus, die mit einem Infrarot-Sensor und wenigstens einem weiteren Sensor (und/oder ggf. Laser-Entfernungs­ messer) in einem nach vorne unten blickenden Suchkopf sowie einem Füh­ rungssystem für den Flugkörper verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Infrarot-Sensor nach Voreinweisung (grobe Richtungsvorgabe) das vor und unter ihm liegende Gelände zeilenweise (in der eingewiesenen Richtung) auf zielcharakteristische Infrarotstrahlung abtastet,
• - bei Erfassen eines voraussichtlichen Ziels nach einem oder mehreren der bekannten Zielcharakteristiken nach der Abtastung mit dem Infra­ rot-Sensor die Lage des Ziels in Elevation und Azimut bestimmt und in einem Zwischenspeicher mit den Zielkoordinaten festgehalten wird und danach
• - das voraussichtliche Ziel automatisch mittels gesonderter Einrich­ tung ein Laser-Entfernungmesser aufgeschaltet wird,
• - der als weitere Zielmerkmale Entfernungssprünge (Höhensprünge) er­ faßt und
• - damit in einem Auswertegerät die endgültige Zielerkennung nach vor­ gegebenem Muster ausführt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flugkörper ein Abstandsflugkörper ist, welcher keine Sichtlinienverbin­ dung zum Ziel erfordert, sondern auf eine entfernte Koordinate mit ver­ mutetem Ziel von einem Flugzeug als Waffenträger bzw. Träger eines Waf­ fenablieferungssystems voreinweisbar ist, während das Ansteuern und Er­ kennen des Ziels durch den Flugkörper mittels nach vorne und unten blickendem Suchkopf autonom erfolgt, wenigstens beim Einsatz gegen fest­ stehende Ziele, während beim Einsatz gegen bewegliche Ziele die Auswer­ teeinrichtung eine Zeitbasis enthält und die Relation der Bewegung von Ziel und Flugkörper festgehalten bzw. verfolgt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Infrarot-Sensor Teil eines Überflugsensors in einer Baueinheit am Flugzeug bildet, die in Richtung von dessen Hochachse nach vorne unten blickend montiert ist und einen Lasersender mit Sendeoptik, einen Laser­ empfänger mit Empfangsoptik, ein Interferenzfilter, Gesichtsfeldblenden sowie Sende- und Empfangselektronik mit Anpassungselementen und Auswer­ teeinheit enthält, wobei das Auslösen und Spuren des Flugkörpers vom Flugzeug das autonome Steuer- bzw. Führungsgerät des Abstandsflugkörpers mit seinem Suchkopf mit dem Auslösesignal in Gang setzt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lasersender als Halbleiterlaser insbesondere Kohlenwasserstoff-Halbleiterlaser ausgebildet ist, der amplitudenmodu­ liert betrieben wird etwa im Verhältnis 1:1 (Puls-/Pausendauer) und des­ sen Strahlung durch ein Objektiv gebündelt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserempfänger mit einem katadioptrischen Foto­ objektiv versehen ist, das die Empfangsstrahlen über Gesichtsfeldblenden und ein schmalbandiges Interferenzfilter auf eine Avalanche-Fotodiode fokussiert.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sender und dem Empfänger eine Entfernungsmeß­ einrichtung nach der Phasenmeßmethode zugeordnet ist, d.h. sie mißt den Phasenunterschied zwischen Sende- und Empfangssignal, welche dem zurück­ gelegten Lichtweg proportional ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenwasserstoff-Halbleiterlaser mit einer Gallium-Aluminium-Arsenid-Heterostruktur versehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender im Suchkopf kardanisch aufgehängt ist in einem Außenrahmen in der Hochachse und aus dieser heraus beweglich in Elevation und Azimut gegenüber einem festgestellten Nullpunkt (Zeit­ punkt, Höhe, Geschwindigkeit, seitliche Ablage) und mit einem Auswerte­ rechner verbunden ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der flächenhaften Abtastung eine linien­ hafte Abtastung in Flugrichtung (Zielsichtlinie) mit hoher Auflösung gewählt ist.