DE3843006A1 - Vorrichtung fuer das auffinden und die identifizierung von einzelzielen - Google Patents
Vorrichtung fuer das auffinden und die identifizierung von einzelzielenInfo
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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.
Priority Applications (3)
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Owner name: DEUTSCHE AEROSPACE AG, 8000 MUENCHEN, DE |
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Owner name: DAIMLER-BENZ AEROSPACE AKTIENGESELLSCHAFT, 80804 M |
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