DE4008395C2

DE4008395C2 - Sensorik für die aktive Panzerung

Info

Publication number: DE4008395C2
Application number: DE4008395A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Schaller
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1990-03-16
Filing date: 1990-03-16
Publication date: 1999-05-06
Anticipated expiration: 2010-03-17
Also published as: DE4008395A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorik für eine aktive Panzerung.

Die Erfindung wird unter anderem in gepanzerten Fahrzeugen und gepanzerten Kampfständen eingesetzt und kommt daher beispielsweise im Bereich des aktiven Objektschutzes zur Anwendung.

Zum Schutz einer Panzerung ist es aus der US 48 69 152 bekannt, eine Panzerung mit explosionsreaktiven Elementen zu versehen, welche durch ein auftreffendes Geschoß gezündet werden und die Durchschlagskraft des Geschosses durch die diesem entgegenge richtete Sprengwirkung verringern sollen.

Die US 47 51 511 beschreibt eine Anordnung zur Bestimmung der Flugbahn eines Flugkörpers mittels zweier interferometrischer Radarsensoren. Die Radarsensoren weisen jeweils eine Antennen anordnung, einen Sucher und einen Empfänger auf, welche an einen Zirkulator angeschlossen sind. Signalprozessoren zur Sen designalsteuerung und Empfangssignalauswertung sind mit einem gemeinsamen Bahnrechner verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensorik der eingangs genannten Art anzugeben, welche die Flugbahn eines ankommenden Projektils so genau vermißt, daß ein zu aktivierendes Segment der Panzerung daraus bestimmt werden kann. Dabei ist jedes einzelne Segment sepa rat zündbar. Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe soll dabei zusätzlich leicht herstellbar, preiswert und materi alsparend implementierbar sein.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Haupt anspruch beschrieben. In den Unteransprüchen sind vorteil hafte Aus- und Weiterbildungen ausgeführt.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht darin, daß zur Rundumabsicherung eines Panzers mindestens drei Senso ren (vorzugsweise Radarsensoren), jeder mit einem Blick feld, das den ganzen oberen Halbraum abdeckt, vorgesehen sind. Praktisch wird man mehr Sensoren verwenden. Die Sen soren dürfen nicht alle in einer Ebene liegen. Für die Sendeleistungsabschätzung wird mit einem Antennengewinn von z. B. 3 dB gerechnet (Halbraum).

Als Sendefrequenz am besten geeignet ist die tiefste Fre quenz, die noch die Bedingung erfüllt, daß die Wellenlänge nicht größer sein soll als das kleinste betrachtete Ge schoß; denn dann ist das Rückstreuverhalten des Geschosses am wenigsten aspektabhängig und veränderlich. Für die Lei stungsbilanz spielt im übrigen die Frequenz keine wesent liche Rolle, da die gegenläufigen Einflüsse bei Doppleref fekt und Reichweite sich kompensieren. Als Frequenz wird vorzugsweise 15 GHz gewählt.

Als Meßintervall für die Bahnvermessung wird der Bereich zwischen 10 m und 5 m Entfernung vom Panzer gewählt. Zur hinreichend genauen Ermittlung des Auftreffpunkts ist eine relative Geschwindigkeitsauflösung in der Größenordnung von in etwa 1‰ erforderlich. Das heißt, die Dopplerphase muß entsprechend ca. 5 mm Genauigkeit gemessen werden. Da für ist bereits ein Störabstand S/N = 1, bei der gewählten Wellenlänge von 20 mm, ausreichend.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung ist ein guter Ob jektschutz sichergestellt. Des weiteren fällt die gefun dene Lösung materialsparend, preiswert und leicht her stellbar bzw. anordenbar aus. Die erfindungsgemäße Anord nung erfüllt dabei die Aufgabenstellung in vollem Umfang.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzipschaubild zur Vermessung der Bahn eines feindlichen Geschoßes oder Flugkörpers bezogen auf einen Sensor;

Fig. 2 die geometrischen Zusammenhänge zwischen Flugkör pergeschwindigkeit und Annäherungsgeschwindigkeit im zweidimensionalen Modell;

Fig. 3 eine vorteilhafte Ausführungsform der Sensorik.

Die erfindungsgemäße Sensorik nach Fig. 1 bis 3 ist wie folgt ausgebildet. Eine Antenne 1 bzw. ein Oszillator 4 sind direkt bzw. über einen Richtkoppler 3 jeweils an einen Eingang eines Zirkulators 2 angeschlossen. Dieser ist seinerseits ausgangsseitig mit einer Mischstufe 5, auf die der Richtkoppler 3 aufgeschaltet ist, verbunden. Der Ausgang der Mischerstufe 5 ist mit der Serienschaltung ei nes Verstärkers mit Filter 6 und eines A/D-Wandlers 7, so wie eines Dopplerprozessors 8 verbunden. Der Dopplerpro zessor 8 ist auf einen ihm folgenden Ortungsrechner 9 synchronisiert. Die beschriebene Anordnung ist mehrfach ausgebildet und jeweils auf den Ortungsrechner 9 aufge schaltet.

Das Prinzip des Sensors ist in Fig. 1 skizziert. Als zu schützendes Objekt 30 wird hier und im folgenden ein Pan zer angenommen. Die einzelnen Segmente der aktiven Panze rung 31 sind stark vergrößert dargestellt. Der Radarsensor 32 muß die geradlinig angenommene Geschoßbahn in einigem Abstand vom Panzer auf wenige cm genau vermessen. Dafür gibt es mehrere Möglichkeiten:

a) Ein einziges abschattungsfrei angebrachtes 3D pha sed array-Radar mißt Azimut, Elevation und Entfer nung zum Geschoß 33. Aus mindestens zwei aufeinan derfolgenden Messungen kann der Auftreffort und der Auftreffzeitpunkt berechnet werden.
b) Wenn sich während der Dauer der Vermessung eines ankommenden Geschosses 33 kein weiteres Geschoß 33 in der Erfassungsreichweite des Sensors 32 befin det, dann kann die phased array-Antenne durch eine einfache Peilantenne (Monopulsradar) ersetzt wer den. Zur Abdeckung des gesamten Halbraums ist al lerdings, ebenso wie bei der phased array-Lösung, eine Vielzahl von Einzelaperturen nötig.
c) Die von einem einzigen Sensor 32 aus durchgeführte Winkelmessung kann durch eine räumliche Trilatera tion mit mindestens drei Sensoren ersetzt werden. Dann sind nur noch Entfernungsmessungen nötig. Da bei würde man vorteilhafterweise eine multistati sche Lösung vorsehen mit mindestens einem Beleuch tersender für den ganzen Halbraum und mindestens drei Empfängern. Die Synchronisation der Empfänger kann über Strahlungskoppelung zum Sender vorgenom men werden.
d) Das anfliegende Geschoß 33 wird von mehreren Dopp lerradarsensoren gemessen. Nach dem Prinzip der inversen synthetischen Apertur (ISAR) können die Winkel zwischen den Sichtlinien und der Ge schoßbahn sehr genau ermittelt werden. Daraus läßt sich der Auftreffort und Auftreffzeitpunkt berech nen.

Die zuletzt genannte vorteilhafte Weiterbildung sei hier genauer betrachtet.

Die zu sichernde gepanzerte Fläche wird mit mindestens drei möglichst weit auseinanderliegenden Dopplersensoren ausgerüstet. Wenn ein anfliegendes Geschoß 33 sich auf ca. 10 m genähert hat, wird es erfaßt und liefert in jedem Sensor ein zeitveränderliches Dopplersignal. Fig. 2 zeigt in einem zweidimensionalen Modell die Verhältnisse.

Da die (konstante) Geschoßgeschwindigkeit v_G zunächst un bekannt ist, können die Winkel α_k nicht ohne weiteres aus den über die Dopplerfrequenzen zu ermittelnden Annäherungsgeschwindigkeiten v_Ak berechnet werden. Daher sind mehrere aufeinanderfolgende Messungen von v_Ak (t_i) nötig, um genügend viele Gleichungen für alle Unbekannten des Gleichungssystems zu erhalten. Es gilt pro Sensor k:
Annäherungsgeschwindigkeit v_A(t) = v_G cos α(t)
Minimalabstand R = v_G . (t - t₀)tan α(t)

Daraus läßt sich ein System von drei Gleichungen mit drei Unbekannten aufstellen:

R² = v_G ² (v_G ²/v_A ² (t_i) - 1) (t_i- t₀)², i = 1, 2, 3 (1)

Der Minimalabstand R der Geschoßbahn zum Sensor, der zuge hörige Zeitpunkt t₀ und die Geschoßgeschwindigkeit v_G er geben sich als Lösung dieses Gleichungssystems.

Man kann statt dreier diskreter v_A-Messungen auch quasi kontinuierlich messen und die Abtastwerte einer Ausgleichsrechnung für die drei Unbekannten zuführen. Da mit erhält man dann die maximal mögliche Genauigkeit.

Aus den so berechneten Werten für die Minimalabstände R_k zu drei oder mehr Sensoren kann der Auftreffpunkt P ermit telt werden. Im zweidimensionalen Modell gemäß Fig. 2 ist dies dargestellt. Die Mehrdeutigkeit, die sich daraus er gibt, daß mehrere Tangenten an die zwei Abstandskreise möglich sind, wird durch die Ermittlung der Auftreffzeit t_p aus den verschiedenen t_0k beseitigt, die im Rahmen der Meßgenauigkeit für alle k gleich sein muß.

Zur Synchronisation der Radarsensoren benötigt man ein Zeitsignal mit einer Auflösung von ca. 10 µs. Ein Ver gleich der Dopplerfrequenzen zwischen den Sensoren ist nicht nötig.

Der Fehler, mit dem der Auftreffpunkt P aus den Radarsi gnalen ableitbar ist, darf ca. 10 cm nicht überschreiten. Im 2D-Modell, Fig. 2, erkennt man, daß der Fehler in der Größenordnung der Schwankung der Minimalabstände R_k liegt. Diese Schwankung kann aus dem Störabstand der Radarmessung abgeschätzt werden:

Die Schwankung dR läßt sich analytisch mit Hilfe der Feh lerrechnung aus der rauschbedingten Schwankung dv_A der Dopplermessung erkennen, wenn man das nichtlineare Glei chungssystem (1) gelöst hat. Zur Abschätzung der Schwan kung dR wird vereinfachend angenommen, daß sich die Geschoßgeschwindigkeit vG und der Zeitpunkt t₀ beliebig genau messen lassen, d. h. dv_G = dt₀ = 0. Dann gilt mit (1):

2 RdR ≈ v_G ² (- 2v_G ²/v_A ³) (t-t₀) ²dv_A
dR ≈ (-) v_G ⁴ (t - t₀)²/(v_A ³R) dv_A

Zur weiteren Vereinfachung wird der Abstand des Geschosses zur Zeit t mit D bezeichnet und die Annäherungsgeschwin digkeit durch die Geschoßgeschwindigkeit ersetzt:

D = vG (t - t₀); v_G ≈ v_A
dann folgt dR ≈ D²/(Rv_G) dv_A (2)

Nach dieser Beziehung erhält man eine Abschätzung des Meß fehlers dR, unter der Voraussetzung, daß die einzelnen Meßpunkte t_i hinreichend weit auseinanderliegen. Eine ge nauere aber sehr viel kompliziertere Betrachtungsweise des Fehlers bestätigt die einfache Näherung (2) in der Größen ordnung.

Mit einem Fehler für die gemessene Annäherungsgeschwindig keit von v_A ≈ 1 m/s, einer angenommenen Geschoßgeschwindig keit v_G ≈ 1000 m/s und einen Abstand D ≈ 10 m liefert (2) das Ergebnis

also eine Größenordnung, die mit der Zielsetzung vereinbar ist. Es bedeutet dabei Symbol ≈ in etwa.

Durch die Ausbildung der Erfindung gemäß obiger Beschrei bung, stellen sich die bereits oben genannten Vorteile ein.

Claims

1. Sensorik für eine aktive Panzerung, mit wenigstens drei Ra darsensoren, bei welchem jeweils

1. eine Antenne (1), ein Oszillator (4) direkt oder über einen Richtkoppler (3) jeweils an einen Eingang eines Zir kulators (2) angeschlossen sind;
2. der Zirkulator ausgangsseitig mit einer Mischstufe (5), auf die der Richtkoppler (3) aufgeschaltet ist, verbunden ist;
3. der Ausgang der Mischstufe (5) mit der Serienschaltung eines Verstärkers mit Filter (6) und eines A/D-Wandlers (7), sowie eines Dopplerprozessors (8) verbunden ist;
4. der Dopplerprozessor (8) auf einen ihm folgenden Ortungs rechner (9) synchronisiert ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung für jeden Sensor aus den Meßwerten v_A(t_i) gemäß der Beziehung
R² ≈ v_G ² (v_G ²/v_A ² (t_i) - 1) (t_i - t₀)², i = 1, 2, 3
den Minimalabstand R bestimmt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ortungsrechner (9) aus den Minimalabständen zu den ver schiedenen Sensoren den Auftreffpunkt des Geschosses oder Flug körpers auf der Panzerung berechnet und die Zündung des ent sprechenden Segments auslöst.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftreffzeit durch den Ortungsrechner (9) aus den Größen t₀ und v_G der einzelnen Sensorkanäle berech net wird.