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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Messung
des Rollwinkels eines Geschosses.
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Die allgemeine Entwicklung der Kriegstechnik und der
Waffensysteme weckt ein Bedürfnis nach einer Verbesserung der
Geschoßleistungen mit Hilfe einer Lenkung, wobei zugleich die
Kosten niedrig gehalten werden sollen.
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Es ist besonders interessant, den Anteil an
hochqualifiziertem Material (Rechner, Selbstlenkvorrichtung,
Trägheitszentrale, Annäherungsrakete usw.) an Bord des gelenkten und
nur einmal verwendbaren Geschosses zu verringern, indem
möglichst viele Funktionen in die Abschußstation verlegt werden.
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Die Steuerung einer von einer klassischen oder
elektromagnetischen Rakete, die eine Drehung um ihre Achse
vollführt, kann mit Hilfe von seitlichen Gasgenerator-Impulsgebern
erfolgen, die angesteuert werden, wenn sie in der gewünschten
Richtung orientiert sind. Dies erfordert eine Kenntnis des
Rollwinkels des Geschosses in jedem Augenblick.
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Diese Messung des Rollwinkels erfolgt im allgemeinen
in einer Trägheitszentrale (Gyrometer), die sich im Geschoß
befindet, teuer ist und nur einmal verwendet werden kann.
Außerdem ergeben sich zunehmende Probleme beim Entwurf und der
Herstellung dieser Trägheitszentrale, wenn ein Geschoß von
einer elektromagnetischen Kanone abgefeuert wird, in der die
Anfangsbeschleunigung den Wert 200.000 g erreichen kann.
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Es ist bekannt, daß der Rollwinkel eines Geschosses
mit Hilfe eines Rückstrahlers und eines am hinteren Ende des
Geschosses angebrachten Polarisators, einer die Rückseite des
Geschosses beleuchtenden Lichtquelle und eines
Lichtanalysators gemessen werden kann, der den Rollwinkel des Geschosses
aus der Polarisationsrichtung des von der Rückseite dieses
Geschosses reflektierten Lichtflusses ableitet. Diese Messung
hat jedoch den Nachteil, daß sie hinsichtlich des Winkels π
zweideutig ist. Die Druckschrift US-A-4 072 281 beschreibt
eine solche Vorrichtung sowie Mittel, um die Zweideutigkeit
bezüglich π zu beseitigen.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese
Zweideutigkeit einer optischen Messung des Rollwinkels eines
Geschosses mit Hilfe von robusten, zuverlässigen und preiswerten
Bauteilen zu beseitigen, die sich im Geschoß befinden.
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Gegenstand der Erfindung ist eine optische Vorrichtung
zur Messung des Rollwinkels eines Geschosses, das von in einer
Abschußstation liegenden Abschußmitteln abgeschossen wird,
wobei die Vorrichtung am hinteren Ende des Geschosses einen
mit einem Polarisator ausgerüsteten Rückstrahler sowie in der
Abschußstation eine Lichtquelle, die seitlich bezüglich der
Abschußachse des Geschosses versetzt ist und deren Lichtstrahl
die Rückseite des Geschosses beleuchtet, und einen
Lichtflußanalysator aufweist, der aus der Polarisationsrichtung des von
der Rückseite des Geschosses reflektierten Lichtflusses den
Rollwinkel des Geschosses ableitet. Die Vorrichtung zeichnet
sich dadurch aus, daß sie weiter einen reflektierenden
Zweiflächler aufweist, der an der Flanke des Geschosses angebracht
ist und nach hinten weist, wobei die Kante des Zweiflächlers
zur Rolldrehachse des Geschosses senkrecht verläuft und wobei
der Zweiflächler den Lichtstrahl der Quelle einmal je
Umdrehung des Geschosses um eine Rollachse zum Lichtflußanalysator
reflektiert, wenn nämlich die Lichtquelle durch den Körper des
Geschosses nicht verdeckt ist.
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Der Rückstrahler kann ein Katzenaugenreflektor sein.
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Vorzugsweise enthält der Lichtflußanalysator einen
ersten optischen Empfänger, der auf die Stärke des
Lichtflusses anspricht und den vom Geschoß über einen einen
Polarisationsanalysator bildenden Polarisator reflektierten Lichtfluß
empfängt, einen zweiten Lichtempfänger, der ebenfalls auf die
Stärke des Lichtflusses anspricht und unmittelbar dem vom
Geschoß reflektierten Lichtfluß ausgesetzt ist, und eine die
Turbulenzen kompensierende Schaltung, die das vom ersten
Lichtempfänger gelieferte Signal durch das vom zweiten
Lichtempfänger
gelieferte Signal teilt, wobei eine Schaltung zur
Ermittlung des Rollwinkels des Geschosses das von der
Schaltung zur Kompensation der Turbulenzen gelieferte Signal
weiterverwertet.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus
der nachfolgenden Beschreibung von nicht beschränkend zu
verstehenden Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen hervor.
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Figur 1 zeigt ein Übersichtsbild einer Abschußstation
für Lenkgeschosse, die eine erfindungsgemäße optische
Vorrichtung enthält.
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Figur 2 zeigt schematisch ein Lenkgeschoß mit seinen
Mitteln zur Veränderung der Flugbahn.
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Figur 3 zeigt schematisch die wesentlichen Elemente
der optischen Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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Figur 4 zeigt eine Kurve der Veränderungen der Stärke
des Lichtflusses, die in der erfindungsgemäßen optischen
Vorrichtung abhängig vom Rollwinkel des Projektils erfaßt werden.
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Figur 5 zeigt schematisch die wesentlichen Elemente
einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung mit Mitteln zur
Kompensation der Turbulenzen.
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Die Figuren 6, 7, und 8 zeigen Kurven zum Betrieb der
in Figur 5 gezeigten optischen Vorrichtung.
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Die Figur 9 zeigt schematisch eine komplementäre
optische Vorrichtung, mit der eine Zweideutigkeit hinsichtlich π
bei der Messung des Rollwinkels des Projektils beseitigt
werden kann.
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In den Zeichnungen tragen gleiche Elemente in den
verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen.
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Gemäß Figur 1 ist eine Abschußstation 1 mit einer
Kanone 2 versehen, die gerade ein Lenkgeschoß 3 in Richtung
auf ein Ziel 4 abgeschossen hat. Die optische Vorrichtung zur
Messung des Rollwinkels des Lenkgeschosses 3 enthält in der
Abschußstation 1 eine Lichtquelle 5 bestehend aus einem auf
das Lenkgeschoß 3 ausgerichteten Laser und einen
Lichtflußanalysator 6, der mechanisch mit der Lichtquelle 5 gekoppelt
ist und die Polarisationsrichtung des vom Lenkgeschoß 3
reflektierten Lichtflusses analysiert, um daraus in jedem
Augenblick den Rollwinkel abzuleiten.
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Der die Lichtquelle 5 bildende Laser wird auf das
Lenkgeschoß 3 durch ein übliches Bahnverfolgungssystem
ausgerichtet. Außerdem arbeitet der Laser impulsförmig, um
Steuerbefehle an das Lenkgeschoß 3 zu übermitteln.
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Das Lenkgeschoß 3 wird von der Kanone 2 mit einer
Drehbewegung um seine Achse ausgestoßen. Es enthält, wie in
Figur 2 zu sehen, mindestens einen seitlichen Impulsgeber, der
von einer seitlichen Gasausstoßöffnung 10 gebildet wird. Diese
kann im Schwerpunkt liegen und ist mit einem im Geschoß
untergebrachten Gasgenerator über ein unter Steuerung durch eine
Lenkvorrichtung impulsförmig geöffnetes Ventil verbunden,
wobei die Lenkvorrichtung auf durch die Laserimpulse
übertragene Lenkbefehle reagiert. Aufgrund einer Steuerung läßt das
Ventil während einer sehr kurzen Zeit durch die seitliche
Ausstoßöffnung einen Treibgasstoß austreten. Dadurch
verschiebt sich das Geschoß 3 seitlich und wird in der Richtung
abgelenkt, in der der Treibgasstoß wirksam war. Das Geschoß
verläßt seine alte Bahn 11 und verfolgt eine neue Flugbahn 12.
Natürlich muß man in jedem Augenblick den Rollwinkel des
Projektils 3 kennen, wenn man den oder die seitlichen Impulsgeber
gezielt verwenden will.
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Hierzu enthält das Lenkgeschoß 3 an seiner Rückseite,
wie in Figur 3 zu sehen, einen Rückstrahler 15 und einen
Polarisator 16.
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Dieser Rückstrahler 15 kann, wie dargestellt, ein
reflektierender Dreiflächler in Form einer Ecke eines Kubus
sein. Dies ist ein optisches Organ, das die Lichtstrahlen in
Richtung ihres Einfalls reflektiert. Der Polarisator 16 läßt
nur die parallel zu seiner eigenen Polarisationsrichtung
verlaufende Komponente geradliniger Polarisation eines
Lichtstrahls durch, die der Position des Projektils zugeordnet ist.
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Mit einer Lichtquelle 5, die einen Lichtstrahl mit
vertikaler geradliniger Polarisation erzeugt, ist der
Polarisator 16 nur vollständig lichtdurchlässig, wenn seine
Polarisationsrichtung vertikal ist, was zweimal bei jeder Drehung
des Geschosses 3 um seine Längsachse der Fall ist. In diesem
Augenblick empfängt der Rückstrahler 15 den Lichtstrahl der
Quelle 5 ohne Dämpfung durch den Polarisator 16 und
reflektiert ihn in der Einfallsrichtung zum Lichtflußanalysator 6
unabhängig von der Lage des Geschosses gemäß den anderen
Winkeln der Nickschwingung und der Gierbewegung. Da das Geschoß
sich um seine Achse dreht, ändert der Polarisator 16 die
Lichtintensität des Flusses der Quelle 5, der zum
Lichtflußanalysator 6 reflektiert wird, wie dies Figur 4 zeigt, und
zwar gemäß einem dem Quadrat der Sinusfunktion mit der
doppelten Rotationsfrequenz des Geschosses um die Rollachse
entsprechenden Gesetz. Diese Kurve gemäß dem Quadrat des Sinus ist
phasenmäßig bis auf den Winkel π mit dem Durchgang der
Polarisationsrichtung des Polarisators 16 durch die Vertikale
entsprechenden Höchstwerten verknüpft. Indem man die Kurve der
Veränderung der Stärke des vom Geschoß 3 reflektierten Lichts
von 0 bis 2π unterteilt, wie dies in Figur 4 zu sehen ist,
kann man also in jedem Augenblick den Rollwinkel des
Geschosses 3 kennen. Dies bewirkt der Lichtflußanalysator 6 mit Hilfe
klassischer Filtertechnik. Die Unsicherheit bezüglich π
hinsichtlich der Phasenlage kann durch einen Versuch eines
Impulsgebers und durch Erfassung der dadurch hervorgerufenen
Veränderung der Geschoßbahn beseitigt werden.
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Die Lichtquelle 5 kann auch einen zirkular
polarisierten Lichtstrahl aussenden. Der Lichtanalysator 6 enthält dann
einen Polarisator, der als Polarisationsanalysator vor einem
auf die Intensität des empfangene Lichtflusses ansprechenden
optischen Empfänger angeordnet ist. Wie im vorhergehenden Fall
verändert sich die Intensität des vom optischen Empfänger
erfaßten Lichtflusses gemäß dem Quadrat eines Sinus mit der
doppelten Frequenz der Drehfrequenz des Geschosses um seine
Rollachse.
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Die Messung des Rollwinkels des Geschosses kann durch
unvorhergesehene Veränderung der Stärke des vom Geschoß
reflektierten Lichtflusses aufgrund von natürlichen Turbulenzen
oder der Wirbel hinter dem Geschoß gestört werden. Es ist
jedoch möglich, diese Störungen zu kompensieren, wie die
optische Vorrichtung zur Messung des Rollwinkels in Figur 5 zeigt.
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Man erkennt in Figur 5 eine Lichtquelle 5, die ein
Lenkgeschoß 3 anstrahlt und in einer Abschußstation in der
Nähe eines Lichtflußanalysators 6 angeordnet ist, der den vom
Geschoß 3 reflektierten Lichtfluß der Quelle 5 analysiert und
daraus in jedem Augenblick den Rollwinkel des Geschosses 3
ableitet.
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Die Lichtquelle 5 ist ein Laser, der einen Lichtstrahl
mit Zirkularpolarisation erzeugt.
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Das Geschoß 3 besitzt an seiner Rückseite einen
Rückstrahler und einen Polarisator, die in Figur 5 nicht zu sehen
sind, so daß zum Lichtflußanalysator 6 ein Lichtfluß mit
geradliniger Polarisierung reflektiert wird, wobei die
Polarisationsrichtung vom Rollwinkel abhängt.
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Der Lichtflußanalysator 6 enthält einen Separator, wie
z.B. einen halbdurchlässigen Spiegel 60, der den vom Geschoß 3
reflektierten Lichtfluß in zwei gleiche Teile teilt, einen
ersten optischen Empfänger 61, vor dem ein Polarisator 62
liegt und der einen der Teile des vom halbdurchlässigen
Spiegel 60 gelieferten Lichtflusses empfängt, einen zweiten
optischen Empfänger 63, der unmittelbar den anderen Teil des vom
halbdurchlässigen Spiegel 60 gelieferten Lichtflusses
empfängt, eine Schaltung 64 zur Kompensation der Turbulenzen, die
das vom ersten optischen Empfänger 60 gelieferte Signal durch
das vom zweiten optischen Empfänger 63 gelieferte Signal
teilt, und eine Schaltung 65 zur Ermittlung des Rollwinkels
aufgrund des von der Schaltung zur Kompensation der
Turbulenzen 64 gelieferten Signals.
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Die beiden optischen Empfänger 61 und 63 können auch
unmittelbar nebeneinander liegen, wodurch der Separator
überflüssig
wird.
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Gegebenenfalls können der Separator 60 und der
Polarisator 62 eine gemeinsame Vorrichtung bilden.
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Der Polarisator 62 arbeitet als
Polarisationsanalysator. Er läßt den Teil des Lichtflusses durch, der vom Geschoß
3 kommt, wenn die geradlinige Polarisation dieses Lichts zu
dessen Polarisationsrichtung parallel ist, und blockiert das
Licht, wenn die geradlinige Polarisation dieses Lichts zur
Polarisationsrichtung des Polarisators senkrecht ist. In allen
anderen Zwischenpositionen wird ein kleinerer Anteil des
Lichts gemäß einer bereits oben erwähnten
Sinusquadrat-Funktion durchgelassen.
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Der erste optische Empfänger 61, der auf die Stärke
des über den Polarisator 62 empfangenen Lichtflusses
anspricht, liefert ein Ausgangssignal S1, dessen in Figur 6
gezeigte Amplitude gemäß einer Sinusquadratfunktion mit der
doppelten Frequenz der Drehfrequenz des Geschosses um dessen
Rollachse variiert. Diese Amplitude unterliegt weiter einer
erheblichen Störmodulation aufgrund der Fluktuationen der
Lichtintensität des vom Geschoß reflektierten Strahls, die von
natürlichen Turbulenzen und den Strahlausstoßturbulenzen des
Geschosses hervorgerufen werden.
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Der zweite optische Empfänger 63, der unmittelbar auf
die Intensität des vom Geschoß reflektierten Lichtstrahls
anspricht, liefert ein Ausgangssignal S2, dessen in Figur 7
gezeigte Amplitude auf die Änderungen der
Polarisationsrichtung des Strahls nicht anspricht und nur von den
Intensitätsfluktuationen des Strahls aufgrund der Turbulenzen abhängt.
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Die Schaltung zur Kompensation der Turbulenzen 64
ermöglicht es, durch Teilen des Signals S1, dessen Amplitude
durch die Drehung des Geschosses um die Rollachse und von den
Turbulenzen moduliert wird, durch das Signal S2, das nur von
den Turbulenzen moduliert wird, ein Signal S3 zu erhalten,
dessen in Figur 8 gezeigte Amplitude nur noch abhängig vom
Rollwinkel des Geschosses gemäß einem Sinusquadratgesetz der
doppelten Frequenz der Drehfrequenz des Geschosses variiert.
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Die Schaltung zur Auswertung des Rollwinkels 65 ist
eine übliche Filterschaltung, die beispielsweise ein
Vorhersagefilter enthält, das auf das Zweifache der Drehfrequenz des
Geschosses zentriert ist, die schon beim Abschuß bekannt ist,
wenn das Geschoß aus der Kanone austritt.
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Figur 9 zeigt eine komplementäre optische Vorrichtung,
die die Zweideutigkeit bezüglich π bei der Messung des
Rollwinkels des Geschosses 3 aufgrund des vom Rückstrahler mit
Polarisator reflektierten Lichtflusses ohne Test mit einem
Impulsgeber zu beheben vermag, wenn die Lichtquelle 5 und der
Lichtflußanalysator 6 seitlich bezüglich der Abschußachse des
Geschosses 3 versetzt sind.
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Diese komplementäre Vorrichtung besteht aus einem
reflektierenden Zweiflächler 20, beispielsweise einem 90º-
Prisma, das an der Flanke des Geschosses 3 angebracht ist und
mit seiner senkrecht zur Rolldrehachse des Geschosses 3
verlaufenden Kante nach rückwärts zeigt. Dieser reflektierende
Zweiflächler 20 reflektiert in Richtung der Einfallsachse nur
die Lichtstrahlen, die senkrecht zu seiner Kante ankommen. Die
Lichtstrahlen, die von der seitlich bezüglich der Abschußachse
des Geschosses 3 verschobenen Lichtquelle 5 in deren Richtung
ausgesandt werden, sind nur zweimal während jeder Rolldrehung
des Geschosses 3 zu der Kante senkrecht. Da diese Kante jedes
zweite Mal durch den Geschoßkörper 3 gegenüber der Lichtquelle
5 und dem Lichtflußanalysator 6 verdeckt ist, reflektiert der
Zweiflächler den Strahl der Lichtquelle 5 zum Lichtanalysator
6 nur einmal je Rolldrehung des Geschosses, wenn dieses einen
ganz bestimmten Rollwinkel aufweist. Die Genauigkeit hängt von
der Streuung der Lichtquelle 5 ab, die in jedem Fall gering
sein muß, wenn man eine große Reichweite erzielen will.
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Aufgrund des reflektierenden Zweiflächlers 20 empfängt
der Lichtanalysator 6 außer dem vom Rückstrahler mit
Polarisator reflektierten Lichtfluß einen Lichtimpuls, der bei jedem
Umlauf des Geschosses um seine Rollachse bei einem bestimmten
Rollwinkel auftritt und die Zweideutigkeit der Messung
hinsichtlich π zu beheben vermag.
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Vom Abschuß weg wird das Geschoß vom Lichtstrahl
beleuchtet. Der Lichtflußanalysator empfängt einen vom
Rückstrahler mit Polarisator reflektierten Lichtfluß sowie
Lichtimpulse, die vom reflektierenden Zweiflächler reflektiert
wurden und die Messung des Rollwinkels ohne Zweideutigkeit
ermöglichen. Entfernt sich das Geschoß, dann nimmt die
Lichtstärke ab und das auf die doppelte Drehfrequenz zentrierte
Vorhersagefilter behält die Phase bei.
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Die oben beschriebene optische Vorrichtung zur Messung
des Rollwinkels hat den Vorteil, daß alle komplexen Bauteile,
d.h. die Verarbeitungsschaltkreise, in der Abschußstation und
nicht auf dem nur einmal verwendbaren Geschoß angeordnet sind.
Die Bauteile auf dem Geschoß sind einfach, robust und halten
den großen Beschleunigungen stand.