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Die
Erfindung geht aus von einer Zielführungsvorrichtung für ein Fluggerät.
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Zur
Lenkung von einfachen Fluggeräten,
wie beispielsweise Gleit- oder Lenkbomben oder Abwehrraketen, können halbaktive
Laserzielsuchköpfe
verwendet werden. Hierbei wird von einem Bediener ein Ziel mit Hilfe
eines Lasers markiert, und die Zielführungsvorrichtung detektiert
den Lichtfleck auf dem Ziel und führt das Fluggerät ins Ziel.
Eine solche Zielführung
ist kostengünstig
und kann sehr zuverlässig
durchgeführt
werden. Zur Erkennung des Lichtflecks kann eine Zielführungsvorrichtung
einen Detektor mit beispielsweise vier Detektorzellen umfassen,
auf die der Lichtfleck abgebildet wird. Das Fluggerät wird hierbei
so dirigiert, dass der Lichtfleck zu möglichst gleichen Teilen auf
den vier Detektorzellen und somit mittig auf bzw. zwischen den vier Detektorzellen
abgebildet wird. Da zwischen den Detektorzellen jedoch ein schmaler
nicht detektierender Bereich angeordnet ist, kann eine solcher Art
durchgeführte
Zielführung
zu Fehlern führen.
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Die
Patentschriften
DE
24 09 563 C2 ,
DE
14 73 999 C1 und
DE
26 59 204 C2 beschäftigen
sich beispielsweise mit Verfahren und Vorrichtungen zur Ortung bzw.
Verfolgung von Zielobjekten unter Verwendung von Vierquadrantendetektoren,
also Detektoren mit vier Detektorzellen.
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Aus
der
DE 36 19 679 C2 ist
eine optische Zielführungsvorrichtung
für einen
Lenkflugkörper
mit einer Sende- und einer Empfangsoptik bekannt. Über ein
Zusammenspiel zwischen Prismenelementen, denen jeweils eine einzelne,
normale Fotodiode zugeordnet ist, ist es dabei möglich, Informationen über die
Lage eines Ziels zum Lenkflugkörper
zu gewinnen.
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Auch
die
DE 36 43 975 C2 offenbart
ein Lenksystem für
einen Flugkörper
mit mehreren, in unterschiedlichen spektralen Bereichen empfindlichen
Detektoranordnungen. Bei den Detektoranordnungen handelt es sich
zumeist um eine Mat rix-CCD-Kamera und eine Fotodiode, über welche
versucht wird, die IR-Signatur des Flugkörpers selbst zu erfassen und
daraus dessen Flugrichtung zu ermitteln.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zielführungsvorrichtung
für ein
Fluggerät
anzugeben, mit der das Fluggerät
zuverlässig
in ein beleuchtetes Ziel geführt
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Zielführungsvorrichtung
für ein
Fluggerät
gelöst,
die erfindungsgemäß eine positionsempfindliche
Fotodiode mit einer einzigen ganzflächig strahlungsempfindlichen
Fläche
zur räumlichen
Detektierung der Position eines auf der Fläche abgebildeten beleuchteten
Punkts und mit mindestens zwei Signalausgängen umfasst, die jeweils mit
einer Ausleseelektronik verbunden sind, außerdem eine Steuereinheit umfasst,
die mit beiden Ausleseelektroniken verbunden ist, und zusätzlich eine
optische Linseneinheit zur Abbildung eines beleuchteten Punkts auf
der Objektszene auf der Fotodiode umfasst, wobei die Ausleseelektroniken
jeweils ein Integrationsglied zur Integration eines Signals der
Fotodiode aufweisen.
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Die
Erfindung geht hierbei von der Überlegung
aus, dass eine positionsempfindliche Fotodiode eine räumliche
Detektierung eines auf der Fotodiode abgebildeten beleuchteten Punkts
erlaubt, ohne dass im beleuchteten Bereich der Fotodiode nicht detektierende
Stellen angeordnet sind. Zur zuverlässigen Detektierung des beleuchteten
Punkts ist der Punkt der Objektszene zweckmäßigerweise sehr hell zu beleuchten.
Dies kann kostengünstig
durch einen Laser geschehen, der sehr helle und sehr kurze Lichtpulse
aussendet. Ein solcher Laser kann ein Nd:YAG-Laser sein, der typischerweise Pulse
mit einer Dauer von wenigen hundertstel Mikrosekunden hat, die mit
einer Pulsfrequenz zwischen 13 und 20 Hz wiederholt werden.
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Im
Gegensatz zu einem Detektor mit beispielsweise vier Detektorzellen
weist eine positionsempfindliche Fotodiode eine elektrische Bandbreite
auf, die wesentlich kleiner sein kann als die Bandbreite der Anregung
durch den nanosekundenlangen Lichtpuls vom beleuchteten Zielobjekt.
Dies führt
dazu, dass ein Ausgangssignal der Fotodiode in seiner Amplitude
nicht proportional zum auf die Fotodiode eingestrahlten Licht ist.
Eine übliche
und einfache Amplitudenmessung eines Signals eines Ausgangs der
positionsempfindlichen Fotodiode kann daher bei sehr kurzen Lichtpulsen
zu fehlerhaften Ergebnissen führen.
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Dieser
Fehler kann umgangen werden, wenn die mit den Signalausgängen verbundenen
Ausleseelektroniken jeweils ein Integrationsglied zur Integration
eines Signals der Fotodiode aufweisen. Die Signalform spielt hierbei
im Wesentlichen keine Rolle und verursacht keinen Messfehler. Auf
diese Weise kann ein preiswerter und mit hoher Pulsenergie und kurzer
Pulsdauer strahlender Laser in Verbindung mit einer relativ trägen positionsempfindlichen
Fotodiode verwendet werden, wobei die Position eines auf der Fotodiode
abgebildeten beleuchteten Punkts auch in einem gegebenenfalls nicht
linearen Randbereich der Fotodiode mit hoher Genauigkeit detektiert
werden kann. Die Ausleseelektroniken können in die Steuereinheit integriert
oder separat von der Steuereinheit ausgeführt sein.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuereinheit zur Auswertung
des Signals der Fotodiode und zur Erfassung einer Pulsfrequenz des
Diodensignals vorbereitet. Es kann hierdurch eine auf die Pulsfrequenz
abgestimmte Integrationszeit der Auswerteelektroniken und gegebenenfalls
zusätzlich
eine in der Pulsfrequenz enthaltene Kodierungsinformation erfasst
werden.
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Zweckmäßigerweise
ist die Steuereinheit zu einem Vergleich der Pulsfrequenz mit einer
hinterlegten Frequenz und zu einer Abarbeitung einer Zielverfolgungsroutine
bei Übereinstimmung
der Frequenzen innerhalb vorgegebener Grenzen vorbereitet. Es kann
eine Kodierung eines den Punkt beleuchtenden Lasers erkannt werden
und eine Zuordnung des beleuchteten Punkts zur Zielführungsvorrichtung
erreicht werden. Werden bei einem Gefecht mehrere Punkte gleichzeitig
von verschiedenen Markierungslasern beleuchtet, so können diese
Punkte mit unterschiedlichen Pulsfrequenzen beleuchtet werden. Die
Zielführungsvorrichtung
des Fluggeräts
erfasst die Pulsfrequenz und vergleicht diese mit der in der Zielführungsvorrichtung
hinterlegten Frequenz. Bei einer Übereinstimmung wird eine Zielverfolgung
gestartet. Stimmen die Frequenzen nicht überein, so ist der markierte
Punkt nicht von der Zielführungsvorrichtung,
sondern von einer anderen Zielführungsvorrichtung
zu erfassen, und es wird keine Zielverfolgung gestartet. Bei einer
Relativbewegung des Flugkörpers
zum beleuchteten Punkt kann die Markierungsfrequenz etwas schwanken,
beispielsweise bedingt durch den Doppler-Effekt je nach Relativgeschwindigkeit.
Eine Übereinstimmung
der Frequenzen ist somit auch dann gegeben, wenn die Frequenzen
innerhalb vorgegebener Grenzen übereinstimmen.
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In
einer weiteren Variante der Erfindung ist die Steuereinheit zur
Erfassung einer Phasenlage von Pulsen einer Pulsfrequenz des Signals
der Fotodiode vorbereitet. Bedingt durch die Aussendung von Laserpulsen durch
den Markierungslaser ist das Diodensignal ebenfalls gepulst. Zur
Erreichung eines genauen Messergebnisses ist es vorteilhaft, wenn
das Integrationsintervall, in dem das Signal der Fotodiode integriert
wird, eine bekannte Anzahl von Pulsen, insbesondere einen Puls, möglichst
vollständig
umfasst. Auf diese Weise kann ein nur teilweises Erfassen eines
oder mehrerer Pulse vermieden werden.
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Zweckmäßigerweise
ist die Steuereinheit zur Vorgabe eines Integrationsstartzeitpunkts
und eines Integrationsendzeitpunkts in Abhängigkeit von der Phasenlage
vorbereitet. Das Integrationsintervall kann gezielt auf einen oder
mehrere Pulse des Signals der Fotodiode abgestimmt werden.
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Eine
schnelle und von einer Hintergrundstrahlung wenig beeinflusste Messung
der Position des beleuchteten Punkts auf der Fotodiode kann erreicht
werden, wenn ein Integrationsintervall zwischen dem Integrationsstartzeitpunkt
und dem Integrationsendzeitpunkt höchstens einen Puls eines Signals
der Fotodiode umfasst.
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Ein
weiterer Vorteil wird erreicht, wenn ein Integrationsintervall zwischen
dem Integrationsstartzeitpunkt und dem Integrationsendzeitpunkt
keinen Puls eines Diodensignals umfasst. Es kann somit die Intensität einer
Hintergrundstrahlung gemessen werden, ohne dass das Ergebnis durch
aktive Messstrahlung verfälscht wird.
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Insbesondere
bei einem sich bewegenden Ziel kann die Intensität der Hintergrundstrahlung
zeitlich sehr schwanken. Zur Verminderung eines Messfehlers ist
daher in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Steuereinheit
dazu vorbereitet, zwischen zwei jeweils mindestens einen Puls eines
Diodensignals umfassenden Integrationsintervallen mindestens ein
Integrationsintervall, insbesondere mindestens zwei Integrationsintervalle
vorzusehen, die keinen Puls eines Diodensignals umfassen.
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Es
wird außerdem
vorgeschlagen, dass die Steuereinheit zu einem Auslesen von je einem
integrierten Signal der beiden Ausgänge zu einer Subtraktion der
beiden Signale, zu einer Addition der beiden Signale, zu einer Division
des Subtraktionsergebnisses durch das Additionsergebnis und zu einer
Ausgabe eines Steuersignals mit Hilfe des Divisionsergebnisses vorbereitet
ist. Die Lage der Abbildung des beleuchteten Punkts auf der Fläche der
positionsempfindlichen Fotodiode kann mit hoher Genauigkeit mit
Hilfe des Divisionsergebnisses ermittelt werden, und daraus kann
eine Steuergröße und daraus
ein Steuersignal generiert werden. Eine störende Auswirkung von Hintergrundstrahlung
auf das Messergebnis kann verringert werden, wenn ein durch die
Integration eines Signals erhaltener Signalwert durch einen von
Hintergrundstrahlung verursachten Signalwert korrigiert wird.
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Vorteilhafterweise
umfasst die Fotodiode mindestens vier Signalausgänge, die jeweils mit einer
Ausleseelektronik verbunden sind, wobei die Steuereinheit zur Ermittlung
einer die Position des beleuchteten Punkts auf der Fläche der
Fotodiode charakterisierenden Größe vorbereitet
ist. Die Fotodiode kann zweidimensional abgetastet und eine genaue
Zielführung
mit einer einzelnen positionsempfindlichen Fotodiode kann erreicht
werden.
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Zeichnung
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt.
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Es
zeigen:
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1 ein
Fluggerät
mit einer Zielführungsvorrichtung
und einen Markierungslaser in einer schematischen Darstellung,
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2 eine
positionsempfindliche Fotodiode mit vier Signalausgängen,
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3 eine
Ausleseelektronik mit einem Integrationsglied,
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4 ein
Diagramm mit einer Abfolge von Pulsen eines Diodensignals,
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5 einen
Ausschnitt aus dem Diagramm aus 4 mit einem
Puls und
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6 ein
Diagramm mit gemessenen Positionen von Abbildungen eines beleuchteten
Punkts auf der Fotodiode.
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1 zeigt
in einer sehr schematischen Darstellung eine Zielführungsvorrichtung 2 mit
einer positionsempfindlichen Fotodiode 4, die in 2 detaillierter
dargestellt ist. Die Fotodiode 4 umfasst vier Signalausgänge A1, A2, A3,
A4, die jeweils mit einer Ausleseelektronik 6 verbunden
sind. Ebenfalls mit den Ausleseelektroniken 6 verbunden
ist eine Steuereinheit 8, die zur Zielführung und somit zur Steuerung
eines Fluggeräts 10 vorgesehen
ist. Die Zielführungsvorrichtung 2 ist
in einem Suchkopf des Fluggeräts 10 angeordnet
und umfasst in ihrem vorderen Teil eine durch eine einzelne Linse
schematisch angedeutete Linseneinheit 12. Die Linseneinheit 12 dient
zur Abbildung einer Objektszene 14 auf der Fotodiode. Ein
Punkt 16 dieser Objektszene 14 wird von einem
Markierungslaser 18 beleuchtet, der von einem Bediener
gehalten und auf den Punkt 16 gerichtet wird. Der beleuchtete
Punkt 16 der Objektszene 14 wird von der Linseneinheit 12 in
einem im Folgenden als Punkt 20 bezeichneten kleinen Bereich
einer strahlungsempfindlichen Fläche 22 der
Fotodiode 4 abgebildet.
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Die
Einstrahlung von Licht auf den Punkt 20 löst an jedem
der Signalausgänge
A1, A2, A3, A4 ein Signal s1, s2, s3,
s4 aus. Die Stärke des jeweiligen Signals
s1, s2, s3, s4 hängt ab von
der Intensität
des in den Punkt 20 eingestrahlten Lichts und der Position
des Punkts 20 innerhalb der Fläche 22. Je näher der
Punkt 20 an beispielsweise dem Signalausgang A3 liegt,
desto stärker
ist das Signal s3 am Signalausgang A3 und desto schwächer ist das Signal s4 am gegenüberliegenden Signalausgang
A4. Bei einer Position des Punkts 20 in
genau dem Mittelpunkt der Fläche 22 sind
die Signale s1, s2,
s3, s4 alle gleich
stark.
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Die
Linseneinheit
12 ist so eingestellt, dass bei einer genauen
Ausrichtung des Fluggeräts
10 auf
den beleuchteten Punkt
16 der Objektszene
14 dieser
Punkt
16 genau im Mittelpunkt der Fläche
22 abgebildet
wird. Je größer eine
Differenz der Signale s
1 und s
2 bzw.
der Signale s
3 und s
4 ist,
desto schräger
ist das Fluggerät
10 zur
direkten Linie zwischen dem Fluggerät
10 und dem beleuchteten
Punkt
16 ausgerichtet. Zur Bestimmung der Flugrichtung
des Fluggeräts
10 relativ
zum beleuchteten Punkt
16 wird daher die Position des Punkts
20 auf
der Fläche
22 bzw.
die Signaldifferenz zwischen zwei Signalen s
1,
s
2 bzw. s
3, s
4 anhand folgender Relation ermittelt:
wobei L die Ausdehnung der
lichtempfindlichen Fläche
22 in
x-Richtung, t
1 ein Integrationsstartzeitpunkt
und t
2 ein Integrationsendzeitpunkt ist.
In analoger Weise kann die Position des Punkts
20 in y-Richtung
ermittelt werden.
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Die
integrierten Signale s1, s2,
s3, s4 werden mit
Hilfe der vier Ausleseelektroniken 6 gewonnen, von denen
eine in 3 dargestellt ist. Die Ausleseelektronik 6 ist
zwischen der Steuereinheit 8 und der Fotodiode 4 angeordnet,
die mit einer Spannungsquelle 24 verbunden ist. Die Ausleseelektronik 6 umfasst
einen ohmschen Widerstand 26, einen Analogverstärker 28 und
einen Kondensator 30, der von einem schaltbaren Widerstand 32 überbrückt wird.
Ein den Signalausgang A1 passierendes Signal
s1 wird durch den Analogverstärker 28 verstärkt, wodurch
der Kondensator 30 aufgeladen wird. Nach Beendigung eines
Integrationsintervalls kann die Ladung des Kondensators in Form
einer am Kondensator anliegenden Spannung von der Steuereinheit 8 ausgelesen
und somit die Stärke
des Signals s1 bestimmt werden.
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In 4 ist
eine Signalstärke
Is in einem Diagramm über die Zeit t aufgetragen.
In regelmäßigen Abständen wird
von der Steuereinheit 8 an einem, mehreren oder allen Signalausgängen A1, A2, A3,
A4 ein Puls P des Signals s1,
s2, s3, s4 registriert. Aus den Zeitabständen zwischen
den Pulsen ermittelt die Steuereinheit 8 eine Pulsfrequenz
F und vergleicht diese mit einer in der Steuereinheit 8 hinterlegten
Frequenz. Bei einer Übereinstimmung
der beiden Frequenzen innerhalb vorgegebener Grenzen wird anhand
der von der Steuereinheit 8 ermittelten Phasenlage der
Pulse P ein Integrationsstartpunkt t1 und
ein Integrationsendzeitpunkt t2 festgelegt,
die den Beginn und das Ende eines Integrationsintervalls markieren.
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Ein
Integrationsintervall ist in 5 vergrößert dargestellt.
Neben einem Puls P von einem der Signale s1,
s2, s3, s4 ist ein Reflexionspuls PR eines
vom Punkt 16 der Objektszene 14 reflektierten
Laserpulses eingezeichnet. Der Reflexionspuls PR weist
eine Pulsdauer von 30 ns auf. Der Reflexionspuls PR löst den Puls
P auf, der jedoch im Verhältnis
zum Reflexionspuls PR wesentlich länger dauert
und nicht so ausgeprägt
in einer Pulsamplitude AP ist. Das zum Integrationsstartzeitpunkt
t1 beginnende und zum Integrationsendzeitpunkt
t2 endende Integrationsintervall umschließt den Puls
P vollständig.
Hierdurch wird die vom Reflexionspuls PR in die
Fotodiode 4 eingetragene Energie – bis auf unvermeidliche Verluste – vollständig detektiert.
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Dem
Puls P unterlegt ist ein Signal einer Hintergrundstrahlung mit einer
Hintergrundamplitude AH. Diese Hintergrundamplitude
AH ist im Wesentlichen konstant bzw. ein
Rauschen. Zur Erfassung der Hintergrundstrahlung steuert die Steuereinheit 8 ein
zweites Integrationsintervall zwischen einem Integrationsstartzeitpunkt
t3 und einem Integrationsendzeitpunkt t4. In diesem zweiten Integrationsintervall
ist kein Puls P gelegen, so dass lediglich das Signal der Hintergrundstrahlung
erfasst wird. Das erste und zweite Integrationsintervall sind hierbei
gleich lang, wobei das zweite Integrationsintervall kurz vor einem
folgenden Puls P endet. Um eine eventuelle Schwankung der Hintergrundstrahlung
zu erfassen, können
zwischen zwei Pulsen mehrere zweite Integrationsintervalle angeordnet
sein.
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Vor
einer Verarbeitung der Signale s1, s2, s3, s4 gemäß der obigen
Formel (1) wird jeder integrierte Signalwert gemäß folgender Relation korrigiert: si korr =
si – si back (2) wobei si back der aufintegrierte
Signalwert der Hintergrundstrahlung ist.
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In 6 ist
eine gemessene Position x1 mess des
auf der Fläche 22 abgebildeten
Punkts 20 in x-Richtung über der wirklichen Position
x1 ist aufgetragen.
Mit runden Punkten ist hierbei die nach dem oben beschriebenen Verfahren
ermittelte Position des Punkts 20 auf der Fläche in x-Richtung
aufgetragen, wohingegen mit quadratischen Punkten eine ermittelte
Position aufgetragen ist, die durch Verwendung der Pulsamplitude
AP anstelle des jeweils aufintegrierten
Signalwerts ermittelt worden ist. Insbesondere am Rand der 1 cm × 1 cm großen Fläche 22 treten
Nichtlinearitäten
auf, die bei Verwendung der Pulsamplitude AP als
Messgröße zu Fehlern
in der Ermittlung der Position x1 mess führen.
Die Verwendung der aufintegrierten Signalwerte hingegen führt zu einem
linear verlaufenden Messergebnis. Eine kleine Abweichung der gemessenen
Positionen x1 mess von der
durch die durchgezogene Linie markierten wahren Position x1 ist kann mit Hilfe
einer in die Steuereinheit 8 eingespeicherten Korrekturtabelle
korrigiert werden.
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- 2
- Zielführungsvorrichtung
- 4
- Fotodiode
- 6
- Ausleseelektronik
- 8
- Steuereinheit
- 10
- Fluggerät
- 12
- Linseneinheit
- 14
- Objektszene
- 16
- Punkt
- 18
- Markierungslaser
- 20
- Punkt
- 22
- Fläche
- 24
- Spannungsquelle
- 26
- Widerstand
- 28
- Analogverstärker
- 30
- Kondensator
- 32
- Widerstand
- A1
- Signalausgang
- A2
- Signalausgang
- A3
- Signalausgang
- A4
- Signalausgang
- AH
- Hintergrundamplitude
- A
- Pulsamplitude
- F
- Pulsfrequenz
- L
- Ausdehnung
- P
- Puls
- PR
- Reflexionspuls
- s1
- Signal
- s2
- Signal
- s3
- Signal
- s4
- Signal
- t1
- Integrationsstartzeitpunkt
- t2
- Integrationsendzeitpunkt
- t3
- Integrationsstartzeitpunkt
- t4
- Integrationsendzeitpunkt