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Abkürzungen:
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- IR
- = infrarot
- SK
- = Suchkopf
- FOV
- = field of view = Sehfeldgröße
- FOR
- = fiels of regard = Schwenkwinkel
- FK
- = Flugkörper
- IR-SK
- = passiver Infrarot-Suchkopf
- SAL
- = Semi-active-laser-seeker (wie z. B. in dem HELLFIRE-FK)
- Visierlinie
- = Blickrichtung der Kamera = Mitte des FOV
- HELLFIRE
- = bekannter amerikanischer Lenkflugkörper
Kamera bestehend aus Kamera-Optik 5 und Detektor 7 und optional Umlenkspiegel 6
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Anforderungen:
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Der Suchkopf SK befindet sich am Frontende eines Lenkflugkörpers. Eine Kamera im Suchkopf muss in Nick- und Gier-Richtung schwenkbar sein. Suchköpfe gegen Bodenziele brauchen typischerweise um die 25°–35° Schwenkwinkel FOR im Azimut (= Gierwinkel) und Elevation (= Nickwinkel) und selten mehr als 1° Sehfeldgröße FOV. Gegen Flugziele werden jedoch aufgrund der höheren Agilität, sowohl der Ziele als auch somit der Lenkflugkörper, bis etwa 90° Gier- und Nick-Schwenkbereich (= Halbraum) gefordert. Eine Kamera, normalerweise eine IR-Kamera, mit kleiner Sehfeldgröße (bietet große Reichweite), muss also möglichst bis zu 90° in Nick- und Gier-Richtung schwenkbar sein. Sowohl die Nick- als auch die Gier-Auslenkungen müssen exakt um den Mittelpunkt des SK-Domes erfolgen. Nur dann ist die optische Wirkung des Domes für alle Blickrichtungen gleich und somit die Bildschärfe für alle Blickrichtungen gewährleistbar. Deshalb müssen auch die Optiken evtl. vorhandener weiterer Kameras (= Dual-Mode-SK) mit z. B. anderen Sehfeldgrößen oder Spektralbereichen konzentrisch und nicht nebeneinander angeordnet werden. Der optische Dom muss somit einen Kugelschalenausschnitt darstellen und dient zum aerodynamischen und Wetterschutz des SK. Eine Kugelform ist jedoch aerodynamisch ungünstig; u. a. deshalb sollte der Domdurchmesser natürlich möglichst klein sein.
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Stand er Technik
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Das Schwenken wird üblicherweise durch Aufhängung der Kamera in Kardanrahmen realisiert. Bei relativ einfachen Lösungen ist der mögliche Schwenkwinkelbereich FOR auf etwa +/–35° beschränkt. Recht komplexe Lösungen wie z. B. in
DE 101 53 094 , bieten zwar um die 90° Schwenkwinkel, aber um den Preis, die Optik hochpräzise mit Zwischenabbildungen über die Drehachsen der Kardanrahmen führen zu müssen. Der Aufwand ist viel größer als bei kleineren Schwenkwinkelbereichen. Deshalb sind bislang Suchköpfe gegen Bodenziele und gegen Luftziele jeweils völlig eigenständige unterschiedliche Entwicklungen. In
DE 103 13 136 z. B. liegen die Kardanrahmen aussen, aber auch hier brauchen die Kardanrahmen Platz (und Gewicht) im recht beschränkten (Front-)Raum eines Flugkörpers. Und speziell geformte Magnetantriebe sind aufwendig in Entwicklung und Herstellung. Und der Schwenkbereich ist trotzdem noch auf max. 70° beschränkt. In
DE 10 2004 008 644 werden mit aufwendigen Aussenkardanrahmen nur partiell 90° Schwenkwinkel möglich. In jedem Falle sind an den Kardanrahmen Winkelmessgeräte, Resolver genannt, notwendig, die es erlauben, die Richtung der Kardanrahmen relativ zum Flugkörper genau zu messen und somit die Visierrichtung der Kamera zu ermitteln. Die Achsen der Kardanrahmen müssen exakt durch den Mittelpunkt des Domes verlaufen. Die Kardanrahmen (incl. Nutzlast) müssen zudem exakt ausgewuchtet sein, was die Freiheiten in der Auslegung der Kameras stark limitiert, um zu vermeiden, dass Vibrationen im Flugkörper zu Winkelbewegungen der Visierlinie führen. Die Kamera sitzt im inneren Kardanrahmen. Die Kabelführung zur Kamera zwecks Stromversorgung und Signalrückführung muss über die Kardanrahmen in den Flugkörper verlaufen. In einem der Kardanrahmen ist ein Kreisel als Lagereferenz angebracht.
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Beschreibung der Erfindung:
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Es gibt keine Kardanrahmen mehr. Und somit entfallen auch die oben genannten Randbedingungsforderungen bezüglich der Kardanrahmen. Die Hohlkugel 2 ist frei drehbar in dem Kugelschalensegment 1, kurz Dom genannt, gelagert. Es gibt keine (Dreh-)Achsen. Damit wird Raum und Gewicht frei für eine leistungsfähigere Kamera (größere Opik für mehr Reichweite) oder der SK kann kleiner realisiert werden, mit dem Vorteil einen aerodynamischeren und leichteren Flugkörper zu bekommen. Es ist auch Platz für einen Dual-Mode-SK (z. B. IR und SAL) verfügbar.
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Das Schwenken der Kamera wird folgendermaßen realisiert:
(Prinzipbild, genauere Darstellung s.
1)
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Der Dom 1 besteht zumindest im zentralen Bereich aus IR-transparentem Material, im Randbereich kann er aus billigerem fester Material sein. Der Dom ist etwas größer als eine Halbkugel, damit die SK-Kugel 2 darin frei drehbar gehalten wird. Via Nippel 4, befestigt an der Kugel 2 oder am X/Y-Antrieb, dann ist in der Hohlkugel ein Loch, kann die SK-Kugel durch einen X-Y-Antrieb in Nick- und Gier-Richtung bewegt werden. Das Schwenken geschieht, wie erforderlich, automatisch genau um das Zentrum des Domes. Etwa +/–30° Schwenkwinkel (= übliche Forderung für Bodenzielanwendungen) sind in Nick- und Gier-Richtung problemlos erreichbar. Die Kabelführung aus der SK-Kugel in den Flugkörper FK wird entweder durch den dann hohlen Nippel 4 oder durch eine Durchführung (Loch) in der SK-Kugel realisiert. Der Nick-Gier-Antrieb, auch X-Y-Antrieb genannt, ist in 4 genauer dargestellt.
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Für einen SK gegen Bodenziele hat man also eine überraschend einfache Lösung, die zudem, wie angestrebt, den gesamten Raum in der SK-Kugel für die Kamera frei läßt. Es sind auch keinerlei Arten von Kardanrahmen oder Lager um die SK-Kugel 2 herum notwendig, die dann bei gegebenem FK-Durchmesser den erlaubten SK-Kugel-Durchmesser reduzieren würden. Bei digitalem X-Y-Antrieb kennt man die Visierrichtung exakt und man braucht keine Messmittel zur Ermittlung Visierrichtung. Das gibt die Möglichkeit einen viel leistungsfähigeren SK zu implementieren => Hochleistungs-SK wie er bisher in vorgegebenem FK-Durchmesser nicht realisierbar ist. Der Dom ist fest und dicht mit der FK-Struktur verbunden. Keinerlei Kardanrahmen bedeuten natürlich auch Gewichts- und Komplexitäts- und Kostenersparnis. Wenn der Dom aus 2 Materialien zusammengesetzt ist, wird die Hohlkugel vor dem Dom-Zusammenbau eingefügt. Ansonsten muss die Hohlkugel 2 aus mindestens 2 Teilen bestehen und erst im Dom zusammengefügt werden. Das Kugelschalensegment 1 (Dom) kann im Bereich der Kamera-Optik (incl. Schwenkbereich) auch einfach ein Loch haben, dann spart man teuere IR-transparente Materialien (ein 180 mm Durchmesser Dom kostet allein an Materialwert um die 4000 €; wiegt etwa 800 gr, bei 2 kg Zielgewicht für einen Gesamt-SK), man muss dann aber zwischen dem Restdom 1 und der Hohlkugel 2 eine Dichtung gegen Regen und Feuchtigkeit einfügen.
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Ausserdem ist die Lösung nach 1, wenn erforderlich, auch für größere Schwenkwinkel einfach erweiterbar. Man muss also für Anwendungen gegen Flugziele nicht einen völlig neuen SK entwickeln, die bekannten SK dieser Art sind hochkomplex, sondern einfach den vorhandenen SK modular auf bis etwa +/–90° Gier- und Nick-Schwenkwinkel erweitern.
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Man erspart sich eigenständige SK-Entwicklungen getrennt für SK gegen Bodenziele oder Luftziele.
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Erweiterung des Schwenkwinkels (FOR) auf bis etwa 90°:
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Zunächst wird hierfür der Schwenkbereich des X-Y-Antriebes auf etwas über 45° in Gier- und Nick-Richtung erweitert realisiert. Der X-Y-Antrieb wird dazu, wenn nötig, auf diesen größeren Fahrweg erweitert. Noch größere Schwenkwinkel wären auf diesem Weg auch möglich, allerdings sind so 90° nicht erzielbar. Deshalb musste hier eine neue Lösung gefunden werden. Es ist leicht einzusehen, dass eine Anbringung des Nippels 4 an anderer Stelle der Hohlkugeloberfläche ein Offset des Richtbereiches der Visierlinie bewirkt. Wenn der Nippel z. B. 45° in Nickrichtung auf der Hohlkugel nach oben versetzt befestigt ist, und wieder in die Mitte des X-Y-Antriebes positioniert wird, dann wird die Visierlinie in Nickrichtung mit 45° Offset nach oben gelenkt, inklusive maximaler Y-Antrieb-Auslenkung also 90°. Der Antriebsnippel 4 muss also auf der SK-Hohlkugel 2 verschiebbar angebracht sein. In 5 ist dargestellt, dass der Nippel 4 im Schlitz 12 verschoben werden kann. Am einfachsten kann der Nippel verschoben werden, wenn man den sowieso vorhandenen X-Y-Antrieb, hier nur den Y-Antrieb, benutzt. Der Nippel 4 kann an der Kugeloberfläche, elektromagnetisch oder mechanisch schaltbar, arretiert oder auch gelöst werden. Wenn der Nippel 4 gelöst ist, bewegt er sich mittels y-Antrieb im Schltz auf der Kugeloberfläche (max. bis etwas über 45°). Wenn der Nippel arretiert ist, wird die ganze Kugel, wie schon oben beschrieben, gedreht. Wenn notwendig kann während der Fahrt des Nippels in dem Schlitz, die Hohlkugel 2 elektromagnetisch oder auch mechanisch arretiert werden. Neben dem Nippel 4 kann auch ein elektrisches Kabel 13 gemeinsam mit dem Nippel im Schlitz bewegt werden. Somit ist auch eine einfache Kabelführung in den SK möglich. (s. 5). Wenn der Nippel 4 alternativ, wie in 3b gezeigt, hohl und im Durchgang durch die Hohlkugel-Wand flexibel ist, kann die Kabelführung auch durch den Nippel 4 erfolgen.
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Durch die 2-stufige Nickbewegung, > 45° durch Y-Antrieb und zusätzlich bis zu > 45° durch Verschiebung des Nippels 4, werden > +/–90° Nickwinkelauslenkung erreicht (und bislang etwa +/–45° Gierwinkel). Das ist manchmal schon hinreichend. Wenn die Visierlinie 14 über den vollen Halbraum in Gier- und Nick-Richtung geschwenkt werden soll, dann muss hierfür ein weiteres Element hinzugefügt werden. Die Hohlkugel 2 muss jetzt hinten, in entgegengesetzter Richtung zur Visierlinie um einen etwas über +/–45° Kegelwinkel geöffnet sein.
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In 6 ist ein Henkel 15 genanntes Element (weil es wie der Henkel eines Eimers aussieht und auch so um die Achse 16 drehbar ist) zugefügt. Allerdings befindet sich im Henkel ein Längsschlitz, in dem der Nippel 4 um etwas über +/–45° verschoben und dann an jedem gewünschten Ort arretiiert werden kann. Der Henkel 15 kann um Achse 16 um etwas über +/–45° gedreht und danach in jeder Position arretiert werden. Die Arretierung des Henkels 15 geschieht durch Festsetzung in der Achse 16 oder durch eine Lasche 17, die senkrecht am Henkel 16 befestigt, zur Hohlkugel 2 reicht und dort mechanisch oder magnetisch arretiertbar ist. Die Verschiebung des Nippels 4 auf der Hohlkugeloberfläche geschieht, wie schon weiter vorne beschrieben, indem der X-Y-Antrieb verfährt und die Kugel 2 respektive der Henkel, für diese Zeit arretiert wird. Kurz: Der Nippel 4 kann in einem Kegelbereich von > +/–45° auf der Kugeloberfläche verschoben und dann arretiert werden. Mit der zusätzlichen Verschiebung durch den X-Y-Antrieb werden überraschend einfach, > +/–90° Schwenkbereich (Halbraum) erreicht und es gibt, auch bis 90° Schwenkwinkel, eine einfache Kabelführung.
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Weitere Beschreibung:
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Auf der Oberfläche der Kugel 2 können Gleitnoppen die Bewegung in dem Dom 1 genannten äußeren Kugelschalensegment erleichtern und vibrationsdämpfend wirken. Nippel 4 kann auch vibrationsgedämft befestigt sein. Die Optik 5 kann nach optischen Erfordernissen geformt sein, darf aber nicht aus der Kontur der Kugel 2 herausragen.
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Der optionale Umlenkspiegel 6 erlaubt lange Brennweiten (=> grosse Reichweiten) und fexiblen Aufbau der Optik und leichte Auswuchtung und kann dann auch zur Feinstabilisierung der Visierlinie mittels üblicher käuflicher Piezostabilisierung benutzt werden.
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Durch einen hohlen Nippel 4 können die Kabel von der Kamera zum Flugkörper, problemlos im gesamten Halbraum-Schwenkbereich, geführt werden.
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Das Trägheitsmoment des SK ist, (wichtig für Dämpfung von Vibrationen), durch die bei Kugelschalen weitestmöglich aussen liegenden Massen, optimal groß.
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Es soll auch noch erwähnt werden, dass keine Singularität in der Visierlinienansteuerung, wie z. B. in
DE 298 24 923 auftritt. (Bevor man von Gier- in Nick-Richtung, oder umgekehrt, schwenken kann, muss dort der gesamte SK um 90° gerollt werden).
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Kamera-Bildhomogenisierung
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Infrarotkameras lösen Temperaturdifferenzen von etwa 20 mK bei etwa 300 K Szenarien-Temperatur auf. Da müssen alle Bildpixel extrem genau gleiche Empfindlichkeit (und Rauschen) haben. Das ist nur durch einen elektronischen Abgleich aller Pixel erreichbar. Üblicherweise geschieht das, indem die Kamera auf eine homogen temperierte Fläche schaut und dann alle Pixel auf gleiche Signalhöhe und Rauschlevel korrigiert werden und die Korrekturwerte für jedes Pixel in einer Look-up-table abgelegt werden; 2–3 Bilder (also < 100 msec) reichen für die Eineichung aus. Bei der Produktion ist dieser Vorgang kein Problem. In einem Suchkopf (im Gefechtsfeld), nach vielleicht 10 Jahren Lagerung und dann Einsatz in der Wüste oder in der Arktis müssen die Korrekturwerte aktualisiert werden, ansonsten zeigt das Kamerabild ein Fix-Pattern-Noise. Da ist es von großem Vorteil auch hier kurz vor dem Einsatz mit der Kamera auf eine homogen temperierte Fache (und nicht ins Gefechtsfeld) schauen zu können. Das wird erreicht, indem Kugel 2, mit der Kamera darin, in einer Richtung über 90° hinaus geschwenkt wird. Realisierung indem der Schlitz im Henkel 15 über 90° hinaus verlängert wird und mittels X-Y-Antrieb Kugel 2 in 2 Schritten über 90° hinaus gedreht wird.
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Nochmal die wichtigsten Vorteile der Erfindung:
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- – Einfachstes Design des SK und damit billig in Entwicklung und Herstellung Kommerzieller X-Y-Antrieb reicht aus. Mit digitalem Antrieb kennt man genau die Auslenkung der Visierlinie, man braucht keine Vermessung der Richtung vorzunehmen.
- – Keine (störenden) Kardanrahmen => Es bleibt für die Kamera(s) viel mehr Raum als bei allen anderen bisher bekannten SK => höhere Leistung (Reichweite)
- – oder: der SK kann kleiner und damit aerodynamischer gebaut werden
- – Schwenkwinkel der Kamera bis etwa 90° erreichbar. Einfache Kabelführung, auch für große Schwenkwinkel, durch den Nippel 4.
- – Keine Singularität im Antrieb.
- – Aktualisierte Bildhomogenisierung der Kamera im Fluge durch Schwenk zur Seite leicht möglich.
- – Eine SK Entwicklung für alle Anwendungen gg. Boden- und Flug-Ziele.
- – Einsparung des optischen Domes ist wahlweise möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kugelschalensegment, zumindest im Mittelbereich transparent im Spektralbereich der SK-Kamera, = kurz Dom benannt
- 2
- SK-Hohlkugel mit der Kamera darin, Kamera bestehend aus 5 und 7 und optional 6
- 3
- FK-Struktur
- 4
- Nippel mit 8
- 5
- Kameraoptik
- 6
- Umlenkspiegel
- 7
- Detektor = CCD-Chip der Kamera
- 8
- Gelenk
- 9
- X-Y-Rahmen
- 10
- Y-Schiene
- 11
- X-Schiene
- 12
- Schlitz in der Hülle der Hohlkugel
- 13
- Kabel (verläuft von der Kamera in den FK)
- 14
- Visierrichtung (der Kamera)
- 15
- Henkel
- 16
- Achse für Henkel 15
- 17
- Lasche an Henkel 15 (Optional)
- 18
- Schlitz in Henkel 15
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10153094 [0002]
- DE 10313136 [0002]
- DE 102004008644 [0002]
- DE 29824923 [0016]