Optisches System und Verfahren zur Geschossbahnnachbildung mittels Laserstrahl

Abstract

 Bei einem optischen System zur Geschossbahnnachbildung mittels Laserstrahl besteht die Aufgabe, ein robustes optischmechanisches System zur Schuss- und Treffersimulation bereitzustellen, das eine geringere Anfälligkeit gegenüber mechanischen Störungen auf weist, leicht und einfach im Aufbau ist und die Geschossballistik bei der Simulation berücksichtigt. Das optische System weist mehrere Sendekanäle zur Abgabe von Laserstrahlenbündeln und einen Empfangskanal zum Empfang von an einem Ziel reflektierter Strahlung auf, wobei für verschiedene Zielentfernungsbereiche unterschiedliche Sendekanäle vorgesehen sind, die in einer vertikalen Ebene unterschiedliche, den verschiedenen Zielentfernungsbereichen angepasste, fest vorgegebene Abstrahlrichtungen aufweisen.

Beschreibung

[0001] Die .Erfindung bezieht sich auf ein optisches System zur Geschossbahnnachbildung mittels Laserstrahl mit mehreren Sendekanälen zur Abgabe von Laserstrahlenbündeln und einem Empfangskanal zum Empfang von an einem Ziel reflektierter Strahlung.

[0002] Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Geschossbahnnachbildung mittels Laserstrahl.

[0003] Duellsimulatoren sind Ausbildungsgeräte, mit denen die Wirkung der eigenen Waffe auf Ziele gefechtsmäßig dargestellt werden kann.
Hierbei werden zur Simulation des scharfen Schusses Systeme verwendet, die aus einem Lasersender, dem Schusssimulator als aktives und einem Empfängersystem als passives Teil bestehen, wobei der aktive Teil an der Waffe und der passive Teil am gegnerischen Waffensystem oder bei Infanteristen an der Ausrüstung angebracht ist.

[0004] Bekannte technische Lösungen, mit denen unter Beachtung der Geschossballistik eine Schuss- und Treffersimulation durchgeführt werden kann, weisen Nachteile auf, indem scannende Systeme mit mechanisch bewegten Teilen genutzt werden, die störanfällig und wenig schockresistent sind.

[0005] Aus der DE 100 50 691 A1 ist es zur Erzielung größerer Reichweiten bekannt, einen aus Laserimpulsen zusammengesetzten ersten Laserstrahl auszusenden und die Flugbahn des abgefeuerten virtuellen Schusses zu berechnen und fortlaufend die Abweichungen der Flugbahn von der Zielrichtung zum Schusszeitpunkt zu ermitteln. Der erste Laserstrahl wird entsprechend den Flugbahnabweichungen geschwenkt, die Laufzeit der von Ziel reflektierten Laserimpulse des ersten Laserstrahls gemessen und daraus die Zielentfernung bestimmt.
Stimmen berechnete Flugzeit eines abgefeuerten virtuellen Geschosses mit der vom Schusszeitpunkt bis zum Empfang der reflektierten Laserimpulse vergangenen Zeit innerhalb eines Toleranzbereiches überein, wird ein zweiter codierter Laserstrahl in die vom ersten Laserstrahl zuletzt eingenommene Senderichtung ausgesendet. Der Trefferschaden wird aus der Lage des den Laserstrahl empfangenen Detektors am Ziel und aus den durch die Codierung übermittelten Informationen berechnet.

[0006] Die US 4 959 016 A beschreibt einen Simulator, bei dem ein gepulster Laserstrahl vertikal gescannt wird, währenddessen die Pulswiederholrate als Funktion des Scanwinkels variiert wird.

[0007] Eine Strahlnachführung ist auch bei der DE 31 08 562 A1 und der DE 35 43 698 A1 vorgesehen. Die DE 35 43 698 A1 beschreibt eine Vorrichtung mit einem Lichtscansystem und einer Entfernungsmesselektronik zum Vermessen der mit Reflektoren ausgerüsteten Ziele in Verbindung mit mindestens einem, auf alle Punkte im Scanbereich ausrichtbaren Informationslichtsender zur Informationsübertragung. Weitere Maßnahmen werden getroffen, um eine Zielverfolgung zu ermöglichen.

[0008] Bekannt ist aus der DE 2846962 B1 ein Laserlicht-Schußsimulator für Lenkflugkörper, bei dem einzeln ansteuerbare Laserdioden verwendet werden, die auf unterschiedliche Teilbereiche des Zielfeldes ausgerichtet sind. Hiermit ist es jedoch nicht möglich die ballistische Kurve der Geschossflugbahn zu beachten, und damit eine kontinuierliche Simulation während der Flugzeit des Geschosses vorzunehmen. Der Schusssimulator bewertet keine Winkelabweichung zur Visierlinie und macht eine Schussbewertungseinheit notwendig.

[0009] Gemäß der EP 1 159 578 B1 wird der Sendestrahl nach Auslösen eines simulierten Schusses in einer Ebene geschwenkt. Dem Sendestrahl werden Informationen zur Position und vertikalen Ausrichtung der Waffe sowie der Waffen- und Geschossart aufmoduliert. Im Ziel werden aus der zum Ziel übertragenen Waffeninformation und der bekannten Zielposition der virtuelle Geschosseinschlag und die Entfernung zwischen Ziel und Waffe bestimmt. Stimmen Zielposition und berechneter Geschosseinschlag überein, wird ein Treffer angezeigt.
Von Nachteil ist der hohe technische Aufwand, der für die Ausstattung des Senders und des Ziels betrieben werden muss, um die Wirkung des Schusses am Ziel anzeigen zu können.

[0010] Aufgabe der Erfindung ist es, ein robustes optischmechanisches System zur Schuss- und Treffersimulation bereitzustellen, das eine geringere Anfälligkeit gegenüber mechanischen Störungen aufweist, leicht und einfach im Aufbau ist und die Geschossballistik bei der Simulation berücksichtigt sowie eine kontinuierliche Simulation gewährleistet.

[0011] Diese Aufgabe wird bei einem optischen System zur Geschossbahnnachbildung mittels Laserstrahl der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass für verschiedene Zielentfernungsbereiche unterschiedliche Sendekanäle vorgesehen sind, die in einer vertikalen Ebene unterschiedliche, den verschiedenen Zielentfernungsbereichen angepasste, fest vorgegebene Abstrahlrichtungen aufweisen.

[0012] Dadurch werden bewegliche Teile vermieden, so dass eine hohe Stabilität des optischen Systems erreicht wird, mit dem sich auf einfache Weise für unterschiedliche Zielentfernungen die ballistische Geschossbahn simulieren lässt.

[0013] Die Sendekanäle sind bevorzugt mit Sendeköpfen ausgestattet, wobei in jeden der Sendeköpfe mindestens eine, mit einer Laserstrahlungsquelle verbundene optische Faser geführt ist und jeder der Sendeköpfe strahlausgangsseitig mit einer Sendeoptik versehen ist.
Ein für direktes Richten vorgesehener erster Sendekopf, in den eine einzelne, mit einer Laserstrahlungsquelle verbundene optische Faser geführt ist, weist als Sendeoptik eine strahlaufweitende Optik auf.

[0014] Zur Berücksichtigung der Geschossballistik bei weiter entfernten Zielen sind in mindestens einen weiteren Sendekopf mindestens zwei der optischen Fasern geführt und mit fester gegenseitiger Ausrichtung in dem Sendekopf fixiert, wobei von den optischen Fasern ausgehende Laserstrahlenbündel durch die Sendeoptiken vertikal unterschiedlich gerichtet sind.

[0015] Da insbesondere die optischen Fasern in dem Sendekopf zueinander ausgerichtet vergossen beziehungsweise verklebt sind, bilden die Sendeköpfe einfach justierbare, kompakte Systembestandteile, die zusammen mit einem Empfänger stabil auf einem gemeinsamen Träger aufgebracht sind und ihre Lage auch bei den hohen Beschleunigungen der Waffe nicht verändern.

[0016] Vorteilhaft sind die Sendeköpfe auf dem gemeinsamen Träger in vertikaler Richtung unterschiedlich geneigt befestigt, wodurch die Laserstrahlenbündel zumindest im Zielgebiet definierte Überlappungsbereiche aufweisen.

[0017] Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Geschossbahnnachbildung mittels Laserstrahl, das folgende Verfahrensschritte aufweist:

• Anvisieren des Ziels und Aussenden von Laserentfernungsmessimpulsen aus mehreren, unterschiedlichen Zielentfernungsbereichen zugeordneten Sendekanälen, Empfangen der vom Ziel reflektierten Strahlung und Ermittlung der Entfernung zum Ziel durch Laufzeitmessung,
• Auswahl und Aktivierung mindestens eines des Sendekanals, der dem Zielentfernungsbereich zugeordnet ist, in dem die ermittelte Zielentfernung liegt.

[0018] Insbesondere ist es bei einem sehr steilen Verlauf der ballistischen Kurve von Vorteil, wenn für eine ermittelte Zielentfernung mehrere Kanäle zum Senden eines optischen Treffercodes ausgewählt werden.

[0019] Bevorzugt erfolgt bei jedem simulierten Schuss im gesamten Wirkungsbereich der Waffe eine systeminterne Entfernungabstandsbestimmung des Ziels mit allen Sendekanälen.

[0020] Indem unterschiedliche Sendekanäle mit verschieden gerichteten Laserstrahlenbündeln verwendet und in Abhängigkeit von der ermittelten Zielentfernung eingeschaltet werden, lässt sich die Geschossballistik bei der Simulation auf einfache Weise berücksichtigen, so dass nicht nur im Nahfeld, sondern auch im Fernfeld eine zuverlässige Nachbildung der originalen Trefferwahrscheinlichkeit mit einem optimalen Laserstrahlprofil gewährleistet ist.
Indem unterschiedliche Sendekanäle mit unterschiedlich gerichteten Laserstrahlenbündeln verwendet und in Abhängigkeit von der bekannten Zielentfernung eingeschaltet werden, lässt sich für unterschiedliche Zielentfernungsbereiche, sowohl im Nah- als auch im Fernfeld der Sendekanal mit dem optimalen Laserstrahlprofil zur Nachbildung der originalen Trefferwahrscheinlichkeit auswählen und einschalten.

[0021] Mit Erkennen des Schusses erfolgt die Messung der Entfernung mit einem Laserimpuls auf allen Sendekanälen. Durch Auswahl eines Laserkanals entsprechend des Entfernungsbereiches erfolgt die Sendung eines für alle Kanäle identischen optischen Codes mit dem gewählten Sendekanal.

[0022] Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1

das Optikschema einer ersten Ausführungsform eines optischen Systems zur Geschossbahnnachbildung für kürzere Zielentfernungen

Fig. 2

den mechanischen Aufbau des Systems gemäß Fig. 1 in einer perspektivischen Darstellung

Fig. 3

das Optikschema einer ersten Ausführungsform eines optischen Systems zur Geschossbahnnachbildung für größere Zielentfernungen

Fig. 4

den mechanischen Aufbau des Systems gemäß Fig. 3 in einer perspektivischen Darstellung

Fig. 5

den Verlauf der Geschosskurve zur Visierlinie und zum Laserstrahl des Simulators bei korrekter Visiereinstellung

Fig. 6

den Verlauf der Geschosskurve zur Visierlinie und zum Laserstrahl des Simulators bei falscher Visiereinstellung

Fig. 7

ein Flussdiagramm.für eine Schusssimulation

[0023] Das zur realitätsnahen, laserbasierten Geschossbahnnachbildung für Duellsimulatoren Zieltrainingsgeräte an Handfeuerwaffen größerer Reichweite geeignete optische System weist gemäß Fig. 1 und 2 mehrere, unterschiedlichen Zielentfernungsbereichen zugeordnete Sendekanäle und einen Empfangskanal auf.

[0024] Hierfür sind auf einem gemeinsamen Träger 1 insbesondere zwei Sendeköpfe 2, 3 für die Sendekanäle und eine Empfängereinheit, bestehend aus einem Empfänger 4 und einer Empfangslinse 25, für den Empfangskanal vorgesehen. Während der erste Sendekopf 2 von einer als Laserdiode ausgebildeten ersten Laserstrahlungsquelle 5 über eine erste optische Faser 5 gespeist wird, sind für den Sendekopf 3 zwei ebenfalls als Laserdioden ausgebildete und über optische Fasern 7, 8 angeschlossene Laserstrahlungsquellen 9, 10 vorgesehen. Die optischen Fasern 6, 7, 8 sind in den Sendeköpfen 2, 3, die strahlausgangsseitig mit Sendeoptiken 11, 12 abschließen, fest vergossen.

[0025] Während der erste Sendekopf 2 für das Nahfeld und somit für direktes Richten auf Zielentfernungen bis ca. 200 - 300 m vorgesehen ist, berücksichtigt der zweite Sendekopf 3 die Geschossballistik, indem die beiden optischen Fasern 7, 8 durch die vorgeschaltete Sendeoptik 12 in einer vertikalen Ebene in unterschiedliche Richtungen abstrahlen, so dass eine Schusssimulation für mittlere und größere Entfernungen durchgeführt werden kann. Die Sendeoptik 11 des ersten Sendekopfes 2 ist strahlaufweitend ausgebildet, µm auf kurze Entfernungen im Ziel einen hinreichend großen Lichtfleck erzeugen zu können.

[0026] Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, sind die Laserstrahlenbündel 12.1, 12.2 des zweiten Sendekopfes 3 übereinander gelegt, d. h. sie weisen keinen Strahlungsüberlappungs-bereich auf. Ein solcher besteht jedoch zwischen dem Laserstrahlenbündel 12.1 des zweiten Sendekopfes 3 zum Laserstrahlenbündel 11.1 des ersten Sendekopfes 2.

[0027] Eine zweite Ausführung der Erfindung, wie sie in den Figuren 3 und 4 gezeigt wird, weist für die für unterschiedliche Zielentfernungsbereiche vorgesehenen Sendekanäle drei Sendeköpfe 13, 14, 15 und einen Empfängereinheit, bestehend aus einem Empfänger 16 und einer Empfangslinse 26, für den Empfangskanal auf, wobei ein erster Sendekopf 13, wie bei der Ausführung gemäß Fig. 1, 2, für das Nahfeld ausgebildet ist. Die beiden weiteren Sendeköpfe 14, 15 sind für Zielentfernungen ausgelegt, bei denen die Geschossballistik berücksichtigt werden muss. Deshalb sind in jeden der weiteren Sendeköpfe 14, 15 mehrere, in diesem Ausführungsbeispiel bevorzugt vier, von Laserstrahlungsquellen 17 ausgehende optische Fasern 18, 19 eingelassen und parallel zueinander ausgerichtet jeweils im Sendekopf 14 oder 15 fest vergossen. Die strahlausgangsseitig angeordnete Sendeoptik 20 ist für den Sendekanal 13 zum direkten Richten als strahlaufweitende Optik ausgebildet. Die Sendeoptiken 21, 22 der weiteren Sendeköpfe 14, 15 richten die ausgesendeten Laserstrahlenbündel 14.1 bis 14.4 und 15.1 bis 15.4 in unterschiedliche Höhen, so dass die Laserstrahlenbündel 14.1 bis 14.4 und 15.1 bis 15.4 in einer vertikalen Ebene unterschiedliche, verschiedenen Zielentfernungsbereichen angepasste, fest vorgegebene Strahlrichtungen aufweisen. Als Laserstrahlungsquellen eignen sich z. B. einzelne Laserdioden eines Laserdiodenbarrens, aus denen die Laserstrahlung in bekannter Weise in die optischen Fasern 18, 19 eingekoppelt wird.

[0028] Die Ausführung gemäß Fig. 3, 4 ist gegenüber der Ausführung entsprechend Fig. 1, 2 dadurch verbessert, dass die Laserstrahlenbündel 13.1, 14.1 bis 14.4 und 15.1 bis 15.4 aller Sendekanäle Strahlüberlappungsbereiche 23 aufweisen. Das hat den Vorteil, dass nicht beleuchtete Fehlstellen vermieden werden können. Die Überlappungsbereiche können durch eine geeignete Justierung der Sendeköpfe variiert werden.
Hierfür sind insbesondere die beiden zueinander justierbaren Sendeköpfe 14, 15 in einer vertikalen Ebene zueinander geneigt ausgerichtet, so dass sich die in unterschiedliche Richtungen abgegebenen Laserstrahlenbündel 14.1 bis 14.4 des einen Sendekopfes 14 mit den Laserstrahlenbündeln 15.1 bis 15.4 des anderen Sendekopfes 15 gegenseitig verzahnen (Fig. 3).

[0029] Mit 24 ist in Fig. 3, 4 die in den Sendekopf 13 geführte optische Faser bezeichnet. Empfangsoptiken in Fig. 3 und 4 tragen die 25 und 26.

[0030] Mit dem erfindungsgemäßen optischen System kann eine Schusssimulation in folgender Weise durchgeführt werden.
Das Ziel wird zunächst durch Anvisieren mit der Waffe nach simulierter Schussauslösung mit allen Lasern beleuchtet, indem alle Sendekanäle einen Laserentfernungsmessimpuls aussenden. Sofern durch die Ausrichtung der Waffe das Ziel nicht völlig verfehlt wird, trifft ein Laserstrahlenbündel 11.1, 12.1, 12.2, 13.1, 14.1 bis 14.4 oder 15.1 bis 15.4 mindestens eines Sendekanals auf das Ziel, so dass aus der Laufzeit des resultierenden und vom Empfänger 4, 16 registrierten Reflexes die Zielentfernung ermittelt werden kann. Da die Sendekanäle entsprechenden Zielentfernungsbereichen zugeordnet sind, indem das von diesem Sendekanal abgegebene Laserstrahlenbündel die bekannte waffenspezifische ballistische Kurve bei der festgestellten Entfernung schneidet, kann nachfolgend mindestens ein der für die Schusssimulation zu verwendender Sendekanal bezüglich der festgestellten Zielentfernung ausgewählt werden. Mehrere Sendekanäle können insbesondere bei sehr großen Entfernungen ausgewählt werden, bei denen die ballistische Kurve sehr steil verläuft. In jedem Fall erfolgt die Sendekanalaktivierung eEntsprechend der Geschossballistik, d. h. zugeordnet zu wird somit nur der Sendekanal aktiviert, der einem Zielentfernungsbereich zugeordnete ist, in dem die festgestellte Zielentfernung liegt. Der aktivierte Sendekanal sendet einen optischen Treffercode zum Ziel. Eine Fehlbedienung der Visiereinrichtung der Waffe, z. B. falsche Visiereinstellung oder falscher Anhaltepunkt am Ziel, führen zum Fehlschuss (Fig. 5 und 6). Hierin sind die Geschosskurve als durchgängige Linie, die Visierlinie als Strich-Punkt-Linie und das Laserstrahlenbündel des Simulators als gestrichelte Linie dargestellt.

[0031] Nicht dargestellt ist ein Keilscheibenpaar, das strahlausgangsseitig vor dem optischen System angeordnet ist, um die Sendekanäle und den Empfangskanal mit Hilfe einer an der Waffe anbringbaren Justiervorrichtung zur Visierlinie auszurichten. Bevorzugt wird der für das direkte Richten vorgesehene Sendekanal zur Visierlinie ausgerichtet.
Über bekannte Verfahren werden die Sendekanäle und der Empfangskanal mittels Justiervorrichtungen zur Visierlinie der Waffe ausgerichtet. Bevorzugt wird der für das direkte Richten vorgesehene Sendekanal zur Visierlinie ausgerichtet.

[0032] Es erfolgt keine Kodierung der gesendeten Lichtsignale in Abhängigkeit von der Abweichung zur Visierlinie.

Ansprüche

1. Optisches System zur Geschossbahnnachbildung mittels Laserstrahl mit mehreren Sendekanälen zur Abgabe von Laserstrahlenbündeln und einem Empfangskanal zum Empfang von an einem Ziel reflektierter Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass für verschiedene Zielentfernungsbereiche unterschiedliche Sendekanäle vorgesehen sind, die in einer vertikalen Ebene unterschiedliche, den verschiedenen Zielentfernungsbereichen angepasste, fest vorgegebene Abstrahlrichtungen aufweisen.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendekanäle Sendeköpfe (11 - 15) aufweisen, wobei in jeden der Sendeköpfe (11 - 15) mindestens eine, mit einer Laserstrahlungsquelle (5, 9, 10, 17) verbundene optische Faser (6, 7, 8, 18, 19, 24) geführt ist und jeder der Sendeköpfe (11 - 15) strahlausgangsseitig mit einer Sendeoptik (11, 12, 20 - 22) versehen ist.

3. Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein für direktes Richten vorgesehener erster Sendekopf (2, 13), in dem eine einzelne, mit einer Laserstrahlungsquelle (5, 17) verbundene optische Faser (6) geführt ist, als Sendeoptik (11, 20) eine strahlaufweitende Optik aufweist.

4. Optisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einen weiteren Sendekopf (12, 14, 15) mindestens zwei der optischen Fasern (7, 8, 18, 19) geführt und mit fester gegenseitiger Ausrichtung in dem Sendekopf (12, 14, 15) fixiert sind, wobei von den optischen Fasern (7, 8, 18, 19) ausgehende Laserstrahlenbündel (12.1, 12.2, 14.1 - 14.4, 15.1 - 15.4) durch die Sendeoptiken (12, 21, 22) vertikal unterschiedlich gerichtet sind.

5. Optisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeköpfe (14, 15) in vertikaler Richtung unterschiedlich geneigt sind.

6. Optisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlenbündel (13.1, 14.1 - 14.4, 15.1 - 15.4) zumindest im Zielgebiet definierte Überlappungsbereiche (23) aufweisen.

7. Verfahren zur Geschossbahnnachbildung mittels Laserstrahl mit einem optischen System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Anvisieren des Ziels und Aussenden von Laserentfernungsmessimpulsen aus mehreren, unterschiedlichen Zielentfernungsbereichen zugeordneten Sendekanälen,

- Empfangen der vom Ziel reflektierten Strahlung und Ermittlung der Entfernung zum Ziel durch Laufzeitmessung,

- Auswahl und Aktivierung mindestens eines des Sendekanals, der dem Zielentfernungsbereich zugeordnet ist, in dem die ermittelte Zielentfernung liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem simulierten Schuss im gesamten Wirkungsbereich der Waffe eine systeminterne EntfernungAbstandsbestimmung des Ziels mit allen Sendekanälen erfolgt.

Zeichnung