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WO2008141800A1 - Vorrichtung und verfahren zur erkennung und lokalisierung von laserstrahlungsquellen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur erkennung und lokalisierung von laserstrahlungsquellen Download PDF

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WO2008141800A1
WO2008141800A1 PCT/EP2008/004030 EP2008004030W WO2008141800A1 WO 2008141800 A1 WO2008141800 A1 WO 2008141800A1 EP 2008004030 W EP2008004030 W EP 2008004030W WO 2008141800 A1 WO2008141800 A1 WO 2008141800A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
grating
detector
laser
diffraction
laser radiation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2008/004030
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hermann Diehl
Andreas Prücklmeier
Thorsteinn Halldorsson
Wolfgang Rehm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
EADS Deutschland GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EADS Deutschland GmbH filed Critical EADS Deutschland GmbH
Publication of WO2008141800A1 publication Critical patent/WO2008141800A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/495—Counter-measures or counter-counter-measures using electronic or electro-optical means

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting, locating and tracking of laser radiation sources in the image field of a camera with superior optical coherence filter and associated with the camera signal processing and a method for detecting, locating and tracking of laser radiation sources with such a device.
  • laser devices are used in the military field for a variety of purposes, to protect and initiate countermeasures against laser threats sensors are required that can detect and locate such laser sources. Such devices are e.g. from the applications DE 33 23 828 C2 or DE 35 25 518 C2, for the detection and localization of
  • Pulse laser sources as z For example, be used for rangefinder, target illuminator or glare laser, and from EP 0283538 A1, which in addition also the radiation of modulated continuous wave lasers, e.g. which can detect laser beam riders known.
  • laser radiation of both military and civil systems of this kind is mostly in the near infrared range and thus can not be perceived by the human eye. Since the laser wavelength of a threat is usually unknown, a laser warning sensor designed for reception in this range must have a sufficient spectral reception bandwidth. This then makes it difficult to identify the narrowband laser radiation among the broadband natural and technical sources of the environment. Therefore, laser sources with most laser warning sensors are the timing of their emission relative to incoherent sources. For example, because of the emission duration of their individual pulses of nanoseconds, rangefinders, target illuminators and glare lasers can be distinguished even from the fastest incoherent sources, such as flash units with a duration in microseconds. On the other hand, the modulated CW radiation from laser beam riders can be detected due to their fixed modulation frequencies by frequency sampling in the time period.
  • the angle of incidence of the laser beam or the position of the beam source in the vicinity must be determined with sufficient accuracy by the sensor for initiating a passive or active countermeasure.
  • different directions of incidence can first be determined with an array of photodetectors and shadow masks that individually determine their viewing direction, as in U.S. Patent 5,428,215 Digital High Angular Resolution Laser Irradiation Detector (HARLID), or by time of flight coding of incident short laser pulses over glass fibers of different lengths as described in the German patent DE 3525518 C2 device for detection and direction detection of laser radiation described.
  • HTLID Digital High Angular Resolution Laser Irradiation Detector
  • a prerequisite for the usability of laser warning sensors is a high detection probability of laser threats with simultaneously low false alarm rate due to other optical and electronic interference, which requires the largest possible receiving aperture of the sensor.
  • the receiving area of the photodiodes should be as small as possible in order to resolve fast light signals and at the same time to achieve a high directional resolution.
  • a compromise between these contradictory requirements can be found in time-resolved laser warning sensors only by a very complex signal processing.
  • the device according to the invention provides for this instead of the use of individual detectors or detector arrays with shadow masks as entrance pupil and in previous warning sensors a camera system with lens and image sensor (Focal Plane Array) before.
  • This has the fundamental advantage that the direction of incidence of a laser threat is directly determined by mapping the environment onto the image sensor, and that the size of the entrance pupil can be set variably by the objective diameter together with the objective diaphragm.
  • the entrance pupils of a camera system used in this case are far larger than the previous laser warning sensors.
  • the invention makes use of the two fundamental properties of a laser source, namely its spatial and temporal coherence, and uses a camera system with a superior coherence filter for its evaluation, which leads to different imaging of coherent and incoherent sources in the image plane of the camera.
  • a laser threat is a radiation source with a high spatial coherence, because the image size of a laser source at a great distance from a camera is a point with an extent that corresponds to the limit of the imaging resolution of the camera.
  • temporal coherence is used to safely distinguish lasers from other sources.
  • the distinction of the temporal coherence which is equivalent to the spectral bandwidth of the radiation, now takes place in the sense of the invention in that a spectrum analyzer arranged in front of the camera lens is provided, which is designed as a linear holographic transmission grating, ie a grating.
  • incoherent point sources are then displayed as a bar pattern, the temporally coherent laser point sources of the threats on the other hand still due to their low spectral bandwidth as a dot pattern.
  • Areal incoherent or coherent sources continue to be rendered as diffuse images.
  • a subsequent image processing which is designed for the distinction of point and line or point in the diffuse background, then used.
  • linear grating bar or strip grating
  • a holographic cross-grating i. a 2-dimensional grid
  • the decisive advantages of easier manufacturability the higher light intensity in the individual orders by about a factor of 3, the same hologram, the same lattice constant and the same order number and the considerably simpler image processing of the diffraction patterns.
  • the linear grating Apart from the fundamentally different interpretation of the linear grating, it brings a significant progress in comparison to the cross grid.
  • ⁇ o is the angle of incidence of a light beam in the plane of incidence perpendicular to the grating
  • ⁇ the angle of incidence of a light beam in the plane of incidence perpendicular to the grating
  • Monochromatic point sources are represented as points along a line perpendicular to the stripes of the grating as sharp intensity maxima in the image plane, e.g. imaged as a broadband point sources, however, as extended strokes and can thus be distinguished from each other.
  • Sources such as Reflexes in the immediate vicinity of the sensor are distributed in their form as a multiple direct image in different orders in their intensity on them.
  • the zeroth order of the diffraction pattern lies on the main axis of the incident light wave, ie it passes through the grating without diffraction. This direction is also the symmetry direction of the diffraction pattern of higher orders. The direction to the radiation source can thus be determined clearly from the diffraction pattern.
  • the diffraction angle shifts with the wavelength according to the formula ⁇ n / g ⁇ ⁇ / cos ⁇ , ie the central wavelength of the light source can be determined from the angular position of the diffraction maxima and the spectral bandwidth of the source from the angular width of the spectral line.
  • Lattice spacings increases the wavelength resolution, at the same time the diffraction angle.
  • a grating with a fixed grating pitch g and regular arrangement of the diffraction orders may be preferred.
  • the use of a grating with two different grating constants g and g ' in the same grating, ie a bimodal grating with only slightly different values for g and g ' leads to the formation of pairs of points in the orders +/- 1, + / in coherent sources. -2, .... etc. But not in the zeroth order, in which no spectral decomposition takes place.
  • a lattice is particularly advantageous for a clear distinction between zeroth and higher orders and moreover for distinguishing between electronic disturbances which may also appear as dots in the image.
  • pairs of points whose angular spacing in the various orders can be calculated by the above formula are, for example, preferably set so that the points, for example in the first order, are only a few pixels apart (eg a few nanometers).
  • the grating gratings provided for the coherence detector are preferably so-called holographic gratings which can be written as master holograms by optical exposure or by electron beam lithography, from which hologram copies can then be made in high numbers at low cost using etching techniques, embossing technique or reexposure.
  • holographic gratings which can be written as master holograms by optical exposure or by electron beam lithography, from which hologram copies can then be made in high numbers at low cost using etching techniques, embossing technique or reexposure.
  • there are two classes of holograms first so-called surface relief holograms and second, volume-phase holograms, where an incident wave is diffracted by the differently long paths in the relief structure in the first and by structured variations of the refractive index in the second.
  • Holograms of the first type can be incorporated in a variety of optical material carriers, such as glasses, plastics, photoresist or the like. Reflection gratings can be produced by additional metallization of the surface.
  • volume phase holograms can only be included in materials suitable for volume hologram exposure, such as silver halides, dichromated gelatin, or photopolymer as both transmission and reflection holograms.
  • a coherence sensor for a coherence sensor according to the invention commercial lenses, standard lenses and wide-angle lenses can be used.
  • the grating hologram is preferably mounted directly in front of the lens. Parallel rays from a point source are then, after passing through the grid, as a Heights of parallel rays with different angles to the lens, each parallel beam from a coherent source is imaged as a point in the focal plane of the camera.
  • the entire diffraction pattern shifts with a parallel offset across the focal plane.
  • the common axis of the orders is perpendicular to the grating and can be rotated arbitrarily with the grating against the main directions of the focal plane array. If the source lies on the edge of the field of view of the camera, then orders are still far within the field. If the source is outside the field of view, then orders are bent into the field of view of the camera over a certain angular range and imaged, i. the grid enlarges the field of view of the camera for point sources.
  • the invention provides that with a wide-angle attachment optics (fisheye attachment) the angular range of a standard lens can be extended to 180 ° x 360 °.
  • the grille is preferably mounted between the header and the standard lens.
  • the inevitable image distortion of the intent then has no effect on the imaging of the diffraction orders by the standard lens, only the diffraction pattern as a whole then follows the distortion of the image field.
  • another embodiment of a fisheye optic may be used which is not designed as a face optic of a standard lens but as a unitary optic of the camera.
  • the grating can be integrated either before or between lenses of this optics.
  • the invention provides a further variant for increasing the angle of view, which dispenses with a wide-angle optics but a redesign of the grating Intent.
  • This may, for example, be a cylindrical grating with circular stripes mounted coaxially with the axis of a standard lens in front of it. This grid diffracts a portion of orders of rays outside the field of view into the field of view and thus they can be evaluated.
  • wavelength range 3-5 ⁇ m are infrared cameras with platinum silicide (PtSi) or indium antimonide (ln: Sb) detectors and in the wavelength range 8-12 ⁇ m mercury cadmium telluride (HgCdTe) or microbolometer cameras based on amorphous silicon on the Market available. Some of these detectors require additional cooling or temperature stabilization.
  • PtSi platinum silicide
  • Ln indium antimonide
  • HgCdTe mercury cadmium telluride
  • microbolometer cameras based on amorphous silicon on the Market available.
  • suitable fast electronics are advantageously provided which are connected to the camera and which evaluate the acquired individual images in real time with an image processing algorithm implemented thereon.
  • ASIC or FPGA programmable gate array
  • the invention provides that the proposed sensor can be used both for continuous wave laser threats and for pulsed laser threats, because in addition to the large receiving aperture, a camera has a long integration time of 10-50 ms and with the distribution of the light reception to only a few orders, for example A proportion of 20-33% remains distributed in each pixel, which enables the detection of particularly weak-light modulated continuous wave sources.
  • the large receiving pupil additionally enables the detection of pulsed laser threat.
  • Each pulse is recorded by the camera within its exposure time, because in modern cameras so-called dead times, which can arise during reading of the image sensor, are avoided. Thus, a continuous reception of the camera for short pulses is guaranteed.
  • the camera can distinguish between single pulse threats (laser rangefinder) and threats with low pulse frequencies of 10-20Hz (target illuminator) and determine the pulse rate. For the recording of higher frequencies in the kilohertz range, a higher refresh rate is required, which is also made possible by some cameras.
  • the invention provides that the refresh rate of the camera is sufficiently high to detect the movement of the threat within the viewing angle of the laser warning sensor, either by the movement of the threat itself or by the movement of the platform on which the laser warning sensor is mounted - to track for a warning or countermeasures.
  • a sufficient image repetition frequency of the camera according to the invention ensures that from the temporal changes of the diffraction pattern and the diffraction angles ⁇ n , the current coordinates, the speed and, if necessary, the direction of movement of the threat can be calculated. As long as the threat If the laser beam falls within the viewing angle of the laser warning sensor, the position of the threat, which itself may be mobile, can be detected and tracked in time. If necessary, a warning or countermeasures can be initiated.
  • the invention further provides that either the laser warning sensor alone provides the necessary image information, or that the coordinates of the laser threat in the field of view from other camera images of the same environment, e.g. an identical camera without a grid attachment, an IR camera or a night-vision camera.
  • a method for image processing of the images obtained with the device according to claim 1 wherein the diffraction orders of the strip grid are imaged on the formed as areal matrix detector detector in the focal plane of the optics and connected to the detector electronic signal evaluation is designed such that distinction can be made between point-like and line-shaped luminous points of the diffraction order, the method comprising the following steps:
  • Such criteria may be: local contrast, roundness of the point, size, etc.
  • the center is determined with subpixel accuracy.
  • diffraction patterns could include diffraction patterns.
  • the points of such a diffraction pattern lie relative to each other at exactly definable points in the image.
  • these locations can be accurately determined to a few 1/10 pixels. Due to the subpixel accurate determination of the point centers, misallocations can be prevented / reduced.
  • Fig. 2 shows the 0th, +/- 1st, and 2nd order of a fringe grid having a fixed grating constant of an incoherent source as fringes;
  • Fig. 3 The 0th, +/- 1st, and 2nd order of a stripe grid with two different fixed lattice constants of a coherent source as colons;
  • FIG. 4 shows the 0th, +/- 1st and 2nd order of a stripe grating with two different fixed grating constants of an incoherent source as a double stripe;
  • 5a shows a cross-section of a sensor with a strip grid in front of a standard optics
  • 5b shows a cross-section of a sensor with a wide-angle attachment placed in front of the strip grid and the standard optics
  • Figure 6 shows the 0 th, +/- 1 th and +/- 2 nd order of a band grating with the aid of a standard objective on the image sensor matrix
  • FIG. 7 shows the mapping of 0th, +/- 1st, and +/- 2nd order of a strip grating with the aid of a panoramic optical system
  • FIG. 8a shows a cross-section of the beam path in the illustration of the + 1st, Oth and -1st orders through the standard objective strip grid
  • Fig. 8c Cross-section of the beam path in the illustration of the + 1th, 0th and -1st orders through the strip grid with a cylindrical strip grid attachment in front of the standard objective.
  • FIG. 1 shows a device 1 for detecting, locating and tracking laser radiation sources, in which the 0th, +/- 1st, and 2nd order of a lattice grating 2 with a fixed lattice constant of a coherent laser source 8 is shown in FIG Points are imaged with a camera lens as optics 3 on the focal plane detector array of the camera as a detector 4.
  • the angle of incidence ⁇ 0 and the diffraction angle ⁇ n of +/- 1 th and +/- 2 nd order are plotted in the image.
  • Figure 2 shows a device 1 similar to that shown in Figure 1, in which the 0th, +/- 1st, and 2nd order of a strip grating 2 with a fixed grating constant of an incoherent source is striped with a camera lens the focal plane detector array of the camera are shown.
  • the angle of incidence ⁇ 0 and the diffraction angles ⁇ n of the +/- 1-th and +/- 2-th order are also marked in the image.
  • FIG. 3 shows a device 1 similar to that shown in FIG. 1, in which the 0th, +/- 1st and +/- 2nd order of a stripe lattice 2 with two different fixed lattice constants of a coherent source as colons a and b are formed in every order down to the 0th order.
  • FIG. 4 shows a device 1 similar to that shown in FIG. 1, in which the Oth, +/- 1st and +/- 2nd order of a stripe lattice 2 with two different fixed lattice constants of an incoherent source as double stripe A and B are formed in every order down to the 0th order.
  • Figure 5a shows a cross section of a sensor with a strip grid 2 in front of a standard optics 3
  • Figure 5b shows a cross section of a sensor with a before the strip grid 2 and the standard optics 3 vorcalledem wide-angle attachment (fisheye attachment) 6 with marked marginal rays of the image to the matrix sensor ,
  • FIG. 6 shows the illustration of 0th, +/- 1st, and +/- 2nd order of a strip grid with the aid of a standard objective on the image sensor matrix (focal plane array). Shown are some possible cases of mapping the orders, top twice in the image where all orders are mapped within the sensor matrix, the third case where the 0th order is just mapped to the edge of the matrix and only the -1th and -2 -th order lie within the sensor. The fourth case shows the limiting case where the -2nd order hits the sensor. These borderline cases are still marked with a dashed line.
  • FIG. 7 shows the illustration of 0th, +/- 1st, and +/- 2nd order of a strip grating with the aid of a panoramic optic consisting of a pruning optic header placed on the strip grating and a standard objective on the image sensor matrix.
  • Plotted (gray) is the image field of the optics on the image sensor matrix with different angles of view to the optical axis of the optics and the mapping of the different orders of the stripe grid between the standard optics and the optics of coherent source for different cases of image position, with all or only some orders within the image field.
  • FIG. 8a shows a cross-section of the beam path in the illustration of the + 1th, 0th and -1st orders by means of a strip grid 2 with standard objective 3, FIG 8b when imaged by a fisheye lens 6 and FIG. 8c when imaged by a cylindrical lattice grille attachment 7 in front of the standard objective 3.

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Abstract

Eine Vorrichtung (1) zur Erkennung, Lokalisierung und Verfolgung von Laserstrahlungsquellen (8) mit einem im Bildfeld einer abbildenden Optik (3) strahlungsempfindlichen Detektor (4) und einer mit dem Detektor (4) verbundenen elektronischen Signalauswertung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Laserstrahlungsquelle (8) und der Optik (3) ein als Strichgitter (2) ausgebildetes Beugungsgitter angeordnet ist. Ferner ist ein Verfahren zur Bildverarbeitung der mit der Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 gewonnen Bilder angegeben. Hierdurch werden die Nachteile des Standes der Technik vermieden und eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Erkennung und Lokalisierung von Laserstrahlquellen geschaffen, die/das eine Laserquelle unabhängig von ihrer Zeitcharakteristik bei sehr geringer Strahlungsleistung detektiert und gleichzeitig ihre genaue Winkellage innerhalb eines ausgedehnten Blickwinkels des Sensors mit hoher Detektionswahrscheinlichkeit und niedriger Fehlalarmrate feststellen kann.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Erkennung und Lokalisierung von
Laserstrahlungsquellen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung, Lokalisierung und Verfolgung von Laserstrahlungsquellen im Bildfeld einer Kamera mit vorgesetztem optischen Kohärenzfilter und einer mit der Kamera verbundenen Signalauswertung sowie ein Verfahren zur Erkennung, Lokalisierung und Verfolgung von Laserstrahlungsquellen mit einer derartigen Vorrichtung.
Da Lasergeräte im militärischen Bereich für verschiedenste Zwecke eingesetzt werden, sind zum Schutz und zur Einleitung von Gegenmaßnahmen gegen Laserbedrohungen Sensoren erforderlich, die solche Laserquellen entdecken und lokalisieren können. Derartige Vorrichtungen sind z.B. aus den Anmeldungen DE 33 23 828 C2 oder DE 35 25 518 C2, die zur Detektion und Lokalisierung von
Pulslaserquellen wie sie z. B. für Entfernungsmesser, Zielbeleuchter oder Blendlaser verwendet werden, sowie aus EP 0283538 A1 , die zusätzlich auch die Strahlung von modulierten Dauerstrichlasern z.B. die von Laserstrahlreiterwaffen erfassen kann, bekannt.
In zivilen Anwendungen z.B. bei der Landvermessung, Geschwindigkeitsmessung von Fahrzeugen oder der optischen Datenübertragung wird auch die Anzeige der Präsenz und Position von Laserquellen zunehmend verlangt.
Die Laserstrahlung sowohl von militärischen als auch von zivilen Systemen dieser Art liegt meistens im nahen Infrarotbereich und kann somit vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden. Da die Laser-Wellenlänge einer Bedrohung meist unbekannt ist, muss ein Laserwarnsensor, der für den Empfang in diesem Bereich ausgelegt ist, eine ausreichende spektrale Empfangsbandbreite besitzen. Dies erschwert dann die Identifizierung der schmalbandigen Laserstrahlung unter den breitbandigen natürlichen und technischen Quellen der Umgebung. Deshalb werden Laserquellen mit den meisten Laserwarnsensoren anhand des Unter- schieds des zeitlichen Ablaufs ihrer Emission gegenüber den inkohärenten Quellen detektiert. So können Entfernungsmesser, Zielbeleuchter und Blendlaser wegen der Emissionsdauer ihrer einzelnen Pulse von Nanosekunden sogar von den schnellsten inkohärenten Quellen wie Blitzgeräten mit einer Dauer in Mikrosekun- den unterschieden werden. Andererseits kann die modulierte Dauerstrich- Strahlung von Laserstrahlreitern auf Grund ihrer festen Modulationsfrequenzen durch Frequenzabtastung im Zeitraum, erkannt werden.
Die Erkennung von Laserquellen innerhalb des Strahlenhintergrunds der Umge- bung mit Hilfe des Prinzips der Zeitanalyse wird aber heute dadurch erschwert, dass mit dem Fortschritt der Entwicklung der primären Laserquellen Laserbedrohungen mit komplexem Zeitverlauf z.B. in Pulspaketen mit hoher Wiederholfrequenz und gleichzeitig geringer Laserleistung zunehmend im militärischen Bereich in Erscheinung treten. Auch die Detektion von modulierter Dauerstrich-Strahlung wird wegen der inzwischen vorhandenen Vielfalt der Modulationsfrequenzen und der möglichen Verwechslung mit modulierten inkohärenten Strahlungsquellen deutlich schwieriger.
Außer der Detektion der Präsenz einer Laser-Bedrohung innerhalb eines größeren Blickwinkels eines Laser-Warnsensors muss gleichzeitig für das Einleiten einer passiven oder aktiven Gegenmaßnahme der Einfallswinkel des Laserstrahls bzw. die Position der Strahlquelle im Umfeld mit ausreichender Genauigkeit von dem Sensor ermittelt werden. Da für Zeitanalysen jedoch sehr schnelle einzelne Photodetektoren gebraucht werden, können unterschiedliche Einfallsrichtungen erst mit einem Array von Photodetektoren und Lochmasken, die ihre Blickrichtung individuell festlegen wie in dem US-Patent 5,428,215 Digital High Angular Resolution Laser Irraditation Detector (HARLID), oder durch die Laufzeitkodierung von einfallenden kurzen Laserpulsen über Glasfasern unterschiedlicher Länge wie in dem deutschen Patent DE 3525518 C2 Vorrichtung zur Erkennung und Richtungsde- tektion von Laserstrahlung beschrieben, durchgeführt werden. Mit einem sehr hohen technischen Aufwand gelingt hier die bescheidene Winkelauflösung von einigen Grad. Mit der baldigen Verfügbarkeit von aktiven optischen Gegenmaßnah- men gegen Laserbedrohungen, z.B. durch Blend- und Störlaser, wachsen jedoch bald die Anforderungen an die Winkelauflösung von Laserwarnsensoren auf Bruchteile von Grad.
Eine Voraussetzung für die Nutzbarkeit von Laserwarnsensoren ist eine hohe De- tektionswahrscheinlichkeit von Laserbedrohungen bei gleichzeitig niedriger Fehlalarmrate durch anderweitige optische und elektronische Störungen, welche eine möglichst große Empfangsapertur des Sensors verlangt. Im Gegensatz dazu sollte die Empfangsfläche der Photodioden möglichst klein sein, um schnelle Lichtsigna- Ie aufzulösen und um gleichzeitig eine hohe Richtungsauflösung zu erzielen. Ein Kompromiss zwischen diesen gegenläufigen Forderungen kann bei zeitauflösenden Laserwarnsensoren erst durch eine sehr aufwendige Signalverarbeitung gefunden werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Erkennung und Lokalisierung von Laserstrahlquellen zu schaffen, die/das eine Laserquelle unabhängig von ihrer Zeitcharakteristik, d.h. unabhängig davon, ob sie gepulst, im Dauerstrich oder moduliert ist, bei sehr geringer Strahlungsleistung detektiert und gleichzeitig ihre genaue Winkellage innerhalb eines ausgedehnten Blickwinkels des Sensors mit hoher Detektionswahrscheinlichkeit und niedriger Fehlalarmrate feststellen kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Hierdurch werden die Nachteile des Standes der Technik vermieden und eine Vor- richtung sowie ein Verfahren zur Erkennung und Lokalisierung von Laserstrahlquellen geschaffen, die/das eine Laserquelle annähernd unabhängig von ihrer Zeitcharakteristik bei sehr geringer Strahlungsleistung detektiert und gleichzeitig ihre genaue Winkellage innerhalb eines ausgedehnten Blickwinkels des Sensors mit hoher Detektionswahrscheinlichkeit und niedriger Fehlalarmrate feststellen kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht hierfür anstatt der Verwendung von Einzeldetektoren oder Detektorarrays mit Lochmasken als Eintrittspupille sowie bei bisherigen Warnsensoren ein Kamerasystem mit Objektiv und Bildsensor (Focal- Plane-Array) vor. Dies hat den grundlegenden Vorteil, dass die Einfallsrichtung einer Laserbedrohung durch die Abbildung der Umgebung auf den Bildsensor di- rekt ermittelt wird, und dass die Größe der Eintrittspupille durch den Objektivdurchmesser zusammen mit der Objektivblende variabel eingestellt werden kann. Die hierbei verwendeten Eintrittspupillen eines Kamerasystems sind bei weitem größer als die bisheriger Laserwarnsensoren.
Diese Maßnahme alleine genügt aber nicht, um Laserquellen von anderen Quellen der Umgebung zur unterscheiden. Deshalb greift die Erfindung auf die zwei grundlegenden Eigenschaften einer Laserquelle, nämlich ihre räumliche und zeitliche Kohärenz zurück, und verwendet für ihre Auswertung ein Kamerasystem mit einem vorgesetzten Kohärenzfilter, das zu unterschiedlicher Abbildung von kohären- ten und inkohärenten Quellen in der Bildebene der Kamera führt. Eine Laser- Bedrohung ist eine Strahlungsquelle mit einer hohen räumlichen Kohärenz, denn die Bildgröße einer Laserquelle in großer Entfernung von einer Kamera ist ein Punkt mit einer Ausdehnung, die der Grenze der Abbildungsauflösung der Kamera entspricht.
Da jedoch auch viele inkohärente Quellen der Umgebung wie z.B. Sonnenreflexe, Sterne, Straßenlampen, Fahrzeuglichter, usw. in größerer Entfernung auch unter einem sehr kleinen Bildwinkel erscheinen, und damit eine mit der Laserquelle vergleichbare räumliche Kohärenz besitzen, genügt die räumliche Kohärenz nicht alleine als Unterscheidungsmerkmal. Daher wird zusätzlich die zeitliche Kohärenz verwendet, um Laser von anderen Quellen sicher zu unterscheiden. Die Unterscheidung der zeitlichen Kohärenz, die gleichwertig mit der spektralen Bandbreite der Strahlung ist, geschieht nun im Sinne der Erfindung dadurch, dass ein vor dem Kamera-Objektiv angeordneter Spektrum-Analysator vorgesehen ist, der als ein lineares holografisches Transmissionsgitter, d.h. ein Strichgitter ausge- legt ist, das die Bilder der Kamera von Punktquellen in Linienspektren aufspaltet, deren Länge der Bandbreite der Quelle entspricht. Mit dieser Zusatzvorrichtung werden dann inkohärente Punktquellen als Strichmuster abgebildet, die zeitlich kohärenten Laserpunktquellen der Bedrohungen dagegen auf Grund ihrer geringen spektralen Bandbreite weiterhin als Punktmuster. Flächenhafte inkohärente bzw. kohärente Quellen werden weiterhin als diffuse Bilder wiedergegeben. Zur Erkennung des Abbildes der Laserbedrohung wird dann eine nachträgliche Bildverarbeitung, die auf die Unterscheidung von Punkt und Strich bzw. Punkt im diffusen Hintergrund ausgelegt ist, eingesetzt.
Die Verwendung eines linearen Gitters (Strich- oder Streifengitter), d.h. eines 1- dimensionalen Gitters, bringt gegenüber einem holografischen Kreuzgitter, d.h. einem 2-dimensionalen Gitter, die entscheidenden Vorteile der einfacheren Herstellbarkeit, der um etwa einen Faktor 3 höheren Lichtintensität in den einzelnen Ordnungen, bei gleichem Hologramm, gleicher Gitterkonstante und gleicher Ord- nungszahl und der erheblich einfacheren Bildverarbeitung der Beugungsmuster. Außer der grundsätzlich anderen Auslegung des linearen Gitters bringt es im Vergleich zum Kreuzgitter einen deutlichen Fortschritt.
Die grundsätzliche Funktion eines Transmissionsstrichgitters ist dem Fachmann bekannt. Ist αoder Einfallswinkel eines Lichtstrahles in der Einfallsebene senkrecht auf das Strichgitter, dann wird das Licht beim Durchgang durch das Gitter um einen Winkel α gebeugt. Die gebeugte Lichtwelle wird mit einer Linse fokussiert und es entstehen in der Fokusebene bei den Winkeln αn in den Ordnungen n = 0, +/-1 , +/-2,....etc Intensitätsmaxima für die Wellenlänge des einfallenden Lichtes λ mit:
sin αn - sin α0 = n λ/g wobei g die Gitterkonstante des Transmissionsgitters darstellt. Mit α0 = 0°, g = 4μm, n = 1 , ist z.B. αn = 15,4° bei λ = 1 ,06μm und απ = 12,3° bei λ = 0,85μm
Bei der Verwendung eines Strichgitters sind folgende Eigenschaften von Bedeu- tung:
• Monochromatische Punktquellen werden als Punkte entlang einer Linie senkrecht zu den Streifen des Gitters als scharfe Intensitätsmaxima in der Bildebene, z.B. einer Kamera abgebildet, breitbandige Punktquellen hingegen als ausgedehnte Striche und können somit von einander unterschieden werden.
• Flächenhafte breitbandige Lichtquellen erzeugen ein verschmiertes Mosaik über die ganze Bildfläche; die Hintergrundstrahlung wird dadurch über die ganze Bildfläche homogenisiert, was die Erkennung von punktförmigen Abbildungen von Laserquellen erleichtert. Flächenhafte schmalbandige
Quellen, wie z.B. Reflexe in der unmittelbaren Umgebung des Sensors werden in ihrer Form als mehrfaches direktes Abbild in den verschiedenen Ordnungen in ihrer Intensität auf sie verteilt.
• Die nullte Ordnung des Beugungsmusters liegt auf der Hauptachse der ein- fallenden Lichtwelle, geht also ohne Beugung durch das Gitter. Diese Richtung ist auch die Symmetrierichtung des Beugungsmusters höherer Ordnungen. Die Richtung zur Strahlungsquelle kann damit eindeutig aus dem Beugungsmuster ermittelt werden.
• Der Beugungswinkel verschiebt sich mit der Wellenlänge nach der Formel Δα = n/g ■ Δλ/cos α, d.h. die zentrale Wellenlänge der Lichtquelle kann aus der Winkellage der Beugungsmaxima und die spektrale Bandbreite der Quelle aus der Winkelbreite der Spektrallinie bestimmt werden.
• Bei höheren Ordnungen vervielfacht sich der Beugungswinkel. Bei kürzeren
Gitterabständen vergrößert sich die Wellenlängenauflösung, gleichzeitig auch der Beugungswinkel. Die folgenden Rechenbeispiele zeigen beispielhaft die Wirksamkeit des Lasers mit Δλ = 1nm Δα = 0,24Millirad. Bei einer Brennweite des Kameraobjektivs von f = 8mm entspricht dies einer linearen Streckung des Bildes um Δx = 2μm. Da die Pixelgröße einer CCD Kamera typischerweise 5-7μm beträgt, entspricht diese Bandbreite einem Drittel des Durchmessers eines Bildpixels. Ein Abbild eines Reflexes der Sonne oder einer fernen Glühbirne mit Δλ = 250nm im nahen Infraroten zwischen 850nm bis 1100nm wird dann entsprechend über etwa 100 Pixel in der Fokalebene der Kamera ausgedehnt. Eine technische Quelle mit einer Bandbreite von 25nm oder eine Punktquelle mit Spektrallinien von Leuchtstoffröhren oder Leuchtdioden wird als Abbild etwa 10 Pixel in der ersten Ordnung und 20 Pixel in der zweiten Ordnung bedecken.
Da die lineare Vergrößerung von inkohärenten Punktquellen in Richtung senkrecht zu den Gitterstreifen proportional zu ihrer Bandbreite ist, wird ihre Intensität in der ersten Ordnung im gleichen Maße abgeschwächt. Damit wird auch das Intensitätsverhältnis zwischen Laserquelle und inkohärenter Quelle im gleichen Verhältnis zu Gunsten der Laserdetektion verbessert. Mit dem Rechenbeispiel von oben beträgt dieser Faktor in der ersten Ordnung, bei Glühlampen bereits 1 :100 bei der Sonne etwa 1 :50 und bei Leuchtdioden 1 :10.
In einigen Anwendungsfällen kann ein Gitter mit einer festen Gitterkonstante g und regelmässiger Anordnung der Beugungsordnungen bevorzugt werden. Die Verwendung von einem Strichgitter mit zwei unterschiedlichen Gitterkonstanten g und g' im gleichen Gitter, d.h. einem bimodalem Gitter mit nur leicht unterschiedlichen Werten für g und g' führt bei kohärenten Quellen zu der Ausbildung von Punktpaaren in den Ordnungen +/-1 , +/-2,.... usw. Aber nicht in der Nullten-Ordnung, in welcher keine spektrale Zerlegung stattfindet. Damit eignet sich ein solches Gitter besonders vorteilhaft zu einer eindeutigen Unterscheidung zwischen der nullten und höheren Ordnungen und darüber hinaus zur Unterscheidung von elektroni- sehen Störungen die eventuell auch als Punkte im Bild erscheinen. Eine Verwendung von einer noch größeren Anzahl von Gitterkonstanten kann ebenso von Vorteil sein. Die Punktpaare, deren Winkelabstand in den verschiedenen Ordnungen durch die obige Formel berechnet werden kann, werden z.B. bevorzugt so eingestellt, dass die Punkte z.B. in der ersten Ordnung nur um einige Pixel (z.B. einige Nanometer) auseinanderliegen.
Die für den Kohärenzdetektor vorgesehenen Strichgitter sind vorzugsweise sogenannte holografische Gitter, die durch optische Belichtung oder durch Elektronenstrahl-Lithografie als Masterhologramme geschrieben werden können, woraus dann mit Ätztechniken, Prägetechnik oder Umbelichtung Hologrammkopien in hoher Anzahl mit geringen Kosten hergestellt werden können. Hier gibt es zwei Klassen von Hologrammen, erstens sogenannte Oberflächenrelief-Hologramme und zweitens Volumen-Phasen-Hologramme, wobei eine einfallende Welle bei dem ersten durch die unterschiedlich langen Wege in der Reliefstruktur, und bei dem zweiten durch strukturierte Variationen des Brechungsindexes gebeugt wird.
Hologramme des ersten Typs können in verschiedensten optischen Materialträgern aufgenommen werden, wie Gläsern, Kunststoffen, Photoresist oder ähnlichem. Reflexionsgitter können dabei durch zusätzliche Metallisierung der Oberflä- che hergestellt werden. Volumen- Phasenhologramme können dagegen nur in Materialien, die für Volumen-Hologramm-Belichtung geeignet sind, wie Silber- Halogenide, Dichromatgelatine oder Photopolymer sowohl als Transmissions- als auch Reflexionshologramme aufgenommen werden.
Es versteht sich, dass je nach Anwendungsfall der Erfindung unterschiedliche Hologrammtypen bevorzugt sein können.
Für einen Kohärenzsensor im Sinne der Erfindung können handelsübliche Objektive, Standardobjektive und Weitwinkel-Objektive verwendet werden. Bei einem Standardobjektiv mit einem Blickwinkel von 40°x 30° wird das Strichgitterhologramm vorzugsweise direkt vor dem Objektiv montiert. Parallele Strahlen von einer Punktquelle werden dann nach dem Durchgang durch das Gitter als eine Rei- he von Parallelstrahlen mit unterschiedlichem Winkel auf das Objektiv treffen, wobei jedes Parallelbündel von einer kohärenten Quelle als Punkt in der Brennebene der Kamera abgebildet wird.
Je nach Winkellage der Quelle verschiebt sich das gesamte Beugungsbild mit einem Parallelversatz über die Brennebene. Die gemeinsame Achse der Ordnungen ist senkrecht zum Strichgitter und kann gegen die Hauptrichtungen des Brennebe- nen-Arrays beliebig mit dem Gitter gedreht werden. Liegt die Quelle am Rande des Blickfeldes der Kamera, so liegen noch Ordnungen weit innerhalb des Feldes. Liegt die Quelle außerhalb des Blickfeldes, so werden über einen gewissen Winkelbereich noch Ordnungen in das Blickfeld der Kamera hineingebeugt und abgebildet, d.h. durch das Gitter wird das Blickfeld der Kamera für Punktquellen erweitert.
In vielen Anwendungsfällen wird verlangt, dass ein Laserwarnsensor einen kompletten Halbraum um militärische Fahrzeuge (180° x 360°) abdeckt. Für Hubschrauber und Flugzeuge wird sogar die ganze Hemisphäre verlangt (360°x 360°). Damit eine nicht zu große Anzahl von Sensoren für diese weite Abdeckung gebraucht wird, sieht die Erfindung vor, dass mit einer Weitwinkel-Vorsatzoptik (Fischaugenvorsatz) der Winkelbereich eines Standardobjektivs auf 180° x 360° erweitert werden kann. In diesem Fall wird das Gitter vorzugsweise zwischen dem Vorsatz und dem Standardobjektiv montiert. Die unvermeidliche Bildverzerrung des Vorsatzes hat dann keinen Einfluss auf die Abbildung der Beugungsordnungen durch das Standardobjektiv, nur das Beugungsmuster als Ganzes folgt dann der Verzerrung des Bildfeldes. Alternativ kann eine andere Ausführung einer Fischaugen-Optik Verwendung finden, die nicht als Vorsatzoptik eines Standardobjektivs sondern als eine Einheitsoptik der Kamera ausgelegt ist. In diesem Fall kann das Strichgitter entweder vor oder zwischen Linsen dieser Optik integriert werden.
Die Erfindung sieht eine weitere Variante zur Vergrößerung des Bildwinkels vor, die auf eine Weitwinkel-Optik verzichtet aber eine Neugestaltung des Strichgitter- Vorsatzes aufweist. Dies kann beispielsweise ein zylindrisches Strichgitter mit kreisförmigen Streifen, was koaxial mit der Achse eines Standardobjektivs vor diesem montiert ist. Dieses Gitter beugt einen Teil von Ordnungen von Strahlen außerhalb des Blickfeldes in das Blickfeld hinein und damit können sie ausgewertet werden.
Vorteilhafterweise können handelsüblichen Si (Silizium) CCD- und CMOS- Kameras für die heute wichtigsten Bedrohungen im Wellenlängenbereich 0,8μm - 1 ,1 μm verwendet werden. Wegen der möglichen starken Intensität der Sonnen- Strahlung in diesem Wellenlängenintervall, dagegen aber die Intensität der Bedrohung sehr schwach sein kann (10"4 W/m2), ist es notwendig Kameras vorzusehen, die eine sehr hohe optische Dynamik von über 5 Leistungsdekaden haben. Erleichtert wird die Aufgabe dadurch, dass das Gitter die Intensität der Sonne gegenüber einer Laserquelle alleine um einen Faktor 50 abschwächt. Handelsübli- che CCD-Kameras mit Anti-Blooming Charakteristik und hochdynamische CMOS- Kameras mit stufenweise einstellbarer Integrationszeit bzw. einer logarithmischen Kennlinie sind für diese Zwecke geeignet.
Im Wellenlängenbereich 1 ,1 μm - 1 ,7μm kommen vor allem Bedrohungen bei 1 ,5μm-1 ,6μm vor, die mit einer handelsüblichen InGaAs-Kamera mit dem Empfindlichkeitsbereich von 0,85μm-1 ,7μm abgedeckt werden können.
Für den Wellenlängebereich 3-5μm sind Infrarotkameras mit Platin-Silizid (PtSi) oder Indium-Antimonid (ln:Sb) Detektoren und in dem Wellenlängenbereich 8- 12μm Quecksilber Cadmium Tellurid (HgCdTe) oder Mikrobolometer-Kameras auf der Basis von amorphem Silizium auf dem Markt verfügbar. Einige dieser Detektoren bedürfen einer zusätzlichen Kühlung bzw. Temperaturstabilisierung.
Zur Auswertung der Beugungsbilder ist vorteilhafterweise eine dafür geeignete schnelle Elektronik (ASIC oder FPGA) vorgesehen, die an die Kamera angeschlossen ist und die die gewonnenen Einzelbilder in Echtzeit mit einem darauf implementierten Bildverarbeitungsalgorithmus auswertet. Die Erfindung sieht vor, dass der vorgeschlagene Sensor sowohl für Dauerstrich- Laserbedrohungen als auch gepulste Laserbedrohungen einsetzbar ist, denn zusätzlich zu der großen Empfangsapertur hat eine Kamera eine lange Integrations- zeit von 10-50ms und mit der Aufteilung des Lichtempfangs auf nur wenige Ordnungen z.B. 3-5 verteilt verbleibt ein Anteil von 20-33% in jedem Bildpunkt, was die Detektion besonders lichtschwacher modulierter Dauerstrichquellen ermöglicht.
Die große Empfangspupille ermöglicht zusätzlich die Detektion von gepulster Laserbedrohung. Jeder Puls wird von der Kamera innerhalb ihrer Belichtungszeit aufgenommen, denn bei modernen Kameras werden sogenannte Totzeiten, die beim Auslesen des Bildsensors entstehen können vermieden. Somit ist ein kontinuierlicher Empfang der Kamera für kurze Pulse gewährleistet. Wegen der La- dungsintegration der Kamera gehen Einzelheiten wie z.B. die Bildwiederholfrequenz verloren aber mit einer typischen Bildwiederholfrequenz von 20-60Hz kann die Kamera zwischen Einzelpulsbedrohungen (Laserentfernungsmesser) und Bedrohungen mit niedrigen Pulsfrequenzen von 10-20Hz (Zielbeleuchter) unterscheiden und die Pulsfrequenz ermitteln. Für die Aufzeichnung höherer Frequen- zen im Kiloherzbereich ist eine höhere Bildwiederholfrequenz erforderlich, welche auch von einigen Kameras ermöglicht wird.
Die Erfindung sieht vor, dass die Bildwiederholfrequenz der Kamera ausreichend hoch ist, um die Bewegung der Bedrohung innerhalb des Blickwinkels des Laser- Warnsensors, - sei es durch die Bewegung der Bedrohung selbst oder sei es durch die Bewegung der Plattform auf der der Laserwarnsensor montiert ist - für eine Warnung oder Gegenmaßnahmen zu verfolgen. Eine ausreichende Bildwiederholungsfrequenz der Kamera sorgt erfindungsgemäß dafür, dass aus den zeitlichen Veränderungen des Beugungsmusters und den Beugungswinkeln αn, die momentanen Koordinaten, die Geschwindigkeit und gegebenenfalls die Bewegungsrichtung der Bedrohung ausgerechnet werden können. Solange der Bedro- hungslaser innerhalb des Blickwinkels des Laserwarnsensors fällt, kann die Position der Bedrohung, die selbst beweglich sein kann, ermittelt und zeitlich verfolgt werden. Gegebenenfalls kann eine Warnung oder Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.
Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass entweder der Laserwarnsensor alleine die notwendige Bildinformationen liefert, oder dass die Koordinaten der Laserbedrohung in das Blickfeld anhand anderer Kameraaufnahmen der gleichen Umgebung, z.B. einer identischen Kamera ohne Gittervorsatz, einer IR-Kamera oder einer Nachtsichtkamera, eingespiegelt werden.
Ferner ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Bildverarbeitung der mit der Vorrichtung nach Anspruch 1 gewonnen Bilder vorgesehen, wobei die Beugungsordnungen des Streifengitters auf dem als flächenhaften Matrizendetektor ausgebildeten Detektor in der Brennebene der Optik abgebildet werden und die mit dem Detektor verbundene elektronische Signalauswertung derart ausgebildet ist, dass zwischen punktförmigen und strichförmigen Leuchtpunkten der Beugungsordnung unterschieden werden kann, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Suchen von Einzelpunkten im Gesamtbild gemäß lokaler Kriterien. Derartige Kriterien können sein: lokaler Kontrast, Rundheit des Punktes, Größe, etc.
Bei den gefundenen Punkten wird das Zentrum mit Subpixel Genauigkeit bestimmt.
- Suchen von möglichen Partnerpunkten im Bild, die zu einem gemeinsamen
Beugungsmuster gehören könnten. Die Punkte eines solchen Beugungs- musters liegen relativ zueinander an exakt definierbaren Stellen im Bild. Bei einer gut vermessenen Kamera (d.h. Ausrichtung des Beugungsgitters und Verzeichnung des Kameraobjektivs werden exakt berücksichtigt) sind diese Stellen auf einige 1/10 Pixel genau bestimmbar. Durch die Subpixel genaue Bestimmung der Punktzentren können Fehlzuordnungen verhin- dert/vermindert werden.
- Lokales Unterscheiden von Punkten 1. Ordnung von Punkten 0. Ordnung.
Bei einem bimodalem Gitter bestehen die „Punkte" der 1. Ordnung (und höhere Ordnungen) aus Doppelpunkten. Das ergibt ein sehr wesentliches lokales Kriterium.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 Die 0-te, +/-1-te und +/-2-te Ordnung eines Streifengitters mit einer fes- ten Gitterkonstante einer kohärenten Laserquelle als Punkte;
Fig. 2 Die 0-te, +/-1-te und +/-2-te Ordnung eines Streifengitters mit einer festen Gitterkonstante einer inkohärenten Quelle als Streifen;
Fig. 3 Die 0-te, +/-1-te und +/-2-te Ordnung eines Streifengitters mit zwei unterschiedlichen festen Gitterkonstanten einer kohärenten Quelle als Doppelpunkte;
Fig. 4 Die 0-te, +/-1-te und +/-2-te Ordnung eines Streifengitters mit zwei unterschiedlichen festen Gitterkonstanten einer inkohärenten Quelle als Doppelstrei- fen;
Fig. 5a Querschnitt eines Sensors mit einem Streifengitter vor einer Standardoptik;
Fig. 5b Querschnitt eines Sensors mit einer vor dem Streifengitter und der Standardoptik vorgesetztem Weitwinkelvorsatz;
Fig. 6 Abbildung von 0-ten, +/-1-ten und +/-2-ten Ordnung eines Streifengitters mit Hilfe einer Standardobjektivs auf die Bildsensor-Matrix;
Fig. 7 Die Abbildung von 0-ten, +/-1-ten und +/-2-ten Ordnung eines Streifengitters mit Hilfe einer Panoramaoptik; Fig. 8a Querschnitt des Strahlenganges bei der Abbildung der +1-ten, O-ten und -1-ten Ordnungen durch das Streifengitter mit Standardobjektiv;
Fig. 8b Querschnitt des Strahlenganges bei der Abbildung der +1-ten, 0-ten und -1-ten Ordnungen durch das Streifengitter mit Fischaugenobjektiv; und
Fig. 8c Querschnitt des Strahlenganges bei der Abbildung der +1-ten, 0-ten und -1-ten Ordnungen durch das Streifengitter mit einem zylindrischen Streifengit- ter-Vorsatz vor dem Standardobjektiv.
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Erkennung, Lokalisierung und Verfolgung von Laserstrahlungsquellen, bei der die 0-te, +/-1-te und +/-2-te Ordnung eines Strei- fengitters 2 mit einer festen Gitterkonstante einer kohärenten Laserquelle 8 als Punkte mit einem Kameraobjektiv als Optik 3 auf das Brennebenen-Detektorarray der Kamera als Detektor 4 abgebildet sind. Eingezeichnet sind im Bild zusätzlich der Einfallswinkel α0 und die Beugungswinkel αn der +/-1-ten und +/-2-ten Ordnung.
Figur 2 zeigt eine Vorrichtung 1 ähnlich der in Figur 1 gezeigten, bei der die 0-te, +/-1-te und +/-2-te Ordnung eines Streifengitters 2 mit einer festen Gitterkonstante einer inkohärenten Quelle als Streifen mit einem Kameraobjektiv auf das Brennebenen-Detektorarray der Kamera abgebildet sind. Eingezeichnet sind im Bild zu- sätzlich der Einfallswinkel α0 und die Beugungswinkel αn der +/-1-ten und +/-2-ten Ordnung.
Figur 3 zeigt eine Vorrichtung 1 ähnlich der in Figur 1 gezeigten, bei der die 0-te, +/-1-te und +/-2-te Ordnung eines Streifengitters 2 mit zwei unterschiedlichen fes- ten Gitterkonstanten einer kohärenten Quelle als Doppelpunkte a und b in jeder Ordnung bis auf die 0-ten Ordnung ausgebildet sind. Figur 4 zeigt eine Vorrichtung 1 ähnlich der in Figur 1 gezeigten, bei der die O-te, +/-1-te und +/-2-te Ordnung eines Streifengitters 2 mit zwei unterschiedlichen festen Gitterkonstanten einer inkohärenten Quelle als Doppelstreifen A und B in jeder Ordnung bis auf die 0-te Ordnung ausgebildet sind.
Figur 5a zeigt einen Querschnitt eines Sensors mit einem Streifengitter 2 vor einer Standardoptik 3 und Figur 5b einen Querschnitt eines Sensors mit einer vor dem Streifengitter 2 und der Standardoptik 3 vorgesetztem Weitwinkelvorsatz (Fischaugen-Vorsatz) 6 mit eingezeichneten Randstrahlen der Abbildung bis zum Matrix- Sensor.
Figur 6 zeigt die Abbildung von 0-ten, +/-1-ten und +/-2-ten Ordnung eines Streifengitters mit Hilfe einer Standardobjektivs auf die Bildsensor-Matrix (Focal-Plane- Array). Eingezeichnet sind einige mögliche Fälle der Abbildung der Ordnungen, oben zweimal im Bild wo alle Ordnungen innerhalb der Sensormatrix abgebildet werden, der dritte Fall wo die 0-te Ordnung gerade noch am Rand der Matrix abgebildet wird und nur die -1-te und -2-te Ordnung innerhalb des Sensors liegen. Der vierte Fall zeigt den Grenzfall wo noch die -2te Ordnung auf den Sensor trifft. Diese Grenzfälle werden noch mit einer gestrichelten Linie gekennzeichnet.
Figur 7 zeigt die Abbildung von 0-ten, +/-1-ten und +/-2-ten Ordnung eines Streifengitters mit Hilfe einer Panoramaoptik bestehend aus einem dem Streifengitter und einem Standardobjektiv vorgesetztem Fischaufgenoptik-Vorsatz auf der Bildsensor-Matrix. Eingezeichnet (grau) ist das Bildfeld der Optik auf der Bildsensor- Matrix mit eingezeichneten unterschiedlichen Bildwinkel zu der optischen Achse der Optik und die Abbildung der unterschiedlichen Ordnungen des Streifengitters zwischen der Standardoptik und Vorsatzoptik von kohärenter Quelle für unterschiedliche Fälle der Bildlage, mit allen oder nur einigen Ordnungen innerhalb des Bildfeldes.
Figur 8a zeigt einen Querschnitt des Strahlenganges bei der Abbildung der +1-ten, 0-ten und -1-ten Ordnungen durch ein Streifengitter 2 mit Standardobjektiv 3, Figur 8b bei Abbildung durch ein Fischaugenobjektiv 6 und Figur 8c bei Abbildung durch einen zylindrischen Streifengitter-Vorsatz 7 vor dem Standardobjektiv 3.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend ange- gebenen Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung im Umfang der nachfolgenden Ansprüche auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung zur Erkennung, Lokalisierung und Verfolgung von Laserstrahlungsquellen
2 Streifengitter
3 Optik
4 Detektor 5 Bildsensor Matrix
6 Weitwinkelvorsatz (Fischaugenobjektiv)
7 Zylindrischer Streifengitter-Vorsatz
8 Laserstrahlungsquelle

Claims

Patentansprüche
I .Vorrichtung (1) zur Erkennung, Lokalisierung und Verfolgung von Laserstrahlungsquellen (8) mit einem im Bildfeld einer abbildenden Optik (3) strah- lungsempfindlichen Detektor (4) und einer mit dem Detektor (4) verbundenen elektronischen Signalauswertungseinrichtung, wobei zwischen der Laserstrahlungsquelle (8) und der Optik (3) ein Beugungsgitter angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter als Strichgitter (2) zum punktförmigen Abbilden kohärenter Laserstrahlung ausgebildet ist, und dass die elektronische Signalauswertungseinrichtung Erkennungsmittel zum Erkennen der punktförmigen Abbildungen und zum Lokalisieren der Richtung der Laserstrahlungsquelle aus dem Beugungsmuster aufweist, wobei zum Verfolgen der Relativbewegung der Laserstrahlungsquelle innerhalb des Blickwinkels der Vorrichtung der Detektor (4) mit einer ausrei- chenden Bildwiederholfrequenz vorgesehen ist.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Strichgitter (2) ein Weitwinkelvorsatz oder Fischaugenobjektiv (6) angeordnet ist.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Strichgitter (2) als zylindrischer Streifengitter-Vorsatz (7) ausgebildet ist.
4.Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Strichgitter (2) als Transmissions- oder Reflexionsgitter ausgebildet ist.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strichgitter (2) als Oberflächen-Relief- oder als VoIu- men-Phasengitter ausgebildet ist.
6. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strichgitter (2) nur mit einer Gitterkonstante, ein Gitter mit zwei unterschiedlichen Gitterkonstanten oder ein Gitter mit mehr als zwei unterschiedlichen Gitterkonstanten vorgesehen ist.
7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhenstruktur des Oberflächen-Relief-Gitters bzw. der Brechungsindexverlauf des Volumen-Phasengitters derart ausgebildet ist, dass die 0-te und die +/- 1-te Beugungsordnung in dem Gitter entstehen und höhere Ordnungen unterdrückt werden.
8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhenstruktur des Oberflächen-Relief-Gitters bzw. der Brechungsindexverlauf des Volumen-Phasengitters derart ausgebildet ist, dass die +/- 1-te Beugungsordnung in dem Gitter entstehen und die 0-te Ordnung und höhere Ordnungen unterdrückt werden.
9. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Höhenstruktur des Oberflächen-Relief-Gitters bzw. der Brechungsindexver- lauf des Volumen-Phasengitters derart ausgebildet ist, dass die 0-te und +/-
1-te und +/- 2-te Beugungsordnung in dem Gitter entstehen und höhere Ordnungen unterdrückt werden.
10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhenstruktur des Oberflächengitters des Oberflächen-Relief-Gitters bzw. der Brechungsindexverlauf des Volumen-Phasengitters derart ausgebildet ist, dass die positive und negative 1-te und 2-te Beugungsordnung in dem Gitter entstehen und höhere Ordnungen unterdrückt werden.
11. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu höheren Ordnungen alle negativen Beugungsordnungen unterdrückt werden.
12. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Kamera mit Standardobjektiv als Optik (3) und Detektor (4) vorgesehen ist.
13. Verfahren zur Erkennung und Lokalisierung von Laserstrahlungsquellen mit einer Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 , wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Abbilden der Beugungsordnungen des Streifengitters (2) auf dem als flä- chenhaften Matrizendetektor ausgebildeten Detektor (4) in der Brennebene der Optik (3);
- Erfassen von Leuchtpunkten durch den Detektor;
- Unterscheiden zwischen punktförmigen Leuchtpunkten, welche Laserstrahlungsquellen abbilden, und strichförmigen Leuchtpunkten, welche sonstige Strahlungsquellen abbilden, in der Signalauswertungseinrichtung;
- Lokalisieren der Richtung der Laserstrahlungsquelle aus dem Beugungsmuster auf dem Detektor.
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