Title:
Vorrichtung und Verfahren zur Erkennung und Lokalisierung von Laserstrahlungsquellen
Kind Code:
B4


Abstract:

Vorrichtung (1) zur Erkennung, Lokalisierung und Verfolgung von Laserstrahlungsquellen (8) mit einem im Bildfeld einer abbildenden Optik (3) angeordneten strahlungsempfindlichen Detektor (4) und einer mit dem Detektor (4) verbundenen elektronischen Signalauswertungseinrichtung, wobei zwischen der Laserstrahlungsquelle (8) und der Optik (3) ein Beugungsgitter angeordnet ist, derart dass die Beugungsanordnungen des Beugungsgitters auf dem Detektor in der Brennebene der Optik abgebildet werden und dass die elektronische Signalauswertungseinrichtung Erkennungsmittel zum Erkennen der punktförmigen Abbildungen und zum Lokalisieren der Richtung; der Laserstrahlungsquelle aus dem Beugungsmuster aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter ein Strichgitter ist, das als Oberflächen-Relief- oder als Volumen-Phasengitter zum punktförmigen Abbilden kohärenter Laserstrahlung ausgebildet ist, wobei die Höhenstruktur des Oberflächen-Relief-Gitters bzw. der Brechungsindexverlauf des Volumen-Phasengitters derart ausgebildet ist, dass
– die +/–1-te und +/–2-te Beugungsordnung in dem Gitter entsteht und die verbleibenden Beugungsordnungen unterdrückt werden, oder
– die +1-te und +2-te Beugungsordnung in dem Gitter entsteht und die verbleibenden Beugungsordnungen unterdrückt werden, oder
– die +/–1-te Beugungsordnung in dem Gitter entsteht und die verbleibenden Beugungsordnungen unterdrückt werden, oder
– die +1-te Beugungsordnung in dem Gitter entsteht und die verbleibenden Beugungsordnungen unterdrückt werden.




Inventors:
Diehl, Hermann (81827, München, DE)
Prücklmeier, Andreas (81373, München, DE)
Halldorsson, Thorsteinn (85586, Poing, DE)
Rehm, Wolfgang (88138, Hergensweiler, DE)
Application Number:
DE102007024051A
Publication Date:
11/27/2008
Filing Date:
05/22/2007
Assignee:
Airbus Defence and Space GmbH, 85521 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE19851010A1N/A2007-06-14
DE3525518C2N/A1987-10-15
DE3323828C2N/A1986-01-16



Foreign References:
FR2888333A12007-01-12
54282151995-06-27
61181192000-09-12
EP02835381988-09-28
WO1997045751A11997-12-04
Attorney, Agent or Firm:
isarpatent - Patentanwälte- und Rechtsanwälte Behnisch Barth Charles Hassa Peckmann & Partner mbB, 80801, München, DE
Claims:
1. Vorrichtung (1) zur Erkennung, Lokalisierung und Verfolgung von Laserstrahlungsquellen (8) mit einem im Bildfeld einer abbildenden Optik (3) angeordneten strahlungsempfindlichen Detektor (4) und einer mit dem Detektor (4) verbundenen elektronischen Signalauswertungseinrichtung, wobei zwischen der Laserstrahlungsquelle (8) und der Optik (3) ein Beugungsgitter angeordnet ist, derart dass die Beugungsanordnungen des Beugungsgitters auf dem Detektor in der Brennebene der Optik abgebildet werden und dass die elektronische Signalauswertungseinrichtung Erkennungsmittel zum Erkennen der punktförmigen Abbildungen und zum Lokalisieren der Richtung; der Laserstrahlungsquelle aus dem Beugungsmuster aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter ein Strichgitter ist, das als Oberflächen-Relief- oder als Volumen-Phasengitter zum punktförmigen Abbilden kohärenter Laserstrahlung ausgebildet ist, wobei die Höhenstruktur des Oberflächen-Relief-Gitters bzw. der Brechungsindexverlauf des Volumen-Phasengitters derart ausgebildet ist, dass
– die +/–1-te und +/–2-te Beugungsordnung in dem Gitter entsteht und die verbleibenden Beugungsordnungen unterdrückt werden, oder
– die +1-te und +2-te Beugungsordnung in dem Gitter entsteht und die verbleibenden Beugungsordnungen unterdrückt werden, oder
– die +/–1-te Beugungsordnung in dem Gitter entsteht und die verbleibenden Beugungsordnungen unterdrückt werden, oder
– die +1-te Beugungsordnung in dem Gitter entsteht und die verbleibenden Beugungsordnungen unterdrückt werden.

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 gekennzeichnet, dass das Strichgitter (2) als Transmissions- oder Reflexionsgitter ausgebildet ist.

5. 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.

6. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kamera mit Standardobjektiv als Optik (3) und Detektor (4) vorgesehen ist.

7. Verfahren zur Erkennung, Lokalisierung und Verfolgung von Laserstrahlungsquellen mit einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
– Abbilden der Beugungsordnungen des Streifengitters (2) auf dem als flächenhaften Matrizendetektor ausgebildeten Detektor (4) in der Brennebene der Optik (3);
– Erfassen von Leuchtpunkten durch den Detektor (4);
– 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.

Description:

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.

Die Druckschrift WO 97/45751 A1 offenbart ein Verfahren zur Richtungsbestimmung zu einem Objekt, welches optische Strahlung aussendet.

Die Lokalisierung von Laserstrahlungsquellen ist beschrieben in der FR 2888333 A1.

Weiter offenbart die US 6118119 A eine Vorrichtung zur spektralen Analyse bei simultaner Bestimmung von Richtung und Wellenlänge des Lichtstrahls.

Aus der DE 198 51 010 A1 ist eine Einrichtung zur Erkennung und Lokalisierung von Laserstrahlungsquellen unter Verwendung eines Kreuzgitters 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 Unterschieds 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 Mikrosekunden 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 Umgebung 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 Richtungsdetektion 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 Gegenmaßnahmen 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 Detektionswahrscheinlichkeit 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 Lichtsignale 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 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 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 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 direkt 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 kohärenten 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 ausgelegt 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 Ordnungszahl 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 α0 der 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: sinαn –sinαo = nλ/gwobei g die Gitterkonstante des Transmissionsgitters darstellt. Mit αo = 0°, g = 4 μm, n = 1, ist z. B. αn = 15,4° bei λ = 1,06 μm und αn = 12,3° bei λ = 0,85 μm

Bei der Verwendung eines Strichgitters sind folgende Eigenschaften von Bedeutung:

  • • 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 einfallenden 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/cosα, 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 = 1 nm Δα = 0,24 Millirad. Bei einer Brennweite des Kameraobjektivs von f = 8 mm entspricht dies einer linearen Streckung des Bildes um Δx = 2 μm. Da die Pixelgröße einer CCD Kamera typischerweise 5–7 μm beträgt, entspricht diese Bandbreite einem Drittel des Durchmessers eines Bildpixels. Ein Abbild eines Reflexes der Sonne oder einer fernen Glühbirne mit Δλ = 250 nm im nahen Infraroten zwischen 850 nm bis 1100 nm wird dann entsprechend über etwa 100 Pixel in der Fokalebene der Kamera ausgedehnt. Eine technische Quelle mit einer Bandbreite von 25 nm 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 elektronischen 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 Oberfläche 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° × 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 Reihe 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 Brennebenen-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° × 360°) abdeckt. Für Hubschrauber und Flugzeuge wird sogar die ganze Hemisphäre verlangt (360° × 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° × 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 Strichgittervorsatzes 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 0,8 μm–1,1 μm verwendet werden. Wegen der möglichen starken Intensität der Sonnenstrahlung in diesem Wellenlängenintervall, dagegen aber die Intensität der Bedrohung sehr schwach sein kann (104 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. Handelsübliche 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–1,7 μm kommen vor allem Bedrohungen bei 1,5 μm–1,6 μm vor, die mit einer handelsüblichen InGaAs-Kamera mit dem Empfindlichkeitsbereich von 0,85 μm–1,7 μm abgedeckt werden können.

Für den Wellenlängebereich 3–5 μm sind Infrarotkameras mit Platin-Silizid (Pt:Si) oder Indium-Antimonid (In:Sb) Detektoren und in dem Wellenlängenbereich 8–12 μm 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 Integrationszeit von 10–50 ms 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 Ladungsintegration der Kamera gehen Einzelheiten wie z. B. die Bildwiederholfrequenz verloren aber mit einer typischen Bildwiederholfrequenz von 20–60 Hz kann die Kamera zwischen Einzelpulsbedrohungen (Laserentfernungsmesser) und Bedrohungen mit niedrigen Pulsfrequenzen von 10–20 Hz (Zielbeleuchter) unterscheiden und die Pulsfrequenz ermitteln. Für die Aufzeichnung höherer Frequenzen 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.

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 Beugungsmusters 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 verhindert/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:

1 Die 0-te, +/–1-te und +/–2-te Ordnung eines Streifengitters mit einer festen Gitterkonstante einer kohärenten Laserquelle als Punkte;

2 Die 0-te, +/–1-te und +/–2-te Ordnung eines Streifengitters mit einer festen Gitterkonstante einer inkohärenten Quelle als Streifen;

3 Die 0-te, +/–1-te und +/–2-te Ordnung eines Streifengitters mit zwei unterschiedlichen festen Gitterkonstanten einer kohärenten Quelle als Doppelpunkte;

4 Die 0-te, +/–1-te und +/–2-te Ordnung eines Streifengitters mit zwei unterschiedlichen festen Gitterkonstanten einer inkohärenten Quelle als Doppelstreifen;

5a Querschnitt eines Sensors mit einem Streifengitter vor einer Standardoptik;

5b Querschnitt eines Sensors mit einer vor dem Streifengitter und der Standardoptik vorgesetztem Weitwinkelvorsatz;

6 Abbildung von 0-ten, +/–1-ten und +/–2-ten Ordnung eines Streifengitters mit Hilfe einer Standardobjektivs auf die Bildsensor-Matrix;

7 Die Abbildung von 0-ten, +/–1-ten und +/–2-ten Ordnung eines Streifengitters mit Hilfe einer Panoramaoptik;

8a Querschnitt des Strahlenganges bei der Abbildung der +1-ten, 0-ten und –1-ten Ordnungen durch das Streifengitter mit Standardobjektiv;

8b Querschnitt des Strahlenganges bei der Abbildung der +1-ten, 0-ten und –1-ten Ordnungen durch das Streifengitter mit Fischaugenobjektiv; und

8c Querschnitt des Strahlenganges bei der Abbildung der +1-ten, 0-ten und –1-ten Ordnungen durch das Streifengitter mit einem zylindrischen Streifengitter-Vorsatz vor dem Standardobjektiv.

1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Erkennung, Lokalisierung und Verfolgung von Laserstrahlungsquellen, bei der die 0-te, +/–1-te und +/–2-te Ordnung eines Streifengitters 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 αo und die Beugungswinkel αn der +/–1-ten und +/–2-ten Ordnung.

2 zeigt eine Vorrichtung 1 ähnlich der in 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 zusätzlich der Einfallswinkel α0 und die Beugungswinkel αn der +/–1-ten und +/–2-ten Ordnung.

3 zeigt eine Vorrichtung 1 ähnlich der in 1 gezeigten, bei der die 0-te, +/–1-te und +/–2-te Ordnung eines Streifengitters 2 mit zwei unterschiedlichen festen Gitterkonstanten einer kohärenten Quelle als Doppelpunkte a und b in jeder Ordnung bis auf die 0-ten Ordnung ausgebildet sind.

4 zeigt eine Vorrichtung 1 ähnlich der in 3 gezeigten, bei der die 0-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.

5a zeigt einen Querschnitt eines Sensors mit einem Streifengitter 2 vor einer Standardoptik 3 und 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.

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.

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 Fischaugenoptik-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.

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, 8b bei Abbildung durch ein Fischaugenobjektiv 6 und 8c bei Abbildung durch einen zylindrischen Streifengitter-Vorsatz 7 vor dem Standardobjektiv 3.

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