WO2008141800A1 - Device and method for detecting and localizing laser beam sources - Google Patents

Device and method for detecting and localizing laser beam sources 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
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grating
detector
laser
diffraction
laser radiation
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PCT/EP2008/004030
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Hermann Diehl
Andreas Prücklmeier
Thorsteinn Halldorsson
Wolfgang Rehm
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Eads Deutschland Gmbh
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    • 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

The invention relates to a device (1) for detecting, localizing and tracing laser beam sources (8) with a radiation sensitive detector (4) located in the visual field of an imaging optic and an electronic signal evaluation unit connected to the detector (4), characterized in that a diffraction grid designed as ruled grating (2) is arranged between the laser radiation source (8) and the optics (3). The invention furthermore relates to a method for image processing of the images obtained with the device (1) according to claim 1. Thus, the disadvantages of the state of the art are avoided, and a device and a method for detecting and localizing laser beam sources are created, which detect a laser source independently from the time characteristics thereof with very low radiation power and which simultaneously can determine the exact angular position within an extended visual angle of the sensor with high detection possibility and low false alarm rate.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Erkennung und Lokalisierung von Device and method for the detection and localization of
LaserstrahlungsquellenLaser radiation sources
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.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.
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 vonSince 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
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.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.
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.In civil applications, e.g. In the field of land surveying, speed measurement of vehicles or optical data transmission, the display of the presence and position of laser sources is increasingly required.
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.The 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.
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.However, the recognition of laser sources within the radiation background of the environment with the aid of the principle of time analysis is today made more difficult by the fact that as the development of the primary laser sources progresses laser threats with a complex time course, e.g. in pulse packets with high repetition frequency and at the same time low laser power increasingly appear in the military sector. The detection of modulated CW radiation is also much more difficult because of the variety of modulation frequencies and the potential confusion with modulated incoherent radiation sources.
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.In addition to detecting the presence of a laser threat within a larger viewing angle of a laser warning sensor, 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. However, since very fast single photodetectors are needed for time analysis, 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. With a very high technical effort manages here the modest angular resolution of a few degrees. With the early availability of active optical countermeasures However, the requirements for the angular resolution of laser warning sensors soon grow to fractions of degrees against laser threats, for example due to glare and interference lasers.
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.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. In contrast, 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.
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.It is therefore an object of the present invention to obviate the drawbacks of the prior art and to provide an apparatus and method for detecting and locating laser beam sources which use a laser source irrespective of their time characteristic, i. irrespective of whether it is pulsed, continuous-wave or modulated, detects at very low radiant power and at the same time can detect its exact angular position within an extended angle of view of the sensor with high probability of detection and low false alarm rate.
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.This object is achieved by a device having the features of claim 1 and by a method having the features of claim 13. Advantageous embodiments and further developments of the invention are specified in the dependent claims.
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.As a result, the disadvantages of the prior art are avoided and a device and a method for detecting and localizing laser beam sources created that / detects a laser source almost independent of their time characteristic at very low radiation power and simultaneously determine their exact angular position within an extended angle of view of the sensor with high probability of detection and low false alarm rate.
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.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.
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.However, this measure alone is not sufficient to differentiate laser sources from other sources in the environment. Therefore, 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.
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.However, since many incoherent sources of environment such as sun reflexes, stars, street lamps, vehicle lights, etc. appear at a greater distance under a very small angle of view, and thus have a comparable with the laser source spatial coherence, the spatial coherence is not enough alone as a distinguishing feature , Therefore, in addition, 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. is set, which splits the images of the camera from point sources in line spectra whose length corresponds to the bandwidth of the source. With this additional device 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. To detect the image of the laser threat, a subsequent image processing, which is designed for the distinction of point and line or point in the diffuse background, then used.
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.The use of a linear grating (bar or strip grating), i. a 1-dimensional grid, facing 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. Apart from the fundamentally different interpretation of the linear grating, it brings a significant progress in comparison to the cross grid.
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:The basic function of a transmission bar screen is known to those skilled in the art. If α o is the angle of incidence of a light beam in the plane of incidence perpendicular to the grating, then the light is diffracted by an angle α when passing through the grating. The diffracted light wave is focused with a lens and there are in the focal plane at the angles α n in the orders n = 0, +/- 1, +/- 2, .... etc intensity maxima for the wavelength of the incident light λ with :
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 = 0,85μmSin α n - sin α 0 = n λ / g where g represents the lattice constant of the transmission grating. With α 0 = 0 °, g = 4μm, n = 1, eg α n = 15.4 ° at λ = 1, 06μm and α π = 12.3 ° at λ = 0.85μm
Bei der Verwendung eines Strichgitters sind folgende Eigenschaften von Bedeu- tung:When using a bar grating, the following properties are important:
• 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.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.
• 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• Area-wide broadband light sources create a smeared mosaic over the entire image area; The background radiation is thus homogenized over the entire image area, which facilitates the recognition of punctiform images of laser sources. Areal narrowband
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.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.
• 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.• 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.
• 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.• The diffraction angle shifts with the wavelength according to the formula Δα = n / g ■ Δλ / cos α, 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.
• Bei höheren Ordnungen vervielfacht sich der Beugungswinkel. Bei kürzeren• At higher orders, the diffraction angle multiplies. For shorter
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.Lattice spacings increases the wavelength resolution, at the same time the diffraction angle. The following calculation examples show by way of example the effectiveness of the laser with Δλ = 1nm Δα = 0.24 millirad. With a focal length of the camera lens of f = 8mm this corresponds to a linear extension of the image by Δx = 2μm. Since the pixel size of a CCD camera is typically 5-7μm, this bandwidth is one-third the diameter of an image pixel. An image of a reflection of the sun or a distant light bulb with Δλ = 250nm in the near infrared between 850nm to 1100nm is then extended accordingly over about 100 pixels in the focal plane of the camera. A technical source with a bandwidth of 25 nm or a point source with spectral lines of fluorescent tubes or light-emitting diodes will cover as an image about 10 pixels in the first order and 20 pixels in the second order.
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.Since the linear magnification of incoherent point sources in the direction perpendicular to the grating strips is proportional to their bandwidth, their intensity in the first order is attenuated to the same extent. This also improves the intensity ratio between the laser source and the incoherent source in the same ratio in favor of the laser detection. With the calculation example from above this factor is in the first order, in the case of incandescent lamps already 1: 100 in the sun about 1:50 and in the case of light-emitting diodes 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.In some applications, 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. Thus, such 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. Using an even larger number of lattice constants may also be beneficial. The 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).
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.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. Here, 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.
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.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. By contrast, 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.
Es versteht sich, dass je nach Anwendungsfall der Erfindung unterschiedliche Hologrammtypen bevorzugt sein können.It is understood that depending on the application of the invention different hologram types may be preferred.
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.For a coherence sensor according to the invention commercial lenses, standard lenses and wide-angle lenses can be used. In a standard lens with a viewing angle of 40 ° x 30 °, 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.
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.Depending on the angular position of the source, 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.
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.In many applications it is required that a laser warning sensor cover a complete half-space around military vehicles (180 ° x 360 °). For helicopters and airplanes even the whole hemisphere is required (360 ° x 360 °). So that a not too large number of sensors is needed for this wide coverage, 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 °. In this case, 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. Alternatively, 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. In this case, the grating can be integrated either before or between lenses of this optics.
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.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.
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.Advantageously, commercially available Si (silicon) CCD and CMOS cameras can be used for today's most important threats in the wavelength range 0.8 .mu.m-1, 1 .mu.m. Because of the possible strong intensity of solar radiation in this wavelength interval, but the intensity of the threat can be very weak (10 "4 W / m 2 ), it is necessary to provide cameras that have very high optical dynamics of over 5 power decades The task is facilitated by the fact that the grille attenuates the intensity of the sun by a factor of 50 compared to a laser source alone. Commercially available CCD cameras with anti-blooming characteristics and highly dynamic CMOS cameras with stepwise adjustable integration time or a logarithmic characteristic curve are suitable for these purposes.
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.In the wavelength range 1, 1 μm - 1, 7μm, threats at 1, 5μm-1, 6μm are mainly found, which can be covered with a commercially available InGaAs camera with the sensitivity range of 0.85μm-1, 7μm.
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.For the wavelength range 3-5μm are infrared cameras with platinum silicide (PtSi) or indium antimonide (ln: Sb) detectors and in the wavelength range 8-12μm 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.
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.In order to evaluate the diffraction images, suitable fast electronics (ASIC or FPGA) 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. 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.
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.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. Because of the charge integration of the camera, details such as e.g. Lost in the frame rate but with a typical refresh rate of 20-60Hz, 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.
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.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 α 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.
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.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.
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:Furthermore, according to the invention, a method for image processing of the images obtained with the device according to claim 1 is provided, 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:
- Suchen von Einzelpunkten im Gesamtbild gemäß lokaler Kriterien. Derartige Kriterien können sein: lokaler Kontrast, Rundheit des Punktes, Größe, etc.- Search for individual points in the overall picture according to local criteria. Such criteria may be: local contrast, roundness of the point, size, etc.
Bei den gefundenen Punkten wird das Zentrum mit Subpixel Genauigkeit bestimmt.At the points found, the center is determined with subpixel accuracy.
- Suchen von möglichen Partnerpunkten im Bild, die zu einem gemeinsamen- Find possible partner points in the image, which become a common
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.Could include diffraction patterns. The points of such a diffraction pattern lie relative to each other at exactly definable points in the image. With a well-measured camera (i.e., the grating's orientation and distortion of the camera lens are accurately considered), 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.
- Lokales Unterscheiden von Punkten 1. Ordnung von Punkten 0. Ordnung.- Locally distinguishing 1st order points from 1st order points.
Bei einem bimodalem Gitter bestehen die „Punkte" der 1. Ordnung (und höhere Ordnungen) aus Doppelpunkten. Das ergibt ein sehr wesentliches lokales Kriterium.In a bimodal lattice, the "points" of the 1st order (and higher orders) from colons. This results in a very important local criterion.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:Further measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of preferred embodiments of the invention with reference to the figures. Show it:
Fig. 1 Die 0-te, +/-1-te und +/-2-te Ordnung eines Streifengitters mit einer fes- ten Gitterkonstante einer kohärenten Laserquelle als Punkte;1 shows the 0th, +/- 1st, and 2nd order of a strip grating with a fixed grating constant of a coherent laser source as points;
Fig. 2 Die 0-te, +/-1-te und +/-2-te Ordnung eines Streifengitters mit einer festen Gitterkonstante einer inkohärenten Quelle als Streifen;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 Die 0-te, +/-1-te und +/-2-te Ordnung eines Streifengitters mit zwei unterschiedlichen festen Gitterkonstanten einer kohärenten Quelle als Doppelpunkte;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 Die 0-te, +/-1-te und +/-2-te Ordnung eines Streifengitters mit zwei unterschiedlichen festen Gitterkonstanten einer inkohärenten Quelle als Doppelstrei- fen;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; FIG.
Fig. 5a Querschnitt eines Sensors mit einem Streifengitter vor einer Standardoptik;5a shows a cross-section of a sensor with a strip grid in front of a standard optics;
Fig. 5b Querschnitt eines Sensors mit einer vor dem Streifengitter und der Standardoptik vorgesetztem Weitwinkelvorsatz;5b shows a cross-section of a sensor with a wide-angle attachment placed in front of the strip grid and the standard optics;
Fig. 6 Abbildung von 0-ten, +/-1-ten und +/-2-ten Ordnung eines Streifengitters mit Hilfe einer Standardobjektivs auf die Bildsensor-Matrix;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 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. 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. 8b Querschnitt des Strahlenganges bei der Abbildung der +1-ten, 0-ten und -1-ten Ordnungen durch das Streifengitter mit Fischaugenobjektiv; und8b shows a cross-section of the beam path in the illustration of the + 1th, 0th and -1st orders through the fisheye grating strip grid; and
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.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.
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.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. In addition, the angle of incidence α 0 and the diffraction angle α n of +/- 1 th and +/- 2 nd order are plotted in the image.
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.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 α 0 and the diffraction angles α n of the +/- 1-th and +/- 2-th order are also marked in the image.
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.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.
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.Figure 5a shows a cross section of a sensor with a strip grid 2 in front of a standard optics 3 and Figure 5b shows a cross section of a sensor with a before the strip grid 2 and the standard optics 3 vorgesetztem wide-angle attachment (fisheye attachment) 6 with marked marginal rays of the image to the 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.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.
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.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.
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.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.
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. The invention is not limited in its execution to the above-mentioned embodiments. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the solution shown within the scope of the following claims even with fundamentally different types of use.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Vorrichtung zur Erkennung, Lokalisierung und Verfolgung von Laserstrahlungsquellen1 Device for detecting, locating and tracking laser radiation sources
2 Streifengitter2 strip grid
3 Optik3 optics
4 Detektor 5 Bildsensor Matrix4 detector 5 image sensor matrix
6 Weitwinkelvorsatz (Fischaugenobjektiv)6 wide angle attachment (fisheye lens)
7 Zylindrischer Streifengitter-Vorsatz7 Cylindrical strip grid attachment
8 Laserstrahlungsquelle 8 laser radiation source

Claims

Patentansprüche claims
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.I. Device (1) for detecting, locating and tracking laser radiation sources (8) with a detector (4) sensitive to radiation in the image field of an imaging optical system (3) and an electronic signal evaluation device connected to the detector (4), wherein between the laser radiation source (8) and the optics (3) a diffraction grating is arranged, characterized in that the diffraction grating is formed as a grating (2) for point-like imaging of coherent laser radiation, and that the electronic signal evaluation means detecting means for detecting the punctiform images and for locating the direction of the Laser radiation source from the diffraction pattern, wherein for tracking the relative movement of the laser radiation source within the viewing angle of the device, the detector (4) is provided with a sufficient refresh rate.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Strichgitter (2) ein Weitwinkelvorsatz oder Fischaugenobjektiv (6) angeordnet ist.2. Device (1) according to claim 1, characterized in that in front of the grating (2) a wide-angle attachment or fisheye lens (6) is arranged.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Strichgitter (2) als zylindrischer Streifengitter-Vorsatz (7) ausgebildet ist.3. Device (1) according to claim 1, characterized in that the grating (2) as a cylindrical strip grid attachment (7) is formed.
4.Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Strichgitter (2) als Transmissions- oder Reflexionsgitter ausgebildet ist.4.Vorrichtung (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the grating (2) is designed as a transmission or reflection grating.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strichgitter (2) als Oberflächen-Relief- oder als VoIu- men-Phasengitter ausgebildet ist. 5. Device (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the grating (2) is designed as a surface relief or as menumen phase grating.
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.6. Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a grating (2) is provided only with a lattice constant, a lattice with two different lattice constants or a lattice with more than two different lattice constants.
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.7. Device (1) according to claim 5 or 6, characterized in that the height structure of the surface relief grating or the refractive index profile of the volume phase grating is formed such that the 0th and the +/- 1st diffraction order arise in the grid and higher orders are suppressed.
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.8. Device (1) according to claim 5 or 6, characterized in that the height structure of the surface relief grating or the refractive index profile of the volume phase grating is formed such that the +/- 1-th diffraction order arise in the grid and the 0th order and higher orders are suppressed.
9. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die9. Device (1) according to claim 5 or 6, characterized in that the
Höhenstruktur des Oberflächen-Relief-Gitters bzw. der Brechungsindexver- lauf des Volumen-Phasengitters derart ausgebildet ist, dass die 0-te und +/-Height structure of the surface relief grating or the refractive index profile of the volume phase grating is designed such that the 0th and +/-
1-te und +/- 2-te Beugungsordnung in dem Gitter entstehen und höhere Ordnungen unterdrückt werden.1-th and +/- 2-th diffraction order arise in the grid and higher orders are suppressed.
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.10. Device (1) according to claim 5 or 6, characterized in that the height structure of the surface grating of the surface relief grating or the refractive index profile of the volume phase grating is formed such that the positive and negative 1-th and 2-th Diffraction order arise in the grid and higher orders are suppressed.
11. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu höheren Ordnungen alle negativen Beugungsordnungen unterdrückt werden. 11. Device (1) according to one of claims 7 to 10, characterized in that in addition to higher orders all negative diffraction orders are suppressed.
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.12. Device (1) according to any one of claims 1 to 11, characterized in that a camera with standard lens as optics (3) and detector (4) is provided.
13. Verfahren zur Erkennung und Lokalisierung von Laserstrahlungsquellen mit einer Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 , wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:13. A method of detecting and locating laser radiation sources with a device (1) according to claim 1, the method comprising the steps of:
- Abbilden der Beugungsordnungen des Streifengitters (2) auf dem als flä- chenhaften Matrizendetektor ausgebildeten Detektor (4) in der Brennebene der Optik (3);- imaging the diffraction orders of the stripe grating (2) on the detector (4) in the focal plane of the optic (3) designed as a surface-area die detector;
- Erfassen von Leuchtpunkten durch den Detektor;- Detecting luminous points by the detector;
- Unterscheiden zwischen punktförmigen Leuchtpunkten, welche Laserstrahlungsquellen abbilden, und strichförmigen Leuchtpunkten, welche sonstige Strahlungsquellen abbilden, in der Signalauswertungseinrichtung;- Distinguish between point-shaped luminous points, which image laser radiation sources, and line-shaped luminous points, which mimic other radiation sources, in the signal evaluation device;
- Lokalisieren der Richtung der Laserstrahlungsquelle aus dem Beugungsmuster auf dem Detektor. - Locating the direction of the laser radiation source from the diffraction pattern on the detector.
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