DE102008020959B4

DE102008020959B4 - Verfahren und Apparatur zur Erkennung und Vermeidung von Beschusssituationen beim Betrieb von Luftfahrzeugen

Info

Publication number: DE102008020959B4
Application number: DE102008020959.7A
Authority: DE
Inventors: Thilo Lees; Dr. Martin Ulrich; Prof. Peuser Peter; Dr. Schawe Dirk
Original assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH; Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH; Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2016-04-21
Anticipated expiration: 2028-04-26
Also published as: DE102008020959A1

Abstract

Vorrichtung zur Detektion eines Geschosses (3) in der Umgebung (4) eines Objektes (2), welche umfasst: – einen Pulslaser (1), welcher Laserpulse aussendet und derart ausgelegt ist, dass er durch seine Leistung und seine Divergenz (11) eine kegelförmige Umgebung (4) des Objekts (2) definiert, wobei der Pulslaser (1) eine Pulsfrequenz und/oder eine Pulsbreite aufweist, welche an die Geschwindigkeit des zu detektierenden Geschosses (3) angepasst sind, und wobei die Pulsfrequenz derart gewählt ist, dass das zu detektierende Geschoss (3) beim Flug durch die Umgebung (4) des Objekts (2) von einer Vielzahl von Laserpulsen bestrahlt wird, – eine Empfangseinheit mit einem oder mehreren Detektoren (6), welche dazu ausgebildet ist, die an dem zu detektierenden Geschoss (3) reflektierten Laserphotonen (5) zu empfangen; und – eine Auswerteeinheit (7), welche dazu ausgebildet ist, auf Basis der empfangenen reflektierten Laserphotonen (5) die Präsenz des zu detektierenden Geschosses (3) in der Umgebung (4) des Objektes (2) zu detektieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion von Beschusssituationen von Objekten, insbesondere beweglichen Objekten wie u. a. Luftfahrzeugen.
Für Luftfahrzeuge, die in Konfliktregionen eingesetzt werden, besteht die Gefahr des Beschusses durch Handfeuerwaffen, insbesondere im Tiefflug oder bei Start und Landung. Dies gilt unter anderem für Hubschrauber, Flächenflugzeuge und unbemannte Systeme. Beim Beschuss von Luftfahrzeugen mit Handfeuerwaffen ist ein genaues Zielen aufgrund der Geschwindigkeit und der Flugbewegung schwierig. Daher ist aufgrund der Trefferverteilung und dem Flächenverhältnis zwischen robusten und sensiblen Luftfahrzeugbereichen sowie der redundanten Auslegung der Flugführungssysteme meist nicht davon auszugehen, dass der erste Schuss zu einem Ausfall/Abschuss des Luftfahrzeuges führt. Selbst bei der Verwendung von Leuchtspurmunition dauert die Korrektur der ballistischen Flugbahn der Geschosse einige Zeit, um sensitive Bereiche des Luftfahrzeuges zu treffen.
Die Besatzung des Luftfahrzeuges hätte daher im Allgemeinen genügend Zeit Gegenmaßnahmen und Ausweichmanöver einzuleiten, wenn sie über die Beschusssituation informiert wäre. Der häufig erhöhte Lärmpegel in Luftfahrzeugen macht jedoch eine akustische Beschussdetektion durch die Besatzung eher schwierig. Auch akustische Sensoren in Luftfahrzeugen haben sich als zu wenig sensitiv und verlässlich erwiesen. Außerdem erlauben akustische Sensoren nicht die Bestimmung der ballistischen Flugbahn von Geschossen und können daher keine Auskunft über den Ursprung der Geschosse liefern. Im ungünstigsten Fall verbleibt daher das Luftfahrzeug im Wirkbereich der Waffen bzw. fliegt tiefer in diesen erfolgt meist erst durch die Verletzung von Personen oder Beschädigung von Systemen. Deshalb ist eine Information über den Beschuss und dessen Richtung für die Besatzung lebenserhaltend und für das Luftfahrzeug systemerhaltend. Mit diesen Informationen kann die Besatzung auf den Beschuss mit Gegenmaßnahmen, wie z. B. Ausweichmanövern, reagieren. Gleiches gilt auch für unbemannte Luftfahrzeuge, wie etwa ferngesteuerte Drohnen. Eine frühzeitige Detektion von Beschusssituationen sowie Kenntnisse über die Flugbahn und über den Ursprungsort der Geschosse würden es der Bodenstation und/oder einem systemeigenen Steuermechanismus erlauben Gegenmaßnahmen einzuleiten und gegebenenfalls das Gefahrengebiet zu verlassen.
Das Dokument DE 199 11 375 A1 beschreibt eine Einrichtung zur Detektion der Position eines sich von einem Ausgangspunkt auf ein Ziel zu bewegenden Flugkörpers, mit mindestens zwei Empfängern, deren Sehwinkelbereiche sich, auf eine Ebene senkrecht zur Flugbahn projiziert, überschneiden, mit mindestens einem Sender, der einen Lichtstrahl und insbesondere einen Laserstrahl in den Überschneidungsbereich der Sehwinkel dergestalt sendet, dass von beiden Empfängern detektierbare Reflexionen im Überschneidungsbereich auftreten können, und mit einer Kontrolleinheit, die die von den Empfängern gemessenen Reflexionen verarbeitet. Die Sehwinkelbereiche bilden plane, zweidimensional aufgefächerte Bereiche aus und sind derart ausgebildet, dass sie ebenfalls plane, zweidimensionale Überschneidungsbereiche ausbilden. Die Einrichtung ist zur Verwendung in einer Übungsschießanlage vorgesehen, um eine Bestimmung einer Treffgenauigkeit eines jeweils vom Ausgangspunkt in Richtung des Ziels abgefeuerten Geschosses zu ermöglichen.
Das Dokument DE 10 2004 040 218 A1 beschreibt eine Annäherungssensoranordnung, insbesondere für die Zündauslösung des Gefechtskopfes eines Abwehrflugkörpers gegen ein anfliegendes Projektil, mit einer Detektorvorrichtung, die einen Detektor mit einem hohlkegelförmigen Detektionsbereich zum Erfassen eines anfliegenden Projektils aufweist. Die Annäherungssensoranordnung weist ferner eine Entfernungssensorik auf, um die Zündauslösung des Gefechtskopfes eines Abwehrflugkörpers in Abhängigkeit von der Entfernung zwischen dem Abwehrflugkörper und dem durch die Detektorvorrichtung erfassten anfliegenden Projektil zu steuern. Diese Entfernungssensorik enthält vorzugsweise eine Emissionsvorrichtung zum Aussenden einer Strahlung im Spektralbereich der durch den Detektor der Detektorvorrichtung erfassbaren Strahlung.
Das Dokument DE 20 2004 007 593 U1 beschreibt eine Vorrichtung zur Lageerfassung eines Geschosses relativ zu einer Zieldarstellung, mit zwei, jeweils eine Strahlungsquelle und einen Strahlungsempfänger beinhaltenden Baueinheiten, die – in Beschussrichtung einer Zieldarstellung gesehen – beiderseits einer Zieldarstellung angeordnet sind, wobei jeder Baueinheit ein Ablenkmodul zugeordnet ist, der dazu bestimmt und eingerichtet ist, in einer, von dem zu detektierenden Geschoss zu durchdringenden Messebene Strahlung zu emittieren und an dem Geschoss zum Zeitpunkt des Durchdringens der Messebene reflektierte Strahlung zu empfangen. Das aus der Strahlungsquelle, dem Strahlungsempfänger und dem Ablenkmodul bestehende System weist hinsichtlich eines Sendens und eines Empfangens eine gebündelte, linienhafte Richtcharakteristik auf, die nach Maßgabe einer vorgegebenen Umdrehungsgeschwindigkeit des Ablenkmoduls die gesamte Messebene abtastet, und zwar derart, dass im Fall eines an einem Geschoss reflektierten Signals eine Drehwinkelzuordnung des reflektierten Signals gegeben ist. Die beiden, auf diese Weise ermittelten Winkelmesswerte der beiden Ablenkmodule ermöglichen in Verbindung mit einem bekannten definierten und feststehenden Abstand der beiden Ablenkmodule eine Ermittlung der Lage des Geschosses innerhalb der Messebene. Zur Detektion des Geschosses kommt Laserstrahlung zum Einsatz, welche die Generierung eines scharf gebündelten Strahles zulässt.
Das Dokument DE 28 55 954 U1 beschreibt ein Verfahren zur automatischen Zielortung von sich bewegenden bodennahen Zielen mit Hilfe eines Doppler-Lidarsystems, bei dem von einem bemannten oder unbemannten Flugzeug aus der überflogene Boden mit einem frequenzselektiven Laser-Lidarsystem streifenweise abgetastet wird und das reflektierte Signal in einem Überlagerungsempfänger detektiert wird. Bei Reflexion von einem sich bewegenden Ziel in einem Zwischenfrequenzband, dessen Frequenzbereich sich von den Zwischenfrequenzen unterscheidet, die sich bei Abtastung des überflogenen unbewegten Bodens ergeben, wird dieses mit einem entsprechend abgestimmten Zwischenfrequenzfilter nachgewiesene Signal zur Markierung des sich bewegenden Ziels auf einem Bildschirm herangezogen und/oder dient zur Einweisung sowie Auslösung eines Waffensystems.
Das Dokument DE 29 07 589 A1 beschreibt ein Verfahren, insbesondere bei simulierten Schießübungs- und Auswertesystemen, zum Übertragen von Informationen von einer im Scheitelpunkt eines festen Winkelraumes angeordneten Station zu exklusiv einem bestimmten Körper einer Mehrzahl von Körpern, die in diesem Raum vorhanden sind, mittels modulierter von der Station abgestrahlter fächerförmiger Strahlenbündel, die jeweils unterschiedlich orientierte langgestreckte schmale Querschnitte haben und im Laufe eines Schwenkzyklusses vorbestimmter Dauer den Raum im wesentlichen quer zu ihrer langen Dimension überschwenken. Jeder der Körper ist mit einem die Strahlung zur Station reflektierenden Reflektor, einer Detektoranordnung zum Erfassen der von der Station empfangenen Strahlung und einer Prüfschaltung, die die in der modulierten Strahlung enthaltende Information annehmen oder verwerfen kann, versehen. An der Station wird durch Messen der Zeit für den Hin- und Rückweg der Strahlung festgestellt, welcher der eine Strahlung reflektierende Körper sich in einem zuvor festgelegten Abstand von der Station befindet, und jedes Strahlenbündel wird entsprechend der Information nur in dem Schwenkintervall moduliert, in dem die Reflexion der Strahlung dieses Bündels an der Station empfangen wird, sofern sichergestellt wurde, dass diese Reflexion von einem Körper kommt, der sich in dem zuvor festgelegten Abstand von der Station befindet.
Das Dokument US 4 518 256 A beschreibt einen stationären optischen Radar, bei dem ein Burst von kohärenten Impulsen projiziert wird, um einen Durchgang eines Ziels durch das Sichtfeld des optischen Radars abzutasten. Die Verwendung eines derartigen Pulsbursts ermöglicht eine Verwendung von jeweils aktuellsten Informationen beim Bestimmen einer jeweiligen Bahn des Ziels.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 15, sowie ein Luftfahrzeug nach Anspruch 17. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstände der Unteransprüche.
Hierbei offenbart die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren, anhand derer eine Beschusssituation eines Objektes, insbesondere eines Luftfahrzeugs, detektiert werden kann. Auf Basis der ermittelten Information über das oder die detektierten Geschosse kann das Objekt, z. B. das Luftfahrzeug, entweder automatisch oder durch Eingriff der Besatzung und/oder des Bodenpersonals geeignete Gegenmaßnahmen einleiten und so Schäden an dem Objekt, insbesondere dem Luftfahrzeug, durch mögliche weitere Geschosse vermeiden.
Im Weiteren wird die Erfindung am Beispiel eines Luftfahrzeugs genauer erläutert. Die Erfindung kann aber durchaus auch in weiteren Objekten zur Detektion von Beschusssituationen Anwendung finden. Das gilt insbesondere für landgestützte Objekte, wie z. B. Panzer, Militärfahrzeuge, etc., und für seegestützte Objekte, wie z. B. Militärschiffe und/oder U-Boote. Die folgende Offenbarung wird zwar am Beispiel eines Luftfahrzeugs erklärt, gilt aber analog auch für andere Objekte. Bezüglich der geeigneten Gegenmaßnahmen sind dabei
chen Objekten, wie den oben angeführten Objekten, und unbeweglichen Objekten, wie z. B. Gebäuden, unterschieden werden.
Gemäß eines Aspektes der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Detektion eines Geschosses in der Umgebung eines Luftfahrzeuges offenbart. Die Vorrichtung umfasst einen Pulslaser, welcher Laserpulse aussendet, eine Empfangseinheit, welche die an dem Geschoß reflektierten Laserphotonen empfängt und eine Auswerteeinheit, welche auf Basis der empfangenen reflektierten Laserphotonen und bevorzugt auch auf Basis der gesendeten Laserpulse die Präsenz des Geschosses in der Umgebung des Luftfahrzeuges detektiert.
Der Pulslaser und die Empfangseinheit sind bevorzugt an der Außenseite des Luftfahrzeugs angebracht, um Geschosse, die in den Wirkbereich des Luftfahrzeugs eindringen zu detektieren. Besonders gefährdete Bereiche eines Luftfahrzeugs sind das Antriebssystem inkl. Treibstoffversorgung und -tanks, das Cockpit, die Flugsteuerung und mögliche Waffensysteme, sowie die von der Besatzung nicht einsehbaren Bereiche. Je nach Auslegung der Vorrichtung kann es erforderlich sein, mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen an dem Luftfahrzeug, z. B. jeweils seitlich und unten, anzubringen, um Geschosse in der Umgebung von allen gefährdeten Bereichen des Luftfahrzeugs detektieren zu können.
Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung weist der Pulslaser der Vorrichtung eine bestimmte Leistung und eine bestimmte Divergenz auf und definiert dadurch eine kegelförmige Umgebung des Luftfahrzeugs. Dabei definiert die Divergenz den Winkel bzw. die Breite der aufgespannten kegelförmigen Umgebung. Der Grad der Divergenz des Lasers kann z. B. über ein Linsensystem geregelt werden. Die Leistung definiert die maximale Entfernung vom Luftfahrzeug, bzw. den maximalen Durchmesser des Kegels, bei der noch gewährleitet ist, dass genügend Laserphotonen am Geschoß zur Empfangseinheit zurückreflektiert werden, um das Geschoß mit ausreichender Sicherheit zu detektieren. In einer bevorzugten Ausführungsform wird in diesem Zusammenhang ein Minimalwert für die Anzahl der auf die Empfangseinheit reflektierten Photonen festgelegt, der eine sichere Detektion eines Geschosses gewährleistet. Dieser Minimalwert wird üblicherweise auch von der Empfindlichkeit der Empfangseinheit bzw. deren Detektor(en) abhängen. Dann kann in Abhängigkeit von der erforderlichen Kegeltiefe die Leistung des Pulslasers gewählt werden. Beispielsweise könnte der Pulslaser eine Divergenz von etwa 1 rad aufweisen. Die Leistung des Lasers könnte dann so gewählt werden, dass die kegelförmige Umgebung einen maximalen Durchmesser von etwa 10 m aufweist, was bedeutet, dass innerhalb dieses Kegels Geschosse in einem Abstand von etwa 9 m vom Luftfahrzeug detektiert werden können. Die Wahl der Leistung des Pulslasers kann darüberhinaus auch noch von dem zu detektierenden Geschosstyp abhängen, insbesondere von dessen Material, Form, Größe und anderen für den Grad der Reflektion relevanten Eigenschaften.
Bevorzugt wird gemäß der Erfindung die Divergenz und Leistung des Pulslasers derart gewählt, dass der maximale Durchmesser der kegelförmigen Umgebung den zu schützenden Bereich des Luftfahrzeugs abdeckt. Im Allgemeinen ist zu berücksichtigen, dass die abdeckende Umgebung des Luftfahrzeugs nicht nur in Abhängigkeit von der Größe des zu schützenden Bereichs zu wählen ist, sondern auch vom Ursprungsort und von der Flugbahn des Geschosses relativ zum Luftfahrzeug abhängt. Dies ist bei der Wahl des maximalen Durchmessers und der Ausrichtung der kegelförmigen Umgebung einzubeziehen. Darüberhinaus könnte es aber auch von Interesse sein, mehrere Vorrichtungen an dem Luftfahrzeug anzubringen, um, u. a. verschiedene gefährdete Bereiche abzusichern.
Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung weist der Pulslaser eine Pulsfrequenz und/oder eine Pulsbreite auf, welche an die maximal mögliche Geschwindigkeit des Geschosses angepasst sind. Dies ist erforderlich, um sicherzustellen, dass ein durch die vom Laser definierte Umgebung (wie z. B. die oben beschriebene kegelförmige Umgebung) fliegendes Geschoß von mindestens einem oder mehreren Laserpulsen getroffen wird, um eine sichere Detektion zu gewährleisten. Des Weiteren kann es von Interesse sein, die Flugbahn des Geschosses zu ermitteln. Hierzu ist eine reproduzierbare Positionsbestimmung des Geschosses innerhalb des Detektionsbereiches notwendig. Wird beispielsweise für ein Geschoß welches sich mit 900 m/s fortbewegt eine Pulsfrequenz von 10 kHz gewählt, so legt das Geschoß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen eine Wegstrecke von 90 mm zurück. Durchfliegt dieses Geschoß die oben beispielhaft beschriebene kegelförmige Umgebung, so wird das Geschoß in 90 mm Abständen von Laserpulsen getroffen und es kann so ein sehr genaues Bild der Flugbahn des Geschosses ermittelt werden.
Auch die Pulsbreite kann auf die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. So sollte sichergestellt werden, dass die Pulsbreite ausreichend schmal gewählt wird, so dass die an der Empfangseinheit empfangenen Photonen eindeutig einem entsendeten Laserpuls zugeordnet werden können. Befindet sich das Geschoß beispielsweise in 9 m Abstand zu der Vorrichtung, so wird ein Laserpuls etwa 70 ns für den Weg zum Geschoß und zurück benötigen. Demnach könnte eine Pulsbreite von einigen Nano-Sekunden gewählt werden.
Wenn Pulsbreite und Pulsfrequenz des Pulslasers geeignet gewählt werden, so ist es möglich über die Laufzeit des Laserpulses, sowie über Phasenverschiebungen und/oder über Frequenzverschiebungen des reflektierten Laserlichts, die genaue Entfernung des Geschosses vom Luftfahrzeug bzw. die Geschwindigkeit des Geschosses relativ zum Luftfahrzeug zu ermitteln. Über die Laufzeit, welche der Laserpuls vom Pulslaser bis zum Geschoß und wieder zurück zur Empfangseinheit benötigt, kann direkt die Entfernung des Geschosses vom Luftfahrzeug bestimmt werden. Dabei ermöglicht dieses Verfahren geringe Reaktionszeiten, erfordert gleichzeitig jedoch auch die Messung von sehr kurzen Laufzeiten (im Bereich von wenigen Nanosekunden), was die Genauigkeit der Entfernungsbestimmung begrenzt. In der Praxis können z. B. Entfernungen mit einigen Zentimetern Genauigkeit bestimmt werden. Darüberhinaus kann es von Vorteil sein, noch weitere Verfahren zur Entfernungsbestimmung zu verwenden, um die Präzision der Entfernungsbestimmung zu erhöhen. So kann über die Phasenverschiebung zwischen dem ausgesendeten Pulslaser-Signal und dem an der Empfangseinheit empfangenen Signal, welches die reflektierten Laserphotonen umfasst, die Entfernung des Geschosses vom Luftfahrzeug mit einer Genauigkeit bestimmt werden, die im Bereich von Bruchteilen der Wellenlänge des Lasers liegt.
Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung wird die Wellenlänge des Pulslasers derart gewählt, dass sie in ein Minimum der spektralen Strahlungsdichteverteilung der Sonne fällt. Bei Tageslicht werden neben den am Geschoß reflektierten Photonen auch Photonen des Sonnenlichts von der Empfangseinheit empfangen. Dadurch entsteht in der Empfangseinheit ein Rauschen, welches die Zuverlässigkeit der Vorrichtung negativ beeinflusst. Durch Wahl einer Wellenlänge des Pulslasers, welche im Sonnenlicht nur geringfügig vertreten ist, ist es möglich dieses Rauschen zu verringern und so das allgemeine Signal-zu-Rausch Verhältnis der Vorrichtung zu erhöhen.
Die Vorrichtung kann mit einer Reihe von, aus dem Stand der Technik bekannten, Kurzpuls-Lasern betrieben werden. So könnten u. a. Infrarot-Moleküllaser (z. B. CO₂-Laser), Festkörperlaser (z. B. dioden-gepumpte und Faserlaser) oder Halbleiterlaser einzeln oder in einer Gruppe angeordnet eingesetzt werden. Bevorzugt wird die beschriebene Vorrichtung aber mit Dioden-gepumpten Festkörperkristalllasern betrieben. Für weitere Details zu Dioden-gepumpten Festkörperkristalllasern wird z. B. auf das Buch von P. Peuser & N. P. Schmitt, Dioden-gepumpte Festkörperlaser (Laser in Technik und Forschung), Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, 1995, verwiesen.
Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung, umfasst die Empfangseinheit der Vorrichtung ein optisches Linsensystem zur Adaption an den zu detektierenden Raumwinkelbereich. Dabei ist das Linsensystem vorzugsweise auf die Divergenz des Pulslasers abgestimmt, um sicherzustellen, dass innerhalb der vom Laser definierten Umgebung des Luftfahrzeugs reflektierte Laserphotonen von der Empfangseinheit empfangen werden können. Außerdem kann die Empfangseinheit einen Filter aufweisen, welcher bevorzugt die von dem Geschoß reflektierten Laserphotonen passieren lässt und alle anderen Wellenlängen blockiert. Dadurch kann das Signal-zu-Rausch Verhältnis der beschriebenen Vorrichtung weiter verbessert werden. Als mögliche Filter kommen u. a. Interferenzfilter in Frage.
Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung des Signal-zu-Rausch Verhältnisses der Empfangseinheit ist die Nutzung der sogenannten Lock-In Technik, welche auf einem phasenempfindlichen Detektionsverfahren beruht. Hierbei wird das von der Empfangseinheit empfangene Signal, welches aus den mit Rauschen überlagerten reflektierten Photonen besteht, mit einem Referenzsignal multipliziert und über einen bestimmten Zeitraum integriert. Das Referenzsignal hat dabei die Frequenz und die Phase des ausgesendeten Pulslaser-Signals. Durch den Integrationsvorgang können Signal- bzw. Rauschanteile, welche nicht mit dem ausgesendeten Pulslaser-Signal in Verbindung stehen, effizient herausgefiltert werden, so dass das Signal-zu-Rausch Verhältnis der Empfangseinheit verbessert werden kann. Für weitere Details zum Lock-In Effekt wird z. B. auf das Buch von W. Demtröder, Laserspektroskopie: Grundlagen und Techniken, Springer, Berlin, 2007 verwiesen.
Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung, weist die Empfangseinheit mindestens einen optischen Detektor auf. Dabei ist die Detektionsgeschwindigkeit des Detektors oder Systems aus mehreren Detektoren auf die Pulsfrequenz und/oder die Pulsbreite des Pulslasers angepasst. Dies ist erforderlich, um die reflektierten Laserphotonen eindeutig einem bestimmten entsendeten Laserpuls zuordnen zu können. So können die Laufzeit sowie Phasen/Frequenzverschiebungen des Laserpulses und damit der Abstand des Geschosses vom Luftfahrzeug sowie seine Geschwindigkeit relativ zum Luftfahrzeug bestimmt werden.
Eine mögliche Ausführungsform der optischen Detektoren sind Photodioden. Es ist aber auch denkbar, dass Kameras, beispielsweise CCD-Kameras, CMOS- oder APD-Arrays als optische Detektoren verwendet werden. Kameras sind vorteilhaft, da sie gegenüber Photodioden genauere Informationen über die Flugbahn und damit auch über den Ursprungsort des Geschosses liefern können. Insbesondere liefern sie eine flächige bzw. ortauflösende Darstellung der reflektierten Laserphotonen. Durch die Verwendung von mehreren Kameras kann darüberhinaus eine gute räumliche Darstellung der Flugbahn des Geschosses erzielt werden.
Die Empfangseinheit kann für die gleiche Umgebung des Luftfahrzeugs ein oder mehrere optische Detektoren umfassen. Um eine verbesserte räumliche Detektion des Geschosses zu ermöglichen, könnten beispielsweise zwei optische Detektoren verwendet werden. Diese würden in einem gewissen Abstand zueinander positioniert, um von dem Geschoß reflektierte Laserphotonen aus unterschiedlichen Perspektiven zu empfangen. Daraus können zusätzliche Informationen über die Position, die Flugbahn, die Geschwindigkeit und auch die Eigenschaften des Geschosses, wie z. B. der Geschosstyp, ermittelt werden. Z. B. könnte durch das Vorliegen von zwei Informationsquellen bzgl. der Entfernung, die Genauigkeit der Entfernungsbestimmung erhöht werden. Außerdem können bei der Verwendung von ortsauflösenden Detektoren auch stereoskopische Verfahren zur Ermittlung der gewünschten Informationen herangezogen werden.
Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung werden die in der Auswerteeinheit ermittelten Informationen über das Geschoß an mindestens eine Ausgabeeinheit zur Ausgabe weiterleitet. Je nach Ausführungsform der Vorrichtung können sich diese Informationen auf das Detektieren der Präsenz eines Geschosses in der von dem Laser definierten Umgebung des Luftfahrzeugs beschränken, oder aber vielfältige Informationen über die Flugbahn und den Ursprungsort des Beschusses sowie über die Beschaffenheit des Geschosses umfassen. Diese Informationen können dann der Besatzung oder dem Bodenpersonal zu Verfügung gestellt werden. Beispielsweise könnte ein Warnton die Besatzung auf die Beschusssituation aufmerksam machen oder es könnte die Flugbahn des Geschosses dem Piloten visuell angezeigt werden. Die Auswerteeinheit könnte auch geeignete Gegenmaßnahmen, wie z. B. Ausweichmanöver, ermitteln und genaue Anweisungen an die Besatzung weiterleiten. Außerdem könnten die ermittelten Informationen über das Geschoß direkt für die Flugsteuerung des Luftfahrzeugs genutzt werden. Insbesondere bei unbemannten Luftfahrzeugen könnten automatische Ausweichmanöver eingeleitet werden, um so einen Abschuss durch ein folgendes Geschoß zu verhindern.
Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung wird ein Verfahren zur Vermeidung von Schäden an Luftfahrzeugen durch Beschuss offenbart. Das Verfahren nutzt das weiter oben offenbarte Verfahren bzw. die offenbarte Vorrichtung zur Detektion eines ersten Geschosses in der Umgebung des Luftfahrzeugs. Aufgrund der fehlenden Präzision der eingesetzten Beschussmittel, wie z. B. Raketenwerfern, Panzerfäusten oder auch Maschinengewehren, ist im Allgemeinen davon auszugehen, dass dieses erste Geschoß nicht zu einem Ausfall oder Abschuss des Luftfahrzeugs führt. Daher können auf Basis der ermittelten Informationen über das erste Geschoß Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, um Schäden durch ein zweites Geschoß zu vermeiden. Geeignete Gegenmaßnahmen könnten u. a. Ausweichmanöver, aber auch der Beschuss des Ursprungsortes der Geschosse sein.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Dabei zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
2 die Spektraldichteverteilung des Sonnenlichtes.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein kompakter Pulslaser 1, der beispielsweise im Außenbereich eines Luftfahrzeugs 2 angebracht ist, sendet eine schnelle Folge von kurzen Laserpulsen mit einer Pulsbreite von einigen Nano-Sekunden mit einer Repetitionsrate bzw. einer Pulsfrequenz im Bereich von etwa 10 kHz in einem Laserstrahl mit großer Divergenz 11 im Bereich von etwa einem rad aus. Durch die Leistung und die Divergenz 11 des Pulslasers 1 wird eine kegelförmige Umgebung 4 bzw. ein bestrahlter Raum 4 gebildet, der auf der einen Seite durch den Kegelursprung am Pulslaser 1 und auf der anderen Seite durch den maximalen Durchmesser 9 begrenzt ist. Dieser maximale Durchmesser 9 entspricht einer maximalen Entfernung 10 vom Luftfahrzeug 2 bei der ein Geschoß 3 mit noch ausreichender Zuverlässigkeit, d. h. mit einem ausreichenden Signal-zu-Rausch Verhältnis, detektiert werden kann. Die Größe des bestrahlten Raums 4 hängt neben der Leistung und der Divergenz 11 des Pulslasers 1 auch von der Beschaffenheit des zu detektierenden Geschosses 3 selbst ab, denn insbesondere in Abhängigkeit von dessen Oberfläche, Material und Form wird ein mehr oder weniger großer Anteil der Laserphotonen zurück zu einer Empfangseinheit 6 reflektiert. Das ist bei der Dimensionierung der Pulslaserleistung zu berücksichtigen.
Die Größe der kegelförmigen Umgebung 4 ist so gewählt, dass die gefährdeten Bereiche des Luftfahrzeugs 2 abgedeckt werden. Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass die Geschosse 3 bevorzugt seitlich und von unten auf das Luftfahrzeug 2 abgeschossen werden. Demzufolge, sollten ein oder mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen ein oder mehrere seitliche und nach unten orientierte bestrahlte Räume 4 abdecken. Es ist auch vorstellbar, dass ein schräg nach unten orientierter Pulslaser 1 eine schräg nach unten orientierte kegelförmige Umgebung 4 aufspannt. Für andere Objekttypen, wie z. B. U-Boote, könnten auch Beschusssituation von oben denkbar sein, so dass auch nach oben orientierte Umgebungen 4 denkbar sind.
Werden mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen an einem Luftfahrzeug angebracht, so ist dafür Sorge zu tragen, dass sich die Vorrichtungen nicht gegenseitig negativ beeinflussen. Solchen Situationen kann unter anderem dadurch begegnet werden, dass in benachbarten Vorrichtungen Pulslaser 1 mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden und/oder die Pulstaktungen der Laser 1 aufeinander abgestimmt werden, so dass die jeweiligen Empfangseinheiten 6 die empfangenen Photonen 5 dem jeweiligen Pulslaser 1 zuordnen können.
Durchfliegt ein Geschoß 3 diesen vom Laser bestrahlten Raum 4, so wird Laserlicht 5 (Laserphotonen 5) vom Geschoß reflektiert bzw. rückgestreut und gelangt in die gleichfalls im Außenbereich angebrachte Empfangseinheit 6. Die Pulsenergie wird dabei so gewählt, dass eine hinreichende Anzahl von Laserphotonen 5, die vom Geschoß 3 reflektiert bzw. rückgestreut werden, in die Empfangseinheit 6 gelangt. Beispielsweise könnte ein System derart dimensioniert sein, dass bei einer kegelförmigen Umgebung 4 mit einem maximalen Durchmesser 9 von zehn Metern nur ein Anteil der Photonen 5 von etwa 10^–6 der ausgesendeten Laserphotonen 5 in der Empfangseinheit 6 empfangen wird.
Die Empfangseinheit 6 besteht aus einem optischen Linsensystem und optischen Detektoren, wie z. B. einer Photodiode oder einer Kamera. Ein Filter wird verwendet, um ausschließlich vom Laser 1 emittierte und vom Geschoß 3 reflektierte Photonen 5 der Empfangseinheit 6 zuzuführen.
Wird anstelle eines einfachen optischen Detektors, wie z. B. einer Photodiode, ein ortsauflösender optischer Detektor, wie z. B. eine Kamera verwendet, so können aufeinanderfolgende Bilder vom Geschoß 3 aufgenommen werden, welche durch die Bestrahlung mit den leistungsstarken Laserpulsen zustande kommen. 1 zeigt beispielhaft das Geschoß 3 an verschieden Positionen in dem bestrahlten Raum 4. Die aufeinanderfolgenden Bilder geben Auskunft über die Positionen des Geschosses 3, welche dieses bei der Bestrahlung durch die aufeinanderfolgenden Laserpulse hatte. Wird für den Pulslaser 1 beispielsweise eine Pulsrepetitionsrate von 10 kHz gewählt, so legt ein Geschoß 3, welches eine Geschwindigkeit von etwa 900 m/s hat, zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen eine Wegstrecke von 90 mm zurück. Somit können aufeinander folgende Bilder des Geschosses 3 im Abstand von 90 mm gemacht werden. Außerdem kann für jedes Bild durch die Auswertung der Laufzeit und/oder der Frequenz- bzw. Phasenverschiebung des Laserpulses die Entfernung und/oder die Geschwindigkeit des Geschosses 3 von dem Luftfahrzeug 2 bestimmt werden. Zusammen ergibt sich dadurch ein genaues Bild über die Flugbahn 8 des Geschosses 3. Eine räumliche Auswertung der Flugbahn 8 könnte auch durch die Verwendungen von mehreren voneinander getrennt positionierten Empfangseinheiten 6 erzielt werden.
Die von der Empfangseinheit 6 gewonnenen Daten, wie z. B. eine Abfolge von Bildern, werden durch eine rechnergestützte Auswerteeinheit 7 bearbeitet, so dass die Präsenz des Geschosses 3 innerhalb des bestrahlten Raums 4 detektiert werden kann und gegebenenfalls die Flugbahn 8 bzw. der Ursprungsort des Geschosses 3 bestimmt werden können. Außerdem können die Daten zur genaueren Bestimmung des Geschosstyps verwendet werden.
Durch akustische und/oder optische Signale kann die pilotierende Besatzung des Luftfahrzeugs 2 vor dem Beschuss gewarnt werden. Zusätzlich kann auf einem Display, wie z. B. einem Cockpitdisplay oder einem Helmet mounted display, die Information zum Ursprung des Geschosses angezeigt werden. Je nach Bedarf kann diese Information eine grobe Sektorinformation sein, bis hin zu einer positionsgenauen Darstellung in einem Kartenausschnitt mit Zusatzinformationen über die Genauigkeit der Standortermittlung.
Aber auch andere Besatzungsmitglieder, wie z. B. Bordschützen, können diese Informationen über Kabel oder kabellose Verbindungen zur weiteren Verwendung übermittelt bekommen. Eine Anbindung zur Datenübermittlung der Schützenpositionen über Datenfunk oder Satellitenkommunikation ist ebenfalls möglich. Somit können die ermittelten Informationen über das Geschoß 3 für weitere Gegenmaßnahmen genutzt werden. Bei unbemannten Luftfahrzeugen können diese Daten je nach Autonomiegrad an eine Bodencrew übermittelt oder direkt in die Flugsteuerung eingespeist werden.
Durch die Bestrahlung des Geschosses 3 mit intensiver Laserstrahlung aus dem Pulslaser 1 und durch entsprechende Filterung in der Empfangseinheit 6 wird es ermöglicht, selbst bei einer geringen Rückstreuung der Photonen von der Geschoßoberfläche das Geschoß 3 zu detektieren. Das Signal-zu-Rausch Verhältnis kann gegebenenfalls durch Ausnutzung des intermittierenden Laserbetriebes mittels der bekannten Lock-in-Technik weiter optimiert werden.
Eine weitere Erhöhung der Detektionsempfindlichkeit bei vorhandenem Sonnenlicht wird erreicht, wenn die Wellenlänge des Pulslasers 1 so gewählt wird, dass diese gerade in ein Minimum der spektralen Strahlungsdichteverteilung der Sonne fällt. 2 zeigt die spektrale Strahlungsdichteverteilung 12 der Sonne. Wie 2 zu entnehmen ist, weist diese Dichteverteilung 12 ausgesprochene Minima 13 bei bestimmten Wellenlängen auf. Wenn nun die Wellenlänge des Pulslasers 1 derart gewählt wird, dass diese mit einem Minimum 13 zusammenfällt, dann lässt sich das Signal-zu-Rausch Verhältnis der beschriebenen Vorrichtung bei Tageslicht maximieren.
In der vorliegenden Erfindung wurden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion eines Geschosses in der Umgebung eines Luftfahrzeuges offenbart. Die Erfindung ermöglicht es, die Flugbahn und den Ursprungsort eines Geschosses zu bestimmen und Gegenmaßnahmen einzuleiten, um den Abschuss durch ein mögliches weiteres Geschoß mit dem gleichen Ursprung zu verhindern.
Bezugszeichenliste

1: Pulslaser
2: Luftfahrzeug
3: Geschoß
4: bestrahlter Raum (kegelförmige Umgebung)
5: reflektierte Laserphotonen
6: Empfangseinheit
7: Auswerteeinheit
8: Flugbahn des Geschosses
9: maximaler Kegeldurchmesser
10: maximale Entfernung
11: Divergenz des Pulslasers
12: spektrale Strahlungsdichteverteilung des Sonnenlichtes
13: Minima der spektralen Strahlungsdichteverteilung des Sonnenlichtes

Claims

Vorrichtung zur Detektion eines Geschosses (3) in der Umgebung (4) eines Objektes (2), welche umfasst: – einen Pulslaser (1), welcher Laserpulse aussendet und derart ausgelegt ist, dass er durch seine Leistung und seine Divergenz (11) eine kegelförmige Umgebung (4) des Objekts (2) definiert, wobei der Pulslaser (1) eine Pulsfrequenz und/oder eine Pulsbreite aufweist, welche an die Geschwindigkeit des zu detektierenden Geschosses (3) angepasst sind, und wobei die Pulsfrequenz derart gewählt ist, dass das zu detektierende Geschoss (3) beim Flug durch die Umgebung (4) des Objekts (2) von einer Vielzahl von Laserpulsen bestrahlt wird, – eine Empfangseinheit mit einem oder mehreren Detektoren (6), welche dazu ausgebildet ist, die an dem zu detektierenden Geschoss (3) reflektierten Laserphotonen (5) zu empfangen; und – eine Auswerteeinheit (7), welche dazu ausgebildet ist, auf Basis der empfangenen reflektierten Laserphotonen (5) die Präsenz des zu detektierenden Geschosses (3) in der Umgebung (4) des Objektes (2) zu detektieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Divergenz (11) und die Leistung des Pulslasers (1) derart gewählt werden, dass der maximale Durchmesser (9) der kegelförmigen Umgebung (4) den zu schützenden Bereich des Objekts (2) abdeckt.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Wellenlänge des Pulslasers in ein Minimum (13) der spektralen Strahlungsdichteverteilung der Sonne (12) fällt.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Pulslaser (1) ein Infrarot-Moleküllaser (z. B. CO₂-Laser), Festkörperlaser (z. B. Dioden-gepumpte und Faserlaser) oder Halbleiterlaser ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Empfangseinheit (6) einen Filter umfasst, welcher bevorzugt die von dem zu detektierenden Geschoss (3) reflektierten Laserphotonen (5) passieren lässt.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Empfangseinheit (6) ein optisches Linsensystem zur Vergrößerung des Raumwinkels aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Empfangseinheit (6) mindestens einen optischen Detektor aufweist, dessen Detektionsgeschwindigkeit an die Pulsfrequenz und/oder die Pulsbreite des Pulslasers (1) angepasst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die optischen Detektoren Photodioden, CCD oder CMOS- bzw. APD-Arrays sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Empfangseinheit (6) und der Pulslaser (1) derart ausgelegt sind, dass die Auswerteeinheit (7) die Flugbahn (8) und/oder den Ursprungsort des zu detektierenden Geschosses (3) ermitteln kann.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der mindestens eine optische Detektor eine ortsauflösende Erfassung der reflektierten Laserphotonen (5) ermöglicht.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Empfangseinheit (6) Lock-In Techniken im Zusammenhang mit der Abfolge von Laserpulsen nutzt, um das Signal-Rausch-Verhältnis der Geschossdetektion zu erhöhen.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (7) die ermittelten Informationen über das zu detektierende Geschoss (3) an mindestens eine Ausgabeeinheit zur Ausgabe weiterleitet.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die ermittelten Informationen über das zu detektierende Geschoss (3) für die Flugsteuerung des Objekts (2) genutzt werden.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Objekt (2) ein Luftfahrzeug ist.
Verfahren zur Detektion eines Geschosses (3) in der Umgebung (4) eines Objektes (2), welches die Schritte umfasst: – Aussenden von Laserpulsen derart, dass diese eine kegelförmige Umgebung (4) des Objekts (2) definieren, wobei die Laserpulse mit einer Pulsfrequenz und/oder einer Pulsbreite ausgesendet werden, welche an die Geschwindigkeit des zu detektierenden Geschosses (3) angepasst sind, und wobei die Pulsfrequenz derart gewählt ist, dass das zu detektierende Geschoss (3) beim Flug durch die Umgebung (4) des Objekts (2) von einer Vielzahl von Laserpulsen bestrahlt wird; – Empfangen der an dem zu detektierenden Geschoss (3) reflektierten Laserphotonen (5); und – Detektieren der Präsenz des zu detektierenden Geschosses (3) in der Umgebung (4) des Objektes (2) durch Auswertung der gesendeten Laserpulse und der empfangenen reflektierten Laserphotonen (5).
Verfahren zur Vermeidung von Schäden an Objekten (2) durch Beschuss, welches die Schritte umfasst: – Detektion eines ersten zu detektierenden Geschosses (3) in der Umgebung des Objekts (2) gemäß dem Verfahren nach Anspruch 15; – Einleitung von Gegenmaßnahmen auf Basis der ermittelten Informationen über das erste zu detektierende Geschoss (3), um Schäden durch weitere zu detektierende Geschosse (3) zu vermeiden.
Luftfahrzeug (2) mit einer Vorrichtung zur Detektion eines Geschosses (3) in der Umgebung (4) des Luftfahrzeugs (2), welche Vorrichtung umfasst: – einen Pulslaser (1), welcher Laserpulse aussendet und derart ausgelegt ist, dass er durch seine Leistung und seine Divergenz (11) eine kegelförmige Umgebung (4) des Luftfahrzeugs (2) definiert, wobei der Pulslaser (1) eine Pulsfrequenz und/oder eine Pulsbreite aufweist, welche an die Geschwindigkeit des zu detektierenden Geschosses (3) angepasst sind, und wobei die Pulsfrequenz derart gewählt ist, dass das zu detektierende Geschoss (3) beim Flug durch die Umgebung (4) des Luftfahrzeugs (2) von einer Vielzahl von Laserpulsen bestrahlt wird, – eine Empfangseinheit mit einem oder mehreren Detektoren (6), welche dazu ausgebildet ist, die an dem zu detektierenden Geschoss (3) reflektierten Laserphotonen (5) zu empfangen; und – eine Auswerteeinheit (7), welche dazu ausgebildet ist, auf Basis der empfangenen reflektierten Laserphotonen (5) die Präsenz des zu detektierenden Geschosses (3) in der Umgebung (4) des Luftfahrzeugs (2) zu detektieren.