-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur lokalen Stabilisierung eines Strahlungsflecks auf einem entfernten Zielobjekt. Sie betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur lokalen Stabilisierung eines Strahlungsflecks auf einem entfernten Zielobjekt gemäß einem solchen Verfahren. Dabei wird ein Hochenergielaserstrahl von einem Hochenergiestrahler ausgesendet und auf das entfernt gelegene oder sich in großer Entfernung bewegende Zielobjekt gerichtet, auf welchem er den Strahlungsfleck erzeugt. Ziel ist die Zerstörung oder Beschädigung des Zielobjekts mittels des Hochenergielaserstrahls.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Die Ausbreitung von Hochenergielaserstrahlen in der Atmosphäre unterliegt turbulenten Störungen, die durch Temperaturschwankungen und damit leichten Schwankungen des Brechungsindex der Luft hervorgerufen werden und zeitlich variieren. Diese Störungen resultieren in einer örtlichen Ablenkung des Hochenergielaserstrahls (der sogenannte Tip/Tilt Anteil) sowie einer zusätzlichen nichtlinearen Veränderung des Strahlprofils. Die Wirkung des Hochenergielaserstrahls auf dem Ziel wird verschlechtert, wenn der Strahlungsfleck nicht konstant an derselben Stelle des Zielobjekts verbleibt (auch wenn dieses sich bewegt), sondern wenn er auf dem Zielobjekt wandert. Soll die Leistung des Hochenergielasers (HEL) auf dem Zielobjekt maximiert werden, so ist es erforderlich, die turbulenten Störungen zu kennen und zu kompensieren. Dazu ist zunächst das Zielobjekt zu beobachten, wozu üblicherweise eine Bilderfassungseinrichtung vorgesehen ist, die vom Zielobjekt ausgesandtes oder reflektiertes Licht erfasst.
-
Bei ausgedehnten Zielen führen folgende Effekte zu einer Beeinträchtigung des von der Bilderfassung aufgenommenen Zielobjektbildes und somit zu einer möglichen Verschlechterung der Stabilisierung des Strahlungsflecks auf dem Zielobjekt:
- – Inhomogene zeitliche Variation der von der Bilderfassungseinrichtung beobachteten Oberflächenhelligkeit des Zielobjekts, z. B. wandernde Glints, inhomogene Beleuchtung, Abschattungen, Turbulenzeffekte etc.;
- – Bei Beleuchtung des Zieles mit einem Beleuchtungslaser können zusätzliche Speckle-Effekte und Inhomogenitäten der Oberflächenhelligkeit auftreten;
- – Starke Verschmierungen der Zielkonturen, z. B. durch Turbulenzen, inhomogene Beleuchtungssituationen des Zieles oder Speckle-Effekte.
-
Des Weiteren unterliegt die Turbulenz in der Luft, die der Hochenergielaserstrahl auf seinem Weg zum Ziel durchdringt, örtlichen Schwankungen, es ist daher für die Beobachtbarkeit der Turbulenz erforderlich diese innerhalb begrenzter Gebiete um den Hochenergielaserstrahl herum zu detektieren. Typischerweise werden zur Beurteilung der lokal geeigneten Gebiete der Friedparameter r0 bzw. der isoplanatische Winkel Θ0 herangezogen. Sie beschreiben Orts- bzw. Winkelbereiche, außerhalb derer man von einer signifikant veränderten Turbulenz sprechen kann.
-
STAND DER TECHNIK
-
Es sind herkömmliche Konzepte zur Detektion der Turbulenz bekannt, so zum Beispiel bei der Detektion des Tip-Tilt-Anteils die Verwendung von Guidestars in der Astronomie oder von Tip-Tilt-Laserspots in Zusammenhang mit Hochenergielasern. Zur Detektion von höheren Moden der Turbulenz finden so genannte adaptive Optiken Anwendung. Die Vorrichtungen zur Turbulenzdetektion nach diesen bekannten Verfahren benötigen jeweils zusätzliche Sensoren und/oder Sender.
-
Im Bereich der Bildverarbeitung sind verbreitete Verfahren die Schwerpunktsmessung der Abbildung des Zielobjekts im von der Bilderfassungseinrichtung erfassten Bild oder alternativ durch Auswertung eines Vier-Quadranten-Detektors.
-
Der Nachteil dabei ist, dass die zeitlichen Variationen der Oberflächenhelligkeit als virtuelle turbulente Tip/Tilt-Bewegung interpretiert werden und ein zusätzliches Rauschen erzeugen, welches die Stabilisierung des Strahlungsflecks auf dem Zielobjekt deutlich verschlechtert. Auch Bildverschmierungen führen zu einem zusätzlichen Rauschen.
-
Alternative Methoden, zum Beispiel Korrelationsverfahren, sind ebenfalls sensibel gegen starke Schwankungen der Oberflächenhelligkeit. Konturtrackingverfahren sind weniger sensitiv gegenüber Helligkeitsschwankungen der Zieloberfläche, erzeugen aber bei Konturverschmierungen des Zieles im von der Bilderfassungseinrichtung erfassten Bild deutliches Zusatzrauschen. In der Literatur veröffentlichte statistische Verfahren versuchen, die turbulente Bildverschlechterung zu schätzen, lösen aber das Problem der zeitlichen Variation der Oberflächenhelligkeit nicht.
-
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Stabilisierung eines Strahlungsflecks auf einem entfernten Zielobjekt anzugeben, so dass eine schnelle Zerstörung des Zielobjekts mittels Hochenergielaserstrahlen ermöglicht ist.
-
Der auf das Verfahren gerichtete Teil der Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Stabilisierung eines Strahlungsflecks auf einem entfernten Zielobjekt mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
-
Dieses erfindungsgemäße Verfahren zur lokalen Stabilisierung eines Strahlungsflecks auf einem entfernten Zielobjekt, bei welchem der Strahlungsfleck von einem Hochenergielaserstrahl gebildet wird, der von einem Hochenergiestrahler auf das Zielobjekt gerichtet wird, und bei welchem das Zielobjekt von einem Beleuchtungsstrahl beleuchtet wird, der von einer Beleuchtungseinrichtung auf das Zielobjekt gerichtet wird, zeichnet sich dadurch aus, dass eine von dem vom Beleuchtungsstrahl beleuchteten Zielobjekt reflektierte Strahlung von einer Bilderfassungseinrichtung empfangen wird, dass die vom Zielobjekt zur Bilderfassungseinrichtung reflektierte Strahlung durch denselben optischen Pfad läuft wie der Hochenergielaserstrahl, dass das von der Bilderfassungseinrichtung erfasste Bild des beleuchteten Zielobjekts oder eines Teils des Zielobjekts analysiert und mit zumindest einem zu einem zurückliegenden Zeitpunkt erzeugten Bild des beleuchteten Zielobjekts oder eines Teils des Zielobjekts oder mit einem in einer Objektdatenbank gespeicherten Bild verglichen wird und dass ausgehend von diesem Vergleich ein Korrektursignal bestimmt wird, mit dem eine in dem vom Hochenergielaserstrahl und von der reflektierten Strahlung gemeinsam durchlaufenden optischen Pfad angeordnete optische Korrektureinrichtung beaufschlagt wird.
-
Das in einer Objektdatenbank gespeicherte Bild kann auch ein synthetisches Bild oder ein auf bestimmte Bildelemente (zum Beispiel auf Kanten) reduziertes Bild sein. Der Vergleich des erfassten Bildes mit einem in einer Objektdatenbank gespeicherten Bild kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn kein zu einem zurückliegenden Zeitpunkt erfasstes Bild vorliegt oder dieses vorher erfasste Bild für einen Vergleich nicht geeignet ist. Es kann auch sinnvoll sein, eine Mehrzahl von in der Objektdatenbank gespeicherten Bildern unterschiedlicher Objekte mit dem erfassten Bild zu vergleichen um dadurch zunächst das Zielobjekt zu identifizieren.
-
VORTEILE
-
Da das vom Zielobjekt zur Bilderfassungseinrichtung zurücklaufende Licht dieselbe turbulente Atmosphäre wie der Hochenergielaserstrahl (zumindest im Umkreis des Friedparameters r0) erfährt, kann das durch das vom Zielobjekt zum Hochenergiestrahler zurücklaufende Licht auf der Bilderfassungseinrichtung erzeugte Bild als Indikator für die von der Turbulenz erzeugten Störungen des vom Hochenergielaserstrahls erzeugten Strahlungsflecks auf dem Zielobjekt herangezogen werden. Das Abbild des Zielobjekts auf der Bilderfassungseinrichtung erfährt also in der Nähe des Hochenergielaserspots (also des Strahlungsflecks) ähnliche turbulente Störungen wie der Strahlungsfleck selber. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht folglich eine Turbulenzschätzung ohne eine apparativ aufwändige Wellenfrontmessung durchführen zu müssen.
-
Die Turbulenzschätzung und die daraufhin zumindest teilweise durchgeführte Kompensation der Turbulenzauswirkungen auf den Hochenergielaserstrahl und den von ihm auf dem Zielobjekt gebildeten Strahlungsfleck erfolgen auf Grundlage der konsekutiv von der Bilderfassungseinrichtung aufgenommenen Bilder, vorzugsweise Hochgeschwindigkeitskamerabilder, des Zielobjekts. Die Unterschiede, die sich durch unterschiedliche Wellenlängen des Hochenergielaserstrahls und des zurücklaufenden Lichts ergeben, sind hierbei nicht signifikant.
-
Die Kernidee der Erfindung besteht somit darin, die zeitliche Veränderung des Abbildes des vom Beleuchtungsstrahl beleuchteten Zielobjekts oder Teils des Zielobjekts, der möglichst an demselben Ort auf dem Zielobjekt liegt, an dem der Hochenergielaser-Strahlungsfleck liegt, oder zumindest in dessen unmittelbarer Umgebung, auf der Bilderfassungseinrichtung als Messgröße oder Indikator für die Veränderung des auf dem Zielobjekt gebildeten Hochenergielaser-Strahlungsflecks selbst heranzuziehen.
-
Es erfolgt somit durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Wirkleistungserhöhung am Ort des Strahlungsflecks auf dem Zielobjekt durch Kompensation der Turbulenzeffekte ohne das Erfordernis eines großen apparativen Aufwands.
-
Weitere bevorzugte und vorteilhafte Weiterbildungsmerkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 7.
-
Besonders von Vorteil ist es, wenn der Beleuchtungsstrahl eine vom Hochenergielaserstrahl abweichende Wellenlänge aufweist.
-
Vorteilhaft ist es, wenn aufgrund des Vergleichs der zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfassten oder erzeugten Bilder des beleuchteten Zielobjekts oder eines Teils des beleuchteten Zielobjekts eine Prognose für eine künftige Bildstörung getroffen wird und wenn die Bestimmung des Korrektursignals unter Berücksichtigung der prognostizierten Bildstörung erfolgt.
-
Vorzugsweise erfolgt die Analyse des erfassten Bildes mittels zumindest eines Image-Warping-Verfahrens, wobei ein gewarptes Template-Bild des Bildes erzeugt wird. Dadurch ist es möglich, im gewarpten Template-Bild des erfassten Bildes das Bild von einem anderen Blickpunkt zu betrachten. Zur Analyse des Bildes mittels eines Image-Warping-Verfahrens wird ein Template-Bild des Zielobjektes verwendet. Ein Abgleich des erfassten Bildes mit dem gewarpten Template-Bild ermöglicht Rückschlüsse auf die Turbulenzeffekte. Durch Warping-Verfahren, wie zum Beispiel das Lukas-Kanade-Verfahren [Lucas, B. D., Kanade, T.: An Iterative Image Registration Technique with an Application to Stereo Vision, Proceedings of Imaging understanding workshop, pp 121–130, 1981], können zum Beispiel Translationen, Rotationen wie auch Skalierungen ausgehend von einem Template-Bild robust bestimmt werden. Die Art und Anzahl der zugelassenen Bewegungen und Transformationen (Warping-Parameter) kann dabei je nach Problemstellung variieren, so können auch projektive Phänomene berücksichtigt werden.
-
Vorzugsweise wird die quadratische Pixel-Abweichung zwischen dem erfassten Bild und dem gewarpten Template-Bild minimiert. Dadurch wird das Ziel erreicht, die summierte quadratische Pixel-Abweichung zwischen dem gewarptem Template-Bild und dem aufgenommenem Bild zu minimieren. Diese Übereinstimmung (Matching) über alle Pixel des Template-Bilds (und nicht nur über einzelne Features wie zum Beispiel Kanten) sorgt für insensitives Verhalten gegen Variation der Oberflächenhelligkeit (wie z. B. Störung durch Speckle) und Verschmierung der Konturen. Das Template-Bild kann lernend ausgebildet sein.
-
Vorzugsweise erfolgt die Prognose für eine künftige Bildstörung auf der Grundlage der Analyse nur eines Teils des erfassten Bildes.
-
Es ist im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, dass in der Zielfunktion nicht alle Pixel-Abweichungen gleichgewertet betrachtet werden, die Pixel also unterschiedlich gewichtet werden.
-
Vorteilhaft ist dabei, in einem mehrstufigen Verfahren zunächst ein größeres Template-Bild für die Detektion des gesamten Zielobjekts im von der Bilderfassungseinrichtung erfassten Bild und nachgelagert ein Sub-Template mit einem Bildausschnitt zur Schätzung der lokalen Turbulenz zu verwenden.
-
Die Template-Bilder können sowohl modellbasiert in einer Datenbank vorgehalten werden als auch adaptiv lernend aus Bildern der Hochgeschwindigkeitskamera extrahiert und im Laufe des Schätzprozesses immer wieder adaptiert werden.
-
Vorteilhaft ist es ferner, wenn der von der Beleuchtungseinrichtung ausgesandte Beleuchtungsstrahl ein Laserstrahl ist.
-
Der auf die Vorrichtung gerichtete Teil der Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
-
Diese erfindungsgemäße Vorrichtung zur lokalen Stabilisierung eines Strahlungsflecks auf einem entfernten Zielobjekt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zeichnet sich aus durch eine Beleuchtungseinrichtung zur Aussendung eines Beleuchtungsstrahls auf ein Zielobjekt, einen Hochenergielaser zur Aussendung eines Hochenergielaserstrahls auf das Zielobjekt, eine optische Korrektureinrichtung, die im optischen Pfad des Hochenergielaserstrahls vorgesehen ist und die von einer Regeleinrichtung ansteuerbar ist, eine Strahlungs-Auskoppelungseinrichtung, die im optischen Pfad des Hochenergielaserstrahls vorgesehen ist und die ausgebildet ist, um eine als Reflexion des Beleuchtungsstrahls empfangene Strahlung aus diesem optischen Pfad auszukoppeln und auf eine Bilderfassungseinrichtung zu leiten, und eine Bildverarbeitungseinrichtung, die zur Übertragung eines Bildsignals von der Bilderfassungseinrichtung mit dieser verbunden ist und die mit der Regeleinrichtung versehen ist, welche zur Erzeugung eines Korrektursignals ausgestaltet und zur Übertragung des Korrektursignals mit einer Steuerungseinrichtung für die optische Korrektureinrichtung verbunden ist.
-
Diese Vorrichtung ermöglicht es, ohne größeren apparativen Aufwand wie er beispielsweise bei der Verwendung eines Wellenfrontsensors erforderlich wäre, die künftigen Turbulenzeinflüsse auf den Hochenergielaserstrahl vorab zu schätzen und zu kompensieren.
-
Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche 9 und 10.
-
Dabei ist es von Vorteil, wenn die Bilderfassungseinrichtung von einer Hochgeschwindigkeitskamera gebildet ist oder eine solche aufweist. Dies ermöglicht eine besonders genaue Analyse der Turbulenzeinflüsse auf die empfangene Strahlung und damit eine genauere Prognose der Auswirkungen auf den Hochenergielaserstrahl.
-
In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist die optische Korrektureinrichtung von einem Tip/Tilt-Spiegel gebildet oder weist einen solchen auf. Alternativ ist die Ansteuerung eines deformierbaren Spiegels zur Kompensation höherer Moden möglich.
-
Insgesamt erhält man den Vorteil der Maximierung der Laserenergie im auf dem Zielobjekt gebildeten Strahlungsfleck und damit eine deutliche Reduzierung der Bestrahlzeit ohne Verwendung eines Wellenfrontsensors oder Guidestars.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit zusätzlichen Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Es zeigt:
-
1 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur lokalen Stabilisierung eines Strahlungsflecks auf einem entfernten Zielobjekt,
-
2 ein Messprotokoll der die tatsächliche Ablage des vom Hochenergielaser auf dem Zielobjekt gebildeten Strahlungsflecks und die mittels des Bildverarbeitungsverfahrens berechnete Ablage und
-
3 die Korrelation der Ablagen aus 2.
-
DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
-
In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur lokalen Stabilisierung eines Strahlungsflecks auf einem entfernten Zielobjekt schematisch dargestellt. Diese Vorrichtung weist einen Hochenergiestrahler 1 auf, der einen Hochenergielaserstrahl L aussendet. Dieser Hochenergielaserstrahl L trifft auf einen ersten Umlenkspiegel 10 und wird von dort auf einen zweiten Umlenkspiegel 12 weitergeleitet. Der erste Umlenkspiegel 10 ist als dichroitischer Spiegel ausgebildet, um die Strahlungsleistung des Hochenergielaserstrahls von einem auf demselben optischen Pfad empfangenen Bild zu entkoppeln. Der zweite Spiegel 12 ist ein Tip/Tilt-Spiegel, dessen Winkel variabel ist und von einer Regeleinrichtung kommandiert wird.
-
Der am zweiten Umlenkspiegel reflektierte Hochenergielaserstrahl L tritt dann durch eine beispielsweise als Teleskop ausgebildete Fokussiereinrichtung 14 hindurch und trifft auf die Außenhaut des weit entfernt gelegenen und/oder sich bewegenden Zielobjekts Z, das im gezeigten Beispiel von einem Flugkörper gebildet ist. Der Hochenergielaserstrahl L erzeugt so auf der Außenhaut des Zielobjekts Z einen Strahlungsfleck S. An diesem Strahlungsfleck S wird durch Einwirkung des Hochenergielaserstrahls L die Außenhaut des Zielobjekts Z derart erwärmt, dass die Struktur an dieser Stelle geschwächt und das Zielobjekt Z dadurch zerstört oder geschädigt wird. Ein typischer Anwendungsfall ist die Bekämpfung von Flugkörper-Waffen.
-
Der Hochenergielaserstrahl L durchläuft auf seinem Weg von der Vorrichtung V zum Zielobjekt Z die Atmosphäre A, in der Turbulenzen T auftreten, die in 1 schematisch als Wellenlinie dargestellt sind. Diese Turbulenzen bewirken, dass der Strahlungsfleck S auf dem Zielobjekt Z nicht ortsfest ist, sondern geringfügig bezüglich des von einer Zieleinrichtung anvisierten Haltepunkts H auf dem Zielobjekt Z in Ablage gerät. Das hat zur Folge, dass die lokal an der Außenhaut des Zielobjekts Z aufgebrachte Strahlungsenergie während der Bestrahlung nicht konstant bleibt, wodurch die Bestrahlungswirkung suboptimal ist. Die erforderliche Temperatur auf der Außenhaut des Zielobjekts Z, um die Außenhaut zu erweichen oder aufzuschmelzen, wird daher nur nach längerer Bestrahlungszeit und/oder nur unter Einsatz einer höheren Strahlungsenergie erreicht. Um dieses Ziel auch bei geringerer Strahlungsenergie und kürzerer Bestrahlungszeit zu erreichen, gilt es, den Strahlungsfleck S auf der Außenhaut des Zielobjekts Z lokal zu stabilisieren. Neben den üblichen Verfahren zur Zielverfolgung, die den Strahlungsfleck S auch bei einem bewegten Zielobjekt Z im wesentlichen punktgenau nachführen, ist das Problem der turbulenzbedingten Zielpunktablage des Hochenergielaserstrahls L zu lösen.
-
Dazu wird das Zielobjekt Z aus im Wesentlichen ebenso großer Entfernung wie die Entfernung zwischen der Vorrichtung V und dem Zielobjekt Z mittels einer Beleuchtungseinrichtung 2, die beispielsweise von einem Beleuchtungslaser 20 gebildet ist, beleuchtet. Der vom Beleuchtungslaser 20 ausgehende Beleuchtungsstrahl B weist üblicherweise eine vom Hochenergielaserstrahl L abweichende Wellenlänge auf. Der Beleuchtungslaser 20 ist divergent und beleuchtet das gesamte Zielobjekt oder zumindest ausgedehnte Bereiche des Zielobjekts Z.
-
Der Beleuchtungsstrahl B legt von der Beleuchtungseinrichtung 2 zum Ziel Z ebenfalls eine große Entfernung zurück und trifft auf das Zielobjekt Z und zwar ebenfalls auf die Außenhaut zumindest im Bereich des Strahlungsflecks S. Von dort wird die an der Außenhaut des Zielobjekts Z reflektierte Beleuchtungsstrahlung B' auf demselben optischen Pfad P zur Vorrichtung V geleitet, den der Hochenergielaserstrahl L von der Vorrichtung V zum Ziel Z nimmt. Das bedeutet, dass der reflektierte Beleuchtungsstrahl B' ebenfalls durch die Atmosphäre A und deren Turbulenzen T hindurch läuft und daher dieselben optischen Abweichungen erfährt, wie der zum selben Zeitpunkt durch die Turbulenzen T hindurchtretende Hochenergielaserstrahl L.
-
Der reflektierte Beleuchtungsstrahl B' tritt vom Zielobjekt Z kommend durch die Fokussiereinrichtung 14 hindurch und trifft auf den zweiten Umlenkspiegel 12, von dem er in Richtung auf den ersten Umlenkspiegel 10 abgelenkt wird.
-
Dieser erste Umlenkspiegel 10 ist für die Wellenlänge des Beleuchtungsstrahls B durchlässig, sodass er eine Strahlungs-Auskoppelungseinrichtung bildet, die den vom Zielobjekt Z reflektierten Beleuchtungsstrahl B' nicht ablenkt, sondern hindurchläßt. Der durch den ersten Umlenkspiegel 10 hindurchtretende reflektierte Beleuchtungsstrahl B' trifft dann auf eine Bilderfassungseinrichtung 3, die beispielsweise von einer Hochgeschwindigkeitskamera 30 gebildet ist. Die Bilderfassungseinrichtung 3 erfasst ein Abbild eines Teilbereichs des Zielobjekts Z oder sogar das gesamte Zielobjekt Z.
-
Das in der Bilderfassungseinrichtung 3 gewonnene Bildsignal wird über eine Signalleitung 32 zu einer Bildverarbeitungseinrichtung 34 geleitet, die das vom Bildsignal repräsentierte Bild analysiert und mit einem vorher erzeugten Bild vergleicht. Dieses vorher erzeugte Bild kann ein zu einem vorherigen oder früheren Zeitpunkt erfasstes oder synthetisch erzeugtes Bild sein. Aus einer Folge derartiger Vergleiche von hintereinander erzeugten oder von der Bilderfassungseinrichtung 3 erfassten Bildern des vom Beleuchtungsstrahl B auf der Außenhaut des Zielobjekts Z beleuchteten Bereichs, der über die reflektierte Beleuchtungsstrahlung B' wahrgenommen wird, kann die Bildverarbeitungseinrichtung 34 eine Prognose erstellen, welchen optischen Einflüssen der zu diesem Zeitpunkt ausgestrahlte Hochenergielaserstrahl L auf seinem Weg durch die Atmosphäre A unterworfen sein wird. Aus dieser Prognose ermittelt die Bildverarbeitungseinrichtung ein Korrektursignal, welches von einer in der Bildverarbeitungseinrichtung 34 vorgesehenen oder mit dieser verbundenen Regeleinrichtung 36 – symbolisiert durch den offenen Pfeil K – als Steuersignal an eine Steuerungseinrichtung des als Tip/Tilt-Spiegel ausgebildeten zweiten Umlenkspiegels 12 gesandt wird.
-
Selbstverständlich ist es bei geringfügigen Zugeständnissen an die Genauigkeit auch möglich, das Korrektursignal direkt aus einem Vergleich der Bildsignale der letzten empfangenen Bilder des Beleuchtungspunktes zu ermitteln ohne dass eine Prognose erstellt und diese dann der Korrektur zugrundegelegt wird.
-
Der zweite Umlenkspiegel 12 bildet so eine optische Korrektureinrichtung und gleicht die auf dem Weg zwischen der Vorrichtung V und dem Zielobjekt Z erwarteten optischen Einflüsse, die im Wesentlichen durch die Turbulenzen T verursacht werden, aus. Auf diese Weise ist ein Fein-Nachführ-Regelkreis gebildet, der die schädlichen Einwirkungen der Turbulenzen T auf den Hochenergielaserstrahl L (und natürlich auch auf den reflektierten Beleuchtungsstrahl B') kompensiert, sodass der vom Laserstrahl L gebildete Strahlungsfleck S auf der Außenhaut des Zielobjekts Z nahezu ortskonstant bleibt.
-
Bei der in 1 dargestellten Vorrichtung wird in demselben optischen Kanal oder auf demselben optischen Pfad, den der Hochenergielaser durchläuft, vom Ziel zurückgeworfenes Licht in einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgenommen und ausgewertet. Auf dessen Basis wird eine Korrektur des Hochenergie-Laserstrahls mit Hilfe eines zum Beispiel als Piezospiegel ausgebildeten Tip/Tilt-Spiegels als optische Korrektureinrichtung durchgeführt. Obwohl das Zielobjekt im gezeigten Beispiel mittels eines Beleuchtungslasers beleuchtet wird, sind jedoch auch andere Beleuchtungsformen bis hin zur Auswertung der Rückstrahlung aufgrund der Sonneneinstrahlung nutzbar.
-
Kernpunkt des als Beispiel gezeigten und beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Abgleich eines sogenannten Template-Bildes eines Objektes (des Zielobjekts oder eines Teils des Zielobjekts) mit dem augenblicklich von der Bilderfassungseinrichtung 2 erfassten Bild (im Folgenden als Feintracking-Bild bezeichnet). Ziel ist es, die Parameter einer Transformation zu bestimmen, die das Template-Bild optimal im Sinne eines bestimmten Gütemaßes auf das augenblickliche Feintracking-Bild abbildet. Hierzu kann beispielsweise die minimale quadratische Fehlersumme der Pixelabweichungen verwendet werden. An dieser Stelle ist es auch möglich, den Einfluss bestimmter Parameter der Transformation in dem Fehlermaß unterschiedlich bzw. bestimmte Pixelabweichungen stärker oder schwächer zu gewichten. Auch eine hierarchische Optimierung, in welcher die Komponenten einer Transformationen (z. B. Rotation, Translation) nacheinander optimiert werden, ist denkbar. Die Transformation selbst wird dabei als ”Warping” bezeichnet und die Parameter der Transformation werden als Warping-Parameter bezeichnet.
-
Die Transformation kann verschiedene Freiheitsgrade zulassen: In der Regel werden Rotation, Translation, Streckung bzw. Stauchung und Scherung des Template-Bildes zugelassen. In dem Fall müssen sechs Warping-Parameter bestimmt werden. Aber auch projektive oder andere Transformationen sind denkbar. In diesem Fall kann die Anzahl der Warping-Parameter variieren. Für die Anwendung hat sich jedoch der Weg einer Reduktion der Warping-Parameter als nützlich erwiesen. Je nach Begegnungsgeometrie und Zieltrajektorie treten bestimmte Effekte wie Scherung oder Stauchung nicht auf, so dass die Verwendung von weniger Warping-Parametern (beispielsweise drei oder fünf) nützlich sein kann.
-
Ist der Haltepunkt (der anvisierte Punkt auf dem Zielobjekt Z, den der Hochenergielaserstrahl L treffen soll) im Template-Bild definiert, so kann er unter Verwendung der ermittelten Transformationsvorschrift in das aktuelle Bild transformiert werden und es kann direkt die Ablage ermittelt werden, auf deren Basis die Regeleinrichtung 36 das Korrektursignal berechnet.
-
Vorzugsweise werden die Warping-Parameter auch zur Berechnung von Korrektursignalen zur Ansteuerung eines verformbaren Spiegels zur Kompensation höherer Moden (korrespondierend mit einer Verformung des vom Hochenergielaser gebildeten Strahlungsflecks) verwendet.
-
Das Template-Bild selbst kann ein generisches Bild des Zielobjekts Z sein, welches vorgefertigt ist und in einem Speicher der Bildverarbeitungseinrichtung 34 abgespeichert bereitgestellt wird. Alternativ kann das Template-Bild ein anhand einer anfänglich (vor Einleiten der Bekämpfung durch Aktivierung des Hochenergielasers) von der Bilderfassungseinrichtung 3 aufgenommenen Bildsequenz generiertes Bild sein. Schließlich kann das Template-Bild alternativ auch durch eine von einem Bediener vorgenommene Auswahl eines Ausschnitts des Feintracking-Bilds gebildet werden. Welche dieser alternativen Methoden eingesetzt wird, hängt beispielsweise vom Zielobjekt-Typ ab. Bei sich schnell bewegenden Zielobjekten muss die Wahl automatisch erfolgen, bei langsamen Zielobjekten ist die Vorgabe durch den Bediener sinnvoll. Gleiches gilt für die Wahl des Haltepunkts, der automatisiert oder durch den Bediener vorgegeben werden kann.
-
Im Zuge des Bekämpfungsvorgangs kann sich, beispielsweise durch ein Flugmanöver des Zielobjekts, die Ansicht des Objektes grundlegend ändern, so dass das zugrunde liegende Template-Bild der Situation nicht mehr gerecht wird. Um diesem Effekt zu begegnen, kann das Template-Bild mit Hilfe von Information aus dem Feintracking-Bild modifiziert werden, das Template ist dann lernend ausgelegt. Der Anteil an Information, der aus dem aktuellen Feintracking-Bild zur Modifikation des Templates herangezogen wird, kann dabei begrenzt werden („Lernrate”).
-
Da das Template-Bild im Allgemeinen weniger Pixel beinhaltet als das von der Bilderfassungseinrichtung erfasste Bild und der Berechnungsaufwand und somit auch die benötigte Rechenzeit mit der Anzahl der Pixel ansteigt, wird vorzugsweise das Template „gewarpt”, das heißt einer Transformation unterworfen. Da das Warping im Zuge der Optimierung in jedem Iterationsschritt erfolgen muss, reduziert dies den Rechenaufwand deutlich. Prinzipiell ist jedoch auch der umgekehrte Weg denkbar. Zusätzlich kann Aufwand eingespart werden, indem die Pixelauflösung des Template-Bildes reduziert wird.
-
Unter dem Aspekt der Korrektur von Turbulenzeinflüssen ist ein räumlich begrenzter Bereich (charakterisiert durch den Fried-Radius r0) um den Haltepunkt auf dem Zielobjekt entscheidend. Ist das Zielobjekt groß im Vergleich zu diesem Bereich, kann es sinnvoll sein, ein sogenanntes Sub-Template zu verwenden, welches ausschließlich diesen Bereich des Zielobjekts beinhaltet. In diesem Fall wird das Template-Bild zur Ermittlung einer Grobausrichtung verwendet (primär zur Korrektur der Bewegung des Ziels). Anschließend wird und unter Verwendung des Sub-Templates noch eine Detailausrichtung (primär zur Korrektur der Bewegung aufgrund von Turbulenzen) ermittelt. Die Wahl des Sub-Templates kann, wie schon die Template-Wahl, wiederum auf verschiedene Weise erfolgen. Besonders sinnvoll erscheint die automatisierte Wahl eines Bereichs um den vorgegebenen Haltepunkt, dessen Größe abhängig von r0 gewählt wird.
-
Die beschriebene Vorrichtung fertigt Aufnahmen des Zielobjekts an, auf deren Grundlage mit Hilfe der Warping-Verfahren ein Haltepunkt bestimmt wird. Zeitgleich wird in demselben optischen Kanal oder auf demselben optischen Pfad, durch den das Licht für die Aufnahmen empfangen wird, ein Hochenergielaserfleck auf das Ziel gestrahlt. Die Ablagen vom Haltepunkt (bestimmt aus dem Warping-Verfahren) und dem Schwerpunkt des Hochenergielaserflecks sind in 2 zu sehen. Dort zeigt die hellere Linie (BV) die Ablage des Haltepunkts H des Warpingverfahrens und die dunklere Linie (HEL) die Ablage des Hochenergielaserstrahl-Schwerpunktes, jeweils von der Bildmitte.
-
3 zeigt die Korrelation der Ablagen, also der beiden Verläufe, aus 2 in x-Richtung und in y-Richtung und bestätigt damit die Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Ansatzes zur Turbulenzschätzung und damit die daraufhin durchgeführte Turbulenzfehlerkompensation.
-
Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Hochenergiestrahler
- 2
- Beleuchtungseinrichtung
- 3
- Bilderfassungseinrichtung
- 10
- erster Umlenkspiegel (Strahlungs-Auskoppelungseinrichtung)
- 11
- Steuerungseinrichtung
- 12
- zweiter Umlenkspiegel (optische Korrektureinrichtung)
- 14
- Fokussiereinrichtung
- 20
- Beleuchtungslaser
- 30
- Hochgeschwindigkeitskamera
- 32
- Signalleitung
- 34
- Bildverarbeitungseinrichtung
- 36
- Regeleinrichtung
- A
- Atmosphäre
- B
- Beleuchtungsstrahl
- B'
- reflektierte Beleuchtungsstrahlung
- H
- Haltepunkt
- K
- Korrektursignal
- L
- Hochenergielaserstrahl
- P
- optischer Pfad
- S
- Strahlungsfleck
- T
- Turbulenzen
- V
- Vorrichtung
- Z
- Zielobjekt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Lucas, B. D., Kanade, T.: An Iterative Image Registration Technique with an Application to Stereo Vision, Proceedings of Imaging understanding workshop, pp 121–130, 1981 [0020]
