DE102018100414A1

DE102018100414A1 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Zielverfolgung von mit einem Hochenergielaser bestrahlbarem Zielobjekt

Info

Publication number: DE102018100414A1
Application number: DE102018100414.1A
Authority: DE
Inventors: Klaus Ludewigt
Original assignee: Rheinmetall Waffe Munition GmbH
Current assignee: Rheinmetall Waffe Munition GmbH
Priority date: 2018-01-10
Filing date: 2018-01-10
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2038-01-11
Also published as: DE102018100414B4; WO2019137642A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Zielverfolgung von mit einem Hochenergielaser (2) bestrahlbarem Zielobjekt (5), wobei während aufeinander folgender Zeitabschnitte jeweils das Zielobjekt (5) mit einem Beleuchtungslaser (6) beleuchtet wird, dann mit Hilfe einer Abbildungsoptik ein Kamerabild (18, 19) des Zielobjektes (5) erzeugt wird und anschließend der Laserstrahl (4) des Hochenergielasers (2) aufgrund der mit der Abbildungsoptik gewonnenen Kamerabilder (18, 19) auf das Zielobjekt (5) ausgerichtet wird.Um eine präzise Ausrichtung des Laserstrahles (4) des Hochenergielasers (2) auf dem Zielobjekt (5) auch dann zu ermöglichen, wenn auf dem Zielobjekt (5) eine durch den Laserstrahl ausgelöste Flammen- und / oder Rauchentwicklung oder ein Eigenleuchten auftritt, schlägt die Erfindung eine Differenzbildermittlung vor. Hierzu wird während eines ersten Teilzeitabschnittes bei eingeschaltetem Beleuchtungslaser (6) ein erstes Kamerabild (18) des mit dem Hochenergielaser (2) bestrahlten Zielobjektes (5) aufgenommen. Unmittelbar nach diesem ersten Kamerabild (18) wird während eines zweiten Teilzeitabschnittes bei ausgeschaltetem Beleuchtungslaser (6) ein zweites Kamerabild (19) aufgenommen. Wird nun das zweite Kamerabild (19) von dem ersten Kamerabild (18) elektronisch subtrahiert, entsteht ein Differenzbild (21) mit einem von der Störung (20) befreiten Zielobjekt (5). Das Differenzbild (21) wird dann hinsichtlich der Position des Zielobjektes (5) ausgewertet und die Richtung des Laserstrahles (4) geregelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Zielverfolgung von mit einem Hochenergielaser (Wirklaser) bestrahlbarem Zielobjekt, wobei während aufeinander folgender Zeitabschnitte jeweils das Zielobjekt mit einem Beleuchtungslaser beleuchtet wird, dann mit Hilfe einer Abbildungsoptik ein Kamerabild des Zielobjektes erzeugt wird und anschließend der Laserstrahl des Hochenergielasers aufgrund der mit der Abbildungsoptik gewonnenen Bilder auf das Zielobjekt ausgerichtet wird. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Ausrichtung des Laserstrahles erfolgt mechanisch durch die Bewegung einer Trägerplattform oder optisch z.B. durch Ablenkspiegel.
Für schnell bewegte Zielobjekte läuft die Regelschleife während entsprechend kurzer Zeitabschnitte, d.h. mit einer angepasst hohen Taktrate, ab, wobei die Bildaufnahmefrequenzen im kHz Bereich liegen können.
Hochenergielaser verwendende Laserwaffen besitzen eine hohe Präzision, so dass eine genaue Strahlausrichtung besonders wichtig ist. Insbesondere kann bei ausgedehnten Zielobjekten der Laserstrahl auf einen definierten Objektpunkt, der besonders verwundbar ist, ausgerichtet werden. Der Beleuchtungslaser besitzt üblicherweise einen größeren Strahlkegel als der Wirklaser und wird ebenfalls in Richtung des Zielobjektes ausgerichtet.
Ist der Laserstrahl des Wirklasers exakt auf das Zielobjekt ausgerichtet und wirkt auf dieses, kommt es oftmals zu einer starken Flammen- und / oder Rauchentwicklung des Zielobjektes. Ebenso erwärmt sich das Material des Zielobjektes durch die Laserbestrahlung, so dass das Zielobjekt thermische Strahlung aussendet oder optische Strahlung durch chemische Reaktionen erzeugt wird. Durch diese Effekte tritt eine starke Störung des Kamerabildes auf, da das Zielobjekt mindestens teilweise durch Flammen und / oder Rauch verdeckt wird und im Auswertebereich des Bildes sehr helle Bereiche entstehen (Flamme, Eigenleuchten), die die Auswertung verfälschen. Eine weitere präzise Ausrichtung des Laserstrahles des Wirklasers auf das Zielobjekt ist dann nicht mehr möglich (Trackverlust).
Aus der DE 32 30 068 C2 ist ein Verfahren zur genauen Positionierung des Laserstrahles eines Wirklasers bekannt. Dabei wird die jeweilige Winkellage der vom Zielobjekt reflektierten Laserstrahlung als auch die Winkellage der thermischen Strahlung, welche die vom Laserstrahl getroffene und erwärmte Stelle des Zielobjektes aussendet, gemessen und durch einen Vergleich dieser beiden Winkellagen ein Ablagesignal gewonnen, welches dann den Wirklaser nachsteuert und damit dessen Laserstrahl auf die erwärmte Stelle des Zielobjektes gerichtet hält.
Mit diesem Verfahren ist allerdings eine nachträgliche genaue Positionierung des Wirklasers auf einen neuen Zielpunkt des Zielobjektes -etwa weil der zunächst bestrahlte Zielpunkt falsch gewählt wurde- nur schwer realisierbar, weil das Zielobjekt durch die Flammen und den Rauch des bereits erwärmten Zielobjektbereiches mindestens teilweise optisch verdeckt wird oder auch thermische Strahlung von anderen Stellen als dem Zielpunkt ausgesendet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben mit dem der Einfluss von Störungen reduziert bzw. unterdrückt wird, so dass eine präzise Ausrichtung des Laserstrahles des Wirklasers auf dem Zielobjekt auch dann möglich ist, wenn auf dem Zielobjekt eine durch den Laserstrahl ausgelöste Flammen- und / oder Rauchentwicklung oder ein Eigenleuchten auftritt. Ferner soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens offenbart werden.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 4 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
Die Erfindung beruht im Wesentlichen auf dem Gedanken, den Einfluss der Störungen durch Flammen, Rauchentwicklung und/oder Eigenleuchten auf eine genaue Positionierung des Laserstrahles des Wirklasers durch eine spezielle Bildaufnahmetechnik zu unterdrücken, zumindest jedoch deutlich zu reduzieren. Dazu wird aus zwei Kameraaufnahmen des Zielobjektes ein Differenzbild ermittelt, in dem die Störungen nicht auftreten, d.h. diese Störungen wegretuschiert wurden. Dieses Bild wird dann zur Lagebestimmung des Objektes benutzt und wird zur Nachführung des Laserstrahles herangezogen.
Zur Differenzbildermittlung wird während der einzelnen Zeitabschnitte jeweils während eines ersten Teilzeitabschnittes ein erstes Kamerabild des mit dem Hochenergielaser bestrahlten Zielobjektes mit eingeschaltetem Beleuchtungslaser mit kurzer Belichtungszeit (d.h. mit einer Belichtungszeit im Millisekundenbereich) aufgenommen. Das entsprechende Kamerabild gibt das von der Störung überlagerte Zielobjekt wieder. Unmittelbar nach diesem ersten Bild wird während eines zweiten Teilzeitabschnittes ein zweites Kamerabild aufgenommen mit gleicher Belichtungszeit, aber bei ausgeschaltetem Beleuchtungslaser. Dieses Kamerabild enthält nur die Störung. Wird nun das zweite Kamerabild von dem ersten Kamerabild elektronisch subtrahiert, entsteht ein Differenzbild mit einem von der Störung befreiten Zielobjekt.
Das Differenzbild wird dann hinsichtlich der Position des Zielobjektes ausgewertet und die Richtung des Laserstrahles geregelt. Anschließend startet die Bildaufnahme in der vorstehend beschriebenen Weise erneut.
Vorgeschlagen werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Zielverfolgung von mit einem Hochenergielaser bestrahlbarem Zielobjekt. Während aufeinander folgender Zeitabschnitte werden jeweils das Zielobjekt mit einem Beleuchtungslaser beleuchtet, dann mit Hilfe einer Abbildungsoptik ein Kamerabild des Zielobjektes erzeugt und anschließend der Laserstrahl des Hochenergielasers aufgrund der mit der Abbildungsoptik gewonnenen Kamerabilder auf das Zielobjekt ausgerichtet. Um eine präzise Ausrichtung des Laserstrahles des Hochenergielasers auf dem Zielobjekt auch dann zu ermöglichen, wenn auf dem Zielobjekt eine durch den Laserstrahl ausgelöste Flammen- und / oder Rauchentwicklung oder ein Eigenleuchten auftritt, schlägt die Erfindung eine Differenzbildermittlung vor. Hierzu wird während eines ersten Teilzeitabschnittes bei eingeschaltetem Beleuchtungslaser ein erstes Kamerabild des mit dem Hochenergielaser bestrahlten Zielobjektes aufgenommen. Unmittelbar nach diesem ersten Kamerabild wird während eines zweiten Teilzeitabschnittes bei ausgeschaltetem Beleuchtungslaser ein zweites Kamerabild aufgenommen. Wird nun das zweite Kamerabild von dem ersten Kamerabild elektronisch subtrahiert, entsteht ein Differenzbild mit einem von der Störung befreiten Zielobjekt. Das Differenzbild wird dann hinsichtlich der Position des Zielobjektes ausgewertet und die Richtung des Laserstrahles geregelt. Der Vorteil liegt u.a. darin, dass auch Störungen, die durch andere Lichtquellen verursacht werden, wie etwa Sonnenstrahlung und Reflexe der Sonnenstrahlung, unterdrückt werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

1 die schematische Darstellung einer Vorrichtung (Laseranordnung) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Wirklaser, Strahlführungssystem, Beleuchtungslaser, Kamera und Rechner;
2 das Kamerabild eines Zielobjektes nach Einschalten des Beleuchtungslasers, sofern das Zielobjekt bereits mit dem Wirklaser bestrahlt wurde;
3 das Kamerabild des mit dem Wirklaser bestrahlten Zielobjektes bei ausgeschaltetem Beleuchtungslaser;
4 das aus der Differenz der Kamerabilder gem. 2 und 3 sich ergebende Kamerabild des Zielobjektes.

In 1 ist mit 1 eine Vorrichtung (Laseranordnung) bezeichnet, die einen Hochenergielaser 2 (Waffen- oder Wirklaser), ein dem Wirklaser 2 nachgeschaltetes Strahlführungssystem 3 zur Fokussierung des Laserstrahles 4 des Wirklasers 2 auf ein sich bewegendes Zielobjekt 5, einen Beleuchtungslaser 6 und einen elektronischen Rechner 7 umfasst. Die Vorrichtung 1 ist bevorzugt auf einer Trägerplattform (nicht näher dargestellt) angeordnet.
Der Wirklaser 2 ist hierbei beispielshaft über ein Glasfaserkabel 8 mit dem Strahlführungssystem 3 verbunden. Letzteres besteht im Wesentlichen aus einer Kollimationslinse 9, einem ersten Umlenkspiegel 10 und einem schwenkbaren zweiten Umlenkspiegel 11 sowie zwei Teleskoplinsen 12 und 13.
Außerdem ist dem Strahlführungssystem 3 eine Kamera 14 zugeordnet, so dass eine Bildaufnahme des Zielobjektes 5 unter Benutzung des gleichen Strahlweges (gleiche optische Achse wie die des Wirklasers) erfolgt. Hierzu ist der erste Umlenkspiegel 10 als dichroitischer Strahlenteiler ausgebildet.
Das Zielobjekt 5 wird mit Hilfe des Beleuchtungslasers 6 beleuchtet, wobei dieser dem sich bewegenden Zielobjekt 5 ebenfalls nachführbar ist und hierzu beispielsweise mit einem entsprechenden Antrieb 16 verbunden ist.
Sowohl der Wirklaser 2 und der Beleuchtungslaser 6 als auch die Kamera 14, ein Antrieb 15 für den schwenkbaren Umlenkspiegel 11 und der Antrieb 16 für den Beleuchtungslaser 6 sind über entsprechende elektrische Leitungen mit dem Rechner 7 verbunden. Für die grobe Verfolgung des Ziels wird zudem die Trägerplattform dem Zielobjekt 5 nachgeführt.
Nachfolgend wird mit Hilfe der 2 bis 4 näher auf die Funktionsweise der Laseranordnung 1 eingegangen. Dabei wird angenommen, dass sich das Zielobjekt 5 in Richtung des mit 100 bezeichneten Richtungspfeiles bewegt.
Wird von dem Beleuchtungslaser 6 das Zielobjekt 5 erfasst, so wertet der Rechner 7 die entsprechenden Kamerasignale aus. Der Rechner 7 erzeugt dann Stellsignale zur Ausrichtung des zweiten Umlenkspiegels 11, so dass der Laserstrahl 4 auf einen vorgegebenen Zielpunkt 17 des Zielobjektes 5 auftrifft (der Laserstrahl 4 ist dabei stets eingeschaltet). Da durch die Erwärmung des Materials des Zielobjektes 5 eine starke Flammen- und Rauchbildung (Störung) auftritt, ist bei dem sich bewegenden Zielobjekt 5 aufgrund der nun mit der Kamera 14 gewonnenen Daten eine genaue Positionierung des Laserstrahles 4 auf den sich ebenfalls bewegenden Zielpunkt 17 problematisch.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, zunächst mit der Kamera 14 ein Kamerabild 18 des Zielobjektes 5 bei eingeschaltetem Beleuchtungslaser 6 mit kurzer Belichtungszeit aufzunehmen (2) und die digitalen Daten dieses Kamerabildes 18 in einem Speicher des Rechners 7 abzulegen. Das entsprechende Kamerabild 18 gibt das von der Störung 20 teilweise verdeckte Zielobjekt 5 wieder.
Unmittelbar nach Aufnahme des ersten Kamerabildes 18 und Abspeicherung der entsprechenden Daten wird mit der Kamera 14 ein zweites Kamerabild 19 mit gleicher Belichtungszeit, aber bei ausgeschaltetem Beleuchtungslaser 6 aufgenommen und deren digitalen Daten ebenfalls in dem Speicher des Rechners 7 abgespeichert. Dieses zweite Kamerabild 19 gibt nur die Störung 20 wieder (3).
Werden nun die Daten des zweiten Kamerabildes 19 von den Daten des ersten Kamerabildes 18 mit Hilfe des Rechners 7 elektronisch subtrahiert, so ergibt sich ein Differenzbild 21 mit einem von der Störung 20 befreiten Zielobjekt 5 (4).
Zur Steigerung der Qualität des Differenzbildes können bekannte Mittel der Bildverarbeitung eingesetzt werden, Z.B. um Unterschiede in der Signalstärke auszugleichen.
Das Differenzbild 21 wird anschließend hinsichtlich der Position des Zielpunktes 17 auf dem Zielobjekt 5 ausgewertet und die Richtung des Laserstrahles 4 auf den Zielpunkt 17 ausgerichtet.
Anschließend startet die Bildaufnahme in der vorstehend beschriebenen Weise erneut.
Prinzipiell kann die Wellenlänge des Beleuchtungslasers 6 im sichtbaren Spektralbereich oder im nahen Infrarotbereich liegen, wobei daran angepasste Kameras 14 verwendet werden. Zudem kann vor der Kamera 14 zur zusätzlichen Filterung von Störungen ein schmalbandiger Spektralfilter (nicht näher dargestellt) eingesetzt werden, das die Wellenlängen des Beleuchtungslasers 6 transmittiert. Im Strahlführungssystem 3 können als optische Elemente neben Linsen auch Spiegel eingesetzt werden. Optiken für die Kameras 14, 15 können unabhängig vom Strahlenführungssystem 3 und dabei eigenständige Optiken sein.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung, Laseranordnung
2: Hochenergielaser, Wirklaser
3: Strahlführungssystem /Strahlenführungsmodul
4: Laserstrahl
5: Zielobjekt
6: Beleuchtungslaser
7: Rechner
8: Glasfaserkabel
9: Kollimationslinse
10: erste Umlenkspiegel
11: zweite Umlenkspiegel
12,13: Teleskoplinsen
14: Kamera
15: Antrieb
16: Antrieb
17: Zielpunkt / Zielposition
18, 19: Kamerabilder
20: Störung (Flamme, Rauch)
21: Differenzbild
100: Richtungspfeil

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 Patentliteratur

DE 3230068 C2 [0006]

Claims

Verfahren zur optischen Zielverfolgung von mit einem Hochenergielaser (2) bestrahlbarem Zielobjekt (5), wobei während aufeinander folgender Zeitabschnitte jeweils das Zielobjekt (5) mit einem Beleuchtungslaser (6) beleuchtet wird, dann mit Hilfe einer Abbildungsoptik ein Kamerabild (18, 19) des Zielobjektes (5) erzeugt wird und anschließend der Laserstrahl (4) des Hochenergielasers (2) aufgrund der mit der Abbildungsoptik gewonnenen Kamerabilder (18, 19) auf das Zielobjekt (5) ausgerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der einzelnen Zeitabschnitte jeweils während eines ersten Teilzeitabschnittes ein erstes Kamerabild (18) des mit dem Hochenergielaser (2) bestrahlten Zielobjektes (5) mit eingeschaltetem Beleuchtungslaser (6) und während eines sich anschließenden zweiten Teilzeitabschnittes ein zweites Kamerabild (19) mit ausgeschaltetem Beleuchtungslaser (6) aufgenommen und gespeichert wird, dass anschließend die gespeicherten Kamerabilder (18, 19) mittels eines Rechners (7) elektronisch subtrahiert werden, so dass sich ein Differenzbild (21) ergibt, welches Störungen (20), die sich durch die Bestrahlung des Zielobjektes (5) mit dem Laserstrahl (4) ergeben, nicht oder kaum wahrnehmbar enthält, und dass die Daten des Differenzbildes (21) hinsichtlich der jeweiligen Zielposition (17) ausgewertet und zur Bestimmung der Richtung des Laserstrahles (4) des Hochenergielasers herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilzeitabschnitte im Millisekundenbereich liegen und gleich lang gewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des Beleuchtungslasers (6) im sichtbaren Spektralbereich oder im nahen Infrarotbereich liegen kann.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Mittel (10-13) des zur Strahlführung des Laserstrahles (4) des Hochenergielasers (2) benötigten Strahlführungssystems (3) derart angeordnet sind, dass sie ebenfalls als Abbildungsoptik für die Kamera (14) dienen, so dass von der Kamera (14) Lichtstrahlen empfangen werden, die den gleichen Strahlenweg zwischen dem Strahlführungssystem (3) und dem Zielobjekt (5) durchlaufen, wie der Laserstrahl (4) des Hochenergielasers (2).
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Kamera (14, 15) zur zusätzlichen Filterung von Störungen ein schmalbandiger Spektratfilter eingesetzt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel der Bildverarbeitung eigesetzt werden können, um die Qualität des Differenzbildes (21) zu erhöhen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlführungssystem (3) als optische Elemente neben Linsen auch Spiegel eingesetzt werden können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Optiken für die Kameras (14, 15) unabhängig vom Strahlenführungssystem (3) sein können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Optiken der Kameras (14,1 15) eigenständige Optiken sein können.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Unterdrückung von Störungen, die durch andere Lichtquellen hervorgerufen werden.