DE102018100417B4 - Method and device for optical target tracking of a target object that can be irradiated with a high-energy laser - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur optischen Zielverfolgung von mit einem Hochenergielaser (2) bestrahlbarem Zielobjekt (5), wobei das Zielobjekt (5) mit einem Beleuchtungslaser (6) beleuchtetwird, wobei,zeitlich synchron und mit gleicher Belichtungszeit zwei Kamerabilder (22, 24)des Zielobjektes (5) in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen mit jeweils einer separaten Kamera (14, 15) aufgenommen und gespeichert werden, wobei ein erster Wellenlängenbereich derart gewählt wird, dass eine Strahlung des Beleuchtungslasers (6)gemessen wird, und dass ein zweiter Wellenlängenbereich gegenüber dem ersten Wellenlängenbereich etwas verschoben gewählt wird, derart, dass zwar nicht die Strahlung des Beleuchtungslasers (6) selbst, aber eine durch die Bestrahlung mit einem Laserstrahl (4) desHochenergielasers (2) verursachte Störung (23) gemessen wird;dass anschließend die beiden gespeicherten Kamerabilder (22, 24) mittels eines Rechners (7) elektronisch subtrahiert werden, so dass sich ein Differenzbild (25) ergibt, welches Störungen (23), die sich durch die Bestrahlung des Zielobjektes (5) mit dem Laserstrahl (4) ergeben, nicht oder kaum wahrnehmbar enthält, unddass die Daten des Differenzbildes (25) hinsichtlich der jeweiligen Zielposition ausgewertet und zur Bestimmung der Richtung des Laserstrahles (4) herangezogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass zurBeleuchtung des Zielobjektes (5) Licht der Wellenlänge 980nm verwendet wird,dassder mit einer ersten Kamera (14) empfangene erste Wellenlängenbereich eine Zentralwellenlänge von 980nm und eine spektrale Transmissionsbreite von 10nm aufweist und dass der mit einer zweiten Kamera (15) empfangene zweite Wellenlängenbereich eine Zentralwellenlänge von 970nm und eine spektrale Transmissionsbreite von ebenfalls 10nmaufweist.Method for optical target tracking of a target object (5) that can be irradiated with a high-energy laser (2), the target object (5) being illuminated with an illumination laser (6), with two camera images (22, 24) of the target object (5 ) are recorded and stored in different wavelength ranges, each with a separate camera (14, 15), a first wavelength range being selected in such a way that radiation from the illuminating laser (6) is measured, and a second wavelength range being selected with a slight shift compared to the first wavelength range is measured in such a way that the radiation of the illumination laser (6) itself is not measured, but a disturbance (23) caused by the irradiation with a laser beam (4) of the high-energy laser (2); that the two stored camera images (22, 24) are then electronically subtracted by means of a computer (7), resulting in a difference image (25), which contains disturbances (23) resulting from the irradiation of the target object (5) with the laser beam (4) that are imperceptible or hardly perceptible, and that the data of the difference image (25) are evaluated with regard to the respective target position and for determining the direction of the laser beam (4) are used, characterized in that light with a wavelength of 980 nm is used to illuminate the target object (5), that the first wavelength range received with a first camera (14) has a central wavelength of 980 nm and a spectral transmission width of 10 nm, and that the light with a The second wavelength range received by the second camera (15) has a central wavelength of 970 nm and a spectral transmission width of also 10 nm.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Zielverfolgung von mit einem Hochenergielaser bestrahlbarem Zielobjekt, wobei das Zielobjekt mit einem Beleuchtungslaser beleuchtet wird.The invention relates to a method and a device for optical target tracking of a target object that can be irradiated with a high-energy laser, the target object being illuminated with an illuminating laser.
Bei Laserwaffen wird der Laserstrahl eines Hochenergielasers (Wirklasers) üblicherweise durch ein optisches Trackingverfahren auf ein Zielobjekt ausgerichtet. Dabei wird in der Regel mit einer Abbildungsoptik ein Bild des Zielobjektes auf einer Kamera erzeugt. Durch eine entsprechende Software wird die räumliche Lage des Zielobjektes bestimmt und der Laserstrahl auf das Zielobjekt ausgerichtet. Die Ausrichtung des Laserstrahles erfolgt mechanisch durch die Bewegung einer Trägerplattform oder optisch z.B. durch die gesteuerte Bewegung eines Ablenkspiegel.In laser weapons, the laser beam of a high-energy laser (active laser) is usually aligned with a target object using an optical tracking method. In this case, an image of the target object is generally generated on a camera using imaging optics. The spatial position of the target object is determined by appropriate software and the laser beam is aligned with the target object. The laser beam is aligned mechanically by moving a carrier platform or optically, e.g. by the controlled movement of a deflection mirror.
Für schnell bewegte Zielobjekte läuft die Regelschleife während entsprechend kurzer Zeitabschnitte, d.h. mit einer angepasst hohen Taktrate, ab, wobei die Bildaufnahmefrequenzen bis in den kHz Bereich liegen können.For fast-moving target objects, the control loop runs during correspondingly short periods of time, i.e. with a suitably high clock rate, whereby the image recording frequencies can be in the kHz range.
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.Laser weapons using high-energy lasers have high precision, so accurate beam alignment is particularly important. In particular, in the case of extended target objects, the laser beam can be aimed at a defined object point, which is particularly vulnerable. The illumination laser usually has a larger beam cone than the effective laser and is also aligned in the direction of the target object.
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 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).If the laser beam of the active laser is aligned exactly to the target object and acts on it, the target object often develops strong flames and/or smoke. The material of the target object is also heated by the laser irradiation, so that the target object emits thermal radiation or optical radiation is generated by chemical reactions. These effects cause the camera image to be severely disrupted, since the target object is at least partially covered by flames and smoke and very bright areas (flames, self-illuminating) appear in the evaluation area of the image, which falsify the evaluation. A further precise alignment of the laser beam of the effective laser to the target object is then no longer possible (loss of track).
Aus der
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.With this method, however, subsequent precise positioning of the active laser on a new target point of the target object - for example because the initially irradiated target point was chosen incorrectly - is difficult to achieve because the target object is at least partially optically covered by the flames and smoke of the already heated target object area or also thermal radiation is emitted from places other than the target point.
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 Verfahres angegeben werden.The invention is based on the object of specifying a method with which the influence of interference is reduced or suppressed, so that precise alignment of the laser beam of the active laser on the target object is also possible when a flame caused by the laser beam is on the target object. and/or smoke development or self-illuminating occurs. Furthermore, a device for carrying out the method is to be specified.
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.This object is achieved by the features of claim 1 with regard to the method and by the features of
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 oder deutlich zu reduzieren. Dazu wird aus zwei Kameraaufnahmen des Zielobjektes ein Differenzbild ermittelt, in dem die Störungen nicht auftreten. Dieses Bild wird dann zur Lagebestimmung des Objektes benutzt und wird zur Nachführung des Laserstrahles herangezogen.The invention is essentially based on the idea of using a special image recording technique to suppress or significantly reduce the influence of interference from flames, smoke development and/or intrinsic illumination on precise positioning of the laser beam of the active laser. For this purpose, a difference image is determined from two camera recordings of the target object, in which the disturbances do not occur. This image is then used to determine the position of the object and is used to track the laser beam.
Zur Differenzbildermittlung werden zeitlich synchron und mit gleicher Belichtungszeit zwei Bilder des Zielobjektes in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen mit jeweils einer separaten Kamera aufgenommen und gespeichert, wobei der erste Wellenlängenbereich derart gewählt wird, dass die Strahlung des Beleuchtungslasers messbar ist. Das entsprechende Kamerabild gibt dann das von der Störung überlagerte Zielobjekt wieder. Der zweite Wellenlängenbereich ist gegenüber dem ersten Wellenlängenbereich etwas verschoben, derart, dass zwar nicht die Strahlung des Beleuchtungslasers selbst, aber die durch die Bestrahlung mit dem Hochenergielaser verursachte Strahlung durch Flammenbildung und/oder Eigenleuchten des Oberflächenmaterials des Zielobjektes (Störung) gemessen wird. Dieses Kamerabild enthält also nur die Störung. Wird nun das zweite Kamerabild von dem ersten Kamerabild elektronisch subtrahiert, entsteht ein Differenzbild mit einem von der Störung befreiten Zielobjekt.To determine the differential image, two images of the target object are recorded synchronously and with the same exposure time in different wavelength ranges, each with a separate camera, and stored, with the first wavelength range being selected such that the radiation of the illuminating laser can be measured. The corresponding camera image then shows the target object overlaid by the disturbance. The second The wavelength range is slightly shifted compared to the first wavelength range in such a way that the radiation from the illumination laser itself is not measured, but the radiation caused by the irradiation with the high-energy laser due to the formation of flames and/or the self-luminous nature of the surface material of the target object (interference) is measured. This camera image therefore only contains the disturbance. If the second camera image is now electronically subtracted from the first camera image, a differential image is produced with a target object free of the interference.
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.The difference image is then evaluated with regard to the position of the target object and the direction of the laser beam is regulated. The image recording then starts again in the manner described above.
Vorgeschlagen werden somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Zielverfolgung von mit einem Hochenergielaser bestrahlbarem Zielobjekt wobei das Zielobjekt mit einem Beleuchtungslaser beleuchtet wird. 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 (Störung) auftritt, schlägt die Erfindung eine Differenzbildermittlung vor. Hierzu werden zeitlich synchron und mit gleicher Belichtungszeit zwei Kamerabilder des Zielobjektes in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen mit jeweils einer separaten Kamera aufgenommen und gespeichert. Der erste Wellenlängenbereich wird derart gewählt, dass die Strahlung des Beleuchtungslasers messbar ist. Der zweite Wellenlängenbereich ist gegenüber dem ersten Wellenlängenbereich etwas verschoben, derart, dass zwar nicht die Strahlung des Beleuchtungslasers selbst aber eine durch die Bestrahlung mit dem Hochenergielaser verursachte Störung gemessen wird. Wird nun das zweite Kamerabild von dem ersten Kamerabild elektronisch subtrahiert, entsteht ein Differenzbild mit einem von der Störung befreiten Zielobjekt. Der Vorteil liegt u.a. darin, dass auch Störungen, die durch andere Lichtquellen verursacht werden, wie etwa Sonnenstrahlung und Reflexe der Sonnenstrahlung, unterdrückt werden.A method and a device for optical target tracking of a target object that can be irradiated with a high-energy laser are thus proposed, the target object being illuminated with an illumination laser. In order to enable precise alignment of the laser beam of the high-energy laser on the target object even if the laser beam causes flames and/or smoke to develop or self-illuminating (interference) to occur on the target object, the invention proposes differential image determination. For this purpose, two camera images of the target object are recorded synchronously and with the same exposure time in different wavelength ranges, each with a separate camera and stored. The first wavelength range is chosen in such a way that the radiation of the illuminating laser can be measured. The second wavelength range is slightly shifted compared to the first wavelength range, such that it is not the radiation of the illumination laser itself that is measured, but a disturbance caused by the irradiation with the high-energy laser. If the second camera image is now electronically subtracted from the first camera image, a differential image is produced with a target object free of the interference. The advantage is, among other things, that interference caused by other light sources, such as solar radiation and reflections of solar radiation, are suppressed.
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, Kameras und Rechner; -
2 das mit einer ersten Kamera aufgenommene Bild eines Zielobjektes, bei dem der Wellenlängenbereich derart gewählt ist, dass das Licht des Beleuchtungslasers messbar ist; -
3 das zeitlich gleichzeitig mit einer zweiten Kamera aufgenommene Bild, bei dem der Wellenlängenbereich derart gewählt ist, dass nur die Störung sichtbar ist; -
4 das aus der Differenz der Kamerabilder gem.2 und3 sich ergebende Kamerabild des Zielobjektes.
-
1 the schematic representation of a device (laser arrangement) for carrying out the method according to the invention with active laser, beam guidance system, illumination laser, cameras and computer; -
2 the image of a target object recorded with a first camera, for which the wavelength range is selected in such a way that the light of the illuminating laser can be measured; -
3 the image recorded at the same time by a second camera, in which the wavelength range is selected in such a way that only the disturbance is visible; -
4 that from the difference of the camera images acc.2 and3 resulting camera image of the target object.
In
Das Strahlführungssystem 3, auch Strahlungsführungsmodul genannt, kann als optische Elemente neben Linsen auch Spiegel umfassen.The
Der Wirklaser 2 ist 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.The
Außerdem sind dem Strahlführungssystem 3 zwei Kameras 14, 15 zugeordnet, wobei eine Bildaufnahme des Zielobjektes 5 bei beiden Kameras 14, 15 unter Benutzung des gleichen Strahlweges (gleiche optische Achse) erfolgt. Hierzu sind der erste Umlenkspiegel 10 sowie ein weiterer Umlenkspiegel 16 als dichroitische Strahlenteiler ausgebildet, die also eine wellenlängenabhängige Reflexion bzw. Transmisson besitzen.In addition, two
Das Zielobjekt 5 wird ständig mit Hilfe des Beleuchtungslasers 6 beleuchtet, wobei dieser dem sich bewegenden Zielobjekt 5 ebenfalls nachführbar ist und hierzu beispielsweise mit einem entsprechenden Antrieb 17 verbunden ist.The
Sowohl der Wirklaser 2 und der Beleuchtungslaser 6 als auch die Kameras 14, 15, ein Antrieb 18 für den schwenkbaren Spiegel 11 und der Antrieb 17 für den Beleuchtungslaser 6 sind über entsprechende elektrische Leitungen mit dem Rechner 7 verbunden. Für die grobe Verfolgung des Zielobjekts 5 wird zudem die Trägerplattform dem Zielobjekt 5 nachgeführt.Both the
Zur wellenlängenabhängigen Aufnahme der beiden Bilder des Zielobjektes 5 mit den beiden Kameras 14 und 15 sind diesen entsprechend schmalbandige optische Filter 20, 21 mit unterschiedlichen Transmissionseigenschaften vorgeschaltet.For the wavelength-dependent recording of the two images of the
Vor der ersten Kamera 14 befindet sich ein schmalbandiges Filter 20, das die Wellenlänge des Beleuchtungslasers 6 gut transmittiert. Das entsprechende Kamerabild enthält das durch den Beleuchtungslaser 6 erzeugte Bild überlagert mit den Störungen (Flamme, Eigenleuchten), die im Spektralbereich des optischen Filters 20 liegen.In front of the
Vor der zweiten Kamera 15 befindet sich ein optisches Filter 21, welches den Beleuchtungslaser nicht transmittiert, aber das Licht der Störungen in einem leicht versetzten Spektralbereich bei gleicher spektraler Breite wie das Filter 20 hat.In front of the
Die Zentralwellenlänge des optischen Filters 20 der ersten Kamera 14 entspricht der Wellenlänge des Beleuchtungslasers 6. Die Zentralwellenlänge des optischen Filters 21 vor der zweiten Kamera kann größer oder kleiner sein als die Zentralwellenlänge des optischen Filters 20 der ersten Kamera 14. Der Wellenlängenabstand ist frei wählbar. Die Wellenlänge des Beleuchtungslasers 6 kann im sichtbaren oder nahen Infrarotbereich liegen. Daran angepasst sind Filter und Kameras.The central wavelength of the
Der dichroitische Spiegel 16 wird so ausgeführt, dass der Spiegel 16 die erste Wellenlänge reflektiert (für die Kamera 14) und die zweite Wellenlänge transmittiert (für die Kamera 15).The
Nachfolgend wird mit Hilfe der
Wird von dem Beleuchtungslaser 6 das Zielobjekt 5 erfasst, so wertet der Rechner 7 die entsprechenden Signale der beiden Kameras 14, 15 aus. Dabei liefert die Kamera 14 das in
Werden nun die Daten des Kamerabildes 24 von den Daten des ersten Kamerabildes 22 mit Hilfe des Rechners 7 elektronisch subtrahiert, so ergibt sich ein Differenzbild 25 mit einem von der Störung 20 befreiten Zielobjekt 5 (
Anhand des Differenzbildes 25 kann der Laserstrahl 4 nun präzise auf den Zielpunkt 19 ausgerichtet werden.The
Anschließend startet die Bildaufnahme in der vorstehend beschriebenen Weise erneut.The image recording then starts again in the manner described above.
Vorzugsweise werden für die Erzeugung der Kamerabilder die gleichen Abbildungslinsen verwendet, so dass die Bildgrößen gleich sind und die Differenzbildung direkt ein eindeutiges Bild liefert. Ebenso ist es vorteilhaft Kameras gleichen Typs, d.h. mit gleicher Sensorgröße, mit gleicher Empfindlichkeit usw. einzusetzen. Zur Steigerung der Qualität des Differenzbildes 25 können Mittel der Bildverarbeitung eingesetzt werden, um z.B. Unterschieder in der Bildgröße oder Signalstärker auszugleichen. Derartige Bildverarbeitungen sind hinlänglich bekannt.The same imaging lenses are preferably used to generate the camera images, so that the image sizes are the same and the formation of the difference directly supplies a clear image. It is also advantageous to use cameras of the same type, i.e. with the same sensor size, with the same sensitivity, etc. To increase the quality of the
Erfindungsgemäß betrug die Beleuchtungslaserwellenlänge 980nm. Das optische Filter 20 wurde daher derart gewählt, dass die Zentralwellenlänge ebenfalls 980nm und die spektrale Transmissionsbreite 10nm betragen. Das optische Filter 21 besaß hingegen eine Zentralwellenlänge von 970nm und eine spektrale Transmissionsbreite von ebenfalls 10nm. Der dichroitische Strahlenteiler 16 besitzt in diesem Fall seine spektrale Kante bei 975nm.According to the invention, the illumination laser wavelength was 980 nm. The
Die Optiken für die Bilderzeugung auf den Kameras 14, 15 können unabhängig vom Strahlenführungssystem 3 und eigenständige Optiken sein.The optics for image generation on the
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Vorrichtung, LaseranordnungDevice, laser assembly
- 22
- Hochenergielaser, WirklaserHigh-energy lasers, active lasers
- 33
- Strahlführungssystembeam guidance system
- 44
- Laserstrahllaser beam
- 55
- Zielobjekttarget object
- 66
- Beleuchtungslaserillumination laser
- 77
- Rechnercalculator
- 88th
- Glasfaserkabelfiber optic cable
- 99
- Kollimationslinsecollimating lens
- 1010
- erste Umlenkspiegelfirst deflection mirror
- 1111
- zweite Umlenkspiegelsecond deflection mirror
- 12,1312:13
- Teleskoplinsentelescopic lenses
- 1414
- erste Kamerafirst camera
- 1515
- zweite Kamerasecond camera
- 1616
- Umlenkspiegeldeflection mirror
- 1717
- Antriebdrive
- 1818
- Antriebdrive
- 1919
- Zielpunkttarget point
- 20, 2120, 21
- optische Filteroptical filters
- 2222
- Kamerabildcamera image
- 2323
- StörungDisturbance
- 2424
- Kamerabildcamera image
- 2525
- Differenzbilddifference image
- 100100
- Richtungspfeildirectional arrow
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