DE19851010B4

DE19851010B4 - Einrichtung zur Erkennung und Lokalisierung von Laserstrahlungsquellen

Info

Publication number: DE19851010B4
Application number: DE19851010A
Authority: DE
Inventors: Thorsteinn Halldorsson; Kurt-Volker Hechtenberg; Dietmar Krieger
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Hensoldt Sensors GmbH
Priority date: 1998-11-05
Filing date: 1998-11-05
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2018-11-06
Also published as: TR199902712A1; SE529775C2; ITRM990683A1; FR2888333A1; NL1013383C2; DE19851010A1; SE9903966L; FR2888333B1; NL1013383A

Abstract

Einrichtung zur Erkennung und Lokalisierung von Laserstrahlungsquellen mit einem im Bildfeld einer abbildenden Optik angeordneten strahlungsempfindlichen Detektor und einer mit dem Detektor verbundenen elektronischen Signalauswertung, wobei zwischen der Laserstrahlungsquelle und der Optik (2) ein als Kreuzgitter (3) ausgebildetes Beugungsgitter angeordnet ist, derart, dass die Beugungsanordnungen des Kreuzgitters (3) auf dem als flächenhaften Matrixdetektor ausgebildeten Detektor (1) in der Brennebene der Optik (2) abgebildet werden und die mit dem Detektor (1) verbundene elektronische Signalauswertung derart ausgebildet ist, dass zwischen punktförmigen und strichförmigen Leuchtpunkten der Beugungsanordnungen unterschieden werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erkennung und Lokalisierung von Laserstrahlungsquellen mit einem im Bildfeld einer abbildenden Optik angeordneten strahlungsempfindlichen Detektor und einer mit dem Detektor verbundenen elektronischen Signalauswertung sowie Verfahren zur Erkennung und Lokalisierung von Laserstrahlungsquellen mit einer derartigen Einrichtung.
Da Lasergeräte im militärischen Bereich für verschiedenste Zwecke eingesetzt werden, sind zum Schutz und zur Einleitung von Gegenmaßnahmen gegen Bedrohungen Sensoren erforderlich, die derartige Laserquellen entdecken können. Derartige Einrichtungen sind z. B. aus der DE 33 23 828 C2 oder der DE 35 25 518 C2 bekannt. Diese Einrichtungen dienen zur Detektion und Lokalisierung von Pulslaserquellen wie sie z. B. für Zielbeleuchter oder Entfernungsmesser verwendet werden. Die dazu verwendete Laserstrahlung liegt meistens im nahen Infrarotbereich und kann somit vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden. Die bekannten sogenannten Laserwarner setzten voraus, dass die extrem kurzen Laserimpulse direkt auf den Detektor einfallen, so dass dessen Empfindlichkeit bei einer Aufnahmeapertur von nur wenigen mm ausreicht.
In einer Reihe anderer Anwendungen werden Waffen wie Granaten und Flugkörper mit Hilfe eines Laserstrahles gelenkt, der anfangs nicht direkt auf das Ziel, sondern zuerst auf die Granate oder den Flugkörper, in denen sich ein Lasersensor befindet, gerichtet ist. Mit Hilfe dieses Sensors wird dann der Flug entlang der Strahlachse gelenkt, wobei der Schütze durch gezieltes Lenken des Strahles die Granate oder den Flugkörper auf einer von ihm gewünschten Flugbahn auf das Ziel hinführt. Diese Art von Lenkung wird als Strahlreiter-Lenkung (beam-rider) bezeichnet. Da bei dieser Art von Anwendungen der Laserstrahl erst in der Endphase direkt auf das Ziel gerichtet ist, kann die Laserstrahlung vom Ziel aus betrachtet während der Annäherungsphase des jeweiligen Geschosses nur indirekt als Streustrahlung oder als reflektierte Strahlung detektiert werden. Diese indirekten Strahlungsanteile sind jedoch erheblich schwächer als die direkt einfallende Strahlung. Da weiterhin zumeist leistungsschwache Dauerstrichlaser bzw. gepulste Laser mit hoher Pulswiederholfrequenz und geringer Pulsspitzenleistung verwendet werden, reicht die Empfindlichkeit der bisher bekannten Laserwarnsensoren meistens nicht aus, um diese Bedrohung zu erkennen. Erschwerend kommt hinzu, dass die schwache Laserstrahlung im Freien gegen den starken Strahlungshintergrund von Tageslicht bzw. gegen die Beleuchtung heller, künstlicher Lichtquellen detektiert werden muss.
In der US 5,235,405 ist ein Laserwarner beschrieben, der auf der Erzeugung von Moire-Strukturen basiert. Nachdem das einfallende Licht eine dispersives optisches Element, typischerweise ein Prisma, durchlaufen hat, erfolgt an zwei eindimensionalen Beugungsgittern, die sich in verschiedenen Ebenen befinden und die um einen kleinen Winkelbetrag zueinander verdreht sind, die Erzeugung einer Moire-Struktur. Mittels eines Detektors, der als lineares Array ausgebildet ist, kann die Kontrastschärfe der Moirestruktur ermittelt werden, wobei nach Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts das Vorhandensein einer Laserquelle angenommen wird.
In der US 5,771,092 ist ein weiterer Laserwarner beschrieben, der im Strahlengang einen optischen Filter mit linear veränderlichen, wellenlängenabhängigen Eigenschaften sowie eine balkendiagrammförmige Flüssigkristallanzeige aufweist, die – von einer separaten Einheit gesteuert – entlang der Längsrichtung der Flüssigkristallanzeige lichtdurchlässige Öffnungen erzeugt. Die Längsrichtung der Flüssigkeitsanzeige entspricht der Richtung der Wellenlängenabhängigkeit des optischen Filters. Die lichtdurchlässigen Öffnungen werden auf einen Quadrantendetektor mit vier Einzeldetektoren projiziert. Zur Erkennung von Laserlicht werden in der balkendiagrammförmigen Flüssigkristallanzeige zwei Öffnungen, die zu unterschiedlichen Wellenlängen des wellenlängenabhängigen optischen Filters korrespondieren, erzeugt. Fällt Laserlicht ein, so wird im Wesentlichen nur eine lichtdurchlässige Öffnung auf den Quadrantendetektor projiziert, so dass nur zwei der vier Einzeldetektoren ein von Null verschiedenes Signal erzeugen. Fällt dagegen breitbandige Strahlung ein, werden alle vier Einzeldetektoren des Quadrantendetektors beleuchtet.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung sowie ein Verfahren zur Erkennung und Lokalisierung von Laserstrahlungsquellen zu schaffen, welche nicht nur das direkt von einem gepulsten Laser oder einem Dauerstrich-Laser einfallende Licht, sondern auch das indirekte, gebeugte, reflektierte oder gestreute Licht aus der Austrittsapertur des Lasers oder von Strahlungsquellen als Laserlicht unterscheidet und ggf. die Richtung der Laserquelle mit hoher Genauigkeit anzeigt. Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 10 oder 12 gelöst.
Die Erfindung basiert auf der Verwendung eines Kreuzgitters, mit welchem kohärente und inkohärente Strahlung in unterschiedlicher Weise auf einem strahlungsempfindlichen Detektor abgebildet werden. Mit dieser Maßnahme werden spektral breitbandige, d. h. zeitlich inkohärente Punktlichtquellen, wie z. B. Lampen oder Scheinwerfer, nicht mehr als Punkte in der Brennebene des Detektors, z. B. einer CCD-Kamera, abgebildet, sondern als Strichbilder ihres Spektrums. Laser als spektral schmalbandige, d. h. kohärente Quellen werden dagegen als Punktmuster durch das Kreuzgitter abgebildet und sind somit von den inkohärenten Strahlungsquellen unterscheidbar.
Zur Ortung einer als Laser erkannten Lichtquelle ist der Ort der nullten Ordnung des Beugungsbildes auf dem Detektor zu bestimmen. Dies kann, je nach Art des verwendeten Kreuzgitters, auf unterschiedliche Weise geschehen. Im einfachsten Falle ist der punktförmige Leuchtfleck mit der höchsten Intensität die nullte Ordnung des Beugungsbildes und somit identisch mit der Position der Laserlichtquelle auf dem Bildfeld. Bei Kenntnis der momentanen Ausrichtung der optischen Achse und der Brennweite der Optik ist damit auch die Richtung der Strahlungsquelle im beobachteten Raum bekannt.
Eine höhere Sicherheit bei der Positionsbestimmung einer Laserquelle wird dadurch erzielt, indem das Symmetriezentrum des jeweiligen Leuchtfleckenmusters ermittelt wird. Dies wiederum kann in einfacher Weise dadurch geschehen, dass die einzelnen Leuchtflecken mittels eines einstellbaren Schwellwertes, z. B. durch einen vorgesetzten Graukeil oder durch Absenkung der Detektorempfindlichkeit, sukzessive ausgeblendet werden. Da bei einem Kreuzgitter die Bildpunkte gleicher Ordnung auch gleiche Intensität haben und diese symmetrisch um die nullte Ordnung angeordnet sind, verschwinden die Bildpunkte gleicher Ordnung bei steigendem Schwellwert gleichzeitig, so dass aus den Orten der jeweils verschwundenen Bildpunkte das Symmetriezentrum und damit die Position der nullten Ordnung eindeutig bestimmbar ist.
Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Position der nullten Ordnung besteht darin, dass das Kreuzgitter um die optische Achse gedreht wird. In diesem Fall drehen sich alle Bildpunkte höherer Ordnung um den Bildpunkt der nullten Ordnung, welcher im Bild ruhig an der jeweiligen Position verbleibt und damit leicht erkennbar ist.
Weiterhin kann aus dem Abstand der einzelnen Leuchtflecken eines symmetrischen Musters leicht die Wellenlänge des Lasers bestimmt werden, was eine zusätzliche Charakterisierung der jeweiligen Bedrohungsart ermöglicht.
Die Erfindung wird im folgenden anhand des in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben.
Es zeigen
1 den prinzipiellen Aufbau eines Laserwarnempfängers mit vorgeschaltetem Kreuzgitter.
2 den prinzipiellen Aufbau eines Laserwarnempfängers mit integriertem Restlichtverstärker
3 den prinzipiellen Aufbau eines Laserwarnempfängers mit vorgeschalteter Umlenkoptik zur Rundumerfassung und
4a und 4b die mit einem Kreuzgitter erzeugten Beugungsbilder einer a) inkohärenten und b) kohärenten punktförmigen Strahlungsquelle.
Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Laserwarnempfängers für den nahen und mittleren Infrarotbereich sieht eine Kamera mit sogenanntem ”focal plan array (FPA)” d. h. einen flächenhaften Matrixdetektor 1 vor, der in der Brennebene einer abbildenden Optik 2 angeordnet ist. Ein derartiges Detektorarray besteht typischerweise aus 256 × 256 Einzeldetektoren und ist mit einer integrierten Ausleseelektronik 5 versehen. Die Einzeldetektoren des FPA integrieren die einfallende Strahlung über eine feste oder variable Integrationszeit von z. B. 16 ms parallel. Hierdurch unterscheiden sich diese Detektoren von den Einzeldetektoren der üblichen Laserwarnsensoren, die mit einer kurzen Zeitkonstanten im Nanosekundenbereich ausschließlich zur Detektion von gepulsten Strahlungsquellen mit der gleichen Pulsdauer angepasst sind. Zwei verschiedene Arten von Matrixdetektoren mit unterschiedlichen Auslese- und Übertragungsverfahren für die weitere Signalverarbeitung sind als ”Charge-Coupled-Devices (CCD)” und als ”Complementary Metaloxyd Semiconductor (CMS)” bekannt, die hier beide zur Anwendung kommen können.
Im nahen Infrarotbereich von 0,75–1,1 μm können handelsübliche Kameras mit Siliziumdetektoren zur Anwendung kommen, wie sie für die Aufnahme von Bildern im sichtbaren Bereich (gegebenenfalls mit vorgeschaltetem Restlichtverstärker) verwendet werden. Für den Wellenlängenbereich zwischen 1 und 5 μm sind Infrarotkameras mit Platin-Silizid (Pt:Si) oder Indium-Antimonid (In:Sb)-Detektoren und im Wellenlängenbereich zwischen 9 und 12 μm Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Detektoren verfügbar. Einige dieser Detektoren bedürfen einer zusätzlichen Kühlung.
Einer derartigen Kamera wird nun erfindungsgemäß ein Kreuzgitter 3 und gegebenenfalls ein Spektralfilter 4 vorgeschaltet. Mit letzterem wird die optische Bandbreite des Systems auf den Spektralbereich, in dem Laserquellen vermutet werden, eingeengt. Dies wiederum reduziert den Einfluss der Hintergrundstrahlung. Je nach Art der Signalauswertung kann das Kreuzgitter 3 mittels eines Antriebes 6 um die optische Achse der Kamera gedreht werden.
Die Bedeutung des Kreuzfilters soll im folgenden anhand der 4a und b näher erläutert werden:
Legt man zwei gleiche gewöhnliche Strichgitter übereinander, so erhält man ein zweidimensionales Kreuzgitter. Projiziert man durch ein solches Gitter einen Lichtpunkt auf einen Schirm bzw. auf die Brennebene einer Kamera, dann entsteht bei breitbandigem Licht das in 4a wieder gegebene Beugungsbild, bei dem sich um einen runden Fleck eine große Anzahl von farbigen Beugungsspektren in regelmäßiger Anordnung so gruppiert, dass ihre Längsrichtung auf den zentralen Fleck zeigt, wobei der kurzwelligere Anteil des Spektrums innen und der langwelligere Anteil außen liegt. Bei monochromatischem Licht geht die Erscheinung in die 4b über, bei der punktförmige Leuchtflecken entstehen, die in den Schnittpunkten eines fast geradlinigen quadratischen Netzes liegen. Die Lage der Bildpunkte und deren Intensitätsverteilung bei einem Kreuzgitter ergibt sich mit Hilfe der Fraunhoferschen Gitterberechnungen. Die Schnittpunkte zweier Hyperbelscharen bilden die Orte der Interferenzmaxima bei der Beugung an einem ebenen Punktgitter. Wird die Gitterkonstante mit d und der Einfallswinkel in der Ebene parallel zu dem einen Gitter mit α₀ sowie der Einfallswinkel in der Ebene parallel zu dem anderen Gitter mit β₀ bezeichnet, so ergeben sich für die Winkel α bzw. β der Beugungsbilder in diesen beiden, senkrecht zueinander gelegenen Ebenen folgende Beziehungen: sin α – sin α0 = n·λ/d (n = 0, +/– 1, +/– 2, ...) sing β – sin β0 = n·λ/d (m = 0, +/– 1, +/– 2, ...)
Für die erfindungsgemäße Verwendung eines Kreuzgitters in einem Laserwarnsensor sind nun folgende Eigenschaften von Bedeutung:

• Monochromatische Punktquellen werden als Punktgitter mit scharfen Intensitätsmaxima in der Bildebene der Kamera, breitbandige Punktquellen als ausgedehnte Striche abgebildet und können somit von einander unterschieden werden.
• Flächenhafte breitbandige Lichtquellen erzeugen ein verschmiertes Mosaik über die ganze Bildfläche; die Hintergrundstrahlung wird dadurch über die ganze Bildfläche homogenisiert, was die Erkennung von punktförmigen Abbildungen von Laserquellen erleichtert.
• Die nullte Ordnung des Beugungsmusters liegt auf dem Hauptstrahl, geht also ohne Beugung durch das Gitter. Diese Richtung ist auch die Symmetrierichtung des Beugungsmusters höherer Ordnungen. Die Richtung zur Strahlungsquelle kann damit eindeutig aus dem Beugungsmuster ermittelt werden.
• Der Beugungswinkel verschiebt sich mit der Wellenlänge Δλ nach der Formel Δα = n/d·Δλ (entsprechendes gilt für den Winkel β, d. h. die Wellenlänge der Lichtquelle kann aus der Winkellage der Beugungsmaxima bestimmt werden.
• Bei Drehung des Kreuzgitters dreht sich auch das Leuchtfleckenmuster um die Symmetrieachse. Die Richtung der Lichtquelle in Bezug auf die optische Achse der Kamera kann damit eindeutig bestimmt werden.

Um die Verhältnisse bei der Erkennung von zwei Laserquellen unterschiedlicher Wellenlänge zu verdeutlichen, soll ein Zahlenbeispiel angegeben werden:
Bei angenommenen Wellenlängen von λ = 1,064 μm (z. B. Nd:YAG-Laser) und λ₂ = 0,904 μm (z. B. GaAs-Laserdiode), einer Gitterkonstanten d = 10 μm und Einfallswinkeln α₀ = β₀ = 0 betragen die Beugungswinkel α₀ = β₀ = 6,1° für die längere Wellenlänge und 5,4° für die kürzere Wellenlänge. Bei höheren Ordnungen vervielfacht sich der Beugungswinkel. Bei kürzeren Gitterabständen vergrößert sich die Wellenlängenauflösung, gleichzeitig auch der Beugungswinkel. Mit etwa 600 Linien und Zeilen eines Detektorarrays und einem Auffasswinkel der Kamera von 90° beträgt die Winkelauflösung eines Pixels 0,15°. Bei einer Gitterkonstanten von 2 μm beträgt die spektrale Auflösung eines Pixels in der ersten Beugungsordnung etwa 5 nm. Zum Vergleich beträgt die spektrale Bandbreite einer Laserdiode für eine Strahlreiterwaffe etwa 3 nm.
Werden nun vom Detektorarray mehrere isolierte Leuchtflecken registriert, so kann aus deren Ortsverteilung im Bild geschlossen werden, ob es sich um die höheren Ordnungen einer kohärenten Laserquelle handelt. Dies kann aus der Symmetrie des Leuchtfleckenmusters und der identischen Helligkeit aller zu einer bestimmen Ordnung gehörenden Leuchtflecken festgestellt werden. Die Aufgabe kann elektronisch z. B. dadurch gelöst werden, dass die Signale jedes einzelnen Pixels in der Fokalebene bezüglich seiner Intensität mit den Signalen der jeweils benachbarten Pixel verglichen werden. Stellt sich dabei heraus, dass die Intensität eines Pixels deutlich höher ist als die der benachbarten, werden deren Koordinaten und Signalwerte notiert. Das gesamte Bild kann in dieser Weise auf ein Punktmuster einzelner Pixel höherer Intensität reduziert werden. Jetzt können Signalstörungen dadurch eliminiert werden, dass nur solche Pixel betrachtet werden, die konzentrische Quadrate bilden. Bleibt dann ein regelmäßiges Punktmuster übrig, so ist das Vorhandensein einer Laserquelle sehr wahrscheinlich.
Aus dem Durchmesser der Quadrate kann nun auch die Wellenlänge der Laserquelle berechnet werden und z. B. mit Werten einer Bedrohungsbibliothek verglichen werden, um eine weitere Bestätigung für die Bedrohung zu finden. Werden nun die so gewonnenen Punktmuster einer Bilderserie einer Kamera miteinander verglichen, so können Bewegungen der Laserquelle gegenüber dem Ziel berechnet und verfolgt werden. Mehrere Laserquellen können auch nach dieser einfachen Vorschrift schnell auseinandergehalten, klassifiziert und getrennt betrachtet werden. Für einen mit elektronischer Signalverarbeitung vertrauten Fachmann kann diese Aufgabe mit einem einfachen Mikroprozessor bewältigt werden, ohne dass es einer speziellen Bildverarbeitung in einem Computer bedarf.
Kreuzgitter können entweder als Transmissionsgitter oder Reflexionsgitter hergestellt werden. Diese können sowohl als Amplituden- als auch als Phasengitter ausgelegt sein. Der Vorteil der Phasengitter ist ihre wesentlich höhere Transmission, da bei Amplitudengittern die Strahlung an dem jeweils abschattenden Teil des Gitters verloren geht.
Ein Spezialfall von Gittern ist das sogenannte Sinusgitter mit einem örtlichen cos²-Verlauf der Amplitudentransmission bei Verwendung eines Amplitudengitters oder des Brechungsindex bei einem Phasengitter. Bei diesem Gittertyp entstehen nur die nullte und die +/– 1. Ordnung im Beugungsspektrum. Außerdem sind diese Gitter wegen ihrer hohen Effizienz in der Lichtübertragung in der ersten Ordnung zur Detektion von schwachen Laserquellen besonders geeignet.
In der Gitterherstellung setzt sich immer mehr die holographische Herstellung von Gittern durch. Hierbei fallen zwei durch Laserstrahlteilung entstandene Wellen mit geringer Richtungsdifferenz auf eine Fotolackschicht und ergeben dort ein Interferenzstreifenmuster, welches in Gitterstrukturen umgesetzt werden kann. So können Kreuzgitter durch zweimalige Belichtung solcher senkrecht zueinander stehenden Interferenzstreifenmuster hergestellt werden. Mit dieser Technik lassen sich für den Transmissionsbetrieb sowohl Amplituden- als auch Phasengitter herstellen; letztere entstehen durch das bekannte Ausbleichen der Amplitudenstruktur. Die unterschiedliche Belichtung der Schicht in den hellen und dunklen Streifen kann auch in eine Schichtdickenänderung umgesetzt werden (Furchenprofil) und als Phasengitter in Transmission verwendet werden. Die Bedampfung mit Aluminium liefert analog dazu ein Reflexionsgitter.
Für die Verwendung in einem Laserwarner für den sichtbaren und nahen Infrarotbereich von 0,35 bis 2,5 μm eignen sich besonders gut die Transmissions-Sinus-Phasengitter. Diese können z. B. auf Quarzglas aufgebracht werden und als Transmissions-Vorsatz vor einer Kamera verwendet werden. Im Infrarotbereich oberhalb von 2 μm können entweder Amplitudentransmissionshologramme für den Transmissions-Betrieb oder Reflexionsgitter für den Reflexionsbetrieb vor einer Kamera eingesetzt werden. Im Infrarotbereich bei 10 μm (CO2-Laser) werden überwiegend Reflexionsgitter verwendet. Besonders günstig für einen Laserwarner sind sogenannte Echelettegitter, die ein sägezahnförmiges Furchenprofil aufweisen. Die Furchenneigung wird so gewählt, dass für eine gewünschte ”Blaze”-Wellenlänge (Blaze = maximale Intensität) Reflexions- und Beugungsrichtung übereinstimmen. Dann wird auch die entsprechende Ordnung n bevorzugt.
Eine weitere Möglichkeit der Optimierung von Kreuzgittern besteht in der Auslegung der Modulationstiefe und der Gitterkonstanten bzw. der Ortsfrequenz des Gitters. Gitter mit niedriger Ortsfrequenz haben bekanntlich viele Beugungsordnungen, deren Intensitäten sich wie die Quadrate der Sesselfunktionen verhalten. Durch eine starke Modulation nimmt die Intensität demzufolge in den höheren Ordnungen zu. Verringert man die Modulation so nimmt die Intensität in den höheren Ordnungen ab zugunsten der niedrigeren Ordnungen. Die Optimierungsaufgabe für Laserwarner besteht nun darin, die Intensität in den ersten Ordnungen zu maximieren. Dieses Maximum liegt theoretisch bei 33% für ein lineares Gitter. Für ein Kreuzgitter folgt daraus, dass für die interessanten vier Ordnungen jeweils 10% verbleiben. Die restlichen 60% des einfallenden Lichtes verteilen sich auf die übrigen Ordnungen.
Die Beugungseffizienz kann in Kreuzgittern durch Erhöhung der Ortsfrequenz erheblich gesteigert werden. Für Ortsfrequenzen von ca. 400–500 Linienpaare/mm in holographischen Transmissionsphasengittern befindet man sich im Übergangsbereich zwischen dünnen und dicken Hologrammen. Hier treten bereits wesentlich weniger höhere Ordnungen auf. Falls noch höhere Ortsfrequenzen benutzt werden, z. B. 700 Linienpaare/mm, so lassen sich die höheren Ordnungen fast vollständig unterdrücken. Der Lichtanteil der nullten Ordnung lässt sich unter 20% halten, so dass jedes der vier Beugungsbilder der ersten Ordnung etwa 20% des Lichtes erhält.
Die für militärische und sicherheitstechnische Anwendungen verwendeten Laser sind auf wenige relativ enge Wellenlängenbereiche zwischen 800–850 nm, 1050–1070 nm, 1450–1650 nm und 9,5–11,5 μm beschränkt. Um die störende Hintergrundstrahlung entsprechend zu dämpfen ist es vorteilhaft, dass zusätzlich zu dem verwendeten Kreuzgitter auch ein spektrales Filter dem abbildenden Objektiv der Kamera vorgeschaltet ist. Mit einer Filterbreite von z. B. 10–20 nm im nahen Infrarotbereich kann der Hintergrund um einen Faktor 10 bis 20 herabgesetzt werden.
Die Grenzempfindlichkeit von handelsüblichen CCD-Kameras um eine Dauerstrich-Laserquelle bei einer Integrationszeit von 20 ms durch das Kreuzgitter zu detektieren liegt bei etwa 6 pW. Die Signale aufgrund gestreuter Strahlung eines Beam-riders aus einer Entfernung von 10 km liegen vergleichsweise im Bereich 1 pW–1 nW, d. h. im Nachweisbereich eines erfindungsgemäßen Laserwarners. Eine weitere Empfindlichkeitssteigerung ist für CCD-Kameras durch Verlängerung der Integrationszeit, Kühlung des Detektors und durch Vorschalten einer Elektronen-Vervielfacherstufe (z. B. Micro-Channel-Plate mit 10.000facher Verstärkung) vor dem Detektorarray möglich. Die letztgenannte Möglichkeit ist in dem Ausführungsbeispiel gemäss 2 dargestellt. Hier sind vor einer ersten Linse 22.1, in deren Fokalebene ein mit einem Mikroprozessor 25 verbundenes Detektorarray 21 liegt, ein Leuchtschirm 26, ein Elektronenvervielfacher 27, eine Photokathode 28, eine weitere Linse 22.2, ein Kreuzgitter 23 und ein Spektralfilter 24 angeordnet. Hierbei bilden die Elemente 26, 27 und 28 einen sogenannten Restlichtverstärker, dessen Bild dann auf dem Detektorarray 21 abgebildet wird.
Der erforderliche Winkelauffassungsbereich eines Laserwarners wird je nach Anwendung unterschiedlich sein. Für viele Anwendungen werden Normalobjektive mit einem Feldwinkel von 40–55° ausreichend sein. Für eine Rundumauffassung, z. B. für einen Hubschrauber, werden üblicherweise 4 derartige Laserwarner an verschiedene Stellen der Außenhaut installiert, wobei jeder Laserwarner einen Winkel von 90° abdeckt.
Eine andere Möglichkeit zur Rundumauffassung von Laserbedrohungen ist in 3 dargestellt. Hier ist vor einem Laserwarner gemäß 1 oder 2 mit einem Detektorarray 31, einer abbildenden Optik 32 und einem Kreuzgitter 33 ein Konvexspiegel 34 angeordnet, welcher das Licht aus einer horizontal ausgerichteten Ebene I in einem horizontalen Bildwinkel von 90° (z. B. 60° über der Ebene I und 30° unter der Ebene I) erfasst und den so erfassten Bereich in einer Ringfläche II auf dem Detektor 31 abbildet. Jede Richtung aus dem so erfassten Bereich entspricht dann einem Bildpunkt auf der Ringfläche II.
Das hier beschriebene Verfahren zur Detektion von Laserquellen lässt sich mit den unterschiedlichsten Bildaufnahmegeräten realisieren bzw. kombinieren. Insbesondere können an Stelle von Detektorarrays auch spezifisch ausgelegte Einzeldetektoren mit vorgesetzter optischer Abtasteinrichtung (Scanner) zur Anwendung kommen.

Claims

Einrichtung zur Erkennung und Lokalisierung von Laserstrahlungsquellen mit einem im Bildfeld einer abbildenden Optik angeordneten strahlungsempfindlichen Detektor und einer mit dem Detektor verbundenen elektronischen Signalauswertung, wobei zwischen der Laserstrahlungsquelle und der Optik (2) ein als Kreuzgitter (3) ausgebildetes Beugungsgitter angeordnet ist, derart, dass die Beugungsanordnungen des Kreuzgitters (3) auf dem als flächenhaften Matrixdetektor ausgebildeten Detektor (1) in der Brennebene der Optik (2) abgebildet werden und die mit dem Detektor (1) verbundene elektronische Signalauswertung derart ausgebildet ist, dass zwischen punktförmigen und strichförmigen Leuchtpunkten der Beugungsanordnungen unterschieden werden kann.
Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Kreuzgitter (3) als Transmissions- oder Reflexionsgitter ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Kreuzgitter (3) als Amplituden- oder als Phasengitter ausgebildet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Kreuzgitter (3) um die optische Achse der abbildenden Optik drehbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Kreuzgitter (3) mit vorgebbarer Drehzahl drehbar ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Kreuzgitter ein Sinusgitter ist, das nur die 0-te und die erste Ordnung erzeugt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kreuzgitter (23) und der abbildenden Optik (22.1) ein Restlichtverstärker angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Kreuzgitter (3, 23) ein Spektralfilter (4, 24) angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Kreuzgitter (33) eine Umlenkoptik (34), insbesondere ein Konvexspiegel, angeordnet ist.
Verfahren zu Erkennung und Lokalisierung von Laserstrahlungsquellen mit einer Einrichtung gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das auf dem Detektor erzeugte Bild von der Signalauswertung nach punktförmigen Leuchtflecken durchsucht, deren Positionen innerhalb des Bildfeldes registriert werden und, dass der Ort eines die 0-te Ordnung des abgebildeten Leuchtfleckenmusters wiedergebenden Bildpunktes ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines variablen Schwellwertes die Bilder der Leuchtflecken mit der jeweils geringsten Intensität sukzessive ausgeblendet werden und aus den Orten der ausgeblendeten Leuchtflecken das Symmetriezentrum des Leuchtfleckenmusters ermittelt wird.
Verfahren zur Erkennung und Lokalisierung von Laserstrahlquellen mit einer Einrichtung gemäß Patentanspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass das auf dem Detektor erzeugte Bild von der Signalauswertung nach zumindest einem, die 0-te Ordnung eines abgebildeten Leuchtfleckenmusters bestimmenden, punktförmigen Leuchtfleck durchsucht und dessen Position innerhalb des Bildfeldes registriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Leuchtfleckes der 0-ten Ordnung oder das Symmetriezentrum des Leuchtfleckenmusters in Relation zur Bildmitte und daraus die Winkellage der Laserstrahlungsquelle in Relation zur optischen Achse der abbildenden Optik ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass bei ruhendem Kreuzgitter das Bild auf dem Detektor nach quadratisch angeordneten punktförmigen Leuchtflecken durchsucht, deren gegenseitiger Abstand zum jeweils nächsten Nachbarn ermittelt und mit einem vorgegebenen Bereichswert verglichen wird.