DE3323828A1

DE3323828A1 - Laserwarnsensor

Info

Publication number: DE3323828A1
Application number: DE19833323828
Authority: DE
Inventors: Thorsteinn Dipl.-Phys. 8000 München Halldorsson; Sigmund Dipl.-Phys. 8013 Haar Manhart; Ernst-A. Dipl.-Ing. Seiffarth (FH), 8028 Taufkirchen
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1983-07-01
Filing date: 1983-07-01
Publication date: 1985-01-10
Also published as: FR2548383B1; US4674874A; FR2548383A1; DE3323828C2

Abstract

1 Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erkennung und Richtungsdetektion von gepulster oder intensitätsmodulierter Laserstrahlung, bei der die Feststellung der Einstrahlrichtung mittels einer Zeitintervallmessung exakt festgestellt wird. Hierzu sind zwei Detektorsysteme angeordnet, von denen das erste Detektorelement ein Startsignal unmittelbar beim Eintreffen der Laserstrahlung erzeugt und ein zweites Detektorelement ein zeitlich verzögertes "Stopsignal" dazu liefert. Dieses zweite Detektorelement ist mit einer Vielzahl von unterschiedlich langen optischen Verzögerungsleitungen verbunden, die mit je einer optischen Empfangsapertur mit spezifischer Blickrichtung und begrenztem Gesichtsfeld gekoppelt ist, wobei sich die einzelnen Gesichtsfelder überlappen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erkennung und Richtungsdetektion von gepulster oder intensitätsmodulierter Laserstrahlung durch spektrale und elektronische Filterung mit mindestens zwei Detektorelementen.

Solche Einrichtungen, die unter der Bezeichnung "Laserwarnsensoren" laufen, sind mit und ohne Richtungserkennung bekannt. So ist aus der Zeitschrift "Laser Focus", April 81, Artikel von P.T. Ballard, ein Laserwarnsystem bekanntgeworden, das als interferrometrischer Warnsensor mit Richtungsanalyse bezeichnet werden kann. Ferner ist es aus der DE-PS 28 30 308 bekannt, die Richtung einfallender Laserstrahlung aus den unterschiedlichen Signalhöhen der Detektoren mit verschiedenen Winkelanordnungen zu ermitteln. In der DE-OS 31 19 773 wird ein Warnsensor vorgeschlagen, der die Richtung der Laserstrahlung durch eine Sensoranordnung aus Matrix- oder Mehrquadrantendetektoren in der Fokalebene einer Abbildungsoptik bestimmt. Weitere bekannte Warnsysteme verwenden zwei oder mehrere örtlich getrennte Detektoren und ermitteln die Einstrahlrichtung eines Laserstrahls mit Hilfe einer geometrischen Triangulation unter Ausnutzung der bekannten Detektorabstände untereinander und dem zeitlichen Unterschied des Ansprechens der verschiedenen Detektoren auf das Lasersignal.

Alle diese bekannten Einrichtungen und Verfahren sind jedoch mit einer Reihe von Nachteilen behaftet. Entweder sie besitzen nur ein eingeschränktes Gesichtsfeld und eine Rundumsicht ist nur mit sehr hohem Aufwand herstellbar, oder die Winkelauflösung ist zu gering, dies besonders bei ungünstigen Einstrahlrichtungen. Häufig tritt aber auch eine Verfälschung der Lasersignalform durch die zeitliche Integration im Detektor auf, wodurch die Art der Bedrohung dann nur schwer zu ermitteln ist. Weiterhin wirkt sich bei einigen der bekannten Einrichtungen die hohe Störempfindlichkeit bzw. die Winkelfehler bei partieller Verschmutzung der Optikaperaturen Nachteil aus, oder sie weisen eine beschränkte Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Laserwellenlängen auf.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der Einrichtungen nach dem Stand der Technik weitergehend zu beseitigen und eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen die eine hohe Signaldynamik aufweist und eine Möglichkeit zur Signalanalyse und Erkennung der Bedrohungsart gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen gelöst. Bei zukünftigen militärischen Konflikten werden Laser zur Unterstützung von Feuerleitsystemen eingesetzt werden. Diese steigende optische Bedrohung erfordert ein effektives Warnsystem, mit dessen Hilfe die Bedrohung rechtzeitig erkannt wird und Gegenmaßnahmen ergriffen werden können. Da nach einer Laserbestrahlung ein Beschuss innerhalb kürzester Zeit zu erwarten ist, reicht im Normalfall die Detektion ohne genaue Richtungserkennung nicht aus, um wirksame Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Dies jedoch wird durch die an einem Ausführungsbeispiel beschriebene Einrichtung optimal gewährleistet. Zur weiteren Erläuterung dienen die Figuren der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus des beschriebenen Laserwarnsensors in einer Ansicht,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Schnittes entlang der Linie II - II gemäß Fig. 1 zur Verdeutlichung der Anordnung der optischen Komponenten,

Fig. 3 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Winkelinterpolation mittels Schwerpunktbildung und Laufzeitmessung.

Im Gegensatz zu den bisher bekannten richtungsselektiven Lasersensoren enthält der hier beschriebene Laserwarnsensor bzw. die Einrichtung zur Erkennung und Richtungsdetektion von Laserstrahlung keine abbildenden Detektoren und er arbeitet auch nicht nach dem Triangulationsprinzip oder einem Signalhöhenvergleichsverfahren, sondern bestimmt die Richtung der eintreffenden Laserstrahlung mit Hilfe einer Zeitintervallmessung, wobei das Zeitintervall durch eine richtungsabhängige Signallaufzeitverzögerung im Warnsensor selbst erzeugt wird.

Die einfachste Modifikation des vorgeschlagenen Warnsensors sieht nur zwei einfache Detektorelemente - beispielsweise sog. "single chip"-Halbleiterdetektoren - vor, nämlich einen Zentraldetektor 11, der Laserstrahlung aus allen Richtungen empfangen kann und das "Start-Signal" für die Zeitintervallmessung liefert und einen Richtungsdetektor 12, der über eine Anzahl von Lichtleitern 14 mit verschiedenen gleichartigen Optiken 13 verbunden ist, von denen jede nur ein begrenztes Gesichtsfeld in eine bestimmte Richtung besitzt.

Dadurch dass das "Richtungssignal" über Lichtleiter 14 zum Detektor 12 gelangt, tritt gegenüber dem Signal des Zentraldetektors 11 eine Zeitverzögerung auf, die abhängig von der Länge des Lichtleiters 14 ist, denn die einzelnen Lichtleiter 14 zu jeder Optik 13 sind unterschiedlich lang. Dadurch aber ist die Zeitverzögerung charakteristisch für die Laser-Einstrahlungsrichtung und die Richtungserkennung kann damit über eine Zeitintervallmessung - wie bereits erwähnt - durchgeführt werden.

Um nun eine hohe Winkelauflösung zu erhalten, wird weiterhin vorgeschlagen, dass die Gesichtsfelder der einzelnen Optiken so gelegt werden, dass sie sich überlappen. In der Fig. 2 ist dies veranschaulicht. Es treffen nun für jede Richtung mindestens zwei, in der Regel aber mehr, unterschiedlich verzögerte Signale am Richtungsdetektor 12 ein. Die elektronische

Auswertung durch einen handelsüblichen Computer bzw. Rechner ermittelt als zeitsignifikantes "Stopsignal" den Schwerpunkt der verschiedenen Richtungssignale und bildet einen gewichteten zeitlichen Mittelwert. Auf diese Weise kann zwischen den diskreten Blickrichtungen der Einzeloptiken 13 interpoliert und eine beträchtlich höhere Richtungsauflösung gewonnen werden. In dem Zeitdiagramm gemäß der Figur 3 sind die Zentraldetektor-Signale (ZD) und Richtungsdetektor-Signale (RD) einander gegenübergestellt. Da die Verzögerungsleitungen im Bereich von 10 m und einigen 100 m liegen, erfolgt die Richtungserkennung über die Zeitintervallmessung sehr schnell und typischerweise in 1 µs.

Zu erwähnen ist, dass dadurch, dass für die Laserdetektion nur Einzeldetektoren und keine Zeilen- oder Matrixdetektoren verwendet werden, sich einige wesentliche Vorteile der beschriebenen Einrichtung ergeben. Einmal gibt das elektronische Signal des Detektors das Lasersignal unverfälscht wieder, so dass die Art der Lasermodulation auf einfache Weise ermittelt werden kann, zweitens erlauben die Einzeldetektoren die Verarbeitung einer sehr hohen Signaldynamik und drittens ist die spektrale Empfindlichkeit der allgemein verfügbaren Halbleiterdetektoren im gesamten sichtbaren und nahen Infrarotbereich sehr hoch. Selbstverständlich ist, dass je nach Wahl des Lichtleitermaterials, der Optikkomponenten und des Detektormaterials verschiedene Spektralbereich ohne Abänderung des Messprinzips erfasst werden können.

In den Fig. 1und 2 ist das Ausführungsbeispiel eines Laserwarnsensors für 360° Rundumsicht dargestellt. Ein zentraler "Startdetektor" 11, der vorzugsweise als "immersed detektor" ausgeführt ist und Signale aus allen Richtungen empfangen kann, löst ohne Verzögerung der Zeitintervallmessung aus. Der zweite Detektor ist als "Stopdetektor" 12 ausgeführt. In dem beschriebenen Beispiel ist der Detektor 12 über
<NichtLesbar>

Lichtleiter 14 unterschiedlicher Länge mit
<NichtLesbar>

Empfangsoptiken 13 verbunden, wobei die Lichtleitereintrittsflächen derart außerhalb den entsprechenden Vokalebenen angeordnet sind, dass sie jeweils ein Gesichtsfeld von rund 25° abdecken. In dem Ausführungsbeispiel wird ein Längenunterschied von 5 m zwischen benachbarten Lichtleitern 14 gewählt, wobei der kürzeste Lichtleiter 10 m und der längste 185 m beträgt. Alle Lichtleiteraustrittsflächen sind zu einem Bündel zusammengefasst und auf die sensitive Fläche des "Stopdetektors" 12 geführt. Trifft nun ein Laserimpuls genau in der optischen Achse einer Lichtleiteroptik-Anordnung ein, so wird über die entsprechende Lichtleiterverzögerung ein starkes Signal dem Stopdetektor 12 zugeführt. Durch die Gesichtsfeldüberlappung der benachbarten Optikanordnungen treffen jedoch zeitlich symmetrisch zum Hauptsignal, verursacht durch die unterschiedlichen Lichtleiterlaufzeiten, je ein schwächeres vorauseilendes und ein schwächeres nacheilendes Signal ein. Der zeitliche Schwerpunkt des Gesamtsignals fällt jedoch mit dem Hauptsignal zusammen, so dass in der Intervallmessschaltung (nicht gezeichnet) eine Laufzeit gemessen wird, die exakt der tatsächlichen Einstrahlrichtung in der optischen Achse des entsprechenden Lichtleiteroptik-Systems entspricht.

Liegt die Einstrahlrichtung nicht in der optischen Achse des Empfangssystems, so wird das Hauptsignal entsprechend schwächer ausgeprägt und das vorauseilende und das nacheilende Signal stärker ausgeprägt sein. Die zeitliche Schwerpunktmessung liefert dann eine Interpolation zwischen den diskreten optischen Achsen. Im Ausführungsbeispiel schließen die optischen Achsen benachbarter Lichtleitersysteme einen Winkel von 10° ein. Der Laufzeitunterschied beiträgt t = l . n/c, wobei "l" der Längenunterschied in den Lichtleitern, "n" deren Brechungsindex und "c" die Lichtgeschwindigkeit ist. Für l = 5 m, n = 1,5 und c = 300 000 km/s ist, "t" = 25 ns.

Um eine Winkelauflösung von 1° zu erreichen muss die Intervallmessung den zeitlichen Schwerpunkt des Stopsignals auf 2,5 ns genau ermitteln, ein mit konventioneller Elektronik leicht zu erreichender Wert. Die maximale Zeitverzögerung des Signals im optischen Teil des Warnsensors beträgt T = 1 µs, was keine Beeinträchtigung der Reaktionsfähigkeit des gesamten Systems verursacht. Die geometrischen Abmessungen des Ausführungsbeispiels sind wie folgt: Durchmesser der Einzeloptik = 14 mm, Durchmesser des Warnsensors = 180 mm.

Der vorbeschriebene Warnsensor 10 bezieht sich auf azimuthaler Rundumsicht, jedoch ohne Auflösung in der Elevation. Diese wird durch Modifikation der Anordnung der Eintrittsaperaturen auf einer Halbkugel oder einem Halbkugelsegment erreicht. Es ist aber auch möglich, mehrere der vorbeschriebenen Anordnungen aufeinanderzustellen, wobei jede dieser Anordnungen ein konisches Gesichtsfeld mit unterschiedlichem Konuswinkel abdeckt.

Um nun die Störsicherheit des Laserwarnsensors 10 zu erhöhen, kann beispielweise zur Unterdrückung der Stör- und Hintergrundstrahlung ein oder mehrere schmalbandige optische Filter, die der erwarteten Strahlung angepasst sind, vor den Detektoren angeordnet sein. Auch eine elektronische Filterung der Signale ist problemlos möglich. Da es sich bei der Laserbedrohung vorwiegend um kurze Einzelimpulse oder um pulsmodulierte Signale handelt, sind durch eine Hochpassfilterung andersgeartete Störstrahler leicht zu unterdrücken.

Claims

1. Einrichtung zur Erkennung und Richtungsdetektion von gepulster oder intensitätsmodulierter Laserstrahlung durch spektrale und elektronische Filterung mit mindestens zwei Detektorelementen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Bestrahlungsrichtung eine Zeitintervallmessungseinrichtung (10) angeordnet ist, bei der das "Start-Signal" für die Intervallmessung sofort beim Eintreffen der Laserstrahlung durch das eine Detektorelement (11) der Zeitintervallmesseinrichtung (10) erzeugt wird und das "Stopsignal" durch das zweite Detektorelement (12), das über unterschiedliche optische Verzögerungsglieder (13) an die verschiedenen Blickrichtungen mit definierten Blickfeldern gekoppelt ist und die in der Intervallmessschaltung gemessene Laufzeit ein direktes Maß für den Einfallswinkel darstellt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich jedes Blickfeld der optischen Verzögerungsglieder (13) so überlappt, dass für jede Einstrahlrichtung mindestens zwei, in der Regel aber mehr unterschiedlich verzögerte Signale auf das Detektorelement (12) gelangen und durch eine elektronische Signalschwerpunktmessung eine Laufzeitmittelung und damit eine höhere Winkelauflösung als die, die durch die individuellen Gesichtsfelder gegeben erzielt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverzögerung zum Detektorelement (12) durch Lichtwellenleiter (14) unterschiedlicher Länge erfolgt, die an einem Ende mit dem Detektorelement (12) zusammengefasst sind und jedes andere Ende der Lichtwellenleiter (14) als Signaleintrittsfläche mit einem definierten Gesichtsfeld und Zuordnung einer ganz bestimmten Blickrichtung ausgebildet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes individuelle Gesichtsfeld durch die numerische Apertur des entsprechenden Lichtwellenleiters (14) gegeben ist.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Lichtwellenleiter (14) zusätzlich eine Abbildungsoptik (13) zugeordnet ist, wobei dessen Strahleintrittsfläche so gegen die Fokalebene der Abbildungsoptik (13) versetzt ist, dass das jeweils erforderliche individuelle Gesichtsfeld im Zusammenhang mit der zur Richtungsinterpolation erforderlichen Gesichtfeldüberlappung gegeben ist.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Detektoren (11, 12) jeweils ein zusätzlicher Detektor gleicher Art zum Empfang stark geschwächter Signale zugeordnet ist.

7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitlich unverfälscht empfangene "Startsignal" zusätzlich einer Signalverarbeitungsschaltung zur Feststellung der Puls- bzw. Modulationsform und damit der Art der Bedrohung zugeführt wird.