DE3941391C2 - Verfahren zur passiven Detektion von Mündungsfeuer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen örtlichen, eindeutigen Detektion von Mündungsfeuerblitzen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung.

Im Gefechtsfeld ist es von großer Wichtigkeit, feindliches Mündungsfeuer schnell und mit niedriger Fehlalarmrate zu entdecken. Dabei ist es wünschenswert, den Ort und die Entfernung mit ausreichender Genauigkeit zu kennen um eventuelle Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Als Nachweis können Luft- und Bodenschall, Rauchentwicklung oder aber der immer auftretende Mündungsfeuerblitz, d. h. eine optische Strahlungssignatur des Abfeuervorganges zu seiner Detektion herangezogen werden. Die Schallphänomene sind im Vergleich zu den Leuchterscheinungen wesentlich langsamer und örtlich ungenauer detektierbar. Eine Begrenzung des Sehfeldes in Vorwärtsrichtung von ca. ± 15° ist dabei sicher ausreichend, da die Position des Angreifers in einem realistischen Szenario mit Sicherheit in dieser Größenordnung bekannt ist.

In einem realistischen Kampfszenario gibt es aber sicherlich eine Menge von Leuchterscheinungen, die dem vom Mündungsfeuer ähnlich sind, z. B. Explosionen aller Art von Einschlägen bis zu Sprengungen.

Aus der DE-OS 17 98 281 ist eine Vorrichtung zum Wahrnehmen von Mündungsfeuer bekannt, mit einem Infrarotdetektor und optischen Einrichtungen, um die Strahlung von einem Gesichtsfeld einschließlich Mündungsfeuer auf diesem einzigen Detektor in nur einem Spektralbereich arbeitend abzubilden. Eine Auswerteschaltung prüft nur, ob das empfangene Signal eine vorbestimmte Amplitude erreicht hat.

Aus der DE 29 42 181 A1 ist eine optronisch/elektronische Anordnung für ein thermografisches Bild- und Trackergerät bekannt, das mit nur zwei bestimmten Fenstern der Empfindlichkeit bei 10 µm und bei 4 µm arbeitet, um Wärmebilder oder sogenannte "hot-spots" zu erfassen und zu verfolgen. Nur ein sichtbares Bild wird so betrachtet. Bildeinzelheiten sind bei "hot-spots" nachteilig.

Die Aufgabe der Erfindung ist eine eindeutige passive Detektion von Mündungsfeuer.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren und eine nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung.

Die Lösung der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Mündungsfeuererkennung oder ähnlichem, das die Ereignisse in Bildform aufzeichnet, über intelligente Bildverarbeitung analysiert und erkennt. Es stützt sich dabei auf die für Mündungsfeuer wesentlichen spezifischen Eigenschaften

• - die zeitliche Dauer (ca. ≦ 20 ms)
• - die charakteristische spektrale Lichtabstrahlung (UV bis IR; 200 nm ≦ λ ≦12 µm)
• - die örtliche Ausdehnung

die nur für Mündungsfeuer charakteristisch sind, die meist schon vorbekannt sind, so daß diese Lichtdetektion zeitlich aufgelöst mit bekannten "Fußabdrücken" verglichen werden kann. Damit ist ein Erkennen des gesuchten Ereignisses mit sehr niedriger Fehlalarmrate garantiert.

Die Strahlungssignatur wird von einem oder zwei abbildenden Sensoren (4, 5 in Fig. 1) in jeweils einem anderen Spektralbereich aufgezeichnet. Da es sich hierbei um Hochgeschwindigkeitsvorgänge handelt, muß mindestens eine der zwei Kameras I, II mit Kurzzeitbelichtung versehen sein. Bei normalem Kamerabetrieb wird über eine Zeit von ca. 20 ms gemittelt belichtet. Bei Kameras mit CCD oder Bildverstärker sind Belichtungszeiten bis 5 ns Stand der Technik. Die Zeitdauer einer typischen Gun-fire-Signatur im UV beträgt einige ms. Wird ein Bild von 20 ms Dauer für nur z. B. 5 ms belichtet, können Ereignisse während der restlichen 15 ms nicht registriert werden. Belichtet man hingegen die Kamera innerhalb von 20 ms z. B. 20mal mit Rechteckverteilung, d. h. die "Auf"-Zeit a ist genauso lange wie die "Zu"-Zeit a′, so wird jedes Bild zwar nur 10 ms lang insgesamt belichtet, aber man kann ein Kurzzeitphänomen, das länger als 1 ms dauert immer registrieren (s. Fig. 2).

Bisher hat man den Gun-flash als solches registriert, aber nicht seine zeitliche Dauer, weil das Bild der einzelnen Belichtungsintervalle überlagert am Gesamtbildausgang erscheint. Die Kenntnis der zeitlichen Dauer ist aber für Falschalarmunterdrückung notwendig.

Das zeitliche Verhalten bekommt man, wenn man zusätzlich zum Rechteck-Kurzzeitbelichten noch gleichzeitig den Lichtfleck innerhalb des Kameragesichtsfeldes gleichförmig bewegt, sei es durch Schwenken der Kamera oder durch Scannen in geeigneter Weise. In diesem Fall bekommt man eine Aneinanderreihung von hellen Lichtpunkten des Mündungsfeuerblitzes, deren Zahl gegeben ist durch die Zeitdauer des Blitzes und die eingestellte Belichtungsfrequenz - ähnlich dem Aufzeichnungsmodus einer Streakkamera.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der beigefügten Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung des Sensorsystems zu Detektion von Mündungsfeuerblitzen,

Fig. 2 Erscheinungsformen möglicher Bildfolgen bei gleichzeitigem mehrfachem Kurzzeitbelichten beider Kameras zur Bildgewinnung und Bildmanipulation durch Addition, Subtraktion oder Ermittlung der Strahlungsintensität,

Fig. 3 eine magnetische Bildablenkungsvorrichtung für eine Kamera,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Szene, aufgeteilt in zwei Bildanteile in verschiedenen Spektralbereichen.

Wie Fig. 1 zeigt, ist in der Zeichnung links ein zu detektierendes Objekt dargestellt, wie ein Geschütz, ein Panzer oder dgl., wobei das Objekt mit 1 bezeichnet ist, das Geschützrohr mit 2 und der Blitz des Mündungsfeuers mit 3. Die Detektion kann über eine Entfernung von etwa zwischen einem und fünf Kilometer bevorzugt zwischen 1,5 und drei Kilometer erfolgen. Zur Bildaufnahme und Bildgewinnung dienen hier zwei Kameras 4 und 5 gleicher Bauart, räumlich voneinander getrennt über eine Basisstrecke 6. Die gewonnenen Bildsignale bzw. die Bildfolge wird örtlich und zeitlich weiterverarbeitet und ausgewertet mit Plausibilitätskontrolle in einer Auswerteeinheit 7 mit zugehörigem Rechner. Falls die Auswertung eindeutig einen Mündungsfeuerblitz erkennt, kann das Erkennungssignal an einen Leitrechner 8 zur Verwertung, insbesondere Alarm- und/oder Gegenmaßnahmen manuell, halbautomatisch oder automatisch verwertet werden.

In Fig. 2 sind mögliche Bildfolgen ersichtlich, gewonnen mit einer Kamera 4 im UV-Bereich arbeitend und einer Kamera 5 im IR-Bereich arbeitend. Beide sind über eine Basisstrecke miteinander verbunden, wie in Fig. 1 ersichtlich, jedoch gemeinsam verschwenkbar über den Sehbereich, bzw. Blickfeld, welches gewünscht wird und zwar sowohl im Azimut als auch bezüglich Elevation. Beide Kameras werden extrem kurzzeitig belichtet (im Bereich von etwa 20 ms und darunter) und die Bildverarbeitung erfolgt mit Hilfe Bildmanipulation oder Addition oder Subtraktion oder Strahlungsintensitätsfeststellung. Mögliche Bildfolgen bei gleichzeitigem Takten wie vorbeschrieben, sind in der Mitte der Fig. 2 bei mehrfacher Einzelbildbelichtung und Bildbewegung in den Bildverarbeitungsstufen bzw. Vorverarbeitungsstufen 9 und 10 sichtbar. Hieraus wird ein charakteristisches Abbild herausgefiltert ("Foot-Print"), welches zu vergleichen ist mit den im Rechner gespeicherten charakteristischen Mustern von bekannten Mündungsfeuerblitzen bekannter Geschütze, Panzer oder dgl. Mit 11 und 12 ist die Anzeige des jeweiligen von der Kamera gewonnenen Teilbildes in Fehlfarbendarstellung sichtbar, woraus durch Addition hier nach Fig. 2 beider Fehlfarbenbilder sich eine charakteristische Farbe (Mischfarbe) im Auswerteelement 13 ergibt, wonach dann in der Einheit 14 durch Bildsubtraktion zwischen den von den Kameras 4 und 5 gewonnenen Bildern, z. B. ein starkes Kontrastbild Schwarz/Weiß gewonnen werden kann, ohne hierauf beschränkt zu sein. Andere Auswertemethoden wie vorstehend erwähnt, sind anwendbar.

In Fig. 3 ist eine der beiden Kameras 4, 5 mit einer magnetischen Bildablenkungsvorrichtung vorgesehen. Die Strahlung kommt in der Zeichnung von links und durchläuft eine Optik mit einem Objektiv 15 und tritt dann in die Photokathode 16 ein, mit 17 sind Elektroden zum Anlegen einer Ablenkspannung bezeichnet. Mit 18 die Multikanalplatte, mit 19 eine Phosphorscheibe und mit 20 eine ladungsgekoppelte Vorrichtung CCD. Auch übliche Kameras können mit solcher Bildablenkungsvorrichtung versehen werden. Die Belichtungssteuerung (Takten), die Optik einschließlich eines eventuellen Zooms und eines eventuellen Proxifiers und/oder Autofokus sind nicht im einzelnen dargestellt, weil an sich bekannt.

In Fig. 4 ist ersichtlich wiederum von links der Strahlungseinfall, insbesondere Lichteinfall, in die Optik 15, wobei diese Strahlung danach auf einen Strahlteiler 21 auftrifft, welcher sie in zwei verschiedene Spektralbereiche aufteilt, im wesentlichen parallel zu dem Strahlteiler. Für Aufteilung in gleiche Teile ist ein Oberflächenspiegel 22 angeordnet und jedem der Teilstrahlen ist ein Filter 23 und 24 zugeordnet. Beide Teilstrahlen treffen auf eine Photokathode 16 auf und werden danach über einen Proxifier, ausgeführt als Faserplatte um die Annäherung zu bewerkstelligen, mit einer Phosphorscheibe 19 verbunden. Im Strahlengang dahinter liegt eine Faseroptik 25 (Taper). Erst dahinter kommt die ladungsgekoppelte Vorrichtung CCD 20.

Auch hier ist die Erfindung nicht auf die dargestellte Anordnung beschränkt, auch andere Strahlungsaufteilungen und Optiken (nicht nur Taper) sind anwendbar.

Claims (18)

1. Verfahren zur passiven Detektion von Mündungsfeuer anhand der charakteristischen, zeitlichen, örtlichen und optischen Strahlensignatur mit Hilfe optischer Sensoren, die mindestens in einem Spektralbereich Strahlung aufnehmen können, wobei ein der Strahlung entsprechendes elektronisches Signal über eine elektronische Signalverarbeitungs- und -auswerteeinrichtung verwertet und ausgegeben wird, gekennzeichnet durch den Einsatz bildgebender Sensoren (4, 5), deren Signale anschließend weiter verarbeitet werden, wobei wenigstens einer der bildgebenden Sensoren als schwenkbare Kamera mit elektronisch gesteuerter Kurzzeitbelichtung ausgebildet ist, daß jeweils ein Spektralbereich mit je einem Verarbeitungskanal der elektronischen Signalverarbeitungseinrichtung verbunden ist und bei der Bildauswertung (11, 12) die Signale einer Bildauslesestufe (9, 10) der Auswerteeinrichtung (13) mit Rechner (14) zugeführt werden, wo sie mit gespeicherten vorbekannten Muster-Signaturen verglichen werden, ob eine erfaßte optische Strahlung bei der Auswertung und Plausibilitätskontrolle im Rahmen der Auswerteeinrichtung erkannt und verwertet wird, weil sie ein gemeinsames zeitliches und örtliches Erscheinungsbild aufweist, das mit einem vorgegebenen Muster korreliert.

2. Verfahren zur passiven Detektion von Mündungsfeuer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Einsatz bildgebender, im ultravioletten, sichtbaren oder im infraroten Spektralbereich empfindlicher optischer Sensoren.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ortung bzw. Lage- und Entfernungsbestimmung (in einem Koordinatensystem) eines Mündungsfeuers die zeitliche Abfolge der optischen Strahlung ausgewertet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die spektralen und die zeitlichen Strahlungseigenschaften eines Mündungsfeuers von mindestens einem der optischen Sensoren erfaßt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der optischen Strahlung über flächenhaft zusammenzusetzende Punktsensoren bzw. eine Fläche bedeckende Matrixsensoren bildgebend erfolgt in den jeweils ausgewählten Spektralbereichen (UV, VIS, IR).

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der optischen Sensoren in ihren jeweiligen Spektralkanälen vorverarbeitet werden mittels an sich bekannter Bildverarbeitungsstufen (9, 10) mit elektronischer Schwellwertanpassung und Filterung (Tief-, Hoch-, Bandpaß).

7. Vorrichtung zur passiven Detektion unter Benutzung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens zwei bildgebende optische Sensoren (4, 5) enthält, wovon einer im UV-Strahlungsbereich und ein anderer im sichtbaren oder IR-Strahlungsbereich die optische Strahlung erfaßt, sowie deren zeitliche und örtliche Koinzidenz feststellt und der Bildauswerteeinrichtung mit Rechner und Plausibilitätskontrolle zuführt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß einer der bildgebenden optischen Sensoren (4, 5) nur im "Solarblind"-Bereich (200 ≦λ ≦ 400 nm) empfindlich ist und somit in der Lage ist, bei diesem Spektralbereich eine Art Binärbild (Schwarz-Weiß) zu erfassen mit Hilfe einer angepaßten Eingangsoptik, optischer Filterung und Auswerteeinrichtung hoher Dynamik, hoher Auflösung und hohem Signal-Rauschabstand, da kein natürlicher Lichthintergrung für die Auslesung des Bildes existiert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der andere bildgebende optische Sensor in einem für Mündungsfeuerblitze charakteristischen, optischen Wellenlängenbereich (≧ 0,4 µm) insbesondere im nahen Infrarot empfindlich ist und eine hierauf angepaßte Eingangsoptik, optische Filter und elektronische Auswerteeinrichtung mit hoher Dynamik und hoher Auflösung für die Bildauslesung aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder beide der bildgebenden optischen Sensoren eine im mS-Bereich arbeitende Belichtungssteuerung aufweisen mit insbesondere einem durch Takten mit Rechteckimpulsen gesteuerten sich im elektrooptischen Strahlengang befindlichen Mikrokanalplattenverstärker (MCP).

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der bildgebenden optischen Sensoren mechanisch in X-Y-Richtung steuerbar ist durch Bewegung des Sensorkopfes oder elektrooptisch durch X-Y-Bewegung des Bildes mit Hilfe elektromagnetischer Ablenkeinrichtung zwischen dem Eingangsbild auf der Photokathode und dem Ausgabebild am CCD.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-11, dadurch gekennzeichnet, daß das bildausgebende oder -auslesende Element eine ladungsgekoppelte Einrichtung (CCD) oder eine ladungsindizierende Einrichtung (CID) ist, von hoher Dynamik und Bandbreite, elektronisch geschwindigkeitsgesteuert, insbesondere im Geschwindigkeitsbereich angepaßt an die im Rahmen gespeicherten Muster, mit denen verglichen werden soll.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-12, dadurch gekennzeichnet, daß bei identischer Gesichtsfeldgröße und -Bewegungsrichtung und bei gleicher Bildfolgefrequenz von in den verschiedenen Spektralbereichen arbeitenden bildaufnehmenden Kameras der optischen Sensoren eine Bildmanipulation erfolgt und durch Bildvergleich mit charakteristischen gespeicherten Mustern und Plausibilitätskontrolle bei der Auswertung eine Erkennung und Weiterleitung zum Alarmgeber erfolgt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-13, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bildauswertung in der Auswerteeinrichtung mit Rechner eine Subpixelberechung erfolgt zur örtlichen Bestimmung der Ausdehnung/Größe der optischen Strahlung des erfaßten Mündungsfeuers um bei der Auswertung und Plausibilitätskontrolle solche Signale zu diskriminieren, die zu Fehlalarmen führen könnten.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-14, dadurch gekennzeichnet, daß die in unterschiedlichen Spektralbereichen aufnehmenden Kameras der optischen Sensoren räumlich voneinander getrennt sind und eine Basisstrecke zwischen sich aufweisen, die es erlaubt, über Triangulationsverfahren, Stereosehen oder dgl. die Entfernung eines erfaßten Mündungsfeuerblitzes im Rechner zu ermitteln.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-15, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Grauwertzuordnung erfaßter Mündungsfeuer die Intensität der Erscheinung in ihrer zeitlichen Abfolge mit Hilfe des Rechners ermittelt wird.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-16, dadurch gekennzeichnet, daß als bildaufnehmender optischer Sensor ein Sensor, der nur im UV-Spektralbereich sensibel ist, verwendet wird, mit hierzu angepaßter Bildauswerteeinrichtung, wobei nur solche Ereignisse von dem Sensor erfaßt werden, die innerhalb einer Zeitdauer von kleiner als 15 ms ablaufen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor im UV-Spektralbereich extrem kurzzeitbelichtbar ist, ν≦ 5 ns mittels Takten der Photokathode, welche in einem breiten Spektralbereich (200 nm bis etwa 850 nm) empfindlich ist und daß der Photokathode eine Strahlteileranordnung zugeordnet ist mit Filtern in wenigstens zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen, so daß das Bild in zwei verschiedene spektrale Anteile zerlegt ist, die in eigenen Kanälen verarbeitet werden, wobei der erste Anteil nur Strahlung zwischen 200 und 300 nm erfaßt und der zweite Anteil nur Strahlung < 700 nm, so daß mittels einer bildaufnehmenden Kamera von optischen Sensoren in zwei ausgewählten Spektralbereichen mit Hintergrund- bzw. Tageslichtunterdrückung gearbeitet wird.