DE4326149C2 - Verfahren zur selektiven Bestrahlung eines Teilbereichs eines militärischen Zielobjektes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur selektiven Bestrahlung eines Teilbereichs eines militärischen Zielobjektes.

Solche Verfahren und Einrichtungen zum Richten von Laserstrahlung auf zu bestrahlende Werkstoffe und zur Fokussierung der Strahlung auf die zu bestrahlende Stelle sind seit langem bekannt. Bei bekannter Position des Werkstückes geschieht das Richten und Fokussieren beispielsweise mittels vorprogrammierter Stellsignale an entsprechend geeignete Richtprismen oder Richtspiegel und Fokussierobjektive.

Durch die DE 36 23 808 ist ein Verfahren zur Nachführung eines Hochenergie- Laserstrahls auf eine Auftreffstelle an einem reflektierenden Ziel bekannt, wofür die relativen Reflexionseigenschaften im Bereich der Auftreffstelle ausgewertet werden. Es wird also lediglich das Nachrichten des Laserstrahls bei schon erfaßtem und beliebig festgelegten Zielpunkt durchgeführt. Ein Richtverfahren für einen Laser, bei dem ein ganz bestimmter Bereich des Zieles, beispielsweise die Plexiglaskuppel eines Kampfflugzeugs vom übrigen Bereich des Zieles aufgrund seiner werkstoffspezifischen Eigenschaften unterschieden und zerstört werden soll, ist mit diesem bekannten Verfahren nicht möglich.

Bei nicht genau genug bekannten Positionen der zu bestrahlenden Stellen erfolgt das Richten und Fokussieren auch durch die elektronische Verarbeitung von Bildsignalen, die beispielsweise mit einer Fernsehkamera vom Werkstück aufgenommen werden. So läßt sich z. B. eine Fuge zwischen zwei mittels Laser zu verschweißenden metallischen Werkstücken als dunkle Linie in der Weise als Funktion der Zeit verfolgen, daß der Laserstrahl in der gewünschten Geschwindigkeit der Fuge nachfährt und die Verschweißung durchführt. Probleme ergeben sich jedoch, wenn der Laserstrahl eine große Strecke bis zum Werkstück zurückzulegen hat und - gegebenenfalls auch zeitabhängige - Parallaxenfehler zwischen der Visierachse des Bildgerätes und der Laserstrahlachse dazu führen, daß der Strahl nicht genau genug gesteuert werden kann.

Ein weiteres ungelöstes Problem tritt dann auf, wenn sich die zu bestrahlenden Stellen nicht durch ausreichend hohen Kontrast von der Umgebung unterscheiden, so daß mittels Bildverarbeitung kein Stellsignal gewonnen werden kann. Diese Problematik tritt verstärkt bei den beispielsweise durch die Druckschrift "Wehrtechnik" wt 12/85, S. 77 bekannt gewordenen militärischen Anwendungen auf, wo Entfernungen von mehreren Kilometern durch die Laserstrahlung zu überbrücken sind und Systeme mit entsprechend langer Brennweite und hoher Richtgenauigkeit benötigt wer­ den, wobei die Zielobjekte vorzugsweise durch nachtsichtfähige Infrarot­ sensoren - wie beispielsweise Wärmebildgeräte - geortet werden. Für sol­ che Systeme sind Fokussier- und Richteinheiten bekannt geworden, die sich automatisch auf Stellen hoher Reflexion am Ziel einstellen. Solche Stellen sind beispielsweise durch den Glanzwinkel vorgegeben, also bei einem konvexen bestrahlten Körper durch die Stelle, auf die der Laser­ strahl senkrecht auftrifft und die dementsprechend besonders viel Strah­ lung zum Laserstrahlsender zurückwirft.

Eine weitere bekannte Einrichtung beruht darauf, daß selbst durch einen ungenau fokussierten Strahl hoher Leistung der anfänglich zufällig ge­ troffene Bereich des zu bestrahlenden Körpers lokal erwärmt wird, der thermische Schwerpunkt dieses Wärmeflecks am Sender mittels eines Infra­ rotsensors bestimmt wird und dieser zur Zielmarke für die weitere Be­ strahlung genommen wird, wobei eine gewisse Drift der Zielmarke aufgrund einer ungewollten Auswanderung des Strahles in Kauf genommen wird. Beide Verfahren haben den Nachteil, daß es von weitgehend zufällig angetroffe­ nen, nicht beeinflußbaren Parametern abhängt, auf welche Stellen am Werkstoff - beziehungsweise bei militärischen Systemen am Zielkörper - die Laserstrahlung konzentriert wird. Eine Konzentration der Strahlung auf eine gewünschte Stelle, insbesondere auf eine Stelle, die sich von anderen Teilen aufgrund einer Materialeigenschaft unterscheidet und zum Beispiel besonders empfindlich gegen Bestrahlung ist, ist so nicht mög­ lich. Zu diesen besonders empfindlichen Teilen gehören bei militärischen Zielobjekten die Fenster und Kanzeln, die Eintrittsoptiken von Sichtge­ räten und Visieren, die aus optischen Werkstoffen wie Glas, Plexiglas, Polykarbonat etc. gefertigt sind und Teile wie etwa Flügel, Leitwerke und Radar, die aus Verbundwerkstoffen gefertigt sind. Die aus Metallen (Stahl oder Aluminium) gefertigten Strukturteile sind dagegen wesentlich härter, weil sie wegen ihrer guten Wärmeleitfähigkeit die auftreffende Strahlungsenergie rasch in die Tiefe des Werkstückes ableiten und häufig erst bei höherer Temperatur ihre Funktionsfähigkeit einbüßen und damit einen viel höheren Energieaufwand erfordern als die oben erwähnten Nichtmetalle.

Versuche, die empfindlichen Teile am Ziel mit Hilfe hochauflösender Wär­ mebildgeräte zu erkennen, beziehungsweise mit Hilfe von Bildverarbeitung zu identifizieren und daraus Zielmarken für die Laserbestrahlung abzu­ leiten, sind deshalb nicht erfolgreich, weil die metallischen Zielteile in der Regel mit Farbe überzogen sind, welche einen ähnlich hohen Emis­ sionskoeffizienten im Infrarotbereich aufweist wie die genannten opti­ schen oder Verbundwerkstoffe. Da die unterschiedlichen Stoffe des Ziel­ objektes in der Regel ähnlich hohe Temperaturen aufweisen, erscheinen sie im Wärmebild annähernd gleich hell und sind nicht unterscheidbar.

Die Verwendung von Sichtmitteln, die im sichtbaren Spektralbereich, ge­ gebenenfalls unter Einschluß des nah-infraroten Spektralbereichs, arbei­ ten, hat dagegen den Nachteil, daß diese Geräte weder bei Nacht noch bei häufig anzutreffenden ungünstigen Witterungsbedingungen ausreichende Or­ tungsreichweiten liefern. Wird ein Laserstrahl hoher Leistung von einem System aus - das mit einem Infrarot-Wärmesensor ausgerüstet ist - auf das Ziel gerichtet, so wird bei entsprechend guter anfänglicher Ausrich­ tung und Fokussierung zwar mit Hilfe des Infrarotgerätes aufgrund der thermischen Emission der getroffenen Stelle bemerkt werden, daß eine Stelle am Ziel erhitzt wurde, aber es wird in der Regel nicht feststell­ bar sein, ob beispielsweise die Farbe von metallischen Strukturteilen weggebrannt wurde, was ohne Einfluß auf die Funktion des Zielkörpers wä­ re, oder ob ein Fenster oberflächlich so stark erhitzt wurde, daß es un­ durchsichtig geworden ist. Letzteres würde die Funktion des Zielkörpers wunschgemäß beeinträchtigen, aber ohne daß es zu einer bei anderen mili­ tärischen Systemen üblichen Verletzung von hinter einem Fenster, einer Kanzel oder einem Visier befindlichen Menschen kommen muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs ge­ nannten Art aufzuzeigen, das eine gezielte Laserbestrahlung bestimmter Stoffe eines aus unterschiedlichen Werkstoffen zusammengesetzten Zielobjek­ tes ermöglicht, also auch die gezielte Bestrahlung von optisch genutzten Teilen, die zu Objekten gehören, die großenteils aus metallischen etc., auch mit Farbe belegten Strukturen aufgebaut sind, fehlerlos zuläßt.

In der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert. Die Figur der Zeichnung zeigt in einem Schemabild den Auf­ bau eines Ausführungsbeispiels der vorgeschlagenen Einrichtung.

An Hand der Figur der Zeichnung sei das vorgeschlagene Verfahren und Ausführungsbeispiele der Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens er­ läutert. Hierbei wird von einem Gerätesystem ausgegangen, das mindestens einen Infrarotsensor 11 und ein Lasergerät 12 hoher Leistung aufweist, dessen Laserintensität am zu bestrahlenden Zielobjekt 3 auf bestimmte Weise gesteuert wird. Dieses Lasergerät 12 setzt sich aus mindestens einer Ein­ richtung 121 zur Erzeugung von Laserstrahlung und einer Einrichtung 122 zum Rich­ ten und Fokussieren des Strahles auf das Zielobjekt 3 zusammen, wobei beide Einrichtungen 121 und 122 mit weiteren Elementen - wie Sensoren, Spie­ geln, Justierungen usw. - zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind. So­ weit der grobe Aufbau der einzelnen Einrichtungselemente, auf den nach­ stehend noch im einzelnen eingegangen wird.

Das Verfahren sieht vor, eine materialspezifische Laserbestrahlung von aus unterschiedlichen Werkstoffen zusammengesetzten Zielobjekten 3, die mittels eines Infrarotsensors 11 beobachtet und festgestellt werden, durchzuführen. Hierzu wird der Infrarotsensor 11 auf das detektierte Zielobjekt 3 - Lenkflugkörper, Fluggerät etc. - gerichtet und kontinuierlich nachge­ führt, was in einer bestimmten Ausführungsform mit Hilfe von Bildverar­ beitung - beispielsweise mittels Korrelations-, Schwerpunkt- oder Kan­ tentrackverfahren - erfolgt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform mit hoher Auflösung wird das Te­ leskop der Einrichtung 122 als Objektiv für den Infrarotsensor 11 verwendet, das auch zum Richten und Fokussieren des Laserstrahles auf das Ziel benutzt wird.

In einer weiteren Ausführungsform werden für den Infrarotsensor 11 und für das Lasergerät 12 unterschiedliche Spektralbereiche genutzt, bei­ spielsweise für den Infrarotsensor 11 das Spektralband von ca. 3 bis 5 µm und für den Laser des Lasergeräts 12 der Spektralbereich um 10 µm. Entsprechend der Winkelauflösung des Infrarotsensors 11 und der Zielgröße A so­ wie der Entfernung Z des Zielobjektes 3 wird durch ihn (11) ein Bild vom Zielobjekt 3 erzeugt, das typischerweise eine Winkelauflösung von einem oder einigen zehn bis zu einigen hundert Linienpaaren Lp/A pro Zielab­ messung A aufweist.

Weiterhin wird vorgeschlagen, die Entfernung Z zum Zielobjekt 3 zu bestimmen, was durch Bildgrößenauswertung oder durch Einsatz eines Laser- oder Ra­ darentfernungsmessers erfolgen kann. Zusätzlich wird durch das Lasergerät 12 auch die Laserintensität I ermittelt und der Bestrahlungsvorgang dann eingeleitet, wenn eine bestimmte Intensität I oberhalb eines Schwellwertes Is erreicht ist.

In dem Fall, in dem mittels des Infrarotsensors 11 ein Bild mit niedriger Auflö­ sung - beispielsweise einem oder nur wenigen Linienpaaren Lp/A - erhal­ ten wird, wird anschließend der Laserstrahl des Lasergeräts 12 durch ent­ sprechende Bündelung und gegebenenfalls Leistungssteuerung des Lasers so auf das Zielobjekt 3 gesteuert und entsprechend dem oben angeführten Trackverfahren nachgeführt, daß das Zielobjekt 3 als Ganzes vom Laserstrahl beleuchtet wird, wobei die Intensität I am Ziel oberhalb Is, jedoch un­ terhalb eines höheren Wertes Im liegt.

Im Falle des mittels des Infrarotsensors 11 erhaltenen Bildes höherer Auflösung von beispielsweise sieben oder mehr Lp/A, findet bei einem weiteren Aus­ führungsbeispiel eine Bildverarbeitung zur Zielerkennung statt, was mit einem Rechner durchgeführt wird, der die erhaltene Silhouette des Zielobjektes 3 mit den gespeicherten möglichen Silhouetten gegnerischer Ziele ver­ gleicht, wobei gegebenenfalls auch die Bewegungsdaten - Flugrichtung, Fluggeschwindigkeit etc. - mit ermittelt und ausgewertet werden. Vor­ schlagsgemäß wird hier die Zielerkennung dazu benutzt, auch einen Teil­ bereich innerhalb der Zielsilhouette festzulegen, in dem die betreffen­ den optisch genutzten Werkstoffe zu erwarten sind. Je nach Entfernung und Art des Zielobjekts 3 handelt es sich bei diesem Teilbereich z. B. um die vordere Hälfte eines Lenkflugkörpers mit einem Suchkopf an der Flugkör­ perspitze, um den vorderen, oberen Quadranten eines seitlich gesehenen Hubschraubers oder um die obere Hälfte bzw. das obere Drittel eines im Stechflug anfliegenden Flugzeugs etc. Wie schon vorstehend ausgeführt, wird anschließend der Laserstrahl des Lasergeräts 12 so auf das Zielobjekt 3 ge­ richtet und gebündelt und gegebenenfalls auch in der Leistung gesteuert, daß der betreffende Teilbereich mit einer Intensität I ausgeleuchtet wird, welche zwischen Is und Im liegt.

Die Erfindung sieht noch vor, die Intensitätswerte Is und Im so zu wäh­ len, daß in bezug auf die durch eine Zeitkonstante dt und Temperaturdif­ ferenz dT gegebene Zeit- bzw. Temperaturauflösung eines am Ort der hier vorgeschlagenen Einrichtung befindlichen Infrarotsensors 11 ein meßbar unterschiedlicher Anstieg der Temperatur T1 des nichtmetallischen Werk­ stoffes relativ zur Temperatur T2 der angrenzenden metallischen Struktur erzeugt wird. Als Infrarotsensor 11 wird in einer Ausführungsform ein IR-Bildge­ rät eingesetzt, dessen Strahlengang kollinear mit dem Strahlengang des Laserstrahls des Lasergeräts 12 verläuft. Mit Hilfe bekannter Verfahren der adaptiven Optik wird im Verlauf dieses Meßvorgangs erreicht, daß die Laserleistung zunehmend stärker auf den sich am stärksten aufheizenden Teil des anfänglich großflächig bestrahlten Bereichs konzentriert wird, bis ein Wert I nahe dem theoretischen Maximum erreicht wird.

Erfindungsgemäß erfolgt die Wahl der Werte von Is und Im aufgrund von Vorwissen über die Materialeigenschaften über die in Frage kommenden Zielobjekte 3 unter Benutzung der für den vorliegenden Fall großflächiger Be­ strahlung eindimensional formulierten Wärmeleitgleichung, in der die werkstoffabhängige Wärmediffusivität D=k/ρc_p berücksichtigt wird, wobei k (in W/mK) die Wärmeleitfähigkeit, ρ (in kg/m³) die Dichte und c_p (in J/kgK) die Wärmekapazität des Stoffes charakterisieren.

In einer bestimmten Ausführungsform, bei der durch das Lasergerät 12 vor­ zugsweise eine Bestrahlung einer aus Plexiglas bestehenden Flugzeugkan­ zel erreicht werden soll, welche an Strukturteile angrenzt, welche aus mit Farbe belegtem Aluminium aufgebaut sind, wird als Laserintensität I1 mit Is < I1 < Im zweckmäßig eine Intensität von ca. 100 W/cm² am Ziel­ objekt 3 gewählt. Bei nahezu senkrecht auftreffender Laserbestrahlung führt dies nach einer Zeit von 0,2 s bei der Flugzeugkanzel zu einer Temperatur­ erhöhung um ca. 70°K, bei Aluminium dagegen nur zu einer Erhöhung um ca. 20°K.

Bei der vorgesehenen Verwendung eines Infrarotsensors 11 mit einer Tempera­ tur- und Zeitauflösung von <1°K beziehungsweise < 0,05 s wird die Tem­ peraturdifferenz zwischen Plexiglas und Aluminium bereits vor der Zeit von 0,2 s detektiert und zum genaueren Nachrichten und Fokussieren des Strahles auf die Flugzeugkanzel benutzt.

Erfindungsgemäß wird in einem anderen Anwendungsbeispiel, bei dem bevor­ zugt ein Plexiglasfenster bestrahlt werden soll, welches von einer Alu­ miniumstruktur eingerahmt wird, eine Intensität I2 von ca. 10 W/cm² mit Is < I2 < Im gewählt. Hierbei kommt es nach 0,2 s auf der Fenster­ oberfläche zu einem Temperaturanstieg von über 25°K, während die Alumi­ niumstrukturoberfläche lediglich um ca. 2°K aufgeheizt wird, was am Infrarotsensor 11 ebenfalls zu einem beobachtbaren Signal führt, welches - wie hier vorgeschlagen - zur gezielten weiteren Bestrahlung des Plexiglas­ fensters benutzt wird.

Claims (1)

1. Verfahren zur selektiven Bestrahlung eines Teilbereichs eines militärischen Zielobjektes (3), das sich aus unterschiedlichen Werkstoffen zusammensetzt, bei dem zunächst das Zielobjekt (3) ganz oder teilweise mittels eines Lasers bestrahlt wird, wobei ein Infrarotsensor (11) unterschiedliche Werkstoffe des Zielobjektes (3) aufgrund unterschiedlichen Temperaturanstiegsverhaltens detektiert und wobei ein Laserstrahl aufgrund dieser Detektion auf einen selektierten Werkstoff nachgerichtet und fokussiert wird.