JP2020139952A - 宇宙飛行体において入射レーザビームを検出する方法および装置 - Google Patents

宇宙飛行体において入射レーザビームを検出する方法および装置 Download PDF

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Abstract

【課題】宇宙飛行体において入射レーザビームを検出する方法および装置を提供する【解決手段】宇宙飛行体において入射レーザビームを検出する方法であって、複数の別々のスペクトル領域において、入射ビームをそれぞれ個別に検出し、複数のスペクトル領域において検出したビームを後続処理可能な電気信号に変換し、複数の信号を共通に評価する方法、および、宇宙飛行体において入射レーザビームを検出する、上記のような方法を実施するのに適した装置200。【選択図】図3

Description

本発明は、宇宙飛行体において入射レーザビームを検出する方法に関する。さらに本発明は、宇宙飛行体において入射レーザビームを検出する装置に関する。
文献欧州特許出願公開第2682777号からは、入射方向の2次元的な解像度を有する、パルスレーザビームを検出する方法が公知であり、ここでは、検出のために、結像光学系を備えたCCDセンサを使用し、CCDセンサのそれぞれの画素と閾値とを比較することにより、第1信号処理において、少なくとも5kHzのサンプリング周波数で個別画像を生成し、それぞれの閾値を上回った場合にのみ、さらなる処理用に画素値を記憶し、第1信号処理において、個別画像の記憶したこれらの画素値から、少なくとも10回のサンプリングにわたって中央値またはピーク値を画素毎に特定し、第1信号処理において、このようにして得られた、10Hz〜500Hzの画像周波数を有する信号画像を、別の画像処理に供給し、この別の画像処理において信号画像から、入射レーザビームを表す信号画素を識別し、信号画像における信号画素の位置からレーザビームの入射方向を得ている。
文献独国特許出願公開第102007024051号明細書からは、結像光学系の視野においてビームを感知する検出器と、この検出器に接続されている電子信号評価部とを備え、レーザビーム源を識別し、位置を特定し、追従する装置が公知であり、ここではレーザビーム源と光学系との間に、グラチクルとして構成された回折格子が配置されている。さらに文献独国特許出願公開第102007024051号明細書からは、このような装置によって取得した画像を画像処理する方法が公知であり、ここでは、光学系の焦平面において、面状のマトリクス検出器として構成されている検出器にストライプ状格子の複数の回折次数の回折光を結像し、また検出器に接続されている電子信号評価部は、これらの回折次数の回折光の点状の光点と、線状の光点とを区別できるように構成されており、この方法は、以下のステップ、すなわち、局所的な判定基準にしたがって全体画像における個別点を探索するステップと、共通の回折パターンに属し得る、考えられ得るパートナ点を画像において探索するステップと、1次の点と0次の点とを局所的に区別するステップと、を有する。
本発明の根底にある課題は、冒頭に述べた方法を改善することである。さらに、本発明の根底にある課題は、冒頭に述べた装置を構造的かつ/または機能的に改善することである。
この課題は、請求項1の特徴的構成を有する方法によって解決される。さらに、上述の課題は、請求項17の特徴的構成を有する装置によって解決される。有利な実施形態および/または発展形態は、従属請求項の対象である。
この方法は、宇宙飛行体において実施可能である。宇宙飛行体は、ロケット、人工衛星、特に地球衛星または軌道衛星、宇宙探査機、スペースシャトル、宇宙船、宇宙機、宇宙カプセルまたは宇宙ステーションであってよい。この方法は、宇宙空間において実施可能である。入射レーザビームは、地球または別の宇宙飛行体から宇宙飛行体に向けられるレーザビームであってよい。入射レーザビームは、協調的または敵対的な意図で宇宙飛行体に向けられるレーザビームであってよい。入射レーザビームは、衛星・レーザ・測距・レーザビームであってよい。入射レーザビームは、測距レーザビームまたは地球からの距離を測るレーザビームであってよい。入射レーザビームは、より大きな出力の主レーザビームの前に宇宙飛行体に向けられる比較的小さな出力のレーザビームであってよい。入射レーザビームは、約400nm〜約1700nmの波長領域内に位置していてよい。入射レーザビームの検出は、対応するレーザ源の位置の特定、入射レーザビームの波長の特定、入射レーザビームの時間特性の特定、レーザ出力の特定、検出した信号の加工および/またはレーザ源の測定時点の特定であってよい。
入射ビームは、レーザビームおよび/または電磁スペクトルからの別のビームを有していてよい。別のビームは、非電離放射線、特に光放射線、特に赤外線、可視光線および/または紫外線を有していてよい。別のビームは、太陽光および/または月光を有していてよい。
入射ビームは、チャネル形成可能である。入射ビームは、複数の個別のチャネルにおいて検出可能である。これらのチャネルは、互いに並列であってよい。スペクトル領域およびチャネルは、互いに対応付けることが可能である。それぞれのスペクトル領域には、1つのチャネルを対応付けることが可能である。それぞれのチャネルには、1つのスペクトル領域を対応付けることが可能である。入射ビームは、少なくとも2つの、特に2つから8つの、特に4つの別々のスペクトル領域において、それぞれ個別に検出可能である。入射ビームは、複数のスペクトル領域において並列に検出可能である。複数のスペクトル領域において検出したビームは、スペクトル領域毎に別々に、後続処理可能な複数の電気信号に変換可能である。複数のスペクトル領域において検出したビームは、これらのスペクトル領域において、並列に後続処理可能な複数の信号に変換可能である。
複数のこれらの別々のスペクトル領域は、個別のチャネルにおいて検出可能である。チャネルの個数は、別々のスペクトル領域の個数に対応してよい。複数のスペクトル領域において検出したビームは、個別のチャネルにおいて、後続処理可能な複数の電気信号に変換可能である。
入射ビームは、少なくとも1つの狭帯域スペクトル領域において、特に2つの狭帯域スペクトル領域において検出可能である。少なくとも1つの狭帯域スペクトル領域は、特定のレーザ周波数に調整可能である。少なくとも1つの狭帯域スペクトル領域は、532nm、1055nm、1064nm、1070nm、1315nmおよび/または1550nmの波長に調整可能である。
入射ビームは、少なくとも1つの広帯域スペクトル領域において、特に2つの広帯域スペクトル領域において検出可能である。少なくとも1つの広帯域スペクトル領域は、光スペクトルをカバーするために調整可能である。約400nm〜約1700nmの波長領域をカバーするために少なくとも1つの広帯域スペクトルを調整する。
複数のスペクトル領域からの後続処理可能な複数の電気信号は、まとめることが可能である。これらの信号は、構造的かつ/または機能的に共通に評価可能である。これらの信号は、一元的に評価し、読み込み、加工し、処理し、かつ/または形成可能である。
同期化信号を用いて測定時点をマーキングする、かつ/または形成することが可能である。この同期化信号は、内部の同期化信号または外部の同期化信号であってよい。
測定レートは、特徴付けのために、パルスレーザビームに適合可能である。パルスレーザビームは、その時間特性について特徴付けることが可能である。この測定レートは、例えば、約10Hz〜約50Hz、特に約30Hzに調整可能である。
入射ビームは、複数のスペクトル領域において、それぞれ個別に補償フィルタリング可能である。それぞれのスペクトル領域において、スペクトルフィルタおよび/または透過フィルタのような固有に適合されるフィルタを適用可能である。これらのスペクトルフィルタおよび/または透過フィルタは、複数のスペクトル領域について、もしくは複数のチャネルにおいて、同じ構成の複数のセンサを用いて波長およびレーザ出力を特定できるようにするために、適合可能である。
入射ビームは、複数のスペクトル領域において、画素マトリクス検出器の複数の画素にそれぞれ結像可能である。複数の画素は、1つのクラスタを形成可能である。これにより、実際の信号と、故障した画素が原因のエラー信号とを区別することができる。
パルスレーザビームは、非同期レーザパルス識別を用いて検出可能である。この非同期レーザパルス識別は、レーザ「シー・スポット:see-spot」・ALPDと称することも可能である。連続レーザビームは、イメージングモードにおいて検出可能である。
太陽および/または月のような宇宙飛行固有の妨害光源は、区別可能である。レーザ源により、ただ1つのスペクトル領域/チャネルが励起され、また広帯域の妨害光源により、複数のスペクトル領域/チャネルが励起される場合、宇宙飛行固有の妨害光源の区別は、スペクトル領域間の妥当性検査によって行うことが可能である。
熱収支は、放射器によって制御可能である。放射器は、外面に取り付け可能である。放射器は、インタフェースと熱的に切り離すことが可能である。
入射ビームは、複数のスペクトル領域/または複数のチャネルにおいて個別に検出するために、ビームスプリッタモジュールを用いて分割可能である。入射ビームは、ビームスプリッタモジュールに供給可能である。ビームスプリッタモジュールを用いて、入射ビームを複数のスペクトル領域に分割可能である。
本発明の装置は、宇宙飛行体における配置に使用可能である。この装置は、レーザ警報器と称することも可能である。この装置は、ただ1つの光学系モジュールを有していてよい。この光学系モジュールは、光の散乱を減少させる光絞りを有していてよい。光学系モジュールは、対物レンズ、特に広角レンズを有していてよい。光学系モジュールは、入射ビームを複数のスペクトル領域に分割するビームスプリッタモジュールを有していてよい。ビームスプリッタモジュールは、1つの第1ビームスプリッタと、2つの第2ビームスプリッタと、を有していてよい。
この装置は、それぞれのスペクトル領域について、少なくとも1つの光学センサを有していてよい。少なくとも1つの光学センサは、画素検出器、特に、例えば1280×1024画素の解像度を有する画素マトリクス検出器であってよい。少なくとも1つの光学センサは、赤外線センサ、特にSWIRセンサであってよい。この装置は、複数の信号を共通に評価するただ1つの評価装置を有していてよい。
上記の方法は、レーザビームを検出しかつ1つのビームスプリッタと複数の検出器とを有するカメラシステムを用いて実施することが可能である。この検出器を用いることにより、約400nm〜約1700nmのスペクトル領域を別々にカバー可能である。このカメラシステムは、第1検出器、第2検出器、第3検出器および/または第4検出器を有していてよい。第1検出器は、スペクトル領域532nmを、第2検出器は、スペクトル領域1055nm、1064nm、1070nmを、第3検出器は、スペクトル領域1315nmを、かつ/または第4検出器は、スペクトル領域1550nmをカバー可能である。それぞれの検出器には、駆動制御および読み出し電気装置を対応付け可能である。このカメラシステムは、データプロセッサを有していてよい。このカメラシステムは、データインタフェースを有していてよい。
したがって要約すると、また換言すると、本発明により、特に、地上ならびに宇宙空間におけるレーザ源を検出するための、宇宙飛行体に搭載されるレーザ警報器システムが得られる。
結像システムは、スペクトル的にNIS〜SWIRの広帯域に設計可能である。この結像システムは、光学系および検出器を有していてよい。レーザ波長(領域および/またはスペクトル線)は、ビームスプリッタにより複数のスペクトル領域(スペクトルチャネル)にビーム路を分割することによって特定可能である。共通の計算ユニットにおいて、スペクトルチャネルデータを読み込み、加工し、測定データを処理して、形成することが可能である。レーザ源の正確な測定時点は、内部または外部の同期化信号を用いてマーキングおよび形成可能である。適合された測定レートは、パルスレーザビームをその時間特性について特徴付けるために設計可能である(例えば30Hz)。同じ構成の検出器によって、チャネル毎に波長(帯域および/またはスペクトル線)およびレーザ出力を特定するために、適合されたスペクトルフィルタおよび透過フィルタをチャネル毎に適用可能である。専用の複数のチャネルに分割することは、典型的な広帯域スペクトロメータによる解決手段よりもコスト的に有利である。レーザ源は、光学系を通して受け取ったレーザ出力が複数の画素(クラスタ)に結像されるような仕方で、画素マトリクス検出器に広角の視界で結像可能である。結像のこの特性は、故障した画素(ホワイトスポット)から実際の信号を区別するために使用可能である。パルスレーザ源を検出するために、使用する検出器のレーザ・「シー・スポット:see-spot」・ALPD特性を利用可能である。連続レーザビームは、検出器のイメージングモードにおいて検出可能である。太陽/月のような宇宙飛行固有の妨害光源の区別は、複数のレーザ源により、ただ1つのチャネルが励起され、また太陽/月のような広帯域の放射器により、複数のチャネルが励起される場合、複数のスペクトル領域間の妥当性検査によって行うことが可能である。熱収支を制御するために、光学ヘッドの機械的な設計において、放射器を外面に取り付け可能である。これにより、光学ヘッドは、衛星インタフェースと熱的に切り離されて動作可能である。
本発明により、宇宙空間において、特に地球の近傍の宇宙空間において、固有の環境条件への適合化が行われる。ここでは、広帯域の放射測定レーザ特徴付けが可能になる。ここでは、定量的な信号測定および出力測定が可能になる。ここでは、VIS〜NIR〜SWIR(500nm〜1700nm)の広帯域領域においてレーザ源が検出可能である。ここでは、レーザ源の位置座標(角度)が、広い視野(例えば+/−60°)において特定可能である。ここでは、検出されるレーザ源の波長(領域および/またはスペクトル線)が、特定可能である。ここでは、時間的なレーザ特性(連続〜パルスレーザ、パルス周波数)が、特定可能である。ここでは、レーザ出力(放射測定)が、特定可能である。検出した信号は加工可能であり、レーザ特性は処理可能であり、データインタフェースを介して、上位のシステムに出力可能である。レーザ源の正確な測定時点は、宇宙飛行体の固有の軌道・運動動特性が存在するときに位置結合および方向結合の特定をサポートするための、内部または外部の同期化を用いて特定可能である。
ここでは、パルスレーザビームの識別を可能にする検出器を使用可能である。レーザパルスの評価に加えて、レーザ警報器の位置におけるレーザの大きな強度も判定基準として使用することが可能である。光の固定のスペクトルにそれぞれ対応付けることが可能な複数のチャネルを使用することにより、背景妨害光源(太陽、月)を識別可能である。角度分解は、イメージング処理によって実現可能である。スペクトル的な選択(レーザの波長の測定)は、ビームスプリッタ内にある誘電フィルタによって行うことが可能である。
スペクトル的に選択されかつ共通の1つの電子ユニットにおいて評価される複数のチャネルを使用することにより、例えば太陽または月のような妨害光源を識別可能であり、レーザ光源としては除外可能である。これにより、レーザビームのスペクトル的な狭帯域性との組み合わせにおいて、強度に基づき、レーザビームの識別が可能になる(レーザはつねに1つのチャネルにおいてのみ検出される)。複数のチャネルをスペクトル的に分割するために、ビームスプリッタを使用可能である。チャネル毎に同じ検出器タイプを使用する際には、スペクトル領域における強度測定において、波長に依存する検出器感度を補償するために、補償フィルタ(一フィルタ層系における透過フィルタ+スペクトルフィルタ)を使用可能である。このフィルタによって保証することができるのは、出力が同じ際にはすべての波長のレーザ源により、検出器画素において同じ信号レベルが形成されることである。このためには、光透過における(例えば対物レンズにおける)作用も、信号処理における作用(例えば検出器の量子化効率)も共に補償可能である。このフィルタにより、従来のシステムによるレーザビームの出力特定よりも、格段に正確にレーザビームの出力特定を行うことが可能である。
以下では、図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。
宇宙飛行体において入射レーザビームを検出するレーザ警報器・視野を示す図である。 入射ビームを4つのスペクトル領域もしくはチャネルに分割するビームスプリッタモジュールと、それぞれのスペクトル領域もしくはチャネル用の光学センサと、ただ1つの評価装置とを備えた、ただ1つの光学系モジュールを有するレーザ警報器を示す図である。 入射ビームを4つのスペクトル領域もしくはチャネルに分割するビームスプリッタモジュールと、それぞれのスペクトル領域もしくはチャネル用の光学センサと、ただ1つの評価装置とを備えた、ただ1つの光学系モジュールを有するレーザ警報器の機械的な構造を示す図である。
図1には、入射レーザビームを検出するレーザ警報器・視野100が示されている。このレーザ警報器は、宇宙飛行体、特に地球衛星に配置されており、地球102から宇宙飛行体に向けられる測距レーザビームまたは地球から距離を測定するレーザビーム、特に、約400nm〜約1700nmの波長領域内のレーザビームを検出するために使用される。レーザ警報器・視野100は、少なくとも、宇宙飛行体の天底104の周りに近似的に円形に延在しており、4π監視もしくは360°監視を可能にしている。宇宙飛行体の飛行方向には、参照符号106が付されている。さらなる監視のために、視野が、例えば宇宙空間に向けられている別のレーザ警報器を設けることが可能である。
図2には、光絞り204と、光学系206と、ビームスプリッタモジュール208と、を備えた、ただ1つの光学系モジュール202を有するレーザ警報器200が示されている。光絞り204は、光の散乱を減少させるために使用される。光学系206は、広角レンズを有する。ビームスプリッタモジュール208は、1つの第1ビームスプリッタと2つの第2ビームスプリッタとを有しており、かつ入射ビームを4つの別々のスペクトル領域もしくはチャネル210、212、214、216に分割するために使用される。入射ビームは、電磁スペクトルからのビーム、特に非電離放射線、特に光放射線、特に赤外線、可視光線および/または紫外線、例えば太陽光、月光および/または検出対象のレーザビームを有する。例えば、入射ビームは、約400nm〜約1700nmの波長領域を有する光スペクトルをカバーするために2つの広帯域スペクトル領域と、波長532nm、1055nm、1064nm、1070nm、1315nmおよび/または1550nmを有するレーザビームを検出するために2つの狭帯域スペクトル領域と、に分割される。
チャネル210、212、214、216は、スペクトル領域固有に調整されている。例えば、対応するフィルタ設計により、2つのチャネル210、212は、約400nm〜約1700nmの波長領域を有する光スペクトルをカバーするために広帯域スペクトル領域に調整されており、2つのチャネル214、216は、波長532nm、1055nm、1064nm、1070nm、1315nmおよび/または1550nmを有するレーザビームを検出するために狭帯域スペクトル領域に調整されている。チャネル210、212、214、216では、複数のスペクトル領域において個別に検出するために、分割されたビームが、バンドパスフィルタ218、220、222、224を介してセンサ226、228、230、232に供給される。バンドパスフィルタ218、220、222、224は、同じ構成のセンサ226、228、230、232を使用するために、スペクトル領域固有に適合された、補償のためのスペクトルフィルタおよび/または透過フィルタをそれぞれ有する。センサ226、228、230、232は、スペクトル領域において検出したビームを、後続処理可能な電気信号に変換するために使用される。例えば、VIS−SWIR InGaAs検出器が、センサ226、228、230、232として使用され、これらのセンサにより、1280×1024画素の水平垂直解像度において、必要な波長領域がカバーされ、またこれらのセンサでは、パルスレーザビームを検出するために、それぞれの2×2のマクロ画素が、極めて高速な光信号変化を検出する特別な回路を有する(ALPD機能)。それぞれのセンサ226、228、230、232には、駆動制御および読み出し電気装置234、236、238、240が後置接続されている。
レーザ警報器200は、センサ226、228、230、232の信号を共通に評価するただ1つの評価装置242と、信号出力のための信号インタフェース244と、電流供給部246と、を有する。
図3には、入射ビームを4つの別々のスペクトル領域もしくはチャネルに分割するビームスプリッタモジュールを備えた光学系モジュール202を有するレーザ警報器200の機械的な構造が示されている。レーザ警報器200の外囲器248には、宇宙空間における熱収支を制御するために放射器が設けられている。
「できる、であってよい」により、特に、本発明の選択的な特徴的構成が示されている。したがって、付加的または択一的にそれぞれの特徴またはそれぞれの複数の特徴を有する、本発明の発展形態および/または実施例も存在する。
本明細書で開示した特徴の組み合わせから、必要に応じて、独立した特徴を選び出すこともでき、複数の特徴間に場合によっては存在する構造的かつ/または機能的な関係を分解し、別の複数の特徴と組み合わせて、請求項の対象を限定するために使用することが可能である。
100 レーザ警報器・視野
102 地球
104 天底
106 飛行方向
200 レーザ警報器
202 光学系モジュール
204 光絞り
206 光学系
208 ビームスプリッタモジュール
210 チャネル
212 チャネル
214 チャネル
216 チャネル
218 バンドパスフィルタ
220 バンドパスフィルタ
222 バンドパスフィルタ
224 バンドパスフィルタ
226 センサ
228 センサ
230 センサ
232 センサ
234 読み出し電気装置
236 読み出し電気装置
238 読み出し電気装置
240 読み出し電気装置
242 評価装置
244 信号インタフェース
246 電流供給部
248 外囲器

Claims (18)

  1. 宇宙飛行体において入射レーザビームを検出する方法において、
    複数の別々のスペクトル領域において、入射ビームをそれぞれ個別に検出し、複数の前記スペクトル領域において検出したビームを後続処理可能な複数の電気信号に変換し、複数の前記信号を共通に評価することを特徴とする、
    方法。
  2. 少なくとも1つの狭帯域スペクトル領域において、かつ/または、少なくとも1つの広帯域スペクトル領域において、前記入射ビームを検出することを特徴とする、
    請求項1記載の方法。
  3. 特定のレーザ周波数に少なくとも1つの前記狭帯域スペクトル領域を調整することを特徴とする、
    請求項2記載の方法。
  4. 532nm、1055nm、1064nm、1070nm、1315nmおよび/または1550nmの波長に少なくとも1つの前記狭帯域スペクトル領域を調整することを特徴とする、
    請求項3記載の方法。
  5. 光スペクトルをカバーするために少なくとも1つの前記広帯域スペクトル領域を調整することを特徴とする、
    請求項2記載の方法。
  6. 約400nm〜約1700nmの波長領域をカバーするために少なくとも1つの前記広帯域スペクトル領域を調整することを特徴とする、
    請求項5記載の方法。
  7. 複数の前記信号を一元的に読み込み、加工し、処理し、かつ/または、形成することを特徴とする、
    請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。
  8. 同期化信号を用いて測定時点をマーキングする、かつ/または、形成することを特徴とする、
    請求項1から7までのいずれか1項記載の方法。
  9. 特徴付けのために、パルスレーザビームに測定レートを適合させることを特徴とする、
    請求項1から8までのいずれか1項記載の方法。
  10. 複数の前記スペクトル領域において、前記入射ビームをそれぞれ個別に補償フィルタリングすることを特徴とする、
    請求項1から9までのいずれか1項記載の方法。
  11. 複数の前記スペクトル領域において、前記入射ビームを画素マトリクス検出器の複数の画素にそれぞれ結像することを特徴とする、
    請求項1から10までのいずれか1項記載の方法。
  12. 非同期レーザパルス識別を用いてパルスレーザビームを検出し、かつ/または、イメージングモードにおいて連続レーザビームを検出することを特徴とする、
    請求項1から11までのいずれか1項記載の方法。
  13. 宇宙飛行固有の妨害光源を区別することを特徴とする、
    請求項1から12までのいずれか1項記載の方法。
  14. 熱収支を放熱器によって制御することを特徴とする、
    請求項1から13までのいずれか1項記載の方法。
  15. 複数の前記スペクトル領域において個別に検出するために、ビームスプリッタモジュール(208)を用いて前記入射ビームを分割することを特徴とする、
    請求項1から14までのいずれか1項記載の方法。
  16. 宇宙飛行体において入射レーザビームを検出する装置(200)において、
    前記装置は、請求項1から15までのいずれか1項記載の方法を実行するのに適していることを特徴とする、
    装置(200)。
  17. 前記装置(200)は、前記入射ビームを複数のスペクトル領域に分割するビームスプリッタモジュール(208)を備えたただ1つの光学系モジュール(202)と、それぞれのスペクトル領域用の少なくとも1つの光学センサ(226、228、230、232)と、複数の前記信号を共通に評価するただ1つの評価装置(242)と、を有することを特徴とする、
    請求項16記載の装置(200)。
  18. 前記ビームスプリッタモジュール(208)は、1つの第1ビームスプリッタと、2つの第2ビームスプリッタと、を有することを特徴とする、
    請求項17記載の装置(200)。
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