SE529775C2 - Anordning och förfarande för detektion och lokalisering av laserstrålkällor - Google Patents

Description

25 30 529 775 2 kvens och ringa pulseffekt används, är känsligheten vid hittills kända laservarnings- sensorer i allmänhet ej tillräcklig för att detektera detta hot. I försvårande riktning tillkommer att den svaga laserstrålningen i det fria måste detekteras mot den starka strålningsbakgrunden fiån dagsljuset resp. en belysning från ljusa konstljuskällor.

Det är därför en uppgift för föreliggande uppfinning att åstadkomma en anordning jämte ett förfarande för detektion och lokalisering av laserstrålkällor, som säkert detekterar icke blott det direkt fi~ån en pulsad las er eller en konstantstrålelaser infal- lande ljuset utan även indirekt, böjt, reflekterat eller spritt ljus lasems utgångs- apertur eller från föremål som belyses av lasern, gör skillnad i förhållande till dags- ljus eller andra strålningskällor än laserljus och eventuellt utvisar laserkällans rikt- ning med hög noggrannhet. Denna uppgift löses genom en anordning enligt patent- krav 1 resp. genom ett förfarande i enlighet med patentlcrav 9. i Uppfmningen är baserad på användningen av ett korsgitter, med vilket koherent och inkoherent strålning avbildas på olika sätt på en strålningskärislig detektor. Genom denna åtgärd kommer spektralt bredbandiga, dvs. tidsmässigt inkoherenta punktljus- källor, som t.ex. lampor eller strålkastare, inte längre att avbildas som punkter i de- tektoms brännplan, t. ex. i en CCD-kamera, utan som streckbílder av dess spektrum.

Lasrar, i egenskap av spektralt smalbandiga, dvs. koherenta källor, avbildas däremot genom kors gittret som punktmönster och kan därmed skiljas från de inkoherenta strålningskällorna. ' För att fastställa orten för en som laser igenkänd ljuskälla skall bestämmas orten för böjningsbildens nollte ordning på detektorn. Detta kan ske på olika sätt, alltefter det använda slaget av korsgitter. I det enklaste fallet är den punktformiga ljusfläcken med den största intensiteten böjningsbildens nollte ordning och därmed identisk med laserljuskällans position i bildfältet. Med kännedom om den momentana rikt- ningen på optikens optiska axel samt dess brännvidd är därmed också riktningen till strålningskällan i det betraktade rurnrnet känd. 10 15 20 25 30 529 775 3 En högre säkerhet vid positionsbestärnning av en laserkälla uppnås därigenom att man fastställer symmetricentrtirn för resp. ljusfläcksmönster. Detta kan i sin tur ske på ett enkelt sätt därigenom att de enskilda ljusfläckarna successivt bortbländas me- delst ett inställbart tröskelvärde, tex. genom en fiarnförmonterad gråkil eller genom att sänka detektorns känslighet. Eftersom vid ett korsgitter bildpunktema av samma ordning även har samma intensitet och dessa är anordnade symmetriskt kring den nollte ordningen, försvinner bildpunkterna av samma ordning vid stigande tröskel- värde samtidigt, så att ur respektive försvunna bildpunkters orter entydigt kan be- stärnrnas symmetricentrum och därmed positionen för den nollte ordningen.

En ytterligare möjlighet för att bestämma läget för den nollte ordningen består i att korsgittret vrids kring den optiska axeln. I detta fall vrider sig alla bildpunktema av högre ordning kring bildpunkten av nollte ordningen, vilken lugnt står stilla vid Sin respektive position och därmed lätt kan igenkärmas.

Vidare kan ur avståndet mellan de enskilda ljusfläckama i ett symmetriskt mönster laserns våglängd lätt bestämmas, vilket möjliggör en ytterligare känneteckning av respektive hottyp.

Uppfmningen kommer i det följ ande att närmare beskrivas i anslutning till det i fi- gurerna schematiskt visade utföringsexemplet. Därvid visar: Fig. 1 den principiella uppbyggnaden av en laservarningsmottagare med fiam- fiirrnonterat korsgitter..

Fig. 2 den principiella uppbyggnaden av en laservarningsmottagare med inte- grerad restljusíörstärkare.

Fig. 3 den principiella uppbyggnaden av en laservarningsmottagare med fiam- förmonterad omlänkningsoptik för runtomdetektion, och Fig. 4a och 4b de böjningsbilder som alstrats med ett kortgitter från en a) inkoherent och b) koherent punktformig strålningskälla. m 15 20 25 30 529 775 4 Det i fig. l visade utföringsexemplet av en laservamingsmottagare för det nära och mittersta infraröd-området har en kamera med s.k. ”Focal Plane Array (FPA)”, dvs. en ytmässig matrisdetektor 1, som är anordnad i brännplanet till en avbildande optik 2. En dylik detektoruppsättning består typiskt av 256x256 enskilda detektorer och är försedd med en integrerad utläsningselektronik 5. De enskilda detektorema i FPA- enheten integrerar den infallande strålningen under en fast eller variabel integra- tionstid om t.ex. 16 ms parallellt. Därigenom skiljer sig dessa detektorer från de en- skilda detektorer som förekommer vid vanliga laservarningssensorer, vilka, med en kort tidskonstant i nanosekimdorrirådet, är anpassade uteslutande för detektion av pulsade strålnirigskällor med samma pulsvaraktighet. Två olika typer av matrisde- tektorer, som har olika utläsnings- och överßringsfimktioner för den efterföljande signalbearbetningen, är kända, såsom ”Charge-Coupled-Devices (CCD ” respektive ”Complementary Metaloxide Semiconductor (ICMS)”, vilka båda här kan komma till användning.

Inom det nåra infraröd-området om 0,75 - 1,1 um kan i handeln vanliga kameror 'med kíseldetektorer komma till användning, sådana som används för upptagning av bilder inom det synliga området (eventuellt med framförkopplad restljusförstärkare).

För våglängdsorrirådet mellan 1 och 5 pm förekommer infrarödkameror med plati- na-silicid (Pt:Si)- eller indiuin-antimonid (ln:Sb)-detektorer, och i våglängdsområ- det mellan 9 och 12 um kvicksilver-kadmium-tellurid-detektorer. Några av dessa detektorer kräver en ytterligare kylning.

Framför en dylik kamera monteras nu i enlighet med uppfinningen ett korsgitter 3 och eventuellt ett spektralfilter 4. Genom det senare göres systemets bandbredd smalare, täckande det spektralområde i vilket laserkällan förmodas ligga. Därmed reduceras också bakgrundsstrålningens inflytande. Beroende på typ av signalanaly- sering kan korsgittret 3 roteras kring kamerans optiska axel medelst en drivenhet 6.

Betydelsen av korsfiltret skall beskrivas närmare nedan med hjälp av fig. 4 a och b: 10 15 20 25 529 775 5 Om man lägger två likadana, vanliga streckgitter på varandra, erhåller man ett två- dimensionellt korsgitter. Om man proj icerar en ljuspunkt genom ett dylikt gitter på en skärm resp. på brännplanet till en kamera, uppstår vid bredbandigt ljus en böj- ningsbild, återgiven i fig. 4a, där kring en rund fläck grupperar sig ett stort antal får- gade böjningsspektra i regelmässig ordning, så att deras längdriktning pekar mot den centrala fläcken, varvid spektrums kortvågiga del ligger inåt och den långvågi- gare delen utåt. Vid monokromatiskt ljus övergår fenomenet i avbildningen enligt fig. 4b, där punktforrniga ljusfläckar uppstår, vilka ligger i skärningspunkterna till ett nästan rätlinjigt kvadratiskt nät. Bildpunktemas läge och deras intensitetsfórdel- ning vid ett korsgitter kan bestämmas med hjälp av gitterberäkníngar enligt Fraun- hofer. Skärningspunkterna för två hyperbelskaror bildar orterna för interferens- maxima vid böjning i ett plant punktgitter. Om gitterkonstanten betecknas b och in- fallsvinkeln i planet parallellt med ett gitter betecknas oro och infallsvinkeln till pla- net parallellt med det andra gittret betecknas med ßo, erhåller man för vinklarna ot resp. ß i böjningsbildema i dessa båda, vinkelrätt till varandra liggande plan följan- de uttryck: sinct-sinot0=n'X/d(n=O,il,i2, .... ..) sin ß -sin [30=m'?t/d(m=0,il,i2,.....) För användning i enlighet med uppfinningen av ett korsgitter i en laservarningssen- sor är nu följande egenskaper av betydelse: 0 Monokromatiska punktkällor avbildas som punktgitter med skarpa intensitets- maxirna i kamerans bildplan, bredbandiga punktkällor avbildas som utdragna streck, och kan därmed skiljas från varandra. o Ytmässiga, bredbandiga .ljuskällor alstrar en utsmetad mosaik över hela bild- ytan; bakgrundsstrålningen blir därmed homogeniserad över hela bildytan, vil- ket underlättar detektion av punktformiga avbildningar av laserkällor. o Böjningsmönstrets nollte ordning ligger på huvudstrålen och går alltsåutan böj- ning genom gittret. Denna riktning är också symmetririlcmingen för böjnings- 10 15 .20 25 30 529 775 6 mönstret av högre ordningar. Riktningen till strålningskällan kan därmed be- stärnmas entydigt ur böjningsmönstret. ø Böjningsvinkeln förskjuter sig med våglängden A7» enligt formeln Aot = n/d 'Alt (motsvarande gäller för vinkeln ß), dvs. ljuskällans våglängd kan bestämmas ur böjningsmaximas vinkellägen. 0 Vid vridning av kortgittret vrider sig också ljusfläcksmönstret kring symmetri- axeln. Ljuskällans riktning i förhållande till kamerans optiska axel kan därmed entydigt fastställas.

För att förtydliga förhållandena vid detektion av två laserkällor med olika vågläng- der skall ett numeriskt exempel givas: Vid antagna våglängder om M = 1,064 um (t.ex.'Nd:YAG-laser) och X2 = 0,904 um (t.ex. en GaAs-laserdiod), en gitterkonstant d = 10 um och infallsvinklar ao = ßo = 0 blir böjningsvinkeln ot = ß= 6,1° för den längre våglängden och 5,4° för den kortare våglängden. Vid högre ordningar mångfaldigar sig böjningsvinkeln. Vid kortare gitteravstånd blir våglängdsupplösningen större och samtidigt även böjningsvinkeln.

Med omkring 600 linjer och rader i en detektoruppsätming och en upptagningsvin- kel för kameran om 90° uppgår vinkelupplösningen för en pixel till 0,1 5°. Vid en gitterkonstant om 2 um uppgår den spektrala upplösningen för en pixel i första böj- ningsordningen till omkring 5 mn. Som jämförelse uppgår en laserdiods spektrala bandbredd vid ett strålridarvapen till omkring 3 nm.

Om nu flera isolerade ljusfläckar registreras av detektoruppsättningen, kan från de- ras ortsfördelning i bilden slutas om det rör sig om de högre ordningarna till en ko- herent laserkälla. Detta kan fastställas ur ljusfläcksmönsnets symmetri och den iden- tiska ljusheten för alla ljusfläckar som hör till en bestämd ordning. Uppgiften kan t. ex. lösas elektroniskt på så sätt att signalerna för varje enskild pixel i fokalplanet jämföres till sin intensitet med signalerna för respektive intilliggande pixel. Om där- av framgår att intensiteten för en pixel är tydligt högre än grannens, noteras dess ko- ordinater och signalvärden. Den totala bilden kan på så sätt reduceras till ett punkt- 10 15 20 25 30 529 775 7 mönster av enskilda pixel med högre intensitet. Nu kan signalstömingar elimineras på så sätt att endast sådana pixel betraktas, som bildar koncentriska kvadrater. Om det då kvarstår ett regelbundet punktmönster, är närvaron av en laserkälla mycket sannolik.

Ur kvadraternas dimension kan nu ocksålaserkällans våglängd beräknas och t.ex. jämföras med värden i ett hotbibliotek för att finna ytterligare bekräftelse på hotet.

Om det sålunda erhållna punktmönstret jämiöres med en bildserie från en karnera. kan laserkällans rörelser i förhållande till målet beräknas och följas. Flera laserkällor kan också enligt denna enkla föreskrift snabbt hållas isär, klassificeras och betraktas var för sig. För en fackman, förtrogen med elektronisk Signalbehandling, kan denna uppgift lösas med en enkel mikroprocessor utan att någon speciell bildbearbetrling i en dator behövs.

Kors gitter kan framställas antingen som transmissionsgitter eller reflektionsgitter.

Dessa kan vara utförda både som amplitud- och fasgitter. Fördelen med fasgitter är deras väsentligt högre transmission, efiersom vid amplitudgitter strålningen vid gitt- rets respektive skuggande del går förlorad.

Ett specialfall av gitter är det s.k. sinusgittret med lokalt cosz-iörlopp för amplitud- transmissionen vid användning av ett amplitudgitter eller för brytningsindex vid ett fasgitter. Vid denna gittertyp uppstår endast nollte och ordningen il i böjnings- spektrum. Dessutom är dessa gitter på grund av den höga effektiviteten i ljusöver- iöringen till första ordningen särskilt lämpliga för detektion av svaga laserkällor. i När det gäller tillverkning av gitter, slår den holografiska tillverkningen av gitter mer och mer igenom. Därvid låter man två genom laserstråldelning uppstående vå- gor med liten riktningsskillnad falla på ett fotolackskikt och får där ett interferens- remsmönster, vilket kan omvandlas till gitterstrulcturer. Sålunda kan korsgitter till- verkas genom belysning två gånger med dylika vinkelrätt mot varandra stående in- 10 Ãl5 529 775 8 terferensremsmönster. Med denna teknik kan för transmissionsdrift tillverkas både amplitud- och fasgitter; de senare uppstår genom den kända utblekningen av ampli- _ tudstrukturen. Den skiljaktiga belysningen av skiktet i de ljusa och mörka remsoma kan också omvandlas till en skikttj ockleksändring (räffelprofil) och användas som fasgitter i transmission. Genom påångriing med aluminium erhålles analogt därtill ett reflektionsgitter.

För användning i en laservarnare för synligt och nära infrarött intervall om 0,35 till 2,5 um är transmissions-sinus-fasgittren särdeles lärnpade. Dessa kan t.ex. förläggas på kvartsglas och användas som transmissionsförsättsanordning. I infraröd-ornrådet ovanför 2 um kan användas antingen amplitudtransmissionsholograin för transmis- sionsdrift eller reflektionsgitter för reflektionsdrifl; frarntör en kamera. I infraröd- området vid 10 um (COz-laser) användes övervägande reflektionsgitter. Särskilt lämpliga för en laservamare är s.k. Echelett-gitter, vilka har en sågtandad ritsprofil.

Ritslutningen välj es så att' för en önskad ”Blaze”-våglängd (Blaze = maximal inten- sitet) reflektions- och böjningsriktningen sammanfaller. Då kommer också motsva- rande ordning n att fiamhävas.

En ytterligare möjlighet för optimering av korsgitter består i anordningssättet för modulationsdjupet och gitterkonstanterna resp. ortsfiekvensen för gittren. Gitter med låg ortsfrekvens har som bekant många böjningsordningar, vilkas intensiteter förhåller sig som kvadraterna på Hessel-funktionerna. Genom stark moduleríng till- tar därmed intensiteten i de högre ordningama. Om man minskar modulationen, av- i tar intensiteten i de högre ordningarna till förmån för de lägre ordningama. Optime- ringsuppgifien för laservarnare består nu i att maximera intensiteten i de första ord- ningarna. Detta maximum ligger teoretiskt vid 33% för ett linjärt gitter. För ett kors- gitter följ er därav att för de intressanta fyra ordningarna kvarstår vardera 10%. Res- terande 60% av det infallande ljuset fördelar sig på de övriga ordningarna. 15 210 25 529 775 9 Böjningseffektiviteten kan vid korsgitter kraftigt ökas med höjning av ortsfiekven- sen. För ortsfrekvenser om ca 400-500 linjepar /mm vid holografiska transmissions- fasgitter befinner man sig i övergångsorrirådet mellan tunna och tjocka hologram.

Här uppträder redan väsentligt färre högre ordningar. Om ännu högre ortsfrekvenser användes, t. ex. 700 linj epar/mm, låter sig de högre ordningarna nästan fullständigt undertryckas. Ljusandelen för nollte ordningen kan hållas under 20% så att var och en av de fyra böjningsbildema iiíörsta ordningen erhåller omkring 20% av ljuset.

De lasrar som användes för militära och säkerhetstekniska ändamål är begränsade till få, relativt smala våglängdsoniråden mellan 800-850 nm, 1050-1070 nm, 1450- 1650 nm och 9,5-11,5 um. För att i motsvarighet härtill dämpa den störande bak- V grundsstrålrxingen är det fördelaktigt att utöver det använda korsgittret också monte- ra ett spektralt filter framför kamerans avbildande objektiv. Med en filterbredd om t.ex. 10-20 nm i nära infiaröd-området kan bakgrunden sänkas med en faktor 10-20.

Gränskänsligheten hos CCD-kameror i handeln för en konstantsnåle-laserkälla vid en iritegrationstid om 20 ms för att detektera genom korsgittret ligger vid omkring 6 pW. Signalema på grund av spridd strålning fór en strålryttare på ett avstånd av 10-1 km ligger jämförelsevis inom intervallet 1 pW-l nW, dvs. inom påvisnings- intervallet till en laservarriare enligt uppfinningen. En ytterligare ökning av känslig- heten är möjlig för CCD-kameror genom förlängning av integrationstiden, kylning av detektorn och genom att sätta ett elektronmultiplikatorsteg (t. ex. lVlicro-Channel- Plate med 10.000 ggr förstärkning) framför detektorn. Den sistnämnda möjligheten visas i utfóringsexemplet enligt fig. 2. fmns framför en första lins 22.1, i vars fokalplan ligger en till en mikroprocessor 25 kopplad detektoruppsätming 21, en lysskärm 26, en elektronmultiplikator 27, en fotokatod 28, en ytterligare lins 22.2, ett korsgitter 23 och ett spektralfilter 24. Härvid bildar elementen 26, 27 och 28 en s.k. restljustörstärkare, vars bild sedan avbildas på detektoruppsättningen 21. 10 15 529 775 10 Det erforderliga vinkelupptagningsområdet för en laservaniare kan vara olika bero- ende på användning. På många användningsområden är det tillräckligt med normal- objektiv med en fältvinkel om 40°-55°. För en runtom-upptagning, t.ex. för en heli- kopter, installeras normalt fyra dylika laservarnare på olika ställen i ytterplåten, var- vid varje laservarnare täcker en vinkel om 90°. i En annan möjlighet för runtom-avkämiing av laserhot visas i fig. 3. Här är frarnfór en laservaniare enligt fig. 1 eller 2 med en detektoruppsättning 31, en avbildande optik 32 och ett kors gitter 33 anordnad en konvexspegel 34, vilken avkänner ljuset från ett horisontellt riktat plan I i en horisontell bildvinkel om 90° (tex. 60° över planet I och 30° under planet I) och avbildar det sålunda avkända området i en ring- yta II på detektom 31. Varje riktning ur det sålunda avkända området svarar då mot en bildpunkt på ringytan H.

Det här beskrivna förfarandet fór detektion av laserkällor kan förverkligas resp. kombineras med de mest skilj aktiga bildupptagningsutrustningar. Särskilt kan i stället för detektoruppsätmingar även användas specifikt konstruerade enkeldetek- torer med fiamfór anordnad optisk avkämiingsanordning (scarmer).

Claims (1)

1. 0 15 20 30 529 775 11 Patentkrav _ Anordning för detektion och lokalisering av laserstrålkällor med en i en avbil- dande optiks bildfalt anordnad strålningskänslig detektor och en till detektorn kopplad signalanalysator, varvid ett korsgitter (3) är anordnat mellan laSfifkänafi och optiken (2) på så sätt att korsgittrets (3) böjningsordningar avbildas på de- tektorn (1), kännetecknad av att korsgittret (3) är vridbart kring den avbildande optikens optiska axel. . Anordning enligt krav l, kännetecknad av att korsgittret (3) är utfört som ett transmissions- eller reflektionsgitter. . Anordning enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att korsgittret (3) är utfört som amplitud- eller fasgitter. _ Anordning enligt krav 1,2 eller 3, kännetecknad av att korsgittrets (3) vridning sker kontinuerligt med fórutbestämbart varvtal. . Anordning enligt något av krav l-4, kännetecknad av att ett korsgitter använ- des, som endast alstrar 0:e och fórsta ordningen, t.ex. ett sinusgitter. . Anordning enligt något av krav 1-5, kännetecknad av att mellan korsgittret (23) och den avbildande optiken (22. 1) är anordnad en restljusforstärkare. . Anordning enligt något av krav 1-6, kännetecknad av att framför korsgittret (3, 23) är anordnad ett spektralfilter (4, 24). . Anordning enligt något av krav l-7, kännetecknad av att framför korsgittret (33) är anordnad en omlänkningsoptik (34), särskilt en konvexspegel. 10 15 20 9. 10. ll. 12. 13. 529 775 12 Förfarande för detektion och lokalisering av laserstrâlkällor med en anordning i enlighet med krav l, kännetecknat av att den på detektorn alstradebilden genomsökes av signalanalysatorn efter punktformiga ljusfläckar, vilkas position inom bildfaltet registreras, och att orten för en bildpunkt detekteras, vilken åter- ger den 0:e ordningen av det avbildade ljusfläcksmönstret. Förfarande enligt krav 9, kännetecknat av att medelst ett variabelt tröskelvär- de utbländas successivt bilderna av de ljusfläckar som har respektive lägsta in- tensitet, varvid ur orterna för de utbländade ljusfläckarna ljusfläcksmönstrets symmetricentrum erhålles. Förfarande för detektion och lokalisering av laserstrålkällor medelst en anord- ning enligt krav 1, kännetecknat av att den på detektorn alstrade bilden av sig- nalanalysatorn genomsökes efter minst en punktforrnig ljusfläck, som bestämmer den 0:e ordningen av ett avbildat ljusfläcksmönster, vars position inom bildfaltet. registreras. Förfarande enligt något av krav 9-11, kännetecknat av att läget för ljusfläcken av den 0:e ordningen eller ljusfläcksmönstrets symmetricentrum bestämmes i re- lation till bildmitten och därur erhålles vinkelläget för laserstrålkällan i förhål- lande till den avbildade optikens optiska axel. Förfarande enligt något av krav 9-12, kännetecknat av att vid vilande korsgitter bilden på detektorn genomsökes efter kvadratiskt anordnade punktformiga ljus- fläckar, vilkas ömsesidiga avstånd till respektive närmaste grannar bestämmes och jämföres med ett förutbestämt intervallvärde.