DE3231025A1

DE3231025A1 - Einrichtung zur erkennung von gepulster laserstrahlung

Info

Publication number: DE3231025A1
Application number: DE19823231025
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Phys. Dr. 8035 Stockdorf Dietrich
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1982-08-20
Filing date: 1982-08-20
Publication date: 1984-02-23
Also published as: DE3231025C2

Description

Einrichtung zur Erkennung von gepulster Laserstrahlung Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erkennung von gepulster Laserstrahlung mit mindestens einem ersten und einem zweiten Strahlungsdetektor und jeweils einem den Strahlungsdetektoren vorgeschalteten ersten bzw. zweiten Filter, wobei der erste bzw. die ersten Filter in einem oder mehreren schmalbandigen Spektralbereich(en) der Laserstrahlung transparent ist bzw. sind.
Aus der DE-OS 28 30 308 ist ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur exakten Ermittlung des Einfallswinkels einer optischen Impulsstrahlung bekannt. Zur Unterdrückung von Hintergrundstrahlung, insbesondere im IR-Bereich, sind getrennte Gleichlicht- und Pulslichtdetektoren vorgesehen und so verschaltet, daß Gleichlichtquellen keinen Falschalarm auslösen können.
Ein Lasermelder ist weiterhin aus "Internationale Wehrrevue", 3, 67 (1976, S. 429 ff.) bekannt. Das Ermitteln des Vorhandenseins einer Laserstrahlung erfolgt dabei durch ein Paar Pin-Dioden, die so angeordnet sind, daß ihre Ausgänge eine Funktion der Spektraldifferenzen ihrer Eingänge und der zeitlichen Merkmale des Signals sind.
Die Ortung des Lasergerätes geschieht durch Abbildung auf einer 100 x 100 Ladungskopplungselementen-Gruppe (LKE-Gruppe) und Digitalspeicherung des Ergebnisses einer Rahmensubstraktion im Augenblick der Erfassung eines Lasersignals durch die Pin-Dioden.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gesetzt, eine Einrichtung zur Erkennung von gepulster Laserstrahlung zu schaffen, welche durch Ausnutzung der monochromatischen Eigenschaften eine Laserstrahlung insbesondere aus Laserzielgeräten erkennt und damit rechtzeitig vor einem evtl. Angriff auf das Zielobjekt warnt. Diese Aufgabe löst eine nach einem der Patentansprüche ausgebildete Einrichtung zur Erkennung von gepulster Laserstrahlung.
Die Funktionsweise zweier erfindungsgemäß ausgebildeten Einrichtungen soll im folgenden anhand der in den Blockschaltbildern schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben werden.
Fig. 1 zeigt ein Laserstrahl-Warnsystem mit zwei Detektoren 1 und 2, denen unterschiedliche spektrale Filter F1 und F2 vorgeschaltet sind. Das Filter F1 vor dem Detektor 1 ist schmalbandig transparent für Strahlung aus Lasern, welche zur Entfernungsmessung geeignet sind; dies sind insbesondere die Linien von CO2- und Neodym-YAG-Lasern. Alle übrigen Wellenlängen werden durch das Filter F1 gesperrt. Das Filter F2 vor dem Detektor 2 sperrt alle Wellenlängen für die das Filter F1 durchlässig ist; die Durchlaßbereiche sind ebenfalls schmalbandig und liegen jeweils in der Nähe der Wellenlängen, in denen der Filter F1 durchlässig ist. Ein Beispiel für die Filtercharakteristiken ist in den Fig. 2a und b dargestellt, wobei zur Veranschaulichung sowohl die Bandbreiten als auch die Abstände der jeweils korrespondierenden Durchlaßbereiche #1 und #'1 bzw. #2 und #'2 usw. größer als erforderlich dargestellt sind. Die Fig. 2c und d zeigen die jeweils normierten Intensitäten eines Laserentfernungsmessers mit der Wellenlänge 21 und des kontinuierlichen Spektrums, z.B. der Plank'schen Strahlung.
Die Ausgangssignale D1 und D2 der Detektoren 1 und 2 setzen sich aus den kurzen Impulsen der einfallenden Laserstrahlung und der zeitlich langsam veränderlichen Hintergrundstrahlung zusammen. Die mittels Verstärker 3 und 4 verstärkten Detektorsignale werden Hochpaßfiltern 5 und 6 zugeführt, welche die kurzen Laserimpulse vom zeitlich langsam veränderlichen Signal der Hintergrundstrahlung abtrennen. Die Amplituden der Filterausgangssignale S1 und S2 werden nun verglichen, wobei zur Erzielung eines hohen Dynamikbereichs die Signale S1 und mittels entsprechender Einrichtungen 7 und 8 logarithmiert werden. Ein Subtrahierglied 9 ermittelt dann die Differenz #= log (S1) - log (S2).
Wurden die Signale S1 und S2 durch Auftreffen eines Laserimpulses auf die Detektoren 1 und 2 erzeugt, so gilt für die Signale S1>S2 und somit 4 Wurden die Signale S1 und S2 durch Auftreffen eines inkohärenten Lichtblitzes, z.B. eines elektrischen Blitzes, eines durch eine chemische Reaktion ausgelösten Lichtblitzes usw. ausgelöst, mit einem gegen das Laserspektrum breitbandigen quasikontinuierlichen Spektrum, dann gilt bei hinreichend kleinem Abstand der Filtertransmissionslinien #1 und l'1 bzw. 12 und #'2 ., bzw. Ai und für die in diesem Transmissionsbereich durchgelassenen Intensitäten Ii und I'i: Ii - 1' Für die entsprechenden Signale S1 und S) gilt dann: wobei OC und oC' Proportionalitätsfaktoren sind, die bei gleich empfindlichen Detektorkanälen ebenfalls gleich sind. Für inkohärente Lichtblitze gilt dann S1çsS2 und und damit d «t o. Am nachgeschalteten Schwellendiskriminator 10 liegt am Ausgang immer dann ein Impuls L an, wenn a > 1 war, dh. die Detektoren vor einem Laserimpuls getroffen wurden.
Die Filtercharakteristik der Filter F1 und F2 kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Vor den Detektoren können, wie in Fig. 1, jeweils ein Filter mit der gewünschten Filtercharakteristik angeordnet sein.
Es können jedoch auch Detektoren mit großflächigen Sensorschichten verwendet werden, die in max. n-Bereiche aufgeteilt sind, wobei vor jedem Bereich ein Filter angeordnet ist, der für eine Wellenlänge 2 i bzw.
(1<i (n) durchlässig ist und alle anderen Wellenlängen sperrt. Eine dritte Möglichkeit besteht darin, daß je zwei Detektoren gemäß Fig. 1 aus einem Array von max. n Einzeldetektoren bestehen, wobei jedem Einzeldetektor ein Filter vorgeschaltet ist, der für die Wellenlänge bzw. i bzw. 2'i i < ( n) durchlässig ist und sonst sperrt. Die Signale der Einzeldetektoren werden einzeln verstärkt und zu einem gesamten Detektorsignal D1 und D2 addiert, welche in der oben beschriebenen Weise verarbeitet werden.
Fig. 3 zeigt eine Einrichtung, mit der sowohl gepulste Laserstrahlung erkannt als auch deren Einfallswinkel ermittelt werden kann. Das System besteht aus 4 Detektoren 11,12,13 und 14 mit gleichartigen, je einen Verstärker, ein Hochpaßfilter und eine Logarithmierschaltung aufweisenden Signalverarbeitungskanälen der vorher beschriebenen Art. Den Detektoren 11,13 und 14 sind jeweils Filter vom Typ F1 mit gleicher spektraler Charakteristik vorgeschaltet. Analog zu der Ausführung gemäß Fig. 1 befindet sich vor dem Detektor 12 ein Filter vom Typ F2.
Mit einem Subtrahierglied 15 sowie einem nachgeschalteten Schwellenwertdetektor 16 wird aus den Ausgangs- signalen log lS1) und log (S2) das Signal L erzeugt, wenn die Detektoren von einer gepulster Laserstrahlung beleuchtet wurden. Aus den Signalen log (S1), log (S3) und log (S4) bestimmt ein Laufzeitdifferenzrechner 17 die zeitliche Zuordnung dieser Signale in Form zweier Laufzeitdifferenzen, z.B.
#t3,4 = Laufzeitdifferenz zwischen S3 und S4 dt3,1 = = Laufzeitdifferenz zwischen S3 und Damit die Laufzeitdifferenzmessung nur dann durchgeführt wird, wenn die Detektoren durch einen Laserimpuls beleuchtet wurden, also ein Signal L am Ausgang des Schwellendiskriminators vorhanden ist, ist der Rechner 17 mit dem Schwellendiskriminator 16 verbunden.
Bei bekannter räumlicher Anordnung der Detektoren 11,13 und 14 und den ermittelten Laufzeitdifferenzen, z.B. a t3 4 und ist3 1 bestimmt ein nachgeschalteter Rechner 18 die Raumwinkel unter denen der Laserimpuls eingefallen ist.
Bei einem Abstand der Detektoren 11, 13 und 14 von beispielsweise jeweils 2 m und einer Zeitauflösung des Laufzeitdifferenz-Rechners von 0,5 asec ist eine Winkelauflösung für die einfallende Laserstrahlung von + 20 möglich.
Da zwischen den Detektoren 1 und 2 bzw. 11 und 12 Laufzeitdifferenzen vermieden werden sollten, ist es vorteilhaft, diese Detektoren in geringem Abstand anzuordnen.
Gegenüber dem zitierten Stand der Technik hat dieses Verfahren folgende Vorteile: Aufgrund der Struktur und mit Hilfe der verwendeten Spezialfilter ist das System in der Lage, Lichtblitze gleicher Dauer von Lasern und anderen Lichtquellen eindeutig zu unterscheiden, was bei dem System nach DE-OS 18 30 308 nicht möglich ist. Weiterhin ist die Genauigkeit der Ortsbestimmung der Laserlichtquelle nur abhängig von der Genauigkeit des Zeitmeßgerätes und der Basis des Systems, aber in weiten Grenzen völlig unabhängig von der Signalamplitude des Laserlichtes. Zur Ortsbestimmung der Laserlichtquelle sind keine extrem teuren Breitband-IR-Array-Detektoren erforderlich, wie z.B. bei dem System gemäß "Intern. Wehrrevue", 3, 67, 1976, S. 429.
Außerdem liegt die erreichbare Ortsauflösung weit über der, die mit Array-Detektoren erreichbar ist.
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Claims

Einrichtung zur Erkennung von gepulster Laserstrahlung PATENTANSPRUCHE 41. Einrichtung zur Erkennung von gepulster Laserstrahlung mit a) mindestens einem ersten und einem zweiten Strahlungsdetektor und b) jeweils einem, den Strahlungsdetektoren vorgeschalteten ersten bzw. zweiten Filter, ba)wobei der erste bzw. die zweiten Filter in einem oder mehreren schmalbandigen Spektralbereich(en) der Laserstrahlung transparent ist bzw. sind, dadurch g e k e n n z e i c h n e t c) daß der zweite Filter (F2) für die Spektralbereiche (l #2, 23) undurchlässig ist, in denen der erste bzw. die ersten Filter (F1) transparent ist bzw. sind und in dazu eng benachbarten schmalbandigen Spektralbereichen (#'1,#'2,#'3) transparent ist, d) daß die Spektralbereiche für die Transparenz der ersten und zweiten Filter jeweils etwa die gleiche Bandbreite aufweisen und g e k e n n z e i c h -n e t durch e) eine Einrichtung zur Bildung der Differenz zwi- schen den vom zweiten und von einem ersten Strahlungsdetektor (1,2; 11,12,13,14)empfangenen Strahlungsintensitäten.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h -n e t durch drei erste, in definierten Abständen voneinander angeordneten Strahlungsdetektoren (11,13, 14),durch eine mit den Strahlungsdetektoren verbundene Einrichtung (12) zur Messung von Lauf zeitdifferenzen sowie durch einen nachgeschalteten Rechner (18) zur Bestimmung der Einfallsrichtung eines Laserimpulses aus den Laufzeitdifferenzen.