EP2159531B1

EP2159531B1 - Treffererkennungsverfahren

Info

Publication number: EP2159531B1
Application number: EP08405201.8A
Authority: EP
Inventors: Roland Lüthi
Original assignee: RUAG Schweiz AG
Current assignee: RUAG Schweiz AG
Priority date: 2008-08-25
Filing date: 2008-08-25
Publication date: 2020-04-01
Anticipated expiration: 2028-08-25
Also published as: EP2159531A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines gerichteten Energieshahls zur Erkennung von Treffern gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft sie Verwendungen und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.
Für Gefechtsübungen ist es bekannt, Waffen zu verwenden, bei denen Schüsse durch Laserlichtstrahlen simuliert werden. Die Teilnehmer an den Übungen, aber auch mögliche Zielobjekte sind mit Sensoren bestückt, die beim Auftreffen eines Laserstrahls, d.h. eines simulierten Schusses, ein Signal abgeben. Das Auftreten eines solchen Signales wird für die Anzeige eines Treffers verwendet. Die Auswertung kann auf verschiedene Arten erfolgen, z.B. durch zentrale Registrierung, wobei das Signal z.B. per Funk übertragen wird, lokale Signaturen (Feuererscheinungen, usw.), akustische Signale usw.
Dem Laserlicht sind Daten aufmoduliert. Die Modulation erfolgt dabei durch Änderungen der Intensität, im einfachsten Fall durch Ein- und Ausschalten des Lichts. Die übertragenen Daten treten damit als Lichtpulse auf.
Ein anderer Aspekt bei der Verwendung von Laserlicht ist die Sicherheit der Teilnehmer. Generell müssen die Laserquellen der höchsten Sicherheitsklasse entsprechen, sodass auch ein direkter Blick in die Laserquelle mit nacktem Auge oder sogar durch ein Fernglas keine Schäden am Auge hervorrufen kann.
Es hat sich gezeigt, dass die Erkennung ausschliesslich von Treffern einen wesentlichen Mangel an Realitätsnähe aufweist. Es ist daher wünschenswert, auch knappe Fehlschüsse zu erkennen. Ein solcher knapper Fehlschuss kann durch optische oder akustische Signale angedeutet werden und z.B. die Aufmerksamkeit darauf lenken, dass ein Beschuss stattfindet.
Gemäss DE-A1-42 13 209 wird hierfür die Energieverteilung des Laserstrahls ausgenutzt. Die üblicherweise verwendeten Laserlichtquellen weisen eine glockenkurvenförmige Verteilung der Intensität über den Querschnitt auf mit dem Maximum im Zentrum des Lichtstrahls. Die Sensoren messen die Intensität des Lichtstrahls, von dem sie getroffen werden. Ein knapper Fehler (Vorbeischuss) oder auch ein "Treffer" ausserhalb der Reichweite der Waffe zeichnet sich durch eine Intensität unterhalb einer vorgegebenen Schwelle aus. Treffer mit einer Lichtintensität oberhalb dieser Schwelle werden als Treffer erkannt. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die verwendeten Sensoren eine erhöhte Empfindlichkeit aufweisen müssen, um auch noch mit nötiger Sicherheit die niedrigere Intensität eines knappen Fehlers bis zu einer Mindestintensität erfassen zu können. Wie oben erwähnt, kann dabei die Intensität des Lasersenders nicht beliebig erhöht werden, da die Sicherheitsauflagen eine obere Grenze setzen.
In der US-A-4,373,916 wird ebenfalls die Amplitude oder Intensität des Laserstrahls ausgewertet. Hier wird jedoch vorgeschlagen, Sensoren mit verschiedenen Empfindlichkeiten einzusetzen. Offensichtlich tritt damit der Nachteil auf, dass eine erhöhte Anzahl oder teurere Sensoren nötig sind.
Gemäss der US-A-3,588,108 wird der Laserstrahl von der Waffe geschwenkt, wobei je nach Winkel zur Schussrichtung andere Daten aufmoduliert werden. Der Empfänger kann damit aus den Daten ableiten, in welchem Winkel zur Schussbahn er sich befindet und daraus ableiten, ob ein Treffer oder ein knapper Fehler vorliegt. Nachteilig an dieser Lösung ist der erhöhte Aufwand in der Laserquelle für das Schwenken des Laserlichts und die davon abhängige Codierung verschiedener Daten, der höhere Auswertungsaufwand auf Seiten des Empfängers und auch der hohe Zeitaufwand, da insbesondere ein vollständiger Schwenkzyklus über alle Positionen abgewartet werden muss, bis feststeht, dass überhaupt kein Treffer vorliegt.
In der GB-A-2 259 559 wird vorgeschlagen, zwei Lasersender in der Waffe einzusetzen, wobei die beiden Laserlichtquellen unterschiedlich breite Intensitätsverteilungen aufweisen. Insbesondere ist damit das Licht der einen Laserlichtquelle in einem grösseren Abstand vom Zentrum des Strahls als Treffer erkennbar als dasjenige der anderen. Damit kann aus der Detektion der erstgenannten Laserlichtquelle am Trefferort und der Nichtdetektion der zweiten Laserlichtquelle geschlossen werden, dass ein knapper Fehler vorliegt. Nachteilig an dieser Lösung ist die Notwendigkeit, in der Waffe zwei Laserlichtquellen vorzusehen. Ausserdem muss die zeitliche Übertragung der Daten der beiden Laserlichtquellen aufeinander abgestimmt werden, um auch sicher das Auftreffen beider Strahlen für einen direkten Treffer erkennen zu können.
Die GB-A-2 290 483 sieht zusätzliche Datenanteile vor, um knappe Fehler zu erkennen. Diese zusätzlichen Datenanteile werden mit geringerer Intensität gesendet. Werden auch diese schwächeren Anteile zusätzlich zu den mit "normaler" Intensität gesendeten Daten erkannt, so handelt es sich um einen Treffer. Werden dagegen nur die Daten ohne die schwächeren Anteile detektiert, handelt es sich um einen knappen Fehler. Nachteilig an dieser Lösung ist die beträchtlich erhöhte Menge an Daten, die zu einem höheren Zeitaufwand für die Unterscheidung zwischen einem knappen Fehler und einem Treffer führt.
Ausgehend insbesondere von der letzt genannten Schrift ist es eine Aufgabe der vorliegenden, Erfindung, ein Verfahren anzugeben, um einen Energiestrahl zu erzeugen, der eine schnellere Erkennung eines knappen Fehlers bzw. eines Treffers gestattet.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die vereinfachte Erkennung eines knappen Fehlers.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Gesamtenergie eines für die Schussimulation verwendeten Energiestrahls zu verringern.
Ein Verfahren, das wenigstens die erstgenannte Aufgabe löst, ist im Patentanspruch 1 angegeben. Die weiteren Patentansprüche geben bevorzugte Ausführungsformen sowie Verwendungen und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens an.
Demgemäss werden wie üblich Daten zur Identifikation der Waffe durch Pulse oder Intensitätsmodulation des Lasers übertragen. Zusätzlich wird ein Teil der Daten mit deutlich erhöhter Intensität bzw. erhöhtem Modulationshub gesendet. Beispielsweise wird dies einfach durch Erhöhung der Leistung des Lasers während des Sendens dieser Datenteile bewirkt.
Durch die Erhöhung der Intensität dieser Datenteile sind sie noch in grösserem Abstand vom Zentrum des Laserstrahls detektierbar, d.h. ein Sensor mit vorgegebener Erkennungsschwelle kann sie noch in grösserem Abstand vom Zentrum erkennen. Dieser besondere Datenteil stellt auch einen integralen Bestandteil der normalerweise übertragenen Daten dar, sodass für ihre Übertragung keine zusätzliche Zeit erforderlich ist. Bevorzugt umfassen die mit höherer Intensität übertragenen Datenteile nur einen untergeordneten Anteil der insgesamt gesendeten Daten, sodass die aus Sicherheitsgründen gegebene Obergrenze der Gesamtintensität, z.B. die Laserklasse I, durch eine nur geringe Absenkung der Intensität der übrigen Daten erzielt werden kann.
Die Erfindung soll weiter an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf Figuren erläutert werden.

Fig. 1: Schematische Darstellung eines Datenpakets in einem Zeit-Intensitäts-Diagramm;
Fig. 2: Schematische Darstellung eines Ziels mit Sensoren;
Fig. 3: Prinzipdarstellung einer Treffererkennungssituation;
Fig. 4: Schematische Darstellung einer Situation eines knappen Vorbeischusses;
Fig. 5: Blockschema eines Laserstrahlsenders; und
Fig. 6: Blockschema eines Detektors.

Das Diagramm 1 der Fig. 1 ist eine Auftragung der Zeit 3 (t) gegen die Intensität 5 (I). Die Gesamtzeit 7 (T = t₁ - t₀) eines Datums 9 beträgt beispielsweise einige ms. Genauer umfasst es eine Anzahl 11 von Datenplätzen (z.B. 8 - 128), die jeweils von einem Puls 14 belegt werden können.
Ein Puls 14 besteht aus einem Lichtpuls bestimmter Dauer. Die Pulse 17, 18 werden mit einer wesentlich höheren Intensität I₂ als die Intensität I₁ der "normalen" Pulse 14 gesendet. Die Intensität I₂ muss erfahrungsgemäss mindestens das Doppelte der Intensität I₁ betragen, bevorzugt sind Werte von mindestens dem Dreifachen bis dem Vierfachen von I₁ mit I₀ als Nullpunkt, im einfachsten Fall entsprechend der Intensität 0. Die Pulse 17, 18 können daneben der Sicherung der Übertragung dienen, da sie wegen ihrer wesentlich höheren Intensität auch mit grösserer Sicherheit detektiert werden.
Offensichtlich wird für die zusätzliche Erkennung eines knappen Fehlers hier keinerlei zusätzliche Zeit benötigt, da die Pulse 17, 18 ein integraler Bestandteil des Datums 9 sind. Ausserdem werden nur Detektoren einer bestimmten Empfindlichkeit und eine Auswertung mit genau einer Detektionsschwelle benötigt, da sich der grössere Radius für die Erkennung eines knappen Fehlers aus der Verbindung zwischen der höheren Intensität I₂ und der glockenkurvenförmigen Intensitätsverteilung im Lichtstrahl 29 ergibt. Diese Situation wird in den Figg. 2 und 3 grafisch dargestellt. Ein Ziel 25 (z.B. ein Simulationsteilnehmer oder ein Objekt wie ein Fahrzeug), ist mit Sensoren 27 bestückt. Das Ziel 25 wird vom Laserstrahl einer Waffe getroffen. Der Laserstrahl weist eine Kernzone 31 auf, in der die Intensität der normalen Datenpulse 14 oberhalb der Detektionsschwelle liegt. In der umgebenden Zone 33 liegt dagegen die Intensität der Datenpulse unterhalb der Detektionsschwelle, aber die Intensität I₂ der Vorbeischusspulse 17, 18 oberhalb.
Fig. 2 stellt ein Ziel 25 dar, das mit Sensoren 27 versehen ist. Die Sensoren 27 sind eingestellt, ein Signal abzugeben, wenn sie von einem simulierten Schuss, d.h. dem vom Übungsgerät abgegebenen Laserpuls, getroffen werden.
Fig. 3 stellt die Situation eines Treffers dar: Einer der Sensoren 27, der Sensor 35, liegt im Bereich der Kernzone 31 und kann daher das Datum 9 empfangen. Eine Anzahl anderer Detektoren 37 liegt im Bereich der Randzone 33, jedoch nicht der Kernzone 31. Die Erkennung des vollständigen Datums durch den Sensor 35 hat Vorrang vor dem Signal der Sensoren 37 und führt zur Erkennung eines Treffers. Anders liegt die Situation in der Fig. 4: Hier wird keiner der Sensoren 27 von der Kernzone 31 getroffen, nur zwei Sensoren 37 liegen im Bereich der Vorbeischusszone 33 des Laserstrahls 29. Die Sensoren 37 detektieren damit das Vorhandensein eines Waffenlaserstrahls, aber keiner der Detektoren kann ein Datum 9 vollständig dekodieren. Jedoch können die Datenanteile mit höherer Intensität (Pulse 17, 18) dekodiert werden. Daraus ergibt sich, dass am Ziel 25 vorbeigeschossen wurde.
Aus der vorangehenden Darstellung, namentlich Fig. 1, ist auch ersichtlich, dass im Falle eines nahen Vorbeischusses, wo nur eine geringe Anzahl Pulse 17, 18 von den Sensoren 37 erkannt werden, nicht die vollständige Information des Datums 9 zur Verfügung steht, um die sendende Waffe zu identifizieren. Trotzdem ist eine grobe Identifizierung der Waffe, z.B. die Zuordnung zu einer Gruppe von Simulationsteilnehmern oder zu einer Waffenart, möglich, indem die Zeitspanne zwischen den Impulsen ausgewertet wird. Impuls 17 wird zur Zeit t₀, hier also zu Anfang des Datums 9, gesendet, während Puls 18 zur Zeit t₁ gesendet wird. Von einem anderen Sender (anderer Waffentyp; Waffe eines anderes Übungsteilnehmers) wird anstelle des Pulses 18 ein Puls 42 ausgesandt zum Zeitpunkt t₂ (in Fig. 1 gestrichelt dargestellt). Die unterschiedlichen zeitlichen Abstände t₁ - t₀ bwz. t₂ - t₀ können verwendet werden, um einen Hinweis auf die Sender der jeweiligen Daten 9 zu erhalten. Denkbar ist auch, den Puls 17 zu anderen Zeitpunkten innerhalb des Datums 9 zu senden. Da dieser bevorzugt zum Zwecke der Übertragungssynchronisation oder ähnliches Verwendung findet, wird er bevorzugt zu Anfang des Datums 9 gesendet.
Fig. 5 zeigt das Blockschema eines Lichtstrahlsenders. Die Steuerung 45 erhält z.B. bei Auslösung eines Schusses ein Signal 47 und erzeugt daraufhin die Steuersignale 49, die den Lichtsender 51 ansteuern. Der Lichtsender 51 sendet unter Kontrolle der Steuersignale 49 den Lichtstrahl 29 aus, auf den das Datum 9 aufmoduliert ist. Das Diagramm 53 stellt schematisch die Verteilung der Intensität I über den Radius r des Lichtstrahls 29 dar. Die Kurve 55 ist die Intensität der Datenpulse 14, die Kurve 57 diejenige der Pulse 17, 18 bzw. 42 für einen nahen Vorbeischuss. Die Linie 59 ist die Intensitätsdetektionsschwelle I_c der Detektoren 27. Aus den Schnittpunkten der Detektionsschwelle 59 mit den Kurven 55 und 57 ergeben sich die Zonen 31 (Trefferbereich) und 33 (naher Vorbeischuss).
Fig. 5 zeigt schematisch eine Treffererkennungsvorrichtung 63. Eine Anzahl Detektoren 27, die sich an einem Ziel 25 befinden, sind mit einer Auswertungseinheit 65 verbunden. Liefert einer der Detektoren 27 ein Treffersignal, also ein vollständiges Datum 9, so erkennt die Auswertungseinheit 65 einen direkten Treffer und löst die entsprechenden Aktionen aus. Erhält die Auswertungseinheit 65 dagegen von wenigstens einem der Detektoren 27 ein Signal der Erkennung von Vorbeischusspulsen 17, 18 bzw. 42, jedoch von keinem der Detektoren 27 ein Signal, das ein vollständiges Datum 9 darstellt, so erkennt sie auf einen nahen Vorbeischuss.
Ausgehend von der vorangehenden Beschreibung der Erfindung und eines bevorzugten Ausführungsbeispieles sind dem Fachmann zahlreiche Abwandlungen zugänglich, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, der durch die Patentansprüche gegeben ist. Denkbar sind namentlich:

Es sind mehr als zwei Pulse 17, 18 mit erhöhter Intensität vorhanden, z.B. drei oder vier. Entsprechend steigen damit auch die Möglichkeiten bzw. die Genauigkeit, mit der der Sender selbst bei einem nahen Vorbeischuss identifiziert werden kann, und/oder die Sicherheit der Treffererkennung. Denkbar ist auch nur ein derartiger Puls 17, wodurch eine Identifikation des Senders ausscheidet.
Es sind Pulse 17, 18 für die Erkennung eines nahen Fehlschusses mit verschiedener, jedoch deutlich unterschiedlicher Intensität vorhanden. Damit ergibt sich mehr als ein Vorbeischussbereich 33 um die Kernzone 31, wodurch in Stufen die Entfernung eines Vorbeischusses bestimmbar ist.
Die Modulation muss nicht 100 % sein, d.h. zwischen den Pulsen, innerhalb der Pulse und/oder zwischen den Datenpaketen kann der Lichtsender einen schwachen Lichtstrahl aussenden. Entscheidend ist die Differenz zwischen dieser Grundhelligkeit I₀ und der Spitzenintensität I₁ der Pulse 14 bzw. I₂ der Pulse 17, 18 bzw. 42.

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines gerichteten Energiestrahls (29) zur Erkennung eines Treffers in einer Simulationsumgebung, wobei der Energiestrahl beim Aussenden mit wenigstens einem Datum (9) moduliert ist und eine Intensitätsverteilung (55, 57) aufweist, gemäss der die Intensität vom Zentrum des Energiestrahls nach aussen hin abnimmt und wobei ein Hochintensitätsteil (17, 18; 42) des Datums (9) mit einer wesentlich höheren Intensität (I₂) als der übrige Teil (14) des Datums auf den Energiestrahl aufgeprägt wird, sodass das Auftreffen des Hochintensitätsteils des Datums mit mindestens einer vorgegebenen Minimalintensität auf eine Trefferfläche und das Unterschreiten der Minimalintensität auf der Trefferfläche (59) durch den übrigen Teil des Datums als ein naher Vorbeischuss an der Trefferfläche erkennbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitanteil des Hochintensitätsteils (17, 18; 42) an einem Datum (9) höchstens ein Fünftel, bevorzugt höchstens ein Zehntel beträgt und/oder der Hochintensitätsteil (17, 18; 42) des Datums (9) mindestens zwei zeitlich voneinander getrennte Zeiträume umfasst, wobei der zeitliche Abstand der Zeiträume als Hinweis auf den Sender des Energiestrahls verwendbar ist.
Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl (29) Laserlicht ist, bevorzugt infrarotes Laserlicht.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufprägung durch eine Amplitudenmodulation der Intensität erfolgt, insbesondere durch Ein- und Ausschalten des Energiestrahls, wobei die Strahlintensität während des Sendens, des Hochintensitätsteils (17, 18; 42) des Datums (9) erhöht ist.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlintensität während des Sendens des Hochintensitätsteils (17, 18; 42) des Datums (9) wenigstens doppelt, bevorzugt dreimal und insbesondere bevorzugt viermal so gross ist wie diejenige während des Sendens des übrigen Teils (14) des Datums.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochintensitätsteil (17, 18; 42) der Daten (9) Bestandteile der Daten umfasst, die der Steuerung der Datenübertragung, bevorzugt der Synchronisation, dienen.
Treffererkennungsverfahren, in dem ein gerichteter Energiestrahl gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5 verwendet wird, wobei das Auftreffen des Hochintensitätsteils des Datums mit mindestens einer vorgegebenen Minimalintensität auf eine Trefferfläche und das Unterschreiten der Minimalintensität auf der Trefferfläche (59) durch den übrigen Teil des Datums als ein naher Vorbeischuss an der Trefferfläche eingestuft wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Sender (51) zum Erzeugen des Energiestrahls (29) umfasst, der mit einer Steuereinheit (45) in Wirkverbindung steht, sodass durch die Steuereinheit die Strahlintensität (I) steuerbar ist und die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, abhängig von einem zu sendenden Datum (9) das Ausstrahlen eines modulierten Energiestrahls durch den Sender zu bewirken, wobei ein Hochintensitätsteil (17, 18; 42) des Datums (9) mit erhöhter Intensität (I₂) moduliert ist.