DE3323828C2

DE3323828C2 - Laserwarnsensor

Info

Publication number: DE3323828C2
Application number: DE3323828A
Authority: DE
Inventors: Thorsteinn Dipl.-Phys. 8000 München Halldorsson; Sigmund Dipl.-Phys. 8013 Haar Manhart; Ernst-A. Dipl.-Ing. Seiffarth (FH), 8028 Taufkirchen
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1983-07-01
Filing date: 1983-07-01
Publication date: 1986-01-16
Also published as: DE3323828A1; FR2548383A1; US4674874A; FR2548383B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erkennung und Richtungsdetektion von gepulster oder intensitätsmodulierter Laserstrahlung, bei der die Feststellung der Einstrahlrichtung mittels einer Zeitintervallmessung exakt festgestellt wird. Hierzu sind zwei Detektorsysteme angeordnet, von denen das erste Detektorelement ein Startsignal unmittelbar beim Eintreffen der Laserstrahlung erzeugt und ein zweites Detektorelement ein zeitlich verzögertes "Stopsignal" dazu liefert. Dieses zweite Detektorelement ist mit einer Vielzahl von unterschiedlich langen optischen Verzögerungsleitungen verbunden, die mit je einer optischen Empfangsapertur mit spezifischer Blickrichtung und begrenztem Gesichtsfeld gekoppelt ist, wobei sich die einzelnen Gesichtsfelder überlappen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erken- F i g. 2 eine schematische Darstellung eines Schnittes

nung und Richtungsdetektion von Laserstrahlung mit entlanp der Linie H-II gemäß F i g. 1 zur Verdeutlichung

der Anordnung der optischen Komponenten,

F i g. 3 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Winkelinterpolation mittels Schwerpunktbildung und Laufzeitmessung.

Im Gegensatz zu den bisher bekannten richtungsselektiven Lasersensoren enthält der hier beschriebene Laserwarnsensor bzw. die Einrichtung zur Erkennung und Richtungsdetektion von Laserstrahlung keine abbildenden Detektoren und er arbeitet auch Hicht nach dem Triangulationsprinzip oder einem Signaüiöhenvergleichsverfahren, sondern bestimmt die Richtung der eintreffenden Laserstrahlung mit Hilfe einer Zeitintervallmessung, wobei das Zeitintervall durch eine richtungsabhängige Signallaufzeitverzögerung im Warnsensor selbst erzeugt wird.

Die einfachste Modifikation des vorgeschlagenen Warnsensors sieht nur zwei einfache Detektorelemente

— beispielsweise sog. single chip-Halbleiterdetektoren

— vor, nämlich einen Zentraldetektor 11, der Laserstrahlung aus allen Richtungen empfangen kann und das Start-Signai für die Zeitintervallmessung liefert und einen Richtungsdetektor 12, der über eine /inzahl von Lichtleitern 14 mit gleichartigen Optiken 13 verbunden ist, von denen jede nur ein begrenztes Gesichtsfeld in eine bestimmte Richtung besitzt

Dadurch, daß das »Richtungssignal« über Lichtleiter 14 zum Detektor 12 gelangt, tritt gegenüber dem Signal des Zentraldetektors 11 eine Zeitverzögerung auf, die abhängig von der Länge des Lichtleiters 14 ist, denn die einzelnen Lichtleiter 14 zu jeder Optik 13 sind unterschiedlich lang. Dadurch aber ist die Zeitverzögerung charakteristisch für die Laser-Einstrahlungsrichtung und die Richtungserkennung kann damit über eine Zeitintervallmessung — wie bereits erwähnt — durchgeführt werden.

Um nun eine hohe Winkclauflösung zu erhalten, wird weiterhin vorgeschlagen, daß die Gesichtsfelder der einzelnen Optiken so gelegt werden, daß sie sich überlappen. In der F i g. 2 ist dies veranschaulicht Es treffen nun für jede Richtung mindestens zwei, in der Regel aber mehr, unterschiedlich verzögerte Signale am Richtungsdetektor 12 ein. Die elektronische Auswenung durch einen handelsüblichen Computer bzw. Rechner ermittelt als zeitsignifikantes Stopsignal den Schwerpunkt der verschiedenen Richtungssignale und bildet einen gewichteten zeitlichen Mittelwert. Auf diese Weise kann zwischen den diskreten Blockrichtungen der Einzeloptiken 13 interpoliert und eine beträchtlich höhere Richtungsauflösung gewonnen werden. In dem Zeitdiagramm gemäß der F i g. 3 sind die Zentraldetektor-Signale (ZD) und Richtungsdetektor-Signale (RD) einander gegenübergestellt Da die Verzögerungsleitungen im Bereich von 10 m und einigen 100 m liegen, erfolgt die Richtungserkennung über die Zeitintervallmessung sehr schnell und typischerweise in 1 \ls.

Zu erwähnen ist, daß dadurch, daß für die Laserdetektion nur Einzeldetektoren und keine Zeilen- oder Matrixdetektoren verwendet werden, sich einige wesentliche Vorteile der beschriebenen Einrichtung ergeben. Einmal gibt das elektronische Signal des Detektors das Lasersignal unverfälscht wieder, so daß die Art der Lasermodulation auf einfache Weise ermittelt werden kann, zweitens erlauben die Einzeldetektoren die Verarbeitung einer sehr hohen Signaldynamik und drittens ist die spektrale Empfindlichkeit der allgemein verfügbaren Halbleiterdetektoren im gesamten sichtbaren und nahen Infrarotbereich sühr hoch. Selbstverständlich ist, daß je nach Wahl des Lichtleitermaterials, der Optikkomponenten und des Detektormaterials verschiedene Spektra) bereiche ohne Abänderung des Meßprin/ips erfaßt werden können.

In den F i g. 1 und 2 ist das Ausführungsbeispiel eines Laserwarnsensors für 360° Rundumsicht dargestellt Ein zentraler Startdetektor 11, der vorzugsweise als »immersed detector« ausgeführt ist und Signale aus allen Richtungen empfangen kann, löst ohne Verzögerung die Zeitintervallmessung aus. Der zweite Detektor ist

ίο als Stopdetektor 12 ausgeführt In dem beschriebenen Beispiel ist der Detektor 12 über 36 Lichtleiter 14 unterschiedlicher Länge mit 36 Empfangsoptiken 13 verbunden, wobei die Lichtleitereintrittsflächen derart außerhalb den entsprechenden Fokalebenen angeordnet sind, daß sie jeweils ein Gesichtsfeld von rund 25° abdecken. In dem Ausführungsbeispiel wird ein Längenunterschied von 5 m zwischen benachbmen Lichtleitern 14 gewählt, wobei der kürzeste Lichtleiter 10 m und der längste 195 m beträgt Alle Lichtleiteraustrittsflächen sind zu einem Bündel zusammengießt und auf die sensitive Fläche des Stopdetektors 12 geführt Trifft nun ein Laserimpuls genau in der optischen Achse einer Lichtleiteroptik-Anordnung ein, so wird über die entsprechende Lichtleiterverzögerung ein starkes Signal dem Stopdetektor 12 zugeführt Durch die Gesichtsfeldüberlappung der benachbarten Optikanordnungen treffen jedoch zeitlich symmetrisch zum Hauptsignal, verursacht durch die unterschiedlichen Lichtleiterlaufzeiten, je ein schwächeres vorauseilendes und ein schwächeres nacheilendes Signal ein. Der zeitliche Schwerpunkt des Gesamtsignals fällt jedoch mit dem Hauptsignal zusammen, so daß in der Intervallmeßschaltung (nicht gezeichnet) eine Laufzeit gemessen wird, die exakt der tatsäct?- lichen Einstrahlrichtung in der optischen Achse des entsprechenden Lichtleiteroptik-Systems entspricht

Liegt die Einstrahlrichtung nicht in der optischen Achse des Empfangssystems, so wird das Hauptsignal entsprechend schwächer ausgeprägt und das vorauseilende und das nacheilende Signal stärker ausgeprägt sein. Die zeitliche Schwerpunktmessung liefert dann eine Interpolation zwischen den diskreten optischen Achsen. Im Ausführungsbeispiel schließen die optischen Achsen benachbarter Lichtleitersysceme einen Winkel von 10° ein. Der Laufzeitunterschied beträgt t=l ■ n/c,

as wobei / der Längenunterschied in den Lichtleitern, π deren Brechungsindex und c die Lichtgeschwindigkeit ist Für 1=5 m, n= 1,5 und c=300 000 Km/s ist, f=25 ns.

Um eine Winkelauflösung von Γ zu erreichen, muß

die Intervallmessung den zeitlichen Schwerpunkt des

so Stopsignals auf 2,5 ns genau ermitteln, ein mit konventioneller Elektronik leicht zu erreichender Wert Die maximale Zeitverzögerung des Signals im optischen Teil des Warnsensors beträgt T= 1 μβ, was keine Beeinträchtigung der Reaktionsfähigkeit des gesamten Systems verursacht Die geometrischen Abmessungen des Ausführungsbeispiels sind wie folgt: Durchmesser der Einzeloptik =14 mm, Durchmesser des Warnsensors = 180 mm.
Der vorbeschriebene Warnsensor 10 bezieht sich auf azimutaler Rundumsicht, jedoch ohne Auflösung in der Elevation. Diese wird durch Modifikation dee Anordnung der Eintrittsaperturen auf einer Kalbkugel oder einem Halbkugelsegment erreicht Es ist aber auch möglich, mehrere der vorbeschriebenen Anordnungen aufeinanderzustellen, wobei jede dieser Anordnungen ein konisches Gesichtsfeld mit unterschiedlichem Konuswinkel abdeckt
Um nun die Störsicherheit des Laserwarnsensors 10

zu erhöhen, kann beispielsweise zur Unterdrückung der Stör- und Hintergrundstrahlung ein oder mehrere schmalbandige optische Filter, die der erwarteten Strahlung angepaßt sind, vor den Detektoren angeordnet sein. Auch eine elektronische Filterung der Signale 5 ist problemlos möglich. Da es sich bei der Laserbedrohung vorwiegend um kurze Einzelimpulse oder um pulsmodulierte Signale handelt, sind durch eine Hochpaßfilterung andersgeartete Störstrahler leicht zu unterdrükken. ίο

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

1 2 mindestens zwei Detektorelementen, bei der den zwi- Patentansprüche: sehen den verschiedenen Blickrichtungen zugeordneten Detektorelementen Verzögeningsglieder zugeordnet

1. Einrichtung zur Erkennung und Richtungsde- sind und bei der zur Ermittlung der Einfallsrichtung der tektion von Laserstrahlung mit mindestens zwei De- 5 Laserstrahlung eine Zeitintervallmeßeinrichtung zur tektorelementen, bei der den zwischen den verschie- Laufzeitmessung der Signale angeordnet ist, wobei die denen Blickrichtungen zugeordneten Detektorele- gemessene Laufzeit ein Maß für den Einfallswinkel darmenten Verzögerungsglieder zugeordnet sind und stellt

bei der zur Ermittlung der Einfallsrichtung der La- Solche Einrichtungen, die unter der Bezeichnung Laserstrahlung eine Zeitintervallmeßeinrichtung zur io serwarnsensoren laufen, sind mit und ohne Richtungser-Laufzeitmessung der Signale angeordnet ist, wobei kennung bekannt So ist aus der Zeitschrift »Laser Fodie gemessene Laufzeit ein Maß für den Einfallswin- cus«, April 81, Artikel von P. T. Ballard, ein Laserwamkeldarstellt, dadurch gekennzeichnet, daß system bekanntgeworden, das als interferometrischer ein Start-Signal für die Intervallmessung sofort beim Wamsensor mit Richtungsanalyse bezeichnet werden Eintreffen der Laserstrahlung durch das eine Detek- 15 kann. Ferner ist es aus der DE-PS 28 30 308 bekannt, die torelement(ll)derZeitintervaUmeßeinrichtung(10) Richtung einfallender Laserstrahlung aus den untererzeugt wird und ein Stop-Signal durch das zweite schiedüchen Signalhöhen der Detektoren mit verschie-Detektorelement (12), das über unterschiedliche op- denen Winkelanordnungen zu ermitteln, tische Verzögerungsglieder mit den in die verschie- In der DE-PS 29 31 818 ist eine Einrichtung der ein-

denen Blickrichtungen weisenden Optiken (13) ge- 20 gangs genannten Art bekanntgeworden, die eine Ringkoppelt ist, wobei die Signalverzögerung zum De- anordnung darstellt, bei der das Signal in entgegengetektorelement (12) durch Lichtwellenleiter (14) un- setzten Richtungen läuft und aus der Zeitdifferenz der terschiedlicher Länge erfolgt, die an einem Ende mit beiden Umläufe die Einfallsrichtung ermittelt wird. FQr dem Detektorelement (12) verbunden sind und jedes optische Signalverarbeitung ist diese Einrichtung nicht andere Ende der Lichtwellenleiter (14) als Signalein- 25 geeignet und technisch in der Ausführung sehr probletrittsfläche mit einem definierten Gesichtsfeld und matisch. Abgesehen davon sind hier air jede Einfalls-Zuordnung einer ganz bestimmten Blickrichtung richtung eigene Photodetektoren erforderlich, ausgebildet ist Alle diese bekannten Einrichtungen und Verfahren

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- sind mit einer Reihe von Nachteilen behaftet Entweder zeichnet, daß sich jedes Blickfeld der optischen Ver- 30 sie besitzen nur ein eingeschränktes Gesichtsfeld und zögerungsgiieder (13) so überlappt, daß für jede Ein- eine Rundumsicht ist nur mit sehr hohem Aufwand herstrahlrichtung mindestens i. /ei, in der Regel aber stellbar oder die Winkelauflösung ist zu gering, dies mehr unterschiedlich verzögerte Signale auf das De- besonders bei ungünstigen Einstrahlrichtungen. Häufig tektorelement (12) gelangen u d durch eine elektro- tritt aber auch eine Verfälschung der Lasersignalform nische Signalschwerpunktmessung eine Laufzeitmit- 35 durch die zeitliche Integration im Detektor auf, woteiung und damit eine höhere Winkeiaufiösung ais durch die Art der Bedrohung dann nur schwer zu ermitdie, die durch die individuellen Gesichtsfelder gege- teln ist Weiterhin wirkt sich bei einigen der bekannten ben ist, erzielt wird. Einrichtungen die hohe Störempfindlichkeit bzw. die

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch Winkelfehler bei partieller Verschmutzung der Optikagekennzeichnet, daß jedes individuelle Gesichtsfeld 40 perturen nachteilig aus oder sie weisen eine beschränkdurch die numerische Apertur des entsprechenden te Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Laserwel-Lichtwellenleiters (14) gegeben ist lenlängen auf.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, da- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zudurch gekennzeichnet daß jedem Lichtwellenleiter gründe, die Nachteile der Einrichtungen nach dem (14) zusätzlich eine Abbildungsoptik (13) zugeordnet 45 Stand der Technik weitgehend zu beseitigen und eine ist wobei dessen Strahleintrittsfläche so gegen die Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die Fokalebene der Abbildungsoptik (14) versetzt ist, eine hohe Signaldynamik aufweist und eine Möglichkeit daß das jeweils erforderliche individuelle Gesichts- zur Signalanalyse und Erkennung der Bedrohungsart feld im Zusammenhang mit der zur Richtungsinter- gewährleistet polation erforderlichen Gesichtsfeldüberlappung 50 Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden gegeben ist Teil des Anspruchs 1 niedergelegten Maßnahmen ge-

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, löst Bei zukünftigen militärischen Konflikten werden dadurch gekennzeichnet, daß den Detektoren (11, Laser zur Unterstützung von Feuerleitsystemen einge-12) jeweils ein zusätzlicher Detektor gleicher Art setzt werden. Diese steigende optische Bedrohung erzürn Empfang stark geschwächter Signale zugeord- 55 fordert ein effektives Warnsystem, mit dessen Hilfe die net ist Bedrohung rechtzeitig erkannt wird und Gegenmaß-

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, nahmen ergriffen werden können. Da nach einer Laserdadurch gekennzeichnet, daß das zeitlich unver- bestrahlung ein Beschüß innerhalb kürzester Zeit zu fälscht empfangene Start-Signal zusätzlich einer Si- erwarten ist, reicht im Normalfall die Detektion ohne gnalverarbeitungsschaltung zur Feststellung der so genaue Richtungserkennung nicht aus, um wirksame Puls-bzw. Modulationsform und damit der Art der Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Dies jedoch Bedrohung zugeführt wird. wird durch die an einem Ausführur.gsbeispiel beschrie-

bene Einrichtung optimal gewährleistet. Zur weiteren

Erläuterung dienen die Figuren der Zeichnung. Es zeigt

65 F i g. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus

des beschriebenen Laserwarnsensors in einer Ansicht,