DE102010015045A1

DE102010015045A1 - System for detecting and determining trajectories of objects e.g. hand-held weapons, in e.g. airplane, has evaluation unit determining information over trajectory of object, and evaluation unit evaluating image information over trajectory

Info

Publication number: DE102010015045A1
Application number: DE102010015045A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Peuser Peter; Dr. Schertler Klaus
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2010-04-15
Filing date: 2010-04-15
Publication date: 2011-10-20
Anticipated expiration: 2030-04-16
Also published as: DE102010015045B4

Abstract

The system has a multi-wavelength laser (1) irradiating a detection chamber (13), and a detecting unit detecting radiation reflected from object moved to the chamber. A camera (5) is connected with a diffractive optical unit, and an evaluation unit (9) determines information over a trajectory (10) of the object on the basis of signals detected by the detecting unit. A laser radiation device is formed such that the wavelength radiation time is changed, where the radiation is emitted from the laser. The evaluation unit evaluates camera image information over the trajectory of the object. An independent claim is also included for a method for detecting and determining trajectories of objects moved by a detection chamber.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Detektion und zur Bestimmung von Trajektorien sich durch einen Detektionsraum bewegender Objekte oder Geschosse mittels eines zeitlich- und wellenlängencodierten Detektionsraumes.The present invention relates to a system and a method for detecting and determining trajectories through a detection space of moving objects or projectiles by means of a time- and wavelength-coded detection space.

Für Luftfahrzeuge, die in Konfliktregionen eingesetzt werden, besteht die Gefahr des Beschusses durch Handfeuerwaffen und reaktive Panzerbüchsen (RPG), insbesondere im Tiefflug oder bei Start und Landung. Dies gilt unter anderem für Hubschrauber, Flächenflugzeuge und unbemannte Systeme. Beim Beschuss von Luftfahrzeugen mit diesen Waffen ist ein genaues Zielen aufgrund der Geschwindigkeit und der Flugbewegung schwierig. Selbst bei der Verwendung von Leuchtspurmunition dauert die Korrektur der ballistischen Flugbahn der Geschosse einige Zeit, um sensitive Bereiche des Luftfahrzeugs zu treffen.For aircraft deployed in conflict regions, there is a risk of being bombarded by small arms and reactive rifles (RPGs), especially in low-altitude flight or take-off and landing. This applies, among other things, for helicopters, surface aircraft and unmanned systems. When bombarding aircraft with these weapons, accurate targeting due to speed and flight movement is difficult. Even with the use of tracer ammunition, the correction of the ballistic trajectory of the projectiles takes some time to hit sensitive areas of the aircraft.

Die Besatzung des Luftfahrzeugs hat daher im Allgemeinen die Möglichkeit, Gegenmaßnahmen und Ausweichmanöver einzuleiten, wenn sie über die Beschusssituation informiert ist. Der häufig erhöhte Lärmpegel in Luftfahrzeugen macht jedoch eine akustische Beschussdetektion durch die Besatzung eher schwierig. Auch akustische Sensoren in Luftfahrzeugen haben sich als zu wenig sensitiv und zu wenig verlässlich erwiesen. Außerdem erlauben akustische Sensoren nur bedingt die Bestimmung der ballistischen Flugbahn von Geschossen und können daher gegebenenfalls nur unzureichende Auskunft über den Ursprung der Geschosse liefern. Im ungünstigsten Fall verbleibt daher das Luftfahrzeug im Wirkbereich der Waffen bzw. fliegt tiefer in dessen Wirkbereich hinein. Die Wahrnehmung des Beschusses erfolgt meist erst durch die Verletzung von Personen oder Beschädigung von Systemen. Deshalb ist eine Information über den Beschuss und dessen Richtung für die Besatzung lebenserhaltend und für das Luftfahrzeug systemerhaltend. Mit diesen Informationen kann die Besatzung auf den Beschuss mit Gegenmaßnahmen, wie z. B. Ausweichmanövern, reagieren. Gleiches gilt auch für unbemannte Luftfahrzeuge, wie etwa ferngesteuerte Drohnen. Eine frühzeitige Detektion von Beschusssituationen sowie Kenntnisse über die Flugbahn und über den Ursprungsort der Geschosse würden es der Bodenstation und/oder einem systemeigenen Steuermechanismus erlauben, Gegenmaßnahmen einzuleiten und gegebenenfalls das Gefahrengebiet zu verlassen.The crew of the aircraft therefore generally has the opportunity to initiate countermeasures and evasive maneuvers when informed of the bullet situation. However, the frequent increase in noise level in aircraft makes acoustic detection by the crew rather difficult. Acoustic sensors in aircraft have also proven to be less sensitive and less reliable. In addition, acoustic sensors allow only limited determination of the ballistic trajectory of projectiles and therefore may provide insufficient information about the origin of the projectiles. In the worst case, therefore, the aircraft remains in the effective range of the weapons or flies deeper into its effective range. The perception of the shelling is usually only by the injury of persons or damage of systems. Therefore, information about the fire and its direction is life-sustaining for the crew and system-preserving for the aircraft. With this information, the crew can respond to the bombardment with countermeasures such. B. evasive maneuvers, react. The same applies to unmanned aerial vehicles, such as remote-controlled drones. Early detection of bullet situations and knowledge of the trajectory and location of the projectiles would allow the ground station and / or a native control mechanism to take countermeasures and, if necessary, leave the danger area.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein verlässliches und schnelles System und ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, anhand derer eine Beschusssituation eines beliebigen Gegenstandes, insbesondere eines Luftfahrzeugs, detektiert und die Flugbahn sowie der Ursprungsort eines sich durch einen Detektionsraum bewegenden Objekts schnell und genau bestimmt werden kann. Auf Basis der ermittelten Informationen über das oder die detektierten Objekte werden entweder automatisch oder durch Eingriff der Besatzung und/oder des Bodenpersonals geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet, so dass Schäden an dem Fahrzeug und/oder der Besatzung durch das oder die Geschosse oder durch mögliche weitere Geschosse vermieden werden.The object of the invention is to provide a reliable and fast system and a corresponding method by means of which a bullet situation of any object, in particular of an aircraft, detected and the trajectory and the origin of an object moving through a detection space object can be determined quickly and accurately , Based on the determined information about the detected object (s), appropriate countermeasures are taken either automatically or through the intervention of the crew and / or the ground personnel so as to avoid damage to the vehicle and / or crew by the projectile (s) or possible further projectiles become.

Diese Aufgabe wird durch ein System gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is achieved by a system according to claim 1 and a method according to claim 10. Advantageous developments of the present invention are described in the dependent claims.

Die Erfindung wird am Beispiel eines beliebigen Fahrzeugs genauer erläutert. Die Erfindung findet aber auch Anwendung bei anderen statischen oder beweglichen Gegenständen, wie beispielweise landgestützte oder seegestützte Fahrzeugen, sowie bei Gebäuden. Bezüglich der geeigneten Gegenmaßnahmen sind daher die Möglichkeiten des jeweiligen Gegenstands zu berücksichtigen.The invention will be explained in more detail using the example of any vehicle. However, the invention also finds application in other static or mobile objects, such as land-based or sea-based vehicles, as well as in buildings. With regard to the appropriate countermeasures, the possibilities of the respective object must therefore be taken into account.

Erfindungsgemäß wird ein System zur Detektion und zur Bestimmung von Trajektorien sich durch einen Detektionsraum bewegender Objekte bereitgestellt. Das System umfasst zumindest eine Laserstrahlungsvorrichtung, eine Erfassungsvorrichtung und eine Auswertungseinheit. Die Laserstrahlungsvorrichtung weist zumindest einen Multiwellenlängenlaser auf, welcher einen Detektionsraum mit Strahlung bestrahlt. Dabei erfährt die Wellenlänge λ der vom Multiwellenlängenlaser emittierten Strahlung eine schnelle zeitliche Änderung, so dass ein den Detektionsraum durchquerendes Objekt je nach Zeit und Ort von Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge λ(t) getroffen wird. Die Erfassungseinheit weist zumindest ein diffraktives optisches Element (DOE) und eine Kamera auf und führt die am Objekt reflektierte Strahlung, das heißt, die an dem sich im Detektionsraum bewegenden Objekt reflektierten Laserphotonen, durch das diffraktive Element der Kamera zu. Dadurch werden Punktspuren in einem Kamerabild erzeugt, welche aus mehreren Punkten bestehen und welche verschiedenen Beugungsordnungen zugeordnet sind. Der Abstand zwischen den Bildpunkten der verschiedenen Beugungsordnungen ist eine Funktion der Wellenlänge λ. Da die Wellenlänge λ(t) eine Funktion der Zeit t ist, ist somit im Kamerabild eine Zeitinformation enthalten, die aus der Struktur der Bildpunkte herleitbar ist. Mittels der von der Kamera erzeugten Bilder und eines Bildverarbeitungsverfahrens lassen sich daher mit der Auswertungseinheit aus dem Kamerabild zuverlässige Informationen über die Flugbahn des Objekts auswerten. Werden zusätzlich mit der Erfassungseinheit Informationen über die Entfernung und die Geschwindigkeit des Objektes gewonnen, so ist ebenfalls die Trajektorie und somit der Ursprungsort des Objekts ermittelbar.According to the invention, a system for detecting and determining trajectories is provided by a detection space of moving objects. The system comprises at least one laser radiation device, a detection device and an evaluation unit. The laser radiation device has at least one multi-wavelength laser which irradiates a detection space with radiation. In this case, the wavelength λ of the radiation emitted by the multi-wavelength laser undergoes a rapid temporal change, so that an object traversing the detection space is struck by radiation of different wavelength λ (t), depending on time and location. The detection unit has at least one diffractive optical element (DOE) and a camera and feeds the radiation reflected at the object, that is, the laser photons reflected at the object moving in the detection space, through the diffractive element to the camera. As a result, dot tracks are generated in a camera image, which consist of several points and which are assigned to different diffraction orders. The distance between the pixels of the different diffraction orders is a function of the wavelength λ. Since the wavelength λ (t) is a function of the time t, a time information which can be derived from the structure of the pixels is thus contained in the camera image. By means of the images generated by the camera and an image processing method, it is therefore possible with the evaluation unit to evaluate reliable information about the trajectory of the object from the camera image. In addition, with the detection unit information about the distance and speed of the Obtained object, so also the trajectory and thus the place of origin of the object can be determined.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Laserstrahlungsvorrichtung zumindest einen Multiwellenlängenlaser auf, welcher einen Detektionsraum mit Strahlung einer sich zeitlich verändernden Wellenlänge bestrahlt und somit definiert. Hiermit wird ein zeitlich- und wellenlängen- bzw. farbcodierter Detektionsraum aufgespannt. Dabei besteht der Detektionsraum aus einem einzigen bestrahlten Raum, wobei jeder einzelne Punkt des Detektionsraums zu einer bestimmten Zeit einer definierten Wellenlänge zugeordnet wird. Jeweils für ein kurzes Zeitintervall τ wird der Detektionsraum von dem Multiwellenlängenlaser mit Strahlung einer definierten Wellenlänge λ(τ) bestrahlt. Dabei wird die zeitliche Änderung der Wellenlänge so gewählt, dass ein den Detektionsraum mit großer Geschwindigkeit durchquerendes Objekt von Strahlung bei mehreren verschiedenen Wellenlängen getroffen wird.According to a preferred embodiment of the invention, the laser radiation device has at least one multi-wavelength laser which irradiates a detection space with radiation of a time-varying wavelength and thus defines it. Hereby a temporally and wavelength- or color-coded detection space is clamped. In this case, the detection space consists of a single irradiated space, wherein each individual point of the detection space is assigned to a defined time at a defined wavelength. In each case for a short time interval τ, the detection space is irradiated by the multi-wavelength laser with radiation of a defined wavelength λ (τ). In this case, the temporal change of the wavelength is selected such that an object traversing the detection space at high speed is struck by radiation at several different wavelengths.

Die Erfassungseinheit weist zumindest ein diffraktives optisches Element (DOE) und eine Kamera auf und führt die vom sich im Detektionsraum bewegenden Objekt reflektierte Strahlung durch das diffraktive Element der Kamera zu, wodurch Punktspuren in einem Kamerabild erzeugt werden, welche aus mehreren Punkten bestehen und verschiedenen Beugungsordnungen zugeordnet sind. Ferner umfasst die Erfassungseinheit des Systems ein optisches Linsensystem zur Adaption an den zu detektierenden Raumwinkelbereich bzw. an den durch den Laser definierten Detektionsraum. Das optische Linsensystem ist auf die Divergenz des Lasers abgestimmt, um sicher zu stellen, dass die innerhalb des vom Laser definierten Detektionsraums reflektierten Photonen von der Erfassungseinheit erfasst werden. Zusätzlich zur Kamera weist die Erfassungseinheit Laufzeitdetektoren für die Bestimmung der Entfernung des Objektes auf.The detection unit has at least one diffractive optical element (DOE) and a camera and feeds the radiation reflected by the object moving in the detection space through the diffractive element of the camera, whereby dot traces are generated in a camera image consisting of several points and different diffraction orders assigned. Furthermore, the detection unit of the system comprises an optical lens system for adaptation to the spatial angle range to be detected or to the detection space defined by the laser. The optical lens system is tuned to the divergence of the laser to ensure that the photons reflected within the detection space defined by the laser are detected by the detection unit. In addition to the camera, the detection unit has time-of-flight detectors for determining the distance of the object.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die vom Multiwellenlängenlaser emittierte Strahlung kontinuierliche Strahlung. Dadurch wird der Detektionsraum mit kontinuierlicher Strahlung bestrahlt, wobei die Wellenlänge λ(t) der Strahlung im Detektionsraum von dem jeweiligen Zeitpunkt t abhängt.In a preferred embodiment of the invention, the radiation emitted by the multi-wavelength laser is continuous radiation. As a result, the detection space is irradiated with continuous radiation, wherein the wavelength λ (t) of the radiation in the detection space depends on the respective time t.

Durchläuft ein Objekt den vom Multiwellenlängenlaser aufgespannten Detektionsraum, so wird das Objekt in jedem Ort und in jedem Zeitintervall mit Strahlung einer anderen Wellenlänge getroffen. Die in einem bestimmten Zeitintervall τ an dem Objekt reflektierte Strahlung besitzt die Wellenlänge des zugeordneten Zeitintervalls λ(τ). Ein sich durch den Detektionsraum bewegendes Objekt wird daher je nach Zeit und Ort Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge reflektieren, welche von der Erfassungseinheit über ein diffraktives optisches Element (DOE) einer Kamera zugeführt wird. Dadurch werden in einem Kamerabild Punktspuren erzeugt, welche aus mehreren Bildpunkten bestehen und welche den Beugungsordnungen der empfangenen Strahlung zugeordnet sind.If an object passes through the detection space spanned by the multi-wavelength laser, the object is hit with radiation of a different wavelength at each location and in each time interval. The radiation reflected at a certain time interval τ on the object has the wavelength of the associated time interval λ (τ). Depending on the time and place, an object moving through the detection space will therefore reflect radiation of different wavelength, which is supplied by the detection unit to a camera via a diffractive optical element (DOE). As a result, dot tracks are generated in a camera image, which consist of several pixels and which are assigned to the diffraction orders of the received radiation.

Der Abstand zwischen den Bildpunkten der Gitterordnungen stellt sich als Funktion der Wellenlänge dar. Da die Wellenlänge eine Funktion der Zeit ist, ist somit im Kamerabild zusätzlich auch eine Information über die Zeit der Erzeugung des Bildpunktes enthalten. Da im Kamerabild bei einer bestimmten Wellenlänge mehrere, den einzelnen Beugungsordnungen zugeordnete Bildpunkte vorhanden sind, die von der vom Objekt reflektierten Strahlung herrühren, lässt sich diese Struktur selbst bei ungünstigen Signal-zu-Rauschen-Verhältnissen gut erkennen und auswerten, so dass Informationen über den Weg des Objekts durch den Detektionsraum gewonnen werden.The distance between the pixels of the grating orders is a function of the wavelength. Since the wavelength is a function of time, information about the time of generation of the pixel is thus additionally contained in the camera image. Since in the camera image at a certain wavelength multiple, the individual diffraction orders associated pixels are available, resulting from the reflected radiation from the object, this structure can be easily recognized and evaluated even in unfavorable signal-to-noise ratios, so that information about the Path of the object to be gained through the detection space.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die vom Multiwellenlängenlaser emittierte Strahlung gepulst. Der zeitlich- und wellenlängencodierte Detektionsraum wird daher mit kurzen Pulsen unterschiedlicher Wellenlänge bestrahlt.In a further preferred embodiment of the invention, the radiation emitted by the multi-wavelength laser is pulsed. The time- and wavelength-coded detection space is therefore irradiated with short pulses of different wavelengths.

Ein sich durch den Detektionsraum bewegendes Objekt wird je nach Zeit und Ort Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge reflektieren, welche von der Erfassungseinheit über ein diffraktives optisches Element (DOE) einer Kamera zugeführt wird. Dadurch werden, wie oben bereits erläutert, innerhalb eines Kamerabildes Punktspuren erzeugt, welche aus mehreren Bildpunkten bestehen und welche den Beugungsordnungen zugeordnet werden können. Aus dem Abstand zwischen den Bildpunkten der Gitterordnungen im Kamerabild wird zusätzlich auch die Information über die Zeit der Erzeugung des Bildpunktes ermittelt und es werden Informationen über den Weg des Objekts durch den Detektionsraum gewonnen. Aus der Laufzeitmessung zwischen Pulsemission und Detektion der vom Objekt reflektierten Pulsstrahlung werden zusätzliche Informationen ermittelt, welche eine Berechnung der Trajektorie des Objekts und somit des Ursprungsorts des Objekts ermöglichen.Depending on the time and place, an object moving through the detection space will reflect radiation of different wavelengths which is supplied by the detection unit to a camera via a diffractive optical element (DOE). As a result, as explained above, dot tracks are generated within a camera image, which consist of several pixels and which can be assigned to the diffraction orders. From the distance between the pixels of the grating orders in the camera image, the information about the time of generation of the pixel is additionally determined and information about the path of the object through the detection space is obtained. From the transit time measurement between pulse emission and detection of the pulse radiation reflected by the object, additional information is determined which enables a calculation of the trajectory of the object and thus of the origin of the object.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die kurzen Pulse bei einer Pulsrepetitionsrate erzeugt, welche im kHz Bereich oder höher liegt. Dies ermöglicht geringe Reaktionszeiten und eine hohe Genauigkeit der Entfernungsmessung. Die Pulsbreite wird ferner im Nanosekundenbereich oder in einem niedrigeren Bereich gewählt, so dass die an der Empfangseinheit empfangenen Laserphotonen einem entsprechenden gesendeten Puls zugeordnet werden können. Über die Laufzeit der Laserpulse wird daher die genaue Entfernung des Objekts bzw. seine Geschwindigkeit, relativ zum Fahrzeug, an dem das System angebracht ist, ermittelt. Dadurch wird erreicht, dass nicht nur Informationen über den Weg des Objekts durch den Detektionsraum gewonnen werden, sondern auch, dass die Entfernung und die Geschwindigkeit des sich im Detektionsraum bewegenden Objekts direkt mit der gepulsten Strahlung des Multiwellenlängenlasers gewonnen werden.In a preferred embodiment, the short pulses are generated at a pulse repetition rate which is in the kHz range or higher. This allows low reaction times and high accuracy of the distance measurement. The pulse width is further selected in the nanosecond range or in a lower range, so that the laser photons received at the receiving unit can be assigned to a corresponding transmitted pulse. Over the duration of the laser pulses, therefore, the exact distance of the object or its speed, relative to the vehicle, on the the system is installed, determined. It is thereby achieved that not only information about the path of the object through the detection space is obtained, but also that the distance and the speed of the object moving in the detection space are obtained directly with the pulsed radiation of the multi-wavelength laser.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Detektionsraum einen elliptischen oder kreisförmigen Querschnitt auf und bildet einen kegelförmigen Raum. Die Divergenz der Laserstrahlungsvorrichtung, das heißt, der Winkel bzw. die Breite der kegelförmig bestrahlten Umgebung, ist einstellbar. Die Einstellung der Divergenz der Laserstrahlungsvorrichtung und somit des kegelförmig bestrahlten Raumes wird beispielsweise über ein optisches System, beispielsweise ein Linsensystem, geregelt. Dadurch wird erreicht, dass der Detektionsraum mit einer definierten Form aufgespannt wird. Ferner weist die Laserstrahlungsvorrichtung eine bestimmte Leistung auf, welche die maximale Entfernung bzw. den maximalen Durchmesser des Kegels definiert, bei der noch gewährleistet ist, dass genügend Laserphotonen am Objekt zur Erfassungseinheit zurückreflektiert werden, d. h. dass ein Objekt, das sich im Detektionsraum bewegt, mit Sicherheit detektiert wird. Dafür wird ein Minimalwert für die Anzahl der auf die Erfassungseinheit reflektierten Photonen festgelegt, der eine sichere Detektion eines Objekts gewährleistet. Dieser Minimalwert hängt ebenfalls von der Empfindlichkeit der Erfassungseinheit bzw. deren Detektoren ab. Des weiteren hängt die Größe des bestrahlten Raumes neben der Leistung und der Divergenz des Lasers auch von der Beschaffenheit des zu detektierenden Objekts ab, denn insbesondere abhängig von dessen Oberfläche, Material und Form wird ein mehr oder weniger großer Anteil der gesendeten Laserphotonen zurück zur Erfassungseinheit reflektiert. Die Leistung des Multiwellenlasers wird daher abhängig von der erforderlichen Kegeltiefe des Detektionsraums unter Berücksichtigung der genannten Parameter gewählt.In a further embodiment of the present invention, the detection space has an elliptical or circular cross-section and forms a conical space. The divergence of the laser radiation device, that is, the angle or the width of the conically irradiated environment, is adjustable. The setting of the divergence of the laser radiation device and thus of the conically irradiated space is regulated, for example, via an optical system, for example a lens system. This ensures that the detection space is clamped with a defined shape. Furthermore, the laser radiation device has a specific power, which defines the maximum distance or the maximum diameter of the cone, in which it is still ensured that enough laser photons are reflected back on the object to the detection unit, ie. H. that an object that moves in the detection space is detected with certainty. For this purpose, a minimum value is determined for the number of photons reflected on the detection unit, which ensures reliable detection of an object. This minimum value also depends on the sensitivity of the detection unit or its detectors. Furthermore, the size of the irradiated space depends not only on the power and the divergence of the laser but also on the nature of the object to be detected, because in particular, depending on its surface, material and shape, a greater or lesser proportion of the transmitted laser photons is reflected back to the detection unit , The power of the multi-wave laser is therefore selected depending on the required cone depth of the detection space, taking into account the mentioned parameters.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die Laserstrahlungsvorrichtung aus einem entsprechenden System einzelner Laser, vorzugsweise aus kompakten Halbleiter- oder Festkörperlasern. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die Laserstrahlungsvorrichtung für die Wellenlängencodierung aus einer Mehrzahl von fasergekoppelten Hochleistungsdiodenlasern, welche unterschiedliche zentrale Emissionswellenlängen aufweisen, wobei die Strahlung jedes Lasers durch eine optische Faser zu dem ersten Detektionsraum weitergeführt wird. Die einzelnen optischen Fasern werden beispielsweise zu einem Bündel zusammengefasst und die Strahlung wird zu dem Detektionsraum geführt, wobei die von jeder einzelnen Faser ausgehende Strahlung jeweils für eine kurze Zeit den kegelförmigen Bestrahlungsraum beleuchtet bzw. definiert. Alternativ hierzu können die von den unterschiedlichen Hochleistungslasern bereitgestellten Strahlungen bereits im Vorfeld in eine einzige Faser zusammengeführt werden und die zusammengeführte Strahlung anschließend mit dieser einzelnen Faser zu dem Detektionsraum geführt werden. Die Strahlungszusammenführung findet in diesem Fall beispielsweise mittels eines Spiegelsystems aus mehreren Spiegeln statt, wobei die Spiegeleigenschaften der einzelnen Spiegel von der Wellenlänge der auftreffenden Strahlung abhängig sind.In a further preferred embodiment of the present invention, the laser radiation device consists of a corresponding system of individual lasers, preferably of compact semiconductor or solid-state lasers. In a further preferred embodiment of the present invention, the wavelength encoding laser beam device consists of a plurality of fiber-coupled high-power diode lasers having different central emission wavelengths, the radiation of each laser being propagated through an optical fiber to the first detection space. The individual optical fibers are combined into a bundle, for example, and the radiation is guided to the detection space, wherein the radiation emanating from each individual fiber respectively illuminates or defines the conical irradiation space for a short time. Alternatively, the radiations provided by the different high-power lasers can be merged in advance into a single fiber and the merged radiation can then be guided to the detection space with this single fiber. The radiation combining takes place in this case, for example by means of a mirror system of several mirrors, wherein the mirror properties of the individual mirrors are dependent on the wavelength of the incident radiation.

Die zeitliche Änderung der Wellenlänge ist dabei so gewählt, dass ein den bestrahlten Raum mit großer Geschwindigkeit durchquerendes Geschoss von Strahlung bei mehreren, verschiedenen Wellenlängen getroffen wird. Das heißt beispielsweise, dass die Änderung der Wellenlänge mit einer Veränderungsrate im Bereich von etwa 10 kHz oder höher erfolgen sollte. Im Falle eines Objekts, welches sich in ca. 15 m Abstand zur Erfassungseinheit und mit einer Geschwindigkeit von 900 m/s im Detktionsraum bewegt, wird somit das Objekt immer dann von einer anderen Wellenlänge beleuchtet, wenn es sich um ca. 9 cm weiterbewegt hat. In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die zeitlich variable Wellenlängenverschiebung durch einen einzigen Diodenlaser hoher Leistung und durch eine Änderung des Diodenstroms in Form einer Rampe realisiert. Dabei wird eine Verschiebung der zentralen Emissionswellenlänge durch die sich schnell ändernde Temperatur des pn-Übergangs verursacht. In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein abstimmbarer Festkörperlaser eingesetzt, dessen Wellenlängenabstimmung entsprechend schnell erfolgt. Ein solches System kann beispielsweise mittels eines optischen parametrischen Oszillators realisiert werden.The temporal change of the wavelength is selected such that a projectile of radiation traversing the irradiated space at high speed is hit at several, different wavelengths. That is, for example, that the change of the wavelength should be made at a rate of change in the range of about 10 kHz or higher. In the case of an object which moves in the detection space at a distance of about 15 m to the detection unit and at a speed of 900 m / s, the object is thus illuminated by a different wavelength whenever it has moved on by about 9 cm , In yet another embodiment of the invention, the time-varying wavelength shift is realized by a single high-power diode laser and by a change in the diode current in the form of a ramp. In this case, a shift of the central emission wavelength is caused by the rapidly changing temperature of the pn junction. In yet another embodiment of the present invention, a tunable solid-state laser is used whose wavelength tuning is correspondingly fast. Such a system can be realized for example by means of an optical parametric oscillator.

In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Laserstrahlungsvorrichtung einen zusätzlichen Laser, vorzugsweise einen Pulslaser, auf. Der Pulslaser stellt simultan zum Multiwellenlängenlaser kurze Pulse bereit, wobei über die Laufzeit der gesendeten und empfangenen Laserpulse die relative Geschwindigkeit und die relative Entfernung des sich durch den Detektionsraum bewegenden Objekts in Bezug auf die Laserstrahlungs- und Erfassungsvorrichtung bestimmt wird. Der Laser ist vorzugsweise ein Kurzpulslaser, welcher bei einer hohen Pulsrepetitionsrate einen zweiten Detektionsraum bestrahlt. Aus dem Zeitunterschied zwischen der Pulsemission und der Detektion der von einem sich im zweiten Detektionsraum bewegenden Objekt reflektierten Strahlung wird die Entfernung des Objekts sowie die Geschwindigkeit des Objekts bestimmt. Die Pulsbreite des Pulslasers wird so gewählt, dass eine genaue Ermittlung der genauen Entfernung und der Geschwindigkeit des sich bewegenden Objekts erreicht wird. Geeignete Pulsbreiten liegen im Bereich von Nanosekunden oder kleiner. Ferner wird die Pulsfrequenz des zweiten Lasers so gewählt, dass sie an die maximal mögliche Geschwindigkeit des sich bewegenden Objekts angepasst ist. Das setzt voraus, dass ein sich durch den Detektionsraum des zweiten Lasers bewegendes Objekt mindestens von zwei, besser jedoch von weiteren Laserpulsen getroffen wird, so dass eine sichere Detektion des Objekts und eine genaue Ermittlung seiner Geschwindigkeit sowie seiner Entfernung innerhalb des Detektionsraumes ermöglicht wird. Die Pulsrepetitionsrate liegt daher im kHz Bereich oder höher. Dadurch wird erreicht, dass nicht nur Informationen über den Weg des Objekts durch den Detektionsraum des Multiwellenlängenlasers gewonnen werden, sondern auch, dass die Entfernung sowie die Geschwindigkeit des sich im Detektionsraum bewegenden Objekts direkt mit der gepulsten Strahlung des Pulslasers gewonnen werden. Wird beispielsweise für ein Objekt, welches sich in 15 m Abstand zur Erfassungseinheit mit 900 m/s fortbewegt, eine Pulsfrequenz von 10 kHz gewählt, so legt das Geschoss zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen eine Wegstrecke von 90 mm zurück. Durchfliegt dieses Objekt den Detektionsraum des Pulslasers, so wird das Objekt in 90 mm Abständen von Laserpulsen getroffen.In a further aspect of the present invention, the laser radiation device has an additional laser, preferably a pulse laser. The pulse laser simultaneously provides short pulses to the multiwavelength laser, the relative velocity and the relative distance of the object moving through the detection space with respect to the laser radiation and detection device being determined over the transit time of the transmitted and received laser pulses. The laser is preferably a short-pulse laser which irradiates a second detection space at a high pulse repetition rate. From the time difference between the pulse emission and the detection of the radiation reflected by an object moving in the second detection space, the distance of the object and the speed of the object are determined. The pulse width of the pulse laser is chosen so that an accurate determination of the exact Distance and speed of the moving object is achieved. Suitable pulse widths are in the range of nanoseconds or less. Furthermore, the pulse frequency of the second laser is chosen so that it is adapted to the maximum possible speed of the moving object. This presupposes that an object moving through the detection space of the second laser is hit by at least two, but better yet by further laser pulses, so that a reliable detection of the object and an accurate determination of its speed and its distance within the detection space is made possible. The pulse repetition rate is therefore in the kHz range or higher. This ensures that not only information about the path of the object through the detection space of the multi-wavelength laser are obtained, but also that the distance and the speed of moving in the detection space object are obtained directly with the pulsed radiation of the pulse laser. If, for example, a pulse frequency of 10 kHz is selected for an object which moves at a distance of 15 m from the detection unit at 900 m / s, the bullet travels a distance of 90 mm between two successive pulses. If this object passes through the detection space of the pulse laser, the object is hit by laser pulses at 90 mm intervals.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Detektionsraum des Pulslasers einen elliptischen oder kreisförmigen Querschnitt auf. Die Divergenz des Pulslasers, das heißt, der Winkel bzw. die Breite der aufgespannten kegelförmigen bestrahlten Umgebung, ist wie die des Multiwellenlängenlasers einstellbar. Die Einstellung der Divergenz des Pulslasers und somit des kegelförmig bestrahlten Raums wird beispielsweise über ein optisches System, beispielsweise ein Linsensystem, geregelt. Dadurch wird erreicht, dass der Detektionsraum des Pulslasers eine definierte Form aufweist. Ferner weist der Pulslaser eine bestimmte Leistung auf, welche die maximale Entfernung vom Fahrzeug, bzw. den maximalen Durchmesser des Kegels, bei der noch gewährleistet ist, dass genügend am Objekt reflektierte Laserphotonen die Erfassungseinheit erreichen, definiert. Dafür wird ein Minimalwert für die Anzahl der von der Erfassungseinheit empfangenen, reflektierten Photonen festgelegt, der eine sichere Detektion eines Objekts gewährleistet, wobei dieser ebenfalls von der Empfindlichkeit der Erfassungseinheit bzw. deren Detektoren abhängt. Des weiteren ist die Größe des bestrahlten Raumes in Abhängigkeit von der Leistung des Lasers sowie von der Beschaffenheit des zu detektierenden Objekts, insbesondere von dessen Oberfläche, Material und Form, zu wählen. Die Leistung des Pulslasers wird abhängig von der erforderlichen Kegeltiefe des Detektionsraumes des Pulslasers und unter Berücksichtigung der genannten Parameter gewählt.In a further embodiment of the present invention, the detection space of the pulse laser has an elliptical or circular cross-section. The divergence of the pulse laser, that is, the angle or the width of the spanned conical irradiated environment, is adjustable like that of the multi-wavelength laser. The setting of the divergence of the pulse laser and thus of the conically irradiated space is regulated, for example, via an optical system, for example a lens system. This ensures that the detection space of the pulse laser has a defined shape. Furthermore, the pulse laser has a specific power, which defines the maximum distance from the vehicle, or the maximum diameter of the cone, in which it is still ensured that enough laser photons reflected at the object reach the detection unit. For this purpose, a minimum value is determined for the number of reflected photons received by the detection unit, which ensures reliable detection of an object, which also depends on the sensitivity of the detection unit or its detectors. Furthermore, the size of the irradiated space as a function of the power of the laser as well as the nature of the object to be detected, in particular its surface, material and shape to choose. The power of the pulse laser is selected depending on the required cone depth of the detection space of the pulse laser and taking into account the aforementioned parameters.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht der Pulslaser aus einem kompakten Halbleiter- oder Festkörperlaser oder aus einem fasergekoppelten Hochleistungsdiodenlaser.In a further preferred embodiment of the present invention, the pulse laser consists of a compact semiconductor or solid-state laser or of a fiber-coupled high-power diode laser.

In einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weisen die Detektionsräume des Multiwellenlängenlasers und des zweiten Lasers eine vollständige räumliche Überlappung auf. Somit wird erreicht, dass mit dem Multiwellenlängenlaser Informationen über den Weg des sich im überlagerten Detektionsraum bewegenden Objekts gewonnen werden, während mit dem Pulslaser die Entfernung und die Geschwindigkeit des sich im überlagerten Detektionsraum bewegenden Objekts ermittelt werden. Somit sind genügend Informationen vorhanden, um beispielsweise die Trajektorie und somit den Ursprungsort des Objekts zu berechnen und anschließend geeignete Gegenmaßnahmen einzuleiten.In yet another embodiment of the present invention, the detection spaces of the multi-wavelength laser and the second laser have a complete spatial overlap. Thus, it is achieved that information about the path of the object moving in the superimposed detection space is obtained with the multi-wavelength laser, while the pulse laser determines the distance and the speed of the object moving in the superimposed detection space. Thus, enough information is available to calculate, for example, the trajectory and thus the place of origin of the object and then initiate appropriate countermeasures.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das System eine Erfassungseinheit auf, welche zumindest ein diffraktives optisches Element (DOE) und eine Kamera umfasst. Dabei wird die vom sich im Detektionsraum bewegenden Objekt reflektierte Strahlung durch das diffraktive Element der Kamera zugeführt, wodurch Punktspuren in einem Kamerabild erzeugt werden. Diese Punktspuren bestehen aus mehreren Punkten und sind verschiedenen Beugungsordnungen zugeordnet. Ferner umfasst die Erfassungseinheit des Systems ein optisches Linsensystem zur Adaption an den zu detektierenden Raumwinkelbereich bzw. an den durch den Laser, der gepulste Strahlung bereitstellt, definierten Detektionsraum. Das optische Linsensystem ist auf die Divergenz des entsprechenden Lasers abgestimmt, um sicher zu stellen, dass die innerhalb des vom Laser definierten Detektionsraumes reflektierten Photonen von der Erfassungseinheit erfasst werden. Zusätzlich zur Kamera weist die Erfassungseinheit einen Laufzeitdetektor für die Bestimmung der Entfernung des Objektes auf. Der Laufzeitdetektor ist mit einem Filter ausgerüstet, welcher die vom Objekt reflektierten Laserphotonen passieren lässt und alle anderen Wellenlängen blockiert. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht der optische Detektor aus schnellen Photodioden mit einer großen Bandbreite und der Filter ist ein Interferenzfilter.In a further embodiment of the present invention, the system has a detection unit which comprises at least one diffractive optical element (DOE) and a camera. In this case, the radiation reflected by the object moving in the detection space is supplied by the diffractive element to the camera, whereby dot tracks are generated in a camera image. These point traces consist of several points and are assigned to different diffraction orders. Furthermore, the detection unit of the system comprises an optical lens system for adaptation to the spatial angle range to be detected or to the detection space defined by the laser which provides pulsed radiation. The optical lens system is tuned to the divergence of the corresponding laser to ensure that the photons reflected within the detection space defined by the laser are detected by the detection unit. In addition to the camera, the detection unit has a time-of-flight detector for determining the distance of the object. The time-of-flight detector is equipped with a filter that allows the laser photons reflected by the object to pass and blocks all other wavelengths. In a preferred embodiment of the present invention, the optical detector consists of high bandwidth fast photodiodes and the filter is an interference filter.

Die Laserstrahlungsvorrichtung und die Erfassungsvorrichtung sind bevorzugt an einem beliebigen Fahrzeug oder an einer beliebigen, statischen oder beweglichen Infrastruktur angebracht, beispielsweise an der Außenseite eines Flugzeuges oder eines Gebäudes, um Objekte zu detektieren, die in den zu überwachenden Raum des Fahrzeuges oder der Infrastruktur eindringen, und ihre Trajektorien innerhalb und außerhalb der Umgebung des Detektionsraums zu bestimmen. Ferner kann es erforderlich sein, mehrere erfindungsgemäße Systeme an einem Fahrzeug oder an einer Infrastruktur, insbesondere an einem Luftfahrzeug, anzubringen, um Objekte in der Umgebung der sensiblen Bereiche des Fahrzeuges zu detektieren und deren Trajektorien zu bestimmen. Die sensiblen Bereiche eines Fahrzeuges, insbesondere eines Luftfahrzeuges, sind zum Beispiel das Antriebsystem, die Treibstoffversorgung, die Treibstoffbehälter, die Waffensysteme und alle von der Besatzung nicht einsehbaren Bereiche.The laser radiation device and the detection device are preferably mounted on any vehicle or on any static or mobile infrastructure, for example on the outside of an aircraft or a building, to detect objects that penetrate into the space to be monitored of the vehicle or the infrastructure, and their trajectories within and outside the environment of the detection space. Furthermore, it may be necessary to attach a plurality of systems according to the invention to a vehicle or to an infrastructure, in particular to an aircraft, in order to detect objects in the vicinity of the sensitive areas of the vehicle and to determine their trajectories. The sensitive areas of a vehicle, in particular of an aircraft, are, for example, the propulsion system, the fuel supply, the fuel tanks, the weapon systems and all areas not visible to the crew.

Mit einer schnellen Auswertungseinheit wird auf Basis der von der Erfassungseinheit erfassten Signale, der Weg des Objektes durch den Detektionsraum und ggf. der Ursprungsort sowie die Flugbahn des Objekts berechnet. Diese Informationen können der Besatzung und/oder dem Bodenpersonal zur Verfügung gestellt werden, oder selbst von der Auswertungseinheit verwendet werden, um geeignete Gegenmaßnahmen, beispielsweise ein automatisches Ausweichmanöver oder die Weiterleitung von genauen Anweisungen an die Besatzung, einzuleiten. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die von der Auswertungseinheit ermittelten Informationen an eine Ausgabeeinheit weitergeleitet, welche Gegenmaßnahmen ausführt.A fast evaluation unit calculates the path of the object through the detection space and possibly the place of origin as well as the trajectory of the object on the basis of the signals detected by the detection unit. This information may be provided to the crew and / or the ground personnel, or may be used by the evaluation unit to initiate appropriate countermeasures, such as an automatic evasive maneuver or forwarding of detailed instructions to the crew. According to a further aspect of the invention, the information determined by the evaluation unit is forwarded to an output unit which carries out countermeasures.

Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren zur Detektion und zur Bestimmung von Trajektorien eines sich durch einen Detektionsraum bewegenden Objekts bereitgestellt. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Detektionsraum mit einem Multiwellenlängenlaser bestrahlt, so dass der Detektionsraum aus einem Raum besteht, welcher mit Strahlung bestrahlt wird, deren Wellenlänge sich zeitlich ändert. Ferner wird die von dem sich im Detektionsraum bewegenden Objekt reflektierte Strahlung mit einer Erfassungseinheit erfasst. Mit einer Auswertungseinheit wird anschließend auf Basis der von der Erfassungseinheit erfassten Signale der Weg und ggf. auch die Flugbahn und den Ursprungsort des Objekts ermittelt.According to a further aspect of the invention, a method is provided for detecting and determining trajectories of an object moving through a detection space. In the method according to the invention, a detection space is irradiated with a multi-wavelength laser, so that the detection space consists of a space which is irradiated with radiation whose wavelength changes with time. Furthermore, the radiation reflected by the object moving in the detection space is detected by a detection unit. Using an evaluation unit, the path and possibly also the trajectory and the place of origin of the object are subsequently determined on the basis of the signals detected by the detection unit.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird simultan zur Bestrahlung des Detektionsraums des Multiwellenlängenlasers ein zweiter Detektionsraum mit einem zweiten Laser bestrahlt. Dabei ist der zweite Laser vorzugsweise ein Pulslaser und der Detektionsraum des Multiwellenlängenlasers weist eine vollständige Überlappung mit dem Detektionsraum des zweiten Lasers auf.According to a further embodiment of the invention, a second detection space is irradiated with a second laser simultaneously with the irradiation of the detection space of the multi-wavelength laser. In this case, the second laser is preferably a pulse laser and the detection space of the multi-wavelength laser has a complete overlap with the detection space of the second laser.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Vermeidung von Schäden an Fahrzeugen und/oder an der Besatzung eines Fahrzeuges bereitgestellt, bei welchem die oben beschriebene Vorrichtung und/oder das oben genannte Verfahren zur Detektion und zur Bestimmung von Trajektorien eines sich durch einen Detektionsraum bewegenden Objekts verwendet wird. In dem Verfahren werden zusätzlich auf Basis der ermittelten Informationen über das sich bewegende Objekt, Gegenmaßnahmen eingeleitet, um Schäden am Fahrzeug und/oder an der Besatzung zu vermeiden. Die Gegenmaßnahmen sind beispielweise automatische Ausweichmanöver, die Weiterleitung von genauen Anweisungen an die Besatzung oder an die Bodenstation oder die Weiterleitung der von der Auswertungseinheit ermittelten Informationen an eine Ausgabeeinheit, welche solche Gegenmaßnahmen ausführt.In a further aspect of the invention, a method is provided for preventing damage to vehicles and / or to the crew of a vehicle, in which the device described above and / or the above-mentioned method for detecting and determining trajectories of a through a detection space moving object is used. In the method, countermeasures are additionally initiated on the basis of the information obtained about the moving object in order to avoid damage to the vehicle and / or to the crew. The countermeasures are, for example, automatic avoidance maneuvers, the forwarding of precise instructions to the crew or to the ground station or the forwarding of the information determined by the evaluation unit to an output unit which carries out such countermeasures.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.Further measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of several preferred embodiments of the invention with reference to FIGS.

Es zeigt:It shows:

1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Systems mit einer Laserstrahlungsvorrichtung, einer Erfassungseinheit und einer Auswertungseinheit; 1 a schematic view of a system according to the invention with a laser radiation device, a detection unit and an evaluation unit;

2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Systems mit einer Laserstrahlungsvorrichtung umfassend einen Multiwellenlängenlaser und einen Kurzpulslaser, eine Erfassungseinheit und eine Auswertungseinheit; 2 a schematic view of a system according to the invention with a laser radiation device comprising a multi-wavelength laser and a short pulse laser, a detection unit and an evaluation unit;

3 eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Multiwellenlängenlasers der Laserstrahlungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung; 3 a schematic view of a preferred embodiment of the multi-wavelength laser of the laser radiation device of the present invention;

4 eine schematische Ansicht eines aus der reflektierten Strahlung eines sich im Detektionsraum bewegenden Objekts erzeugten Kamerabildes. 4 a schematic view of a generated from the reflected radiation of an object moving in the detection object camera image.

Das in 1 gezeigte System zur Detektion und zur Bestimmung von Trajektorien eines sich durch einen Detektionsraum bewegenden Objekts weist eine Laserstrahlungsvorrichtung und eine Erfassungseinheit, welche an einem Flugzeug angebracht sind, und eine Auswertungseinheit 9 auf. Die Laserstrahlungsvorrichtung besteht aus einem Multiwellenlängenlaser 1 und einem optischen Linsensystem 3 für den Multiwellenlängenlaser 1, mit welchem der Grad der Divergenz der Laserstrahlungsvorrichtung geregelt wird. Der Multiwellenlängenlaser 1 besteht aus einem kompakten Festkörperlasersystem und erzeugt eine gepulste Strahlung mit einer Wellenlänge λ(t), welche sich zeitlich verändert. Die Pulsfrequenz der gepulsten Strahlung liegt im Bereich von 10 kHz und die Pulsbreite im Bereich von 1 ns. Der von dem Multiwellenlängenlaser 1 aufgespannte Detektionsraum 13 besteht aus einem kegelförmigen Raum, welcher mit der Strahlung der Wellenlänge λ(t) bestrahlt ist. Ein Punkt des aufgespannten Detektionsraumes 13 des Multiwellenlängenlasers 1 wird daher in zwei nacheinander folgenden Zeitpunkten t1 und t2 mit Strahlungspulsen der Wellenlänge λ(t1) bzw. λ(t2) bestrahlt, so dass der Detektionsraum 13 des Multiwellenlängenlasers 1 zeitlich- und wellenlängencodiert ist. Die Erfassungseinheit besteht aus einer Kamera mit einem optischen Beugungselement und einem Linsensystem 6 zur Adaption an den zu detektierenden, definierten Detektionsraum. Ferner weist die Erfassungseinheit einen Laufzeitdetektor 7 für die vom Multiwellenlängenlaser bereitgestellten gepulsten Strahlung auf, welche die Zeit ermittelt, die ein Laserpuls vom Multiwellenlängenlaser 1 zum Objekt und zurück zum Laufzeitdetektor 7 benötigt. Dem Laufzeitdetektor ist ein Linsensystem 8 zur Adaption an den vom Multiwellenlängenlaser 1 zu detektierenden Detektionsraum 13 zugeordnet. Mit dieser Erfassungseinheit wird die an einem sich im Detektionsraum 13 bewegenden Objekt reflektierte, gepulste Strahlung erfasst. Durchfliegt beispielsweise ein Objekt in 15 m Abstand zur Erfassungseinheit den Detektionsraum 13 mit einer Geschwindigkeit von ca. 900 m/s, so wird es in Abständen von ca. 90 mm von Laserpulsen getroffen, welche ca. 90 ns für den Weg vom Multiwellenlängenlaser 1 zum Objekt und zurück zur Erfassungseinheit benötigen. Durchfliegt ein Objekt den Detektionsraum 13, so wird an dem Objekt Strahlung der Wellenlänge λ(t) reflektiert, welche durch das optische Element der Kamera 5 zugeführt wird. Die Kamera 5 erzeugt ein Kamerabild mit Punktspuren, welche mehrere Punkte enthalten und den Beugungsordnungen zugeordnet sind.This in 1 A system for detecting and determining trajectories of an object moving through a detection space has a laser radiation device and a detection unit, which are mounted on an aircraft, and an evaluation unit 9 on. The laser radiation device consists of a multi-wavelength laser 1 and an optical lens system 3 for the multi-wavelength laser 1 with which the degree of divergence of the laser radiation device is regulated. The multi-wavelength laser 1 consists of a compact solid-state laser system and generates a pulsed radiation with a wavelength λ (t), which changes over time. The pulse frequency of the pulsed radiation is in the range of 10 kHz and the pulse width in the range of 1 ns. The one from the multi-wavelength laser 1 clamped detection space 13 consists of a conical space, which coincides with the radiation of the Wavelength λ (t) is irradiated. A point of the opened detection space 13 of the multi-wavelength laser 1 is therefore irradiated in two consecutive times t1 and t2 with radiation pulses of wavelength λ (t1) and λ (t2), so that the detection space 13 of the multi-wavelength laser 1 is time and wavelength encoded. The detection unit consists of a camera with a diffractive optical element and a lens system 6 for adaptation to the defined detection space to be detected. Furthermore, the detection unit has a time-of-flight detector 7 for the pulsed radiation provided by the multi-wavelength laser, which determines the time that a laser pulse from the multi-wavelength laser 1 to the object and back to the runtime detector 7 needed. The time-of-flight detector is a lens system 8th for adaptation to the multi-wavelength laser 1 Detection space to be detected 13 assigned. With this detection unit is the one in the detection room 13 moving object reflected, pulsed radiation detected. For example, an object flies through the detection space 15 m away from the detection unit 13 At a speed of about 900 m / s, it is hit at intervals of about 90 mm by laser pulses, which are about 90 ns for the way from the multi-wavelength laser 1 to the object and back to the capture unit. An object passes through the detection room 13 , radiation of the wavelength λ (t), which is transmitted through the optical element of the camera, is reflected at the object 5 is supplied. The camera 5 creates a camera image with dot tracks that contain multiple points and are assigned to the diffraction orders.

Mit einem Bildverarbeitungsverfahren wird der Abstand zwischen den Beugungsordnungen ermittelt, welcher von der Wellenlänge der Strahlung λ(t) abhängig ist. Da die Wellenlänge zeitabhängig ist, werden aus der Ermittlung des Abstandes zwischen den Beugungspunkten Informationen über die Flugbahn des Objekts ermittelt. Aus der gleichzeitigen Messung der Laufzeit mit dem Laufzeitdetektor 7 wird die Laufzeit der Pulse vom Multiwellenlängenlaser 1 zum Objekt und zurück zur Erfassungseinheit gemessen, so dass die Entfernung des Objektes und seine relative Geschwindigkeit zum System ermittelt wird. Auf Basis der erfassten Signale ermittelt die Auswertungseinheit die Flugbahn und den Ursprungsort des Objekts, so dass Maßnahmen, beispielsweise ein Ausweichmanöver, eingeleitet werden können.With an image processing method, the distance between the diffraction orders is determined, which is dependent on the wavelength of the radiation λ (t). Since the wavelength is time-dependent, information about the trajectory of the object is determined from the determination of the distance between the diffraction points. From the simultaneous measurement of the transit time with the transit time detector 7 is the duration of the pulses from the multi-wavelength laser 1 measured to the object and back to the detection unit, so that the distance of the object and its relative speed to the system is determined. On the basis of the detected signals, the evaluation unit determines the trajectory and the place of origin of the object, so that measures, for example an evasive maneuver, can be initiated.

2 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Systems mit einer Laserstrahlungsvorrichtung umfassend einen Multiwellenlängenlaser 1 und einen Kurzpulslaser 2, einer Erfassungseinheit und einer Auswertungseinheit 9. Die Laserstrahlungsvorrichtung und die Erfassungseinheit sind an einem beliebigen Fahrzeug angebracht. Die Laserstrahlungsvorrichtung besteht aus einem Multiwellenlängenlaser 1, ausgerüstet mit einem optischen Linsensystem 3, welches den Grad der Divergenz der Laserstrahlung so vergrößert, dass ein kegelförmiger Detektionsraum 13 definiert wird. Der Multiwellenlängenlaser 1 stellt kontinuierliche Strahlung bereit und besteht aus einem kompakten Festkörperlasersystem, welches kontinuierliche Strahlung mit einer sich zeitlich ändernden Wellenlänge λ(t) erzeugt. Ein Punkt des aufgespannten Detektionsraumes 13 des Multiwellenlängenlasers 1 wird daher in zwei aufeinander folgenden Zeitpunkten t1 und t2 mit Strahlung der Wellenlänge λ(t1) bzw. λ(t2) bestrahlt, so dass der Detektionsraum 13 des Multiwellenlängenlasers 1 zeitlich- und wellenlängencodiert ist. Ferner weist die Laserstrahlungsvorrichtung einen zweiten Kurzpulslaser auf, welcher gepulste Strahlung bereitstellt und einen zweiten Detektionsraum 14 aufspannt. Die Pulsfrequenz der gepulsten Strahlung liegt im Berich von 10 kHz und die Pulsbreite im Bereich von ins. Ein optisches Linsensystem 4 passt die emittierte Strahlung an den vom Multiwellenlängenlaser 1 bestrahlten Detektionsraum 13 an, so dass die von den beiden Laser definierten Detektionsräume 13, 14 eine vollständige räumliche Überlappung aufweisen. 2 shows a schematic view of a system according to the invention with a laser radiation device comprising a multi-wavelength laser 1 and a short pulse laser 2 , a detection unit and an evaluation unit 9 , The laser irradiation device and the detection unit are mounted on any vehicle. The laser radiation device consists of a multi-wavelength laser 1 , equipped with an optical lens system 3 , which increases the degree of divergence of the laser radiation so that a conical detection space 13 is defined. The multi-wavelength laser 1 provides continuous radiation and consists of a compact solid-state laser system which generates continuous radiation with a time-varying wavelength λ (t). A point of the opened detection space 13 of the multi-wavelength laser 1 is therefore irradiated at two successive times t1 and t2 with radiation of the wavelength λ (t1) or λ (t2), so that the detection space 13 of the multi-wavelength laser 1 is time and wavelength encoded. Furthermore, the laser radiation device has a second short-pulse laser, which provides pulsed radiation and a second detection space 14 spans. The pulse frequency of the pulsed radiation is in the range of 10 kHz and the pulse width in the range of ins. An optical lens system 4 adjusts the emitted radiation to that of the multi-wavelength laser 1 irradiated detection space 13 so that the detection spaces defined by the two lasers 13 . 14 have a complete spatial overlap.

Die Erfassungseinheit besteht aus einer Kamera mit einem optischen Beugungselement und einem Linsensystem 6 zur Adaption an den zu detektierenden, definierten Detektionsraum. Ferner weist die Erfassungseinheit einen Laufzeitdetektor 7 für die vom zweiten Kurzpulslaser bereitgestellte gepulste Strahlung auf, welcher die Zeit ermittelt, die ein Laserpuls vom Multiwellenlängenlaser 1 zum Objekt und zurück zum Laufzeitdetektor 7 benötigt. Dem Laufzeitdetektor ist ein Linsensystem 8 zur Adaption an den zu detektierenden Detektionsraum 13, 14 zugeordnet. Mit dieser Erfassungseinheit wird die an einem sich im Detektionsraum 13, 14 bewegenden Objekt reflektierte Strahlung erfasst. Durchfliegt ein Objekt in 15 m Abstand zur Erfassungseinheit den Detektionsraum 13, 14 mit einer Geschwindigkeit von ca. 900 m/s, so wird es in Abständen von ca. 90 mm von Laserpulsen getroffen, welche ca. 90 ns für den Weg vom Multiwellenlängenlaser 1 zum Objekt und zurück zur Erfassungseinheit benötigen. Durchfliegt ein Objekt den Detektionsraum 13, so wird an dem Objekt Strahlung der Wellenlänge λ(t) reflektiert, welche einerseits durch das optische Element der Kamera 5 zugeführt und anderseits dem Laufzeitdetektor 7 zugeführt wird. Die Kamera 5 erzeugt ein Kamerabild mit Punktspuren, welche mehrere Punkte enthalten und den Beugungsordnungen zugeordnet sind. Mit einem Bildverarbeitungsverfahren wird der Abstand zwischen den Beugungsordnungen ermittelt, welcher von der Wellenlänge der Strahlung λ(t) abhängig ist. Da die Wellenlänge zeitabhängig ist, werden aus der Ermittlung des Abstandes zwischen den Beugungspunkten Informationen über die Flugbahn des Objekts ermittelt. Aus der gleichzeitigen Messung der Laufzeit, der von dem zweiten Pulslaser emittierten Pulse mit dem Laufzeitdetektor 7, wird die Laufzeit der Pulse vom Multiwellenlängenlaser 1 zum Objekt und zurück zur Erfassungseinheit gemessen, so dass die Entfernung des Objektes und seine relative Geschwindigkeit zum System ermittelt wird. Der Laufzeitdetektor ist hierfür mit einem Filter ausgerüstet, welcher bevorzugt die vom Kurzpulslaser emittierte und anschließend am Objekt reflektierte Strahlung durchlässt und alle anderen Wellenlängen blockiert. Auf Basis der erfassten Signale ermittelt die Auswertungseinheit die Flugbahn und den Ursprungsort des Objekts und leitet automatisch die gewonnenen Daten an die Bodenstation, welche über zu ergreifende Gegenmaßnahmen entscheidet und diese durchführt.The detection unit consists of a camera with a diffractive optical element and a lens system 6 for adaptation to the defined detection space to be detected. Furthermore, the detection unit has a time-of-flight detector 7 for the pulsed radiation provided by the second short-pulse laser, which determines the time that a laser pulse from the multi-wavelength laser 1 to the object and back to the runtime detector 7 needed. The time-of-flight detector is a lens system 8th for adaptation to the detection space to be detected 13 . 14 assigned. With this detection unit is the one in the detection room 13 . 14 Moving object reflected radiation detected. An object passes through the detection space 15 m away from the detection unit 13 . 14 At a speed of about 900 m / s, it is hit at intervals of about 90 mm by laser pulses, which are about 90 ns for the way from the multi-wavelength laser 1 to the object and back to the capture unit. An object passes through the detection room 13 , radiation of the wavelength λ (t) is reflected at the object, which on the one hand by the optical element of the camera 5 supplied and on the other hand the delay detector 7 is supplied. The camera 5 creates a camera image with dot tracks that contain multiple points and are assigned to the diffraction orders. With an image processing method, the distance between the diffraction orders is determined, which is dependent on the wavelength of the radiation λ (t). Since the wavelength is time-dependent, information about the trajectory of the object is determined from the determination of the distance between the diffraction points. From the simultaneous measurement of the transit time, the pulses emitted by the second pulse laser with the transit time detector 7 , the duration of the pulses from the multi-wavelength laser 1 measured to the object and back to the detection unit, so that the distance of the object and its relative speed to the system is determined. For this purpose, the time-of-flight detector is equipped with a filter which preferably transmits the radiation emitted by the short-pulse laser and subsequently reflected at the object and blocks all other wavelengths. On the basis of the detected signals, the evaluation unit determines the trajectory and the place of origin of the object and automatically forwards the data obtained to the ground station, which decides on countermeasures to be taken and carries them out.

3 zeigt eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Multiwellenlängenlasers 1 der Erfindung für die zeitliche und Wellenlängen-Codierung des Detektionsraums 13. Der Multiwellenlängenlaser 1 besteht aus einer Mehrzahl von Hochleistungsdiodenlaser 16, welche unterschiedliche, zentrale Emissionswellenlängen aufweisen. Die einzelnen Diodenlaser 16 sind mit einer Energieversorgung und einer Zeitsteuerungseinheit 18 verbunden, welche die Diodenlaser mit der zum Betrieb erforderlichen Energie versorgt und die einzelnen Diodenlaser koordiniert, so dass die erwünschte, zeitliche Wellenlängenänderung im Strahlungskegel 11 stattfindet. Dabei ist jeder Hochleistungsdiodenlaser 16 mit einer optischen Faser verbunden, welche die Laserstrahlung führt. Die einzelnen optischen Fasern werden zu einem Faserbündel 15 zusammengefasst und weiter zusammengeführt. Dabei führt jede einzelne Faser die Strahlung eines bestimmten Hochleistungsdiodenlasers 16 zu dem Detektionsraum 13 des Multiwellenlängenlasers 1, wobei jeder einzelne Hochleistungsdiodenlaser 16 eine unterschiedliche, zentrale Emissionswellenlänge besitzt. Jede einzelne optische Faser 12 beleuchtet den kegelförmigen Strahlungskegel 11 jeweils für eine kurze Zeit mit der der Fasern zugeordneten Wellenlänge, so dass der Detektionskegel 11 zeitlich- und wellenlängencodiert aufgespannt wird. Die Wellenlängenänderung muss an die maximal mögliche Geschwindigkeit des Objekts angepasst sein und erfolgt in diesem Beispiel für eine Objektgeschwindigkeit von ca. 900 m/s mit einer Veränderungsrate im Bereich von 10 kHz. 3 shows a schematic view of a preferred embodiment of the multi-wavelength laser 1 the invention for the temporal and wavelength coding of the detection space 13 , The multi-wavelength laser 1 consists of a plurality of high power diode lasers 16 which have different, central emission wavelengths. The individual diode lasers 16 are with a power supply and a timing unit 18 which supplies the diode lasers with the energy required for operation and coordinates the individual diode lasers so that the desired temporal wavelength change in the radiation cone 11 takes place. Every high-power diode laser is here 16 connected to an optical fiber which guides the laser radiation. The individual optical fibers become a fiber bundle 15 summarized and further merged. Each individual fiber carries the radiation of a certain high-power diode laser 16 to the detection room 13 of the multi-wavelength laser 1 , each individual high-power diode laser 16 has a different, central emission wavelength. Every single optical fiber 12 illuminates the conical radiation cone 11 each for a short time with the wavelength associated with the fibers, so that the detection cone 11 spanned in terms of time and wavelength. The wavelength change must be adapted to the maximum possible speed of the object and takes place in this example for an object speed of about 900 m / s with a rate of change in the range of 10 kHz.

4 zeigt eine schematische Skizze eines aufgenommenen Kamerabildes. Dabei wurde die an einem Objekt reflektierte Strahlung durch ein Beugungselement der Kamera zugeführt. Das Kamerabild besteht aus Punktspuren, welche aus einer Mehrzahl von Punkten bestehen. Die einzelnen Punkte sind den Beugungsordnungen der erfassten Strahlung zugeordnet, d. h. der Abstand zwischen den einzelnen Punkten ist mit der Wellenlänge der erfassten Strahlung verbunden. Da die Wellenlänge der Strahlung sich zeitlich verändert, ist der Abstand zwischen den einzelnen Punkten bzw. die erzeugte Struktur der Bildpunkte ebenfalls mit einer Zeitinformation über die Zeit der Erzeugung des Bildpunktes verbunden, welche mit Hilfe eines Bildverarbeitungsverfahrens ermittelt wird. Im Kamerabild sind bei einer bestimmten Wellenlänge mehrere, den einzelnen Beugungsordnungen zugeordnete, Bildpunkte vorhanden, die von der am Objekt reflektierten Strahlung herrühren, so dass sich selbst bei einem ungünstigen Signal-zu-Rauschen-Verhältnis die im Kamerabild erzeugte Struktur gut erkennen und auswerten lässt. 4 shows a schematic sketch of a recorded camera image. In this case, the radiation reflected at an object was supplied to the camera through a diffraction element. The camera image consists of dot tracks consisting of a plurality of dots. The individual points are assigned to the diffraction orders of the detected radiation, ie the distance between the individual points is connected to the wavelength of the detected radiation. Since the wavelength of the radiation changes over time, the distance between the individual points or the generated structure of the pixels is also associated with a time information about the time of the generation of the pixel, which is determined by means of an image processing method. In the camera image, a plurality of individual diffraction orders are assigned to a certain wavelength, resulting from the radiation reflected at the object, so that even with an unfavorable signal-to-noise ratio, the structure generated in the camera image can be easily recognized and evaluated ,

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.The invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiment. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the illustrated solution even with fundamentally different types of use.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: MultiwellenlängenlaserMulti-wavelength laser
22: Pulslaserpulse laser
33: Optisches Linsensystem des MultiwellenlängenlasersOptical lens system of the multi-wavelength laser
44: Optisches Linsensystem des PulslasersOptical lens system of the pulse laser
55: Kamera zum Multiwellenlängenlaser mit optischem diffraktiven Element (DOE)Camera for multi-wavelength laser with optical diffractive element (DOE)
66: Linsensystem des Detektorsystems zum MultiwellenlängenlaserLens system of the detector system for multi-wavelength lasers
77: Laufzeitdetektor mit optischem Linsensystem 8 Time-of-flight detector with optical lens system 8th
88th: Linsensystem des LaufzeitdetektorsLens system of the transit time detector
99: Auswertungseinheitevaluation unit
1010: Trajektorie des sich bewegenden ObjektsTrajectory of the moving object
1111: Strahlungskegelradiation cone
1212: Optische FaserOptical fiber
1313: Detektionsraum des MultiwellenlängenlasersDetection space of the multi-wavelength laser
1414: Detektionsraum des PulslasersDetection space of the pulse laser
1515: Faserbündel oder einzelne FaserFiber bundles or single fiber
1616: HochleistungsdiodenlaserHigh-power diode lasers
1717: Faserausgänge zu Hochleistungsdiodenlaser mit optischem LinsensystemFiber outputs to high power diode laser with optical lens system
1818: Energieversorgung und ZeitsteuerungseinheitPower supply and time control unit

Claims

System for detecting and determining trajectories of a person passing through a first detection space ( 13 ) moving object, comprising a laser radiation device, which at least one multi-wavelength laser ( 1 ) for irradiating the first detection space ( 13 ), a detection unit for detecting one of a in the first detection space ( 13 ) moving object reflected radiation, which at least one camera ( 5 ) connected to a diffractive optical element (DOE), an evaluation unit ( 9 ), which on the basis of the signals detected by the detection unit, at least information about the trajectory of the object through the first detection space ( 13 ) and, where appropriate, the trajectory and the place of origin of the object, wherein the laser radiation device is designed such that the wavelength of the multi-wavelength laser ( 1 ) emitted radiation is temporally variable, and wherein the evaluation unit ( 9 ) evaluates information about the trajectory of the object from a camera image.

System for detecting and determining trajectories of a person passing through a first detection space ( 13 ) moving object according to claim 1, wherein the multi-wavelength laser ( 1 ) is designed as a continuous or pulsed laser.

System for detecting and determining trajectories of a person passing through a first detection space ( 13 ) moving object according to claim 2, wherein the laser ( 1 ) has short pulses with pulse widths in the nanosecond range and smaller and repetition rates in the kHz range and higher.

System for detecting and determining trajectories of an object moving through a first detection space according to one of the preceding claims, wherein the laser ( 1 ) defined first detection space ( 13 ) has an elliptical or circular cross-section.

System for detecting and determining trajectories of a person passing through a first detection space ( 13 ) moving object according to one of the preceding claims, wherein the multi-wavelength laser ( 1 ) of a plurality of fiber-coupled high-power diode lasers ( 16 ) or where the multi-wavelength laser ( 1 ) consists of one or more compact semiconductor or solid state lasers.

System for detecting and determining trajectories of an overlapping detection space ( 13 . 14 moving object according to one of the preceding claims, wherein the laser radiation device comprises a second laser ( 2 ), which has a second detection space ( 14 ) is irradiated with pulsed radiation, wherein the first detection space ( 13 ) in the second detection space ( 14 ) is included.

System for detecting and determining trajectories of an overlapping detection space ( 13 . 14 ) moving object according to claim 6, wherein the first detection space ( 13 ) of the multi-wavelength laser ( 1 ) and the second detection space ( 14 ) of the second laser have substantially complete spatial overlap.

System for detecting and determining trajectories of a first or an upper detection space ( 13 . 14 ) moving object according to one of the preceding claims, wherein the detection unit of the system comprises a time-of-flight detector which detects the time difference between pulse emission and detection of the pulses reflected by the object.

System for detecting and determining trajectories of a first or a superimposed detection space ( 13 . 14 moving object according to any one of the preceding claims, wherein the detection unit of the system comprises an optical lens device for adaptation to the light emitted by the multi-wavelength laser ( 1 ) or to the by the second laser ( 2 ) and to be detected first and second detection spaces ( 13 . 14 ).

Vehicle or static infrastructure with a system according to one of the preceding claims for the detection and determination of trajectories of a first or a higher detection space ( 14a . 14b ) moving object.

Method for detecting and determining trajectories of a first or a superimposed detection space ( 13 . 14 ) moving object, comprising the following steps: a) irradiation of a first detection space ( 13 ) with a multi-wavelength laser ( 1 ), the first detection space ( 13 ) is irradiated with radiation whose wavelength changes with time; b) detecting the at a in the first detection space ( 13 ) moving object reflected radiation with a detection unit; c) determining the path and possibly the distance and the speed of a in the first detection space ( 13 ) moving object with an evaluation unit ( 9 ) based on the detected by the detection unit, reflected laser radiation.

Method for determining trajectories of a first or a higher detection space ( 13 . 14 moving object according to claim 11, comprising the following additional steps: simultaneous to step a) irradiation of a second detection space ( 14 ) with a second pulse laser ( 2 ); Detecting the time difference between pulse emission and detection of the pulsed radiation of the second pulse laser reflected by the object with the detection unit in addition to step b).