DE102010010835A1

DE102010010835A1 - Laserentfernungssensor

Info

Publication number: DE102010010835A1
Application number: DE201010010835
Authority: DE
Inventors: Dr. Barenz Joachim; Eugen Romasew; Dr. Tholl Hans Dieter
Original assignee: Diehl BGT Defence GmbH and Co KG
Current assignee: Diehl BGT Defence GmbH and Co KG
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2011-09-15

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Laserentfernungssensor (6) mit einer Lasereinheit (10), einer Detektoreinheit (44) zum Empfangen von an einem Objekt (4, 50) reflektierter Laserstrahlung (36) der Lasereinheit (10) und einem Steuermittel (46), das dazu vorbereitet ist, ein Aussenden von Laserstrahlung (18) aus der Lasereinheit (10) zu steuern und eine Entfernung zum Objekt (4, 50) aus einer Eigenschaft der Laserstrahlung (36) zu ermitteln. Um zusätzlich zur Entfernung eine Raumrichtung des Objekts ermitteln zu können, wird vorgeschlagen, dass der Laserentfernungssensor (6) ein Mittel (20) zum Aufweiten der Laserstrahlung (18) in einen zumindest zweidimensionalen Raumbereich (22, 64) enthält, wobei die Detektoreinheit (10) dazu geeignet ist, eine Herkunftsrichtung der reflektierten Laserstrahlung (36) innerhalb des Raumbereichs (22, 64) räumlich aufzulösen und das Steuermittel (46) dazu vorbereitet ist, aus einem Signal der Detektoreinheit (10) eine Richtung des Objekts (4, 50) innerhalb des Raumbereichs (22, 64) zu ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft einen Laserentfernungssensor mit einer Lasereinheit, einer Detektoreinheit zum Empfangen von an einem Objekt reflektierter Laserstrahlung der Lasereinheit und einem Steuermittel, das dazu vorbereitet ist, ein Aussenden von Laserstrahlung aus der Lasereinheit zu steuern und eine Entfernung zum Objekt aus einer Eigenschaft der Laserstrahlung zu ermitteln.
An moderne Waffensysteme wird eine Vielzahl von operationellen und taktischen Forderungen gestellt. Besonders wichtig ist die optimierte Wirkung im Ziel bei minimalen Kollateralschäden. Dazu werden in den Effektoren Gefechtsköpfe verwendet, deren Zündzeitpunkt nach einem oder mehreren Parametern gesteuert, zumindest eingestellt werden kann. Ein solcher Parameter ist eine Entfernung zum Ziel. Zum Erkennen der Entfernung wird ein Entfernungssensor verwendet, der während der Annäherung an das Ziel laufend die Entfernung zum Ziel ermittelt. Die Arbeitsweise des Sensors kann radarbasiert sein oder mit elektro-optischen Messverfahren erfolgen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Laserentfernungssensor anzugeben, mit dem ein besonders effektiver Zündzeitpunkt eines Effektors eines Flugkörpers gewählt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Laserentfernungssensor der eingangs genannten Art gelöst, der erfindungsgemäß ein Mittel zum Aufweiten der Laserstrahlung in einen zumindest zweidimensionalen Raumbereich aufweist, wobei die Detektoreinheit dazu geeignet ist, eine Herkunftsrichtung der reflektierten Laserstrahlung innerhalb des Raumbereichs räumlich aufzulösen und das Steuermittel dazu vorbereitet ist, aus einem Signal der Detektoreinheit eine Richtung des Objekts innerhalb des Raumbereichs zu ermitteln.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein effektiver Zündzeitpunkt in Szenarien mit hohen Annäherungsgeschwindigkeiten und in Szenarien, die eine hohe Agilität des Effektors zur Punktzielbekämpfung erfordern, nicht nur von der Entfernung des Effektors zum Ziel abhängt, sondern auch von der Richtung des Ziels relativ zur Flugrichtung des Effektors. Je nach Gefechtssituation kann es sinnvoll sein, den Gefechtskopf gerichtet abzustoßen oder zu zünden, um Restablagefehler zu verkleinern. Insbesondere bei einer hohen Annäherungsgeschwindigkeit beispielsweise zweier Flugkörper aufeinander zu ist es sinnvoll, die Ausbreitungszeit der Effektorladung zum zu treffenden Flugkörper zu berücksichtigen, um den Effektor so zeitig zu zünden, dass die Effektorladung bei seitlicher Ausbreitung den zu treffenden Flugkörper auch trifft und seine Flugbahn nicht zu früh oder zu spät kreuzt.
Eine solche Zündung erfordert neben der Entfernung zum Ziel auch die möglichst genaue Ablageinformation, also Information darüber, in welcher Richtung sich das zu treffende Objekt relativ zu einer vorbestimmten Richtung befindet, z. B. relativ zur eigenen Flugrichtung.
Die Richtungsinformation wird beim oder kurz vor dem Zündzeitpunkt benötigt. Zu diesem Zeitpunkt ist das Ziel in der Regel relativ dicht am Effektor. Da sich die Richtung auf das Ziel bei einer schnellen Annäherung an ein nahes Ziel, insbesondere bei zwei sich begegnenden Flugkörpern, sehr schnell ändern kann, sollte die Richtungserkennung mit einer hohen Zeitauflösung erfolgen, vorteilhafterweise über 1 kHz, insbesondere über 10 kHz. Ein Abscannen des zu überwachenden Raumbereichs kann hierfür zu langsam sein.
Durch das Aufweiten des Laserstrahls in den gesamten zu überwachenden Raumbereich hinein kann der gesamte Raumbereich abgetastet werden ohne dass ein zeitintensives Scannen durch den Raumbereich nötig ist. Der Raumbereich kann kontinuierlich oder mittels einer schnellen Abfolge von Laserpulsen zeitlich hoch aufgelöst überwacht werden. Mithilfe der bekannten Richtung des Objekts und seiner Entfernung zu einem vorgegebenen Punkt, z. B. der Detektoreinheit, können die Raumkoordinaten, insbesondere die dreidimensionalen Raumkoordinaten des Objekts erfasst werden. Die Richtung und/oder die Raumkoordinaten können zum Ermitteln eines Zeitpunkts für ein Auslösen des Effektors verwendet werden.
Der beleuchtete Raumbereich ist zumindest zweidimensional. Dieser Angabe liegt das Verständnis zugrunde, dass ein Laserstrahl ohne Aufweitung entlang einer geraden Linie verläuft und somit eindimensional ist. Bei einer Aufweitung in eine Raumrichtung verläuft der aufgeweitete Laserstrahl in einer geraden oder gekrümmten Fläche, beleuchtet also einen zweidimensionalen Raumbereich. Aufgeweitet wird zweckmäßigerweise ein ruhender Strahl aus dem Laser. Durch eine zweidimensionale Aufweitung kann der gesamte dreidimensionale Raum ausgeleuchtet werden.
Die Lasereinheit ist vorteilhafterweise mit mindestens einem Laser ausgerüstet, insbesondere mit mehreren Lasern, die in unterschiedliche Teilbereiche des Raumbereichs gerichtet sind, wobei jeder Laser – zusammen mit zweckmäßigerweise je einem Mittel zum Aufweiten der Laserstrahlung – zum Ausleuchten eines Teilbereichs vorgesehen ist. In einer besonders einfachen Anordnung ist der Laser bzw. die Ausrichtung der Laserstrahlung aus dem Laser relativ zum Raumbereich bzw. zu einer vorbestimmten Richtung, z. B. einer Flugkörperachse, fixiert, zumindest nach einem Start des Flugkörpers, so dass die Laserstrahlung hinsichtlich seiner Ausrichtung in den einen Raumbereich fixiert bleiben kann. Die Detektoreinheit kann einen oder mehrere Detektoren enthalten. Bei Vorhandensein mehrerer Laser ist zweckmäßigerweise jedem Laser ein Detektor der Detektoreinheit zugeordnet, insbesondere fest zugeordnet. Die Zuordnung kann über die Auswahl des Raumbereichs erfolgen, in den der Laser strahlt und den der Detektor abtastet.
Der Raumbereich kann über ein vorbestimmtes Koordinatensystem festgelegt sein, das die Längsachse des Flugkörpers oder eine andere Richtung als eine Koordinatenrichtung, insbesondere als Symmetrierichtung enthalten kann. Durch das Aufweiten wird der Raumbereich vorteilhafterweise zu einem einzigen Zeitpunkt insgesamt durch die Laserstrahlung ausgeleuchtet. Aus dem Signal der reflektierten und von der Detektoreinheit erfassten Laserstrahlung, das zu einem einzigen Zeitpunkt abgestrahlt wurde, z. B. als ein einziger Laserpuls, können objektfreie Richtungen von der Richtung des Objekts innerhalb des Raumbereichs unterschieden werden. Hierbei kann die Herkunftsrichtung der reflektierten Strahlung von anderen Richtungen innerhalb des Raumbereichs unterschieden werden.
Eine Möglichkeit der Richtungsbestimmung kann auf Triangulation basieren. Diese Möglichkeit kann realisiert werden, wenn das Steuermittel dazu vorbereitet ist, eine Entfernung zum Objekt aus einem Einfallswinkel der reflektierten Laserstrahlung zu ermitteln. Der Einfallswinkel kann sich auf eine vorbestimmte Richtung beziehen. Diese Möglichkeit bietet den Vorteil, dass auf eine Laufzeitbestimmung der Laserstrahlung verzichtet werden kann, so dass der Raumbereich kontinuierlich ausgeleuchtet werden kann oder mit einer Pulsrate, die von einer Auswertetaktung unabhängig ist. Die Ermittlung der Richtung und der Entfernung des Objekts kann anhand der Signale der Detektoreinheit erfolgen. Diese kann einen zweidimensional empfindlichen Detektor aufweisen, z. B. einen Matrixdetektor, wobei die Richtungsinformation aus der Auflösung in eine Dimension und die Entfernungsinformation aus der Auflösung in die zweite Dimension gewonnen werden kann.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist Steuermittel dazu vorbereitet, ein Aussenden eines Lichtpulses aus der Lasereinheit zu steuern und eine Entfernung zum Objekt aus einer Laufzeit des Lichtpulses zu ermitteln. Durch die Trennung der Ermittlung von Entfernung und Richtung in zwei unterschiedliche Auswerteverfahren können beide Größen sehr genau ermittelt werden.
Je weniger Aufwand mit der Auswertung der Signale der Detektoreinheit verbunden ist, desto schneller kann die Auswertung und somit zeitlich höher aufgelöst die Raumüberwachung erfolgen. Es ist daher vorteilhaft, wenn der Raumbereich möglichst klein ist, also einen kleinen Raumwinkel überdeckt. Hierbei sollte jedoch eine Rundumüberwachung möglich sein, um das Objekt in jedem Fall zumindest zu einem für das Auslösen wichtigen Zeitpunkt zu orten. Eine Rundumüberwachung bei kleinem Raumbereich ist möglich, wenn der Raumbereich zumindest im Wesentlichen zweidimensional ist. Da die Abbildung des zweidimensionalen Raumbereichs auf eine Fläche eindimensional ist, kann eine auszuwertende Fläche der Detektoreinheit eindimensional sein, wobei die Eindimensionalität dann realisiert sein kann, wenn die Ortsauflösung der Detektoreinheit in Bezug zum Raumbereich nur eindimensional ist.
Die empfindliche Fläche der Detektoreinheit kann in Form einer mehrzelligen empfindlichen Fläche aufgebaut sein, z. B. einer eindimensionalen Reihe mit N Pixeln, wobei jedem Pixel ein Raumwinkelbereich des Raumbereichs zugeordnet ist. Der Vorteil dieser Konstruktion liegt in der guten Ortsauflösung der reflektierten Strahlung auf der Fläche.
Ein anderer Vorteil, nämlich die Möglichkeit eines sehr schnellen Auslesens des Detektorsignals, kann erreicht werden, wenn die Detektoreinheit einen Lateraleffektdetektor umfasst. Die Ortsbestimmung auf der Fläche kann durch den Lateraleffekt oder Flächeneffekt erfolgen, durch den eine Ortsauflösung mit einem einzelligen Detektor erreichbar ist. Auf ein Auslesen der Signaldaten vieler Detektorelemente eines Matrixdetektors kann verzichtet werden.
Eine schnell getaktete Rundumüberwachung eines Raumbereichs um eine vorbestimmte Richtung herum, z. B. die Längsrichtung eines Flugkörpers, kann erreicht werden, wenn der Raumbereich eine Kragenform um die vorbestimmte Richtung hat, die insbesondere symmetrisch um die vorbestimmte Richtung ist. Der Kragen kann konisch und zumindest im Wesentlichen zweidimensional sein. Er kann teilweise oder vollständig um die vorbestimmte Richtung herumgeführt sein. Zur Ausbildung eines vollständig herumgeführten Kragens können mehrere Teilbereiche des Raumbereichs hintereinander angeordnet sein. Zweckmäßigerweise weist der Kragen, insbesondere ein konischer Kragen, einen Öffnungswinkel von ca. 30°–60° auf, wodurch eine besonders effektive Überwachung eines Raumbereichs möglich ist.
Vorzugsweise ist ein Mittel zum Einstellen des Raumbereichs relativ zu einer vorbestimmten Richtung vorhanden. Der Raumbereich, z. B. im spitzeren oder flacheren Winkel zu einer Flugrichtung, kann je nach vorgesehener Zielklasse verschieden eingestellt werden, insbesondere vor einem Start des Flugkörpers. Eine Variation des Raumbereichs, z. B. des Konus, während eines Flugs ermöglicht eine dreidimensionale Raumüberwachung – unter Mitberücksichtigung der Entfernungsermittlung – während des Flugs und damit eine frühzeitige Richtungserkennung und Richtungsverfolgung des Objekts.
Enthält der Raumbereich zumindest zwei Teilbereiche und ist das Steuermittel dazu vorbereitet, aus Laserstrahlung aus den beiden Teilbereichen eine Geschwindigkeit des Objekts zu ermitteln, so kann diese weitere Information über das Objekt zur weiteren Präzisierung der Objektbekämpfung herangezogen werden. Die Teilbereiche können voneinander beabstandet sein, so dass eine Zeitspanne zwischen einem Reflexionssignal aus einem Teilbereich und einem Reflexionssignal aus dem anderen Teilbereich liegt zur besseren Auswertung der Geschwindigkeit. Die Teilbereiche können mehrere Konusse sein. Die Geschwindigkeit kann die Annäherungsgeschwindigkeit an das Objekt sein oder bzw. der Geschwindigkeitsvektor senkrecht dazu.
Der erfindungsgemäße Laserentfernungssensor ist besonders vorteilhaft anwendbar zur Implementierung in einen Flugkörper mit einem Effektor. Der Flugkörper kann ein Lenkflugkörper oder ein ungelenkter Flugkörper sein, ein Flugzeug oder ballistische Munition, wie ein Artilleriegeschoss, das mit oder ohne Lenkfunktion ausgeführt sein kann. Bei diesen Ausführungsformen der Erfindung ist das Steuermittel vorteilhafterweise zum Auslösen des Effektors unter Berücksichtigung der Richtung des Objekts vorbereitet. Beispielsweise kann das Steuermittel zum Ausrichten einer Wirkrichtung des Effektors unter Berücksichtigung des Orts des Objekts vorbereitet sein.
Bei einem Flugkörper bildet der Raumbereich zweckmäßigerweise einen nach vorne gerichteten Kragen um die vorgesehene Flugrichtung bzw. um die Längsrichtung des Flugkörpers. Wie weit der Kragen nach vorne gerichtet ist, also mit welchem Winkel zur Flugrichtung bzw. Längsrichtung, kann fest eingestellt oder variabel sein, z. B. in Abhängigkeit von einem zu bekämpfenden Objekt.
Die Erfindung ist außerdem auf ein Verfahren zum Bestimmen einer Entfernung eines Objekts gerichtet, bei dem ein das Objekt enthaltender Raumbereich durch eine Lasereinheit ausgeleuchtet wird, vom Objekt reflektierte Laserstrahlung mit einer Detektoreinheit empfangen wird und die Entfernung zum Objekt aus einer Eigenschaft der Laserstrahlung ermittelt wird.
Zur Ermittlung einer Richtung des Objekts wird vorgeschlagen, dass die Laserstrahlung erfindungsgemäß in einen zumindest zweidimensionalen Raumbereich aufgeweitet wird, der durch die Laserstrahlung simultan ausgeleuchtet wird, eine Herkunftsrichtung der reflektierten Laserstrahlung innerhalb des Raumbereichs räumlich aufgelöst wird und eine Richtung des Objekts aus der Herkunftsrichtung ermittelt wird. Zur Steuerung dieser und einzelner oder aller im Folgenden beschriebenen Verfahrensschritte kann ein Steuermittel vorbereitet sein.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung und die Beschreibung enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
Es zeigen:
1 einen Flugkörper mit einem Laserentfernungssensor, der einen konischen Raumbereich beleuchtet, in dem sich ein entgegenkommender Flugkörper befindet,
2 eine Schnittdarstellung durch den Laserentfernungssensor,
3 ein Diagramm eines Empfangssignals des Laserentfernungssensors über die Zeit,
4 eine schematische Sicht auf einen alternativen Laserentfernungssensor und
5 einen Flugkörper mit einem Laserentfernungssensor, der zwei konische Teilbereiche eines Raumbereichs beleuchtet, in dem sich ein entgegenkommender Flugkörper befindet.
1 zeigt zwei einander schräg entgegenkommende Flugkörper 2, 4, von denen zumindest der Flugkörper 2 ein Lenkflugkörper ist, der zur Abwehr des Flugkörpers 4 eingesetzt ist. Der Flugkörper 2 ist mit einem Laserentfernungssensor 6 ausgestattet, der in 2 detaillierter darstellt ist.
2 zeigt den Laserentfernungssensor 6 in einer schematischen Schnittdarstellung durch einen Teil des Flugkörpers 2 parallel zu dessen Längsachse 8, die parallel zur Flugrichtung des Flugkörpers 2 ist. Der Laserentfernungssensor 6 umfasst eine Lasereinheit 10 mit zumindest einem Laser 12, der durch ein Fenster 14 in der Außenhaut 16 des Flugkörpers 2 nach außen und schräg nach vorne Laserstrahlung 18 aussendet. Der Laser 12 ist ein Halbleiterlaser mit einer Wellenlänge von 905 nm oder 1550 nm, dessen eindimensionaler Laserstrahl durch eine Strahlformoptik 20 in einen zweidimensionalen Raumbereich 22 gelenkt wird, so dass dieser durch den aufgeweiteten Laserstrahl zu einem einzigen Zeitpunkt homogen ausgeleuchtet wird. Die Strahlformung kann durch klassische Strahlformelemente, wie eine Zylinderlinse, eine Fresnel-Linse, ein Prisma oder dergleichen oder ein diffraktives optisches Element erfolgen.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Lasereinheit 10 vier Laser 12, die jeweils durch ein Fenster 14 nach außen in einen Teilbereich 24, 26, 28, 30 des Raumbereichs 22 strahlen. Der Raumbereich 22 ist konisch und symmetrisch um die Verlängerung der Längsachse 8 mit einem Öffnungswinkel von 40° geformt und ist rund um den Flugkörper 2 geführt. Jeder Teilbereich 24, 26, 28, 30 deckt einen zweidimensionalen Bereich von 90° ab, der eine zu vernachlässigende Dicke 32 von wenigen Grad hat.
Zu den Zeitpunkten, an denen der Flugkörper 4 im Raumbereich 22 ist, wird Laserstrahlung 18 von ihm reflektiert. Der zum Fenster 34 reflektierte Anteil 36 wird durch Strahlbündelelemente 38, 40 einer Empfangsoptik auf einen Detektor 42 fokussiert und dort registriert. Die Apertur der Empfangsoptik kann identisch sein wie die Sende-Apertur des Lasers 12. Der Detektor 42 ist Teil einer Detektoreinheit 44, die so viele Detektoren 42 umfasst, wie die Lasereinheit 10 Laser 12, also vier in diesem Ausführungsbeispiel. Jeder Detektor 42 tastet jeweils einen Teilbereich 24, 26, 28, 30 ab, so dass jedem Laser 12 genau ein Detektor 42 zugeordnet ist. Die beiden Fenster 14, 34 in der Außenhaut 16 des Flugkörpers 2 sind im oberen Bereich von 2 schematisch in einer Draufsicht dargestellt.
Jeder der Detektoren 42 ist jeweils mit einem eindimensionalen positionssensitiven Element ausgestattet, z. B. einer Lateraleffekt-Fotodiode mit hoher elektrischer Bandbreite oder einer Diodenzeile mit M Elementen. Die Eindimensionalität bezieht sich auf die Auflösung der Detektoren 42, die ihren Teilbereich 24, 26, 28, 30 eindimensional auflösen können, in Richtung der Dicke 32 jedoch keine Auflösung haben. Jede Empfangsoptik bildet den ihr zugewiesenen Teilbereich 24, 26, 28, 30 auf den eindimensionalen Empfangsbereich des Detektors 42 ab, so dass ein Gegenstand, der sich an einem beliebigen Punkt des Teilbereichs 24, 26, 28, 30 befindet, auf dem Detektor 42 eindimensional abgebildet wird.
Die fokussierte Strahlung wird in der Diode in einen Strom S (3) gewandelt, der über zwei Elektroden abfließen kann. Die Differenz der Ströme S₁, S₂ an beiden Elektroden bezogen auf den Summenstrom S ergibt die Position der reflektierten Strahlung auf dem Empfangsbereich des Detektors 42 und damit den Sehfeldwinkel des Schwerpunkts des reflektierenden Objekts.
In einem ersten Ausführungsbeispiel strahlen die Laser 12 jeweils Laserpulse mit einer Pulsweite von 10 ns bis 15 ns oder kürzer aus. Die Entfernung vom Detektor 42 bis zum reflektierenden Objekt kann aus der Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt des Aussendens des Laserpulses und dem Erreichen eines Schwellwerts S₀ (3) des Summenstroms S berechnet werden. Somit lassen sich Entfernung und Ablage zum Objekt und damit der zweidimensionale Ort des Objekts im Raumbereich 22 bezüglich eines vorbestimmten Koordinatensystems, z. B. eines flugkörpertesten Koordinatensystems, von einem Steuermittel 46 berechnen, das zum Steuern des Aussenden des Laserpulses und zur Auswertung des Stroms S₁, S₂ der Elektroden vorbereitet ist.
In 3 ist der Summenstrom S(t) der Ströme S₁(t) und S₂(t) der beiden Elektroden über die Zeit t aufgetragen. Die beiden Stromanteile S₁(t) und S₂(t) der Lateraleffekt-Fotodiode werden in einer detektornahen Elektronik getrennt verstärkt und analog summiert. Anschließend wird der Summenstrom S(t) in einem Komparator mit einem Schwellwert S₀ verglichen, der so hoch gewählt ist, dass er zuverlässig über einem Grundrauschen liegt. Das binäre Signal wird auf den Eingang einer Uhr gegeben, z. B. eines sogenannten Time-to-Digital-Converters. Diese bestimmt die Zeitdifferenz Δt = t₁ – t₀ zwischen dem Zeitpunkt t₀, zu dem der Laserpuls ausgesendet wurde, und dem Zeitpunkt t₁, an dem der Summenstrom S(t) den Schwellwert S₀ überschritten hat. Aus der Zeitdifferenz bestimmt das Steuermittel 46 die Entfernung zum Objekt, im Fall aus 1 dem reflektierenden Abschnitt der Außenhaut des Flugkörpers 4.
Parallel werden die Amplituden S⁰ ₁ und S⁰ ₂ der verstärkten Signale S₁(t) und S₂(t) über einen Spitzenwert-Gleichrichter detektiert und mittels eines AD-Wandlers, wie eines internen AD-Wandlers eines Microcontollers des Steuermittels 46, gewandelt. Das Steuermittel 46 kann dann die Ablage zum Objekt aus den Amplituden über die Beziehung (S⁰ ₁ – S⁰ ₂)/(S⁰ ₁ + S⁰ ₂) ermitteln.
Ist der AD-Wandler schnell genug, kann auf einen Spitzenwertgleichrichter verzichtet werden und die Signale direkt gewandelt werden. Mittels digitaler Signalverarbeitung können so die Signalamplituden ermittelt werden. Hierzu kann ein Datenpuffer rollierend mit dem digitalisierten Signalverlauf S₁(t) und S₂(t) beschrieben werden, also z. B. immer wieder neu beschrieben werden entsprechend seiner Speicherkapazität bzw. Speichertiefe. Das stetige Überschreiben des Datenpuffers kann gestoppt werden, wenn ein Reflexionssignal erkannt wurde, z. B. zu einem festgelegten Zeitpunkt nach dem Überschreiten des Summensignals S(t) über den Schwellwerte S₀. Durch den vorliegenden digitalisierten Verlauf der Signale lassen sich weitere Signalverarbeitungsschritte anschließen zur Erhöhung der Messgenauigkeit und/oder zur Unterdrückung der Störbarkeit durch Falschziele mit Hilfe einer Kurvenformanalyse.
Auch ohne Vorliegen des digitalisierten Signalverlaufs können Schritte zur Steigerung der Erkennung eines Reflexes, der Bestimmungsgenauigkeit der Entfernung und/oder der Ablage des Reflexes bzw. der Richtungsbestimmung vorgenommen werden. Zur Steigerung der Bestimmungsgenauigkeit der Entfernung kann anstelle des Zeitpunkts t₁ der Zeitpunkt t₂ verwendet werden, an dem der Strom S(t) sein Maximum erreicht. In erster Näherung kann t₂ als Mittelwert zwischen t₁ und t₃ angenommen werden, also dem Zeitpunkt, an dem der Summenstrom S(t) wieder unter den Schwellwerte S₀ fällt. Dies setzt einen zumindest im Wesentlichen symmetrischen Verlauf des Summenstroms S(t) voraus.
Hierdurch kann der so genannte „Walk Error” umgangen werden, also dem Fehler, der durch eine Verschiebung von t₁ in Abhängigkeit von der Maximalamplitude S_max auftritt. In 3 sind zwei Reflexsignale des gleichen Objekts darstellt: ein starkes Signal und ein schwächeres Signal mit der gleichen Signalform. Bei dem schwächeren Signal steigt der Summenstrom S(t) erst zu einem späteren Zeitpunkt t'₁ über den Schwellwert S0, so dass die Auswertung Δt = t'₁ – t₀ zu einem größeren Wert führen würde und dieser wiederum zu einer größeren Entfernung des Objekts. Ist die Form des Signals unbekannt und möglicherweise grob unsymmetrisch, so ist auch die Annahme t₂ = (t'₃ + t'₁)/2 nicht hilfreich.
Als weitere Möglichkeit zur Verringerung des Walk Errors kann t'₁ bzw. t₁ in Abhängigkeit von der Signalamplitude S_max korrigiert werden, so dass eine kleinere als eine vorbestimmte Amplitude zu einer rechnerisch-korrektiven zeitlichen Vorverlagerung von t'₁ führt. Sowohl im Falle der bisher genannten analogen als auch der digitalen Signalverarbeitung können weitere insbesondere digitale Verarbeitungsschritte angeschlossen werden, wie eine gleitende Mittelwertbildung oder komplexe Filteroperationen, z. B. Kalman-Filterung.
Eine weitere Möglichkeit der winkelaufgelösten Entfernungserkennung wird anhand 4 erläutert. Die Methode basiert auf der Triangulation. Wie beim Ausführungsbeispiel aus den 1 und 2 wird der Raumbereich 22 homogen ausgeleuchtet, z. B. zweidimensional entlang einer ersten Raumrichtung 48. Der am Objekt 50, z. B. dem Flugkörper 4, reflektierte Anteil 36 der reflektierten Strahlung wird über die Empfangsoptik 52 auf einen Detektor 54 mit einem zweidimensionalen Empfangsbereich geleitet, z. B. einem Matrixdetektor mit einer Feld von N × M Detektorzellen. Die eine Koordinate 56 des Strahlungsschwerpunkts auf dem Empfangsbereich gibt den Ort des Objekts 50 in erster Raumrichtung 48 wieder. Die andere Koordinate 58 ist durch die bekannte Basis 60 des Dreiecks von der Strahlformoptik 20 über den Reflexort am Objekt 50 zur Empfangsoptik 52 über den Elevationswinkel 62 ein eindeutige Maß für die Entfernung von der Strahlformoptik 20 oder der Empfangsoptik 52 zum Reflexort.
Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der ausgeleuchtete Raumbereich 64 aus zwei Teilbereichen 66, 68, die jeweils einen konischen Kragen z. B. symmetrisch um die Längsachse 8 des Flugkörpers 2 bilden. Dies kann durch eine Lasereinheit mit acht Lasern 12 und eine Detektoreinheit mit acht Detektoren 42 oder auch anders erreicht werden. Der zu bekämpfende Flugkörper 4 durchfliegt beide Teilbereiche 66, 68 mit einem Zeitversatz, der durch den Abstand 70 der beiden Teilbereiche 66, 68 voneinander in der Entfernung des Flugkörpers 4, dessen Flugrichtung und dessen Geschwindigkeit relativ zum Flugkörper 2 festgelegt ist. Die Entfernung des Flugkörpers 4 wird wie oben bestimmt. Dessen Flugrichtung kann aus den beiden erkannten Orten bzw. Richtungen des Flugkörpers 4 bestimmt werden. Aus diesen Daten kann somit die Geschwindigkeit des Flugkörpers 4 z. B. relativ zum Flugkörper 2 ermittelt werden.
In allen beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das Steuermittel 46 mit allen Lasern 12 steuernd und mit allen Detektoren 42 auswertend verbunden. Je nach zu bekämpfendem Ziel, z. B. der Art des Flugkörpers 4, dessen Relativgeschwindigkeit und Flugrichtung ist ein optimaler Zündzeitpunkt zum Auslösen des Effektors des Flugkörpers 2 jeweils unterschiedlich. Ein guter oder der optimale Zündzeitpunkt zum Auslösen wird von dem Steuermittel berechnet und der Effektor wird entsprechend ausgelöst. Die Berechnung geschieht hierbei unter Berücksichtigung der Richtung des Objekts, um dieses möglichst effektiv durch die Ladung bzw. Geschosse des Effektors zu treffen.
Bezugszeichenliste

2: Flugkörper
4: Flugkörper
6: Laserentfernungssensor
8: Längsachse
10: Lasereinheit
12: Laser
14: Fenster
16: Außenhaut
18: Laserstrahlung
20: Strahlformoptik
22: Raumbereich
24: Teilbereich
26: Teilbereich
28: Teilbereich
30: Teilbereich
32: Dicke
34: Fenster
36: Anteil
38: Strahlbündelelement
40: Strahlbündelelement
42: Detektor
44: Detektoreinheit
46: Steuermittel
48: Raumrichtung
50: Objekt
52: Empfangsoptik
54: Detektor
56: Koordinate
58: Koordinate
60: Basis
62: Elevationswinkel
64: Raumbereich
66: Teilbereich
68: Teilbereich
70: Abstand

Claims

Laserentfernungssensor (6) mit einer Lasereinheit (10), einer Detektoreinheit (44) zum Empfangen von an einem Objekt (4, 50) reflektierter Laserstrahlung (36) der Lasereinheit (10) und einem Steuermittel (46), das dazu vorbereitet ist, ein Aussenden von Laserstrahlung (18) aus der Lasereinheit (10) zu steuern und eine Entfernung zum Objekt (4, 50) aus einer Eigenschaft der Laserstrahlung (36) zu ermitteln, gekennzeichnet durch ein Mittel (20) zum Aufweiten der Laserstrahlung (18) in einen zumindest zweidimensionalen Raumbereich (22, 64), wobei die Detektoreinheit (10) dazu geeignet ist, eine Herkunftsrichtung der reflektierten Laserstrahlung (36) innerhalb des Raumbereichs (22, 64) räumlich aufzulösen und das Steuermittel (46) dazu vorbereitet ist, aus einem Signal der Detektoreinheit (10) eine Richtung des Objekts (4, 50) innerhalb des Raumbereichs (22, 64) zu ermitteln.
Laserentfernungssensor (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel (46) dazu vorbereitet ist, eine Entfernung zum Objekt (4, 50) aus einem Einfallswinkel der reflektierten Laserstrahlung (36) zu ermitteln.
Laserentfernungssensor (6) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel (46) dazu vorbereitet ist, ein Aussenden eines Lichtpulses aus der Lasereinheit (10) zu steuern und eine Entfernung zum Objekt (4, 50) aus einer Laufzeit des Lichtpulses zu ermitteln.
Laserentfernungssensor (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Raumbereich (22, 64) auf einem eindimensionalen Empfangsbereich der Detektoreinheit (42) abgebildet ist.
Laserentfernungssensor (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinheit (42) einen Lateraleffektdetektor umfasst.
Laserentfernungssensor (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Raumbereich (22, 64) eine Kragenform um eine vorbestimmte Richtung hat.
Laserentfernungssensor (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Raumbereich (64) zumindest zwei Teilbereiche (66, 68) enthält und das Steuermittel (46) dazu vorbereitet ist, aus Laserstrahlung aus den beiden Teilbereichen (66, 68) eine Geschwindigkeit des Objekts (4, 50) zu ermitteln.
Flugkörper mit einem Effektor und einem Laserentfernungssensor (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel (46) zum Auslösen des Effektors unter Berücksichtigung der Richtung des Objekts (4, 50) vorbereitet ist.
Flugkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Raumbereich (22, 64) einen nach vorne gerichteten Kragen um die vorgesehene Flugrichtung bildet.
Verfahren zum Bestimmen einer Entfernung eines Objekts (4, 50), bei dem ein das Objekt (4, 50) enthaltender Raumbereich (22, 64) durch eine Lasereinheit (10) ausgeleuchtet wird, vom Objekt (4, 50) reflektierte Laserstrahlung (36) mit einer Detektoreinheit (44) empfangen wird und die Entfernung zum Objekt (4, 50) aus einer Eigenschaft der Laserstrahlung (36) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (18) in einen zumindest zweidimensionalen Raumbereich (22, 64) aufgeweitet wird, der durch die Laserstrahlung (18) simultan ausgeleuchtet wird, eine Herkunftsrichtung der reflektierten Laserstrahlung (36) innerhalb des Raumbereichs (22, 64) räumlich aufgelöst wird und eine Richtung des Objekts (4, 50) aus der Herkunftsrichtung ermittelt wird.