DE102019003325B3

DE102019003325B3 - Verfahren zum Betreiben eines Waffenlasersystems

Info

Publication number: DE102019003325B3
Application number: DE102019003325.6A
Authority: DE
Inventors: Holger Mundt; Daniel Forster; Mario Gebauer
Original assignee: Bundesministerium der Verteidigung
Current assignee: Bundesministerium der Verteidigung
Priority date: 2019-05-10
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2020-07-09
Anticipated expiration: 2039-05-11

Abstract

Bei dem neuen Verfahren zum Betreiben eines Waffenlasersystems sollen die eigene Truppen und unbeteiligte Dritte vor augen- oder hautschädigenden Waffenlaserstrahlen geschützt sein.In einem Leitrechner (40) wird mit einem Algorithmus ein Vertrauensbereich (50, 50a, 50b1, 50b3) berechnet, der innerhalb einer Zielkontur (33) eines Zielobjekts (60) liegt. Der Vertrauensbereich (50, 50a, 50b1, 50b3) ist so ausgebildet,dass, wenn ein Anvisierpunkt (38, 38a, 38b) beim Abfeuern des Waffenlaserstrahls (12) in dem Vertrauensbereich (50, 50a, 50b1, 50b3) liegt,dass dann ein am Zielobjekt (60) vorbeigehender Teil des Waffenlaserstrahls (Zielvorbeischusslaserstrahl) (14)• jeweilige Expositionsgrenzwerte• von eingespeicherten Schutzzonen (70),• die sich jeweils in einer Schutzzonenentfernung (y) zum Waffenlasersystem (1) befinden, nicht überschreitet,Der Waffenlaserstrahl (12) wird nur dann abgefeuert, wenn sein Anvisierpunkt (38, 38a, 38b) innerhalb des Vertrauensbereiches (50, 50a, 50b1, 50b3) liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Waffenlasersystems.
Aus der US 2010/0282942 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Waffenlasersystems bekannt.
Das bekannte Verfahren verwendet ein Waffenlasersystem, das einen Waffenlaser mit einem Richt-Teleskop, einen Beleuchtungslaser, eine Trackingeinrichtung mit einem Trackingsensor, und einen Leitrechner umfasst.
Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

• Beleuchtung eines Zielobjektes, das sich in einer Zielentfernung zum Waffenlasersystem befindet, mit dem Beleuchtungslaser,
• Erfassung von Zielreflexionsstrahlen des Beleuchtungslasers mit dem Trackingsensor,
• Berechnung eines Bildes des Zielobjektes mit dem Leitrechner,
• Berechnung einer Zielkontur aus dem Bild des Zielobjektes mit dem Leitrechner,
• Abfeuern des Waffenlaserstrahls unter Ausrichtung des Anvisierpunktes auf die Zielstruktur.

Bei dem bekannten Verfahren wird das Problem der Gefährdung der Augen oder der Haut durch einen Waffenlaserstrahl nicht angesprochen.
Das zuvor genannte Verfahren ist auch aus der US 2010/0283988 A1 bekannt.
Der Erfindung liegt ausgehend von dem aus der US 2010/0282942 A1 oder der US 2010/0283988 A1 bekannten Verfahren zum Betreiben eines Waffenlasersystems die Aufgabe zu Grunde, die eigene Truppen und unbeteiligte Dritte vor augen- oder hautschädigenden Waffenlaserstrahlen zu schützen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Diese Aufgabe wird ferner durch den nebengeordneten Anspruch 12 gelöst, der auf ein Computerprogrammprodukt gerichtet ist.
Die Vorteile der Erfindung resultieren insbesondere aus den folgenden Verfahrensschritten:

• Berechnung eines Vertrauensbereiches, der innerhalb der Zielkontur liegt, mit einem Algorithmus, der so ausgebildet ist, dass, wenn ein Anvisierpunkt beim Abfeuern des Waffenlaserstrahls in dem Vertrauensbereich liegt, dass dann ein am Zielobjekt vorbeigehender Teil des Waffenlaserstrahls (Zielvorbeischusslaserstrahl) jeweilige Expositionsgrenzwerte von eingespeicherten Schutzzonen, die sich jeweils in einer Schutzzonenentfernung zum Waffenlasersystem befinden, nicht überschreitet,
• Abfeuern des Waffenlaserstrahls, wenn sein Anvisierpunkt innerhalb des Vertrauensbereiches liegt.

Dadurch, dass ein Waffenlaserstrahl nur dann abgefeuert wird, wenn sein Anvisierpunkt innerhalb des Vertrauensbereiches liegt, erreicht man, dass eigene Truppen und unbeteiligte Dritte vor augen- oder hautschädigenden Waffenlaserstrahlen geschützt sind.
Unbeteiligte Dritte und eigene Kräfte werden dadurch geschützt, dass Schutzzonen in den Leitrechner einprogrammiert werden. Die Einprogrammierung einer Schutzzone umfasst die Eingabe von einer Richtung der Schutzzone und einer Entfernung der Schutzzone zum Waffenlasersystem. Schutzzonen können aus Ortsangaben und Umrissangaben eines eigenen Waffensystems abgeleitet sein. Schutzzonen können sowohl örtlich und zeitlich begrenzte Gebiete, als auch Zonen mit einem richtungsabhängigen Mindestabstand zum Waffenlasersystem oder Zonen bestimmter Elevationswinkelbereiche sein. Schutzzonen können ebenfalls Gebiete außerhalb des Einsatzgebietes, Bereiche mit Koordinaten eigener und verbündeter Kräfte, Bereiche mit zivilen Transportmitteln und Höhenkorridore sein. Hafenanlagen, Flughäfen oder urbanes Gebiet können Schutzzonen sein. Den Schutzzonen werden jeweils Schutzzonenentfernungen und Expositionsgrenzwerte zugeordnet. Als Expositionsgrenzwert wird beispielsweise ein Wert gewählt, der Augen- oder Hautschädigungen vermeidet. Dadurch, dass der Anvisierpunkt innerhalb des Vertrauensbereiches liegt, überschreitet ein am Zielobjekt vorbeigehender Teil des Waffenlaserstrahls (Zielvorbeischusslaserstrahl) nicht den Expositionsgrenzwert dieser Schutzzone.
Der Algorithmus zur Berechnung des Vertrauensbereiches weist einen Unteralgorithmus auf, mit dem berechnet wird, ob ein Berechnungspunkt Teil des Vertrauensbereiches ist oder nicht. Der Unteralgorithmus stellt sicher, dass, wenn ein Anvisierpunkt beim Abfeuern des Waffenlaserstrahls in dem Vertrauensbereich liegt, dass dann ein am Zielobjekt vorbeigehender Teil des Waffenlaserstrahls (Zielvorbeischusslaserstrahl)

• jeweilige Expositionsgrenzwerte
• von eingespeicherten Schutzzonen,
• die sich jeweils in einer Schutzzonenentfernung zum Waffenlasersystem befinden, nicht überschreitet. Die Schritte des Unteralgorithmus sind:
• Berechnung eines Laserstrahlintensitätsprofils bezogen auf die Zielentfernung x unter Berücksichtigung von Laserstrahldivergenzdaten und Atmosphärendaten ausgehend vom anfänglichen Laserstrahlintensitätsprofil des Waffenlaserstrahls beim Austritt aus dem Richtteleskop,
• Berechnung des Laserstrahlintensitätsprofils des Zielvorbeischusslaserstrahls bezogen auf die Zielobjektentfernung, in dem ausgehend von dem gesamten Laserstrahlintensitätsprofil bezogen auf die Zielobjektentfernung ein Laserstrahlintensitätsprofil des auf das Zielobjekt auftreffenden Laserstrahls (Zielauftrefflaserstrahl) abgezogen wird,
• Berechnung des Laserstrahlintensitätsprofils des Zielvorbeischusslaserstrahls bezogen auf die Schutzobjektentfernung unter Berücksichtigung von mindestens Laserstrahldivergenzdaten und Atmosphärendaten und fakultativ auch von Beugungsdaten am Zielobjekt,
• Ermittlung der Strahlungsdichte aus dem Laserstrahlintensitätsprofil des Zielvorbeischusslaserstrahls in der Schutzobjektentfernung und Vergleich der Strahlungsdichte in Schutzobjekt-Entfernung mit einem zugehörigen Expositionsgrenzwert,
• wenn der Expositionsgrenzwert überschritten wird, dann liegt der Berechnungspunkt außerhalb des Vertrauensbereichs,
• wenn der Expositionsgrenzwert nicht überschritten wird, dann liegt der Berechnungspunkt innerhalb des Vertrauensbereichs.

Bei den vorher genannten einfachen Berechnungen, ob ein Anvisierpunkt zum Vertrauensbereich gehört oder nicht, geht man von anfänglichen Laserstrahlintensitätsprofilwerten des Waffenlaserstrahls beim Austritt aus dem Richtteleskop aus und berechnet hiervon ausgehend unter Einbeziehung von Laserstrahldivergenzdaten und Atmosphärendaten, ob ein Zielvorbeischusslaserstrahl Augen- oder Hautschädigungen verursachen kann. Laserstrahldivergenzdaten umfassen Fokussierdaten. Aus den Fökussierdaten lässt sich die Veränderung des Durchmessers des Laserstrahls aufgrund der Fokussierung berechnen. Im Fokus ist der Durchmesser des Laserstrahls am geringsten und weitet sich dann mit zunehmender Entfernung unter Verringerung der Strahldichte auf. Atmosphärendaten sind Daten über die Lufttemperatur und Beiwerte. Hieraus ergeben sich Werte von Dichteunterschieden der Luft, die zur Ausbildung von thermischen Linsen führen. Hierdurch weitet sich mit zunehmender Entfernung ebenfalls unter Verringerung der Strahldichte der Laserstrahl auf.
Der vorgenannte Unteralgorithmus dient dazu, einen zunächst angenommenen Vertrauensbereich (hierauf wird nachfolgend eingegangen) in Richtung Zielkontur zu vergrößern unter der Vorgabe, dass eine abgespeicherte oder eine in Echtzeit berechnete Schutzzone von einem Vorbeischusslaserstrahl gefährdet werden kann. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass der Unteralgorithmus nicht vollständig ausgeführt werden braucht, wenn die Laserstrahlintensität des Zielvorbeischusslaserstrahls unterhalb eines Grenzwertes liegt bzw. wenn, vereinfacht ausgedrückt, der Waffenlaserstrahl vollständig auf das Zielobjekt auftrifft. Dann kann der Unteralgorithmus abgebrochen werden, weil dann schon feststeht, dass ein Berechnungspunkt dem Vertrauensbereich zuzuordnen ist. Ebenso braucht der Unteralgorithmus nicht vollständig ausgeführt zu werden, wenn keine Schutzzone gefährdet ist. Dann kann der Unteralgorithmus ebenfalls abgebrochen werden, weil dann schon feststeht, dass ein Berechnungspunkt dem Vertrauensbereich zuzuordnen ist. Um zu überprüfen, ob eine Schutzzone gefährdet ist oder nicht, können Azimutwerte und Elevationswerte eines Anvisierpunktes mit jeweiligen Werten der Schutzzonen verglichen werden. Liegen zu einem Anvisierpunkt mehrere Schutzzonen vor, kann der Unteralgorithmus für jede vorliegende Schutzzone durchlaufen werden. Alternativ können vorher in Frage kommende Schutzzonen miteinander verglichen werden und eine kritische Schutzzone für den Unteralgorithmus ausgewählt werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Vertrauensbereich eine Umhüllende auf, die aus miteinander verbundenen und voneinander beabstandeten Berechnungspunkten gebildet wird. Dieser Ausgestaltung liegt die Idee zugrunde, nicht jeden Punkt innerhalb der Zielkontur daraufhin berechnen zu müssen, ob ein Zielvorbeischusslaserstrahl augen- oder hautschädigend sein kann. Vielmehr trifft man zu Anfang die Feststellung, dass man nur Punkte einer Umhüllenden des Vertrauensbereiches benötigt, da von der Umhüllenden zum Inneren des Vertrauensbereiches der Zielvorbeischusslaserstrahl immer kleiner wird.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorhergehenden Ausgestaltung weist ein anfänglicher Berechnungspunkt einer anfänglichen Umhüllenden einen Abstand zur Zielkontur auf, der von einem Radius einer vorgegebenen Laserstrahlintensität des Laserstrahlintensitätsprofils in der Zielentfernung abgeleitet ist. Der Ausgestaltung liegt die weitere Idee zugrunde, dass bei einem Anvisierpunkt, bei dem der Zielvorbeischusslaserstrahl sehr klein ist, dass dann dieser Anvisierpunkt dem Vertrauensbereich zugeordnet werden kann. Dies ist dann der Fall, wenn der Abstand der Umhüllenden des Vertrauensbereiches zur Zielstruktur von einem Radius einer vorgegebenen Laserstrahlintensität des Laserstrahlintensitätsprofils in der Zielentfernung abgeleitet ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorgenannten Ausgestaltung weist ein folgender Berechnungspunkt der anfänglichen Umhüllenden wie der vorhergehende Berechnungspunkt einen Abstand zur Zielkontur auf, der von einem Radius einer vorgegebenen Laserstrahlintensität des Laserstrahlintensitätsprofils in der Zielobjektentfernung abgeleitet ist und darüber hinaus einen Abstand zum vorhergehenden Berechnungspunkt aufweist, der ein Vielfaches des Radius der vorgegebenen Laserstrahlintensität des Laserstrahlintensitätsprofils in der Entfernung des Zielobjekts ist. Dieser Ausgestaltung liegt die Idee zugrunde, nicht jeden Punkt der Umhüllenden des Vertrauensbereichs berechnen zu müssen. Vielmehr soll der Berechnungsaufwand reduziert werden, indem die Umhüllende in ein einfach zu berechnendes Vieleck mit verbunden Punkten überführt wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung fließen mit der Trackingeinrichtung erfasste Querbeschleunigungsdaten und hieraus resultierende Abweichungen zwischen Anvisierpunkt und Strahlachse des abzufeuernden Waffenlaserstrahls in die Berechnung des Vertrauensbereiches ein. Bei hohen Querbeschleunigen ist es aufgrund von unvermeidbaren Reaktionszeiten schwierig, die Achse des Waffenlaserstrahls exakt nachzuführen. Weil die Strahlachse des Waffenlaserstrahls nicht genau auf den Anvisierpunkt gebracht werden kann, ist die Gefahr eines größeren Zielvorbeischusslaserstrahls erhöht, so dass der Vertrauensbereich reduziert ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird, wenn kein Vertrauensbereich vorliegt, die Laserleistung reduziert und es erfolgt eine Neuberechnung des Vertrauensbereiches. Das Vorliegen eines Vertrauensbereiches ist eine Voraussetzung, dass ein Waffenlaserstrahl abgefeuert werden darf. Daher reduziert man die Laserleistung, um einen Vertrauensbereich zu erhalten oder zu vergrößern. Der Waffenlaserstrahl wird jedoch aus Effizienz-Gründen nicht abgefeuert, wenn mit der reduzierten Laserleistung ein Bekämpfungserfolgswert unterschritten ist. Der Zeitpunkt des Abfeuerns des Waffenlaserstrahls wird in einer einfachen Weise berechnet unter Berücksichtigung eines Parameters eines zeitlichen Zunahmewertes des Vertrauensbereichs. Die Laserleistung wird wieder erhöht, wenn ein sich vergrößernder Vertrauensbereich vorliegt. Mit andern Worten ausgedrückt, regelt die Größe des Vertrauensbereichs die Laserleistung, die zu maximieren ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Zielkontur mit Zielkonturen einer Datenbank verglichen. Die Datenbank gibt Verwundungsbereiche mit einer hohen Verwundungswahrscheinlichkeit an. Die Anvisierpunkte des Waffenlaserstrahls werden in Überschneidungsbereiche von Verwundungsbereichen und Vertrauensbereich gelegt. Mit dieser Maßnahme erhöht man die Wirksamkeit des Waffenlaserstrahls.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Hierbei zeigen als einfache, nicht maßstabsgerechte Prinzipskizzen:

1 ein Waffenlasersystem auf einem Schiff angreifend einen vorbeifliegenden Flugkörper (Zielobjekt), wobei ein Zielvorbeischusslaserstrahl auf eine Schutzzone, die ein eigenes Schiff ist, gerichtet ist;
1a einen vergrößerten Ausschnitt der 1, darstellend das bestrahlte Zielobjekt;
2 wiederum einen vergrößerten Ausschnitt der 1, darstellend das Zielobjekt und den fokussierten und wieder konvergierenden Laserstrahl, und zusätzlich jeweils ein Laserstrahlintensitätsprofil am Richtteleskop, am Zielobjekt und an der Schutzzone,
3 ein Bild eines Monitors einer Trackingeinrichtung des Waffenlasersystems, darstellend den in 1 dargestellten, vorbeifliegenden Flugkörper mit dem eingezeichneten Zielauftrefflaserstrahl und Zielvorbeischusslaserstrahl;
4 ein Bild eines Monitors einer Trackingeinrichtung des Waffenlasersystems, darstellend den in 1 dargestellten, vorbeifliegenden Flugkörper mit eingezeichnetem, anfänglichen Vertrauensbereich, eingezeichnetem Verwundungsbereich und eingezeichnetem Überschneidungsbereich;
5 ein Bild eines Monitors einer Trackingeinrichtung des Waffenlasersystems, darstellend den in 1 dargestellten, jedoch in einer größeren Entfernung vorbeifliegenden Flugkörper.

Nachfolgend wird ein Verfahren zum Betreiben eines Waffenlasersystems 1 (1) beschrieben. Mit dem Verfahren werden eigene Truppen und unbeteiligte Dritte vor augen- oder hautschädigenden Waffenlaserstrahlen geschützt. Die Merkmale sind:

a) Das Verfahren verwendet ein Waffenlasersystem 1, das einen Waffenlaser 10 mit einem Richt-Teleskop 11, einen Beleuchtungslaser 20, eine Trackingeinrichtung 30 mit einem Trackingsensor 31, und einen Leitrechner 40 umfasst. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
b) Beleuchtung eines Zielobjektes 60, das sich in einer Zielentfernung x zum Waffenlasersystem 1 befindet, mit dem Beleuchtungslaser 20. Mit dem Beleuchtungslaser 20 erreicht man, dass die Kontur des Zielobjekts 60 tageslichtunabhängig in Bilddaten umgewandelt werden kann. Helligkeits- und Kontrast-Abweichungen können damit minimiert werden. Der dem Waffenlasersystem 1 zugewandte Teil des Zielobjekts 60 wird beleuchtet und kann sich dadurch vom Hintergrund, wie beispielsweise des Himmels, getrennt werden, um die Zielkontur zuverlässig berechnen zu können.
c) Erfassung von Zielobjektreflexionsstrahlen des Beleuchtungslasers 20 mit dem Trackingsensor 31.
d) Berechnung eines Bildes des Zielobjektes 60 mit dem Leitrechner 40.
e) Berechnung einer Zielkontur 33 (3) aus dem Bild des Zielobjektes 60 ( 1) mit dem Leitrechner 40.
f) Berechnung, die im Leitrechner 40 erfolgt, eines Vertrauensbereiches 50 ( 3), der innerhalb der Zielkontur 33 liegt, mit einem Algorithmus, der so ausgebildet ist, dass, wenn ein Anvisierpunkt 38 beim Abfeuern des Waffenlaserstrahls in dem Vertrauensbereich 50 liegt, dass dann ein am Zielobjekt vorbeigehender Teil des Waffenlaserstrahls (Zielvorbeischusslaserstrahl) 14 (1, 1a und 3)
- • jeweilige Expositionsgrenzwerte
- • von eingespeicherten Schutzzonen 70 (1),
- • die sich jeweils in einer Schutzzonenentfernung y zum Waffenlasersystem 1 befinden,
nicht überschreitet.
g) Abfeuern des Waffenlaserstrahls 12, wenn sein Anvisierpunkt 38 (3) innerhalb des Vertrauensbereiches 50 liegt.

Neben dem Zielvorbeischusslaserstrahl 14 (1) ist noch der Laserschatten 16 dargestellt.
Auf einem Monitor 36 (1) der Trackingeinrichtung 30 wird die Zielkontur 33 ( 3) des Zielobjekts 60, der Vertrauensbereich 50 und der Anvisierpunkt 38 angezeigt.
Eine erste Schutzzone 70 (1) ist ein eigenes Schiff, das sich in einer Schutzzonenentfernung y zum Waffenlasersystem 1 befindet. Die Schutzzone 70 ist im Leitrechner 40 eingespeichert. Die Einprogrammierung dieser Schutzzone 70 umfasste die Eingabe von einer Richtung der Schutzzone 70 und einer Entfernung y der Schutzzone 70 zum Waffenlasersystem 1. Die Schutzzone 70 ist aus Ortsangaben und Umrissangaben des eigenen Schiffes abgeleitet. Der einprogrammierten Schutzzone 70 ist ferner ein Expositionsgrenzwert zugeordnet. Als Expositionsgrenzwert ist ein Wert gewählt, der Augen- oder Hautschädigungen vermeidet. In Abweichung hierzu kann auch ein höherer Wert als der Expositionsgrenzwert des Auges angesetzt werden, wenn die eigenen Kräfte des eigenen Schiffes beispielsweise Laserschutzbrillen zu tragen haben oder sich unter Deck aufzuhalten haben.
Eine zweite Schutzzone (nicht dargestellt) ist eine Zone eines weiträumigen Gebietes mit einem großen Elevationswinkelbereich und großem Azimutwinkelbereich. Die zweite Schutzzone bildet ein zu schützendes Hafenstadtgebiet jenseits von Kampfhandlungen ab. Da die Schutzzonenentfernung zum Waffenlasersystem bei gleichem Expositionsgrenzwert größer ist als die von der ersten Schutzzone, wird vom Leitrechner 40 nur die kritische erste Schutzzone 70 zur Berechnung des Vertrauensbereiches 50 (4) herangezogen.
Nachfolgend geht es um einen Unteralgorithmus zur Berechnung des Vertrauensbereichs 50 (3). Beschrieben werden die Schritte der Berechnung, ob ein innerhalb der Zielkontur 33 liegender Berechnungspunkt 52 zum Vertrauensbereich 50 gehört oder nicht. Mit dem Unteralgorithmus wird sichergestellt, dass, wenn ein Anvisierpunkt 38 beim Abfeuern des Waffenlaserstrahls in dem Vertrauensbereich 50 liegt, dass dann ein am Zielobjekt vorbeigehender Teil des Waffenlaserstrahls (Zielvorbeischusslaserstrahl) 14

• jeweilige Expositionsgrenzwerte
• von eingespeicherten Schutzzonen 70 (1),
• die sich jeweils in einer Schutzzonenentfernung y zum Waffenlasersystem 1 befinden,

Betrachtet wird der Berechnungspunkt 52 (3), der gleichzeitig der Anvisierpunkt 38 ist.
Die Schritte sind:

• Berechnung eines Laserstrahlintensitätsprofils 81 (2) bezogen auf die Zielentfernung x unter Berücksichtigung von Laserstrahldivergenzdaten und Atmosphärendaten ausgehend vom anfänglichen Laserstrahlintensitätsprofil 80 des Waffenlaserstrahls 12 beim Austritt aus dem Richtteleskop 11.
• Berechnung des Laserstrahlintensitätsprofils 82 des Zielvorbeischusslaserstrahls 14 bezogen auf die Zielobjektentfernung x, in dem ausgehend von dem gesamten Laserstrahlintensitätsprofil 81 bezogen auf die Zielobjektentfernung x ein Laserstrahlintensitätsprofil 83 des auf das Zielobjekt 60 auftreffenden Laserstrahls (Ziielauftrefflaserstrahl) 13 abgezogen wird,
• Berechnung des Laserstrahlintensitätsprofils 84 des Zielvorbeischusslaserstrahls 14 bezogen auf die Schutzobjektentfernung y unter Berücksichtigung von Laserstrahldivergenzdaten und Atmosphärendaten. Fakultativ können auch Beugungsdaten am Zielobjekt 60 mitberücksichtigt werden. Denn im Falle eines Zielvorbeischusslaserstrahls kommt es zu Beugungseffekten an Kanten des Zielobjekts, weil das Zielobjekt für den Waffenlaserstrahl ein Hindernis darstellt.
• Ermittlung der Strahlungsdichte aus dem Laserstrahlintensitätsprofil 84 des Zielvorbeischusslaserstrahls 14 in der Schutzobjektentfernung y und Vergleich der Strahlungsdichte in Schutzobjekt-Entfernung y mit einem zugehörigen Expositionsgrenzwert. Zweckmäßig wird hierzu das Maximum der ermittelten Strahlungsdichte mit dem Expositionsgrenzwert verglichen.
• Wenn der Expositionsgrenzwert überschritten wird, dann liegt der Berechnungspunkt außerhalb des Vertrauensbereichs 50.
• Wenn der Expositionsgrenzwert nicht überschritten wird, dann liegt der Berechnungspunkt 52 innerhalb des Vertrauensbereichs 50. Dies ist im vorliegenden Beispiel der Fall. Der Berechnungspunkt liegt auf der Umhüllenden 51 des Vertrauensbereichs.

Der vorgenannte Unteralgorithmus dient beispielsweise dazu, einen zunächst angenommenen Vertrauensbereich (hierauf wird nachfolgend eingegangen) zu verfeinern, wenn eine abgespeicherte oder in Echtzeit ermittelte Schutzzone von einem Vorbeischusslaserstrahl gefährdet werden kann. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass der Unteralgorithmus nicht vollständig ausgeführt werden zu braucht, wenn kein „nennenswerter Zielvorbeischusslaserstrahl“ vorliegt, oder, genauer ausgedrückt, wenn die Laserstrahlintensität des Zielauftrefflaserstrahls unterhalb eines Grenzwertes liegt. Dann kann der Unteralgorithmus abgebrochen werden, weil dann schon feststeht, dass ein Berechnungspunkt dem Vertrauensbereich zuzuordnen ist. Ebenso braucht der Unteralgorithmus nicht vollständig ausgeführt zu werden, wenn keine Schutzzone gefährdet ist. Dann kann der Unteralgorithmus ebenfalls abgebrochen werden, weil dann schon feststeht, dass ein Berechnungspunkt dem Vertrauensbereich zuzuordnen ist. Um zu überprüfen, ob eine Schutzzone gefährdet ist oder nicht, können Azimutwerte und Elevationswerte eines Anvisierpunktes mit jeweiligen Werten der Schutzzonen verglichen werden. Liegen zu einem Anvisierpunkt mehrere Schutzzonen vor, können einzelne relevante Schritte des Unteralgorithmus für jede vorliegende Schutzzone durchlaufen werden. Alternativ können in Frage kommende Schutzzonen miteinander verglichen werden und eine kritische Schutzzone für den Unteralgorithmus ausgewählt werden.
Um einen geringen Berechnungsaufwand zu erhalten, weist ein vorläufiger Vertrauensbereich 50a (4) eine Umhüllende 51a auf, die aus miteinander verbundenen und voneinander beabstandeten Berechnungspunkten 52a und 52b gebildet ist. Ansonsten müsste jeder Punkt innerhalb der Zielkontur 33 überprüft werden, ob er dem vorläufigen Vertrauensbereich 50a zuzuordnen ist oder nicht. Das gleiche gilt auch für den Vertrauensbereich 50, der größer ist, weil er mit Hilfe des Unteralgorithmus berechnet wurde.
Nachfolgend wird beschrieben, wie schnell und einfach ein anfänglicher Vertrauensbereich 50a (4) berechnet werden kann, um dann den vorgenannten Unteralgorithmus einsetzen zu können, um bei zu beachtenden Schutzzonen den Vertrauensbereich 50a zu maximieren, um die Bekämpfungsmöglichkeiten zu erhöhen.
Ein anfänglicher Berechnungspunkt 52a einer anfänglichen Umhüllenden 51a weist einen Abstand zur Zielkontur 33 auf, der von einem Radius r1 (2) einer vorgegebenen Laserstrahlintensität des Laserstrahlintensitätsprofils 81 in der Zielentfernung x abgeleitet ist. Der Abstand zur Zielkontur 33 (4) ist deshalb von einem Radius r1 (2) einer vorgegebenen Laserstrahlintensität des Laserstrahlintensitätsprofils 81 in der Zielentfernung x abgeleitet, weil sicherzustellen ist, dass der Laserstrahl einer vorgegebenen Laserstrahlintensität innerhalb der Zielkontur 33 liegt. Anders ausgedrückt, darf ein Rest Zielvorbeischusslaserstrahl zu keiner Gefährdung führen. Ein Radius r1 (2) einer vorgegebenen Laserstrahlintensität des Laserstrahlintensitätsprofils 81 in der Zielentfernung x ist deshalb zu berechnen und als Abstand zur Zielkontur 33 (4) zu berücksichtigen.
Es geht weiter damit, dass ein folgender Berechnungspunkt 52b der anfänglichen Umhüllenden 51a, wie der vorhergehende Berechnungspunkt 52a, einen Abstand zur Zielkontur 33 aufweist, der von einem Radius r1 (2) einer vorgegebenen Laserstrahlintensität des Laserstrahlintensitätsprofils 81 in der Zielentfernung x abgeleitet ist und darüber hinaus einen Abstand zum vorhergehenden Berechnungspunkt 52a (4) aufweist, der ein Vielfaches des Radius r1 einer vorgegebenen Laserstrahlintensität des Laserstrahlintensitätsprofils 81 in der Entfernung x des Zielobjekts 60 ist. Das Vielfache ist vorliegend das Zweifache. Es können aber auch größere Abstände gewählt werden. Dies wiederholt sich so lange, bis der erste Berechnungspunkt 52a erreicht ist, oder, anders ausgedrückt, bis die anfängliche Umhüllende 51a geschlossen werden kann. Das Vielfache des Radius r1 einer vorgegebenen Laserstrahlintensität des Laserstrahlintensitätsprofils 81 in der Entfernung x des Zielobjekts 60 ist derart optimiert, dass der anfängliche Vertrauensbereich 51a möglichst schnell berechnet werden kann, aber trotzdem möglichst genau der Zielkontur 33 folgt und damit möglichst groß wird, um möglichst viele Möglichkeiten der Bekämpfung des Zielobjekts zu haben. Zu Anfang genügen wenige, das heißt mindestens drei Berechnungspunkte, die in Echtzeit berechnet und aktualisiert werden können, um einen Vertrauensbereich 51a zu erhalten. Hierauf aufbauend ist dann ein verfeinerter Vertrauensbereich 50 zu errechnen, bei dem die Anzahl der Berechnungspunkte höher ist und der Abstand zur Zielkontur 33 minimiert wird.
Mit der Trackingeinrichtung erfasste Querbeschleunigungsdaten und hieraus resultierende Abweichungen zwischen Anvisierpunkt 38 (3) und Strahlachse 15 (2) des abzufeuernden Waffenlaserstrahls 12 fließen in die Berechnung des Vertrauensbereiches 50 (3) ein. Querbeschleunigungsdaten werden aus zeitlichen Veränderungen der Position des Zielobjektes 60 berechnet, wie sie von der Trackingeinrichtung erfasst werden. Die Querbeschleunigungsdaten umfassen zunächst in Azimut und Elevation wirksame Geschwindigkeitskomponenten des Zielobjektes 60. Ferner umfassen die Querbeschleunigungsdaten Fehler bei der Nachführung der Strahlachse 15 des Waffenlaserstrahls 12 auf den Anvisierpunkt 38. Diese Fehler vergrößern sich mit zunehmenden Querbeschleunigen aufgrund einer Trägheit der bildgebenden Verfahren und des Trackingsystems. Hohe Querbeschleunigungen führen daher dazu, dass sich der Vertrauensbereich 50 verkleinert, um Überschreitungen eines Expositionsgrenzwertes einer Schutzzone zu vermeiden.
Wenn die Berechnung ergibt, dass kein Vertrauensbereich (ohne Bezug auf eine konkrete Figur) vorliegt, wird die Laserleistung reduziert und es erfolgt eine Neuberechnung des Vertrauensbereiches. Kein Vertrauensbereich kann vorliegen, wenn die Zielkontur des Zielobjekts klein ist im Vergleich zu einer näherungsweise vorliegenden Kreisfläche einer vorgegebenen Laserstrahlintensität des Laserstrahlintensitätsprofils in der Zielentfernung. Dies kann bei kleinen oder weit entfernten Zielobjekten der Fall sein. Liegt kein Vertrauensbereich vor, darf kein Waffenlaserstrahl abgefeuert werden. Ein Vertrauensbereich ist auch reduziert, wenn hohe Querbeschleunigungen des Zielobjektes zu berücksichtigen sind. Der Waffenlaserstrahl wird nicht abgefeuert, wenn mit der reduzierten Laserleistung ein Bekämpfungserfolgswert unterschritten ist. Der Zeitpunkt des Abfeuerns des Waffenlaserstrahls wird berechnet unter Berücksichtigung eines Parameters eines zeitlichen Zunahmewertes des Vertrauensbereichs. Die Laserleistung kann wieder erhöht werden, wenn der Vertrauensbereich größer wird. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn das Zielobjekt näherkommt oder die Zielverfolgung stabiler wird, weil Querbeschleunigungen des Zielobjektes abnehmen.
Einzelheiten zum Vertrauensbereich illustriert die 5. Die 5 zeigt ein Bild des Monitors der Trackingeinrichtung des Waffenlasersystems, darstellend wiederum das Zielobjekt 60, das jedoch in einer größeren Entfernung vorbeifliegt. Die 5 zeigt ferner einen Anvisierpunkt 38b, einen Zielauftrefflaserstrahl 13a und einen Zielvorbeischusslaserstrahl 14a. Wie dargestellt, liegen zwei voneinander getrennte, kleine Vertrauensbereiche 50b1 und 50b3 vor. Die Vertrauensbereiche 50b1 und 50b3 wurden mit Hilfe des zuvor dargelegten Unteralgorithmus erhalten. Im Beispiel der 5 ist eine Schutzzone 70 (2) zu beachten. Aus dem berechneten Laserstrahlintensitätsprofil 84 (2) des Zielvorbeischusslaserstrahls 14a (5) in der Schutzobjektentfernung y (2) kann für das in 5 dargestellte rotationssymmetrische Laserstrahlprofil des Laserstrahls ein Radius r2 abgeleitet werden, dessen Kreisfläche innerhalb der Zielkontur 33 liegen muss, wenn die Schutzzone 70 (2) durch den Zielvorbeischusslaserstrahl 14a (5) nicht gefährdet sein soll. Der Radius r2 kann folglich die Form der Umhüllenden 51b des Vertrauensbereiches innerhalb der Zielkontur 33 bestimmen. Neben den zuvor erwähnten Vertrauensbereichen 50b1 und 50b3 erhält man einen Bereich, der nicht anvisiert werden darf und den man als negativen Vertrauensbereich 50b2 betrachten kann. Der negative Vertrauensbereich 50b2 würde mit zunehmender Entfernung des Zielobjekts 60 größer werden, und umgekehrt. Rechnet man mit positiven und negativen Vertrauensbereichen, hat dies Vorteile, wenn man den Parameter eines zeitlichen Zunahmewertes eines Vertrauensbereiches berücksichtigt, wenn es beispielsweise um die Berechnung des Zeitpunktes des Abfeuerns des Waffenlaserstrahls geht und wenn lediglich ein negativer Vertrauensbereich vorliegen würde. Der gewählte Anvisierpunkt 38b liegt genau im Schnittpunkt zwischen dem positiven Vertrauensbereich 50b1 und dem negativen Vertrauensbereich 50b2. Da der Anvisierpunkt 38b gerade noch auf einem Punkt des Vertrauensbereichs 50b1 liegt, darf der Waffenlaserstrahl abgefeuert werden.
Um einen Anvisierpunkt 38a (4) zu bestimmen, wird die Zielkontur 33 mit Zielkonturen einer Datenbank verglichen. Die Datenbank gibt Verwundungsbereiche 35 mit einer hohen Verwundungswahrscheinlichkeit an. Der Anvisierpunkt 38a des Waffenlaserstrahls wird dann in einen Überschneidungsbereich 35a (gekachelt gezeichnet) von Verwundungsbereich 35 und Vertrauensbereich 50 gelegt.
Die 3 illustriert, dass der Anteil des Zielvorbeischusslaserstrahls 14 relativ groß ist. In einem Einsatz kann dies der Fall und erlaubt sein, wenn die Expositionsgrenzwerte groß sind und/oder oder die Schutzobjektentfernungen y sehr groß sind. Die 3 zeigt auch einen relativ großen Vertrauensbereich 50 innerhalb der Zielkontur 33 des Zielobjekts 60. Dies ergibt viele Angriffsmöglichkeiten verbunden mit vielen Verwundungsbereichen.
Befindet sich ein Störobjekt, wobei es sich um ein Objekt einer Schutzzone handeln kann, in der Anvisierlinie des Waffenlaserstrahls vor dem Zielobjekt, kann das Zielobjekt nicht bekämpft werden, da die Sichtlinie Waffenlaser zu Zielobjekt unterbrochen ist.
Ein Computerprogrammprodukt, das ein computerlesbares Medium aufweist, umfasst einen Programmcode zur Implementierung eines Computerprogramms in einen Computerspeicher eines Leitrechners 40 (1). Das Computerprogramm ist so ausgebildet, dass die Berechnungen des zuvor aufgezeigten Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Computerprogramm auf dem Leitrechner 40 ausgeführt wird.
Bezugszeichenliste

1: Waffenlasersystem
10: Waffenlaser
11: Richtteleskop
12: Waffenlaserstrahl
13: Zielauftrefflaserstrahl
13a: Zielauftrefflaserstrahl im 5 - Beispiel
14: Zielvorbeischusslaserstrahl
14a: Zielvorbeischusslaserstrahl im 5 - Beispiel
15: Strahlachse
16: Laserschatten
20: Beleuchtungslaser
30: Trackingeinrichtung
31: Trackingsensor
33: Zielkontur
35: Verwundungsbereich
35a: Überschneidungsbereich
36: Monitor
38: Anvisierpunkt
38a: Anvisierpunkt im 4 - Beispiel
38b: Anvisierpunkt im 5 - Beispiel
40: Leitrechner
50: Vertrauensbereich
50a: anfänglicher Vertrauensbereich
50b1, 50b2: (negativ), 50b3 Vertrauensbereiche im 5 - Beispiel
51: Umhüllende
51a: anfängliche Umhüllende im 4 - Beispiel
51b: Umhüllende im 5 - Beispiel
52: Berechnungspunkt
52a: Berechnungspunkt im 4 - Beispiel
52b: weiterer Berechnungspunkt im 4 - Beispiel
60: Zielobjekt
x: Ziel-Entfernung
70: Schutzzone
y: Schutzobjektentfernung
80: anfängliches Laserstrahlintensitätsprofil
81: Laserstrahlintensitätsprofil, in Zielentfernung x
r1: Radius
r2: Radius
82: Laserstrahlintensitätsprofil des Zielvorbeischusslaserstrahls, in Zielobjektentfernung x
83: Laserstrahlintensitätsprofil des Zielauftrefflaserstrahls, in Zielobjektentfernung x
84: Laserstrahlintensitätsprofil des Zielvorbeischusslaserstrahls, in Schutzzonenentfernung y

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Waffenlasersystems (1), mit folgenden Merkmalen: a) das Verfahren verwendet ein Waffenlasersystem (1), das einen Waffenlaser (10) mit einem Richtteleskop (11), einen Beleuchtungslaser (20), eine Trackingeinrichtung (30) mit einem Trackingsensor (31), und einen Leitrechner (40) umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: b) Beleuchtung eines Zielobjektes (60), das sich in einer Zielentfernung (x) zum Waffenlasersystem (1) befindet, mit dem Beleuchtungslaser (20), c) Erfassung von Zielobjektreflexionsstrahlen des Beleuchtungslasers (20) mit dem Trackingsensor (31), d) Berechnung eines Bildes des Zielobjektes (60) mit dem Leitrechner (40), e) Berechnung einer Zielkontur (33) aus dem Bild des Zielobjektes (60) mit dem Leitrechner (40), f) Berechnung, die im Leitrechner (40) erfolgt, eines Vertrauensbereiches (50, 50a, 50b1, 50b3), der innerhalb der Zielkontur (33) liegt, mit einem Algorithmus, der so ausgebildet ist, dass, wenn ein Anvisierpunkt (38, 38a, 38b) beim Abfeuern des Waffenlaserstrahls (12) in dem Vertrauensbereich (50, 50a, 50b1, 50b3) liegt, dass dann ein am Zielobjekt (60) vorbeigehender Teil des Waffenlaserstrahls, nachfolgend Zielvorbeischusslaserstrahl (14) genannt, • jeweilige Expositionsgrenzwerte • von eingespeicherten Schutzzonen (70), • die sich jeweils in einer Schutzzonenentfernung (y) zum Waffenlasersystem (1) befinden, nicht überschreitet, g) Abfeuern des Waffenlaserstrahls (12), wenn sein Anvisierpunkt (38, 38a, 38b) innerhalb des Vertrauensbereiches (50, 50a, 50b1, 50b3) liegt, h) wobei der Algorithmus zur Berechnung des Vertrauensbereichs (50, 50a, 50b1, 50b3) folgenden Unteralgorithmus aufweist, mit dem berechnet wird, ob ein innerhalb der Zielkontur (33) liegender Berechnungspunkt (52) zum Vertrauensbereich (50, 50a, 50b1, 50b3) gehört oder nicht: • Berechnung eines Laserstrahlintensitätsprofils (81) bezogen auf die Zielentfernung (x) unter Berücksichtigung von Laserstrahldivergenzdaten und Atmosphärendaten ausgehend vom anfänglichen Laserstrahlintensitätsprofil (80) des Waffenlaserstrahls (12) beim Austritt aus dem Richtteleskop (11), • Berechnung eines Laserstrahlintensitätsprofils (82) des Zielvorbeischusslaserstrahls (14) bezogen auf die Zielobjektentfernung (x), in dem ausgehend von dem gesamten Laserstrahlintensitätsprofil (81) bezogen auf die Zielobjektentfernung (x) ein Laserstrahlintensitätsprofil (83) des auf das Zielobjekt (60) auftreffenden Laserstrahls, nachfolgend Zielauftrefflaserstrahl (13) genannt, abgezogen wird, • Berechnung eines Laserstrahlintensitätsprofils (84) des Zielvorbeischusslaserstrahls (14) bezogen auf die Schutzobjektentfernung (y) unter Berücksichtigung von Laserstrahldivergenzdaten und Atmosphärendaten am Zielobjekt (60), • Berechnung der Strahlungsdichte aus dem Laserstrahlintensitätsprofil (84) des Zielvorbeischusslaserstrahls (14) in der Schutzobjektentfernung (y) und Vergleich der Strahlungsdichte in der Schutzobjekt-Entfernung (y) mit einem zugehörigen Expositionsgrenzwert, • wenn der Expositionsgrenzwert überschritten wird, dann liegt der Berechnungspunkt (52) außerhalb des Vertrauensbereichs (50, 50a, 50b1, 50b3), • wenn der Expositionsgrenzwert nicht überschritten wird, dann liegt der Berechnungspunkt (52) innerhalb des Vertrauensbereichs (50, 50a, 50b1, 50b3).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Vertrauensbereich (50, 50a, 50b1, 50b3) eine Umhüllende (51) aufweist, die aus miteinander verbundenen und voneinander beabstandeten Berechnungspunkten (52a, 52b) gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem ein anfänglicher Berechnungspunkt (52a) einer anfänglichen Umhüllenden (51a) einen Abstand zur Zielkontur (33) aufweist, der von einem Radius (r1) einer vorgegebenen Laserstrahlintensität des Laserstrahlintensitätsprofils (81) in der Zielentfernung (x) abgeleitet ist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein folgender Berechnungspunkt (52b) der anfänglichen Umhüllenden (51a) wie der vorhergehende Berechnungspunkt (52a) einen Abstand zur Zielkontur (33) aufweist, der von einem Radius (r1) einer vorgegebenen Laserstrahlintensität des Laserstrahlintensitätsprofils (81) in der Zielobjektentfernung (x) abgeleitet ist und darüber hinaus einen Abstand zum vorhergehenden Berechnungspunkt (52a) aufweist, der ein Vielfaches des Radius (r1) der vorgegebenen Laserstrahlintensität des Laserstrahlintensitätsprofils (81) in der Entfernung (x) des Zielobjekts (60) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem mit der Trackingeinrichtung (30) erfasste Querbeschleunigungsdaten und hieraus resultierende Abweichungen zwischen Anvisierpunkt (38, 38a, 38b) und Strahlachse (15) des abzufeuernden Waffenlaserstrahls (12) in die Berechnung des Vertrauensbereiches (50, 50a, 50b1, 50b3) einfließen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem, wenn kein Vertrauensbereich (50, 50a, 50b1, 50b3) vorliegt, die Laserleistung reduziert wird und eine Neuberechnung des Vertrauensbereiches (50, 50a, 50b1, 50b3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Waffenlaserstrahl (12) nicht abgefeuert wird, wenn mit der reduzierten Laserleistung ein Bekämpfungserfolgswert unterschritten ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem ein Zeitpunkt des Abfeuerns des Waffenlaserstrahls (12) berechnet wird unter Berücksichtigung eines Parameters eines zeitlichen Zunahmewertes des Vertrauensbereichs (50, 50a, 50b1, 50b3).
Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, bei dem die Laserleistung wieder erhöht wird, wenn ein sich vergrößernder Vertrauensbereich (50, 50a, 50b1, 50b3) vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Zielkontur (33) mit Zielkonturen einer Datenbank verglichen wird und bei dem die Datenbank Verwundungsbereiche (35) mit einer hohen Verwundungswahrscheinlichkeit angibt, und bei dem der Anvisierpunkt (38, 38a, 38b) des Waffenlaserstrahls (12) in einen Überschneidungsbereich (35a) von einem Verwundungsbereich (35) und einem Vertrauensbereich (50, 50a, 50b1, 50b3) gelegt wird.
Computerprogrammprodukt, das ein computerlesbares Medium aufweist, umfassend einen Programmcode zur Implementierung eines Computerprogramms in einen Computerspeicher eines Leitrechners (40), derart, dass das Computerprogramm so ausgebildet ist, dass die Berechnungen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgeführt werden, wenn das Computerprogramm auf dem Leitrechner (40) ausgeführt wird.