ES3036844T3 - Laser weapon system and method for measuring distances - Google Patents

Abstract

Un sistema de arma láser comprende un láser efectivo configurado para irradiar un objetivo con un rayo láser de onda continua que tiene una intensidad de rayo predeterminada; y un detector de radiación configurado para detectar la radiación láser reflejada por el objetivo con una intensidad reflejada; en donde el láser efectivo está configurado para impartir un pulso de modulación a la intensidad del rayo láser de onda continua, y en donde el detector de radiación está configurado para detectar el pulso de modulación en la intensidad reflejada de la radiación láser reflejada detectada y para determinar una distancia del objetivo desde el sistema de arma láser a través de una medición del tiempo de vuelo del pulso de modulación. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de arma láser y procedimiento para la medición de distancias

[0001]La presente invención se refiere a un sistema de arma láser y a un procedimiento para la medición de distancias entre un sistema de arma láser de este tipo y un objetivo.

[0002]En sistemas típicos para actuar sobre un objeto objetivo por medio de radiación electromagnética dirigida se utiliza un rayo láser de alta energía para perturbar y/o dañar el objetivo. Para lograr una alta eficiencia del sistema, es esencial un conocimiento preciso de la distancia del sistema al objeto objetivo, por ejemplo, para enfocar el láser activo en el objeto objetivo. Por lo general, para determinar la distancia se utilizan telémetros separados que, según el principio de funcionamiento, utilizan sus propias fuentes de radiación para emitir radiación electromagnética.

[0003]Un procedimiento ampliamente utilizado para determinar la distancia utiliza un rayo láser pulsado separado que se dirige al objetivo, véase, por ejemplo, el documento DE 102010053896 A1. El pulso de radiación reflejado se puede detectar con un detector y, sobre esta base, se puede llevar a cabo una medición del tiempo de propagación. Mediante la medición del tiempo que tarda un pulso de luz en correr desde el dispositivo de medición hasta el objeto objetivo y vuelta, se determina la distancia entre la fuente y el objeto objetivo a través de la velocidad de la luz.

[0004]Sistemas de arma láser también se conocen por los documentos US 8,218,589 B1 y EP 3118561 A1.

[0005]En este contexto, la presente invención tiene el objetivo de encontrar soluciones más simples y luego precisas para un sistema de arma láser con telémetro.

[0006]Según la invención, este objetivo se logra mediante un sistema de arma láser con las características de la reivindicación 1 y mediante un procedimiento con las características de la reivindicación 6.

[0007]Por consiguiente, está previsto un sistema de arma láser. El sistema de arma láser comprende un láser activo, que está configurado para irradiar un objetivo con un rayo láser de onda continua con una intensidad de rayo predeterminada; y un detector de radiación, que está configurado para detectar la radiación láser de reflexión, que se refleja por el objetivo con una intensidad de reflexión; donde el láser activo está configurado para imprimir un pulso de modulación en la intensidad de rayo del rayo láser de onda continua, y donde el detector de radiación está configurado para detectar el pulso de modulación en la intensidad de reflexión de la radiación láser de reflexión detectada y para determinar una distancia del objetivo del sistema de arma láser a través de una medición de tiempo de propagación del pulso de modulación.

[0008]Además, está previsto un procedimiento para la medición de distancias entre un sistema de arma láser y un objetivo. El procedimiento comprende la irradiación del objetivo con un rayo láser de onda continua de un láser activo del sistema de arma láser con una intensidad de rayo predeterminada, donde se imprime un pulso de modulación en la intensidad de rayo del rayo láser de onda continua; la detección de radiación láser de reflexión con un detector de radiación del sistema de arma láser, que se refleja por el objetivo con una intensidad de reflexión; la detección del pulso de modulación en la intensidad de reflexión de la radiación láser de reflexión detectada; y la determinación de la distancia del objetivo desde el sistema de arma láser a través de una medición del tiempo de propagación del pulso de modulación.

[0009]Una idea en la que se basa la presente invención consiste en utilizar el láser activo real simultáneamente para la medición de distancias y, por lo tanto, eliminar la necesidad de un segundo láser para la medición de distancias. Para ello, el láser activo funciona en modo de onda continua, donde se modula con uno o varios pulsos característicos cortos. De este modo, el grado de desviación del láser activo (“duty cycle”) se reduce solo mínimamente. Los pulsos se pueden identificar en la radiación reflejada con el detector de radiación según sus propiedades características. Para ello, el detector de radiación puede medir continuamente la radiación reflejada, por ejemplo. Una vez que se han identificado el o los pulsos, se puede determinar la distancia al objetivo a través del tiempo entre el envío y la recepción del pulso respectivo.

[0010]En resumen, la presente invención ofrece por lo tanto una estructura considerablemente más sencilla que los sistemas de arma láser convencionales con un telémetro separado basado en láser. Los láseres activos típicos también ofrecen un alcance muy amplio en comparación con los telémetros convencionales. La medición de distancia se puede llevar a cabo con el presente sistema con tasas de repetición altas, por ejemplo, constantes. De forma alternativa o adicional, la medición de distancias solo se puede activar esporádicamente según sea necesario.

[0011]Configuraciones y perfeccionamientos ventajosos se deducen de otras reivindicaciones dependientes, así como de la descripción en referencia a las figuras.

[0012]Según la invención, el láser activo está configurado para generar el pulso de modulación mediante la reducción y/o el aumento de la intensidad de rayo a lo largo de una duración de pulso. El procedimiento comprende, en consecuencia, la generación del pulso de modulación mediante la reducción y/o el aumento de la intensidad de rayo a lo largo de una duración del pulso.

[0013]Para la modulación del láser activo están a disposición distintas opciones. Por ejemplo, en el caso simple, se puede producir una reducción brusca (por ejemplo, <1 ms) de la intensidad/potencia del láser activo. Un pulso de este tipo puede presentar cualquier forma de pulso, por ejemplo, rectángulo, Gauss, Sech2, diente de sierra, curva de Lorentz, etc. En principio, sin embargo, los pulsos de modulación en el sentido de la invención también comprenden modulaciones a corto plazo más complejas de la intensidad de rayo del láser activo, por ejemplo, una oscilación de la intensidad de rayo con una amplitud de modulación alrededor de un valor normal de la intensidad de rayo, que indica el valor donde el láser activo se opera fuera de la ventana de pulso corto en modo de onda continua. Un pulso de modulación en el sentido de la invención es en este caso un cambio de corta duración, es decir, de duración insignificante con respecto al modo de onda continua del láser activo, de la intensidad y/o potencia del láser activo, donde la intensidad/potencia se aumenta en una altura de modulación y/o se reduce en una profundidad de modulación.

[0014]Según la invención, el pulso de modulación presenta una duración de pulso de menos de 1 ms. Por ejemplo, la duración del pulso puede ser de 0,5 ms.

[0015]Según la invención, el láser activo está configurado para generar el pulso de modulación mediante un funcionamiento breve del láser activo en un rango de sobrecarga y/o un rango de subcarga. El procedimiento comprende, en consecuencia, la generación del pulso de modulación en un rango de sobrecarga y/o un rango de subcarga.

[0016]Los diodos láser que se utilizan habitualmente en un láser activo se pueden conducir típicamente brevemente (<1 ms) en un rango de sobrecarga. En este caso, la potencia o intensidad se puede aumentar brevemente hasta un 50% por encima del valor normal. Sin embargo, la intensidad del láser activo también se puede modular de tal manera que el láser activo no solo se conduce en el rango de sobrecarga, sino también en un rango de subcarga. En general, el pulso de modulación puede presentar un curso complejo en intensidad, que puede comprender, por ejemplo, una oscilación o un cambio múltiple entre el rango de sobrecarga y el rango de subcarga.

[0017]Según un perfeccionamiento, el láser activo puede estar configurado para imprimir en la intensidad de rayo varios pulsos de modulación. El láser activo puede estar configurado además para una adaptación adaptativa de una amplitud de modulación de los pulsos de modulación. El procedimiento puede comprender de forma correspondiente la impresión de varios pulsos de modulación sobre la intensidad de rayo. El procedimiento puede comprender además una adaptación adaptativa de una amplitud de modulación de los pulsos de modulación.

[0018]Por lo tanto, una profundidad de modulación y/o altura de modulación, es decir, una desviación de una intensidad estándar del láser activo, no está predeterminada necesariamente fija, sino que se puede adaptar de forma adaptativa. Por ejemplo, la profundidad de modulación o altura de modulación se pueden reducir si el pulso de modulación se reconoce bien en el receptor. Por amplitud de modulación se entiende la cantidad de cambio de la intensidad o potencia del láser activo por el valor normal.

[0019]Según un perfeccionamiento, el detector de radiación puede estar configurado para detectar el pulso de modulación comparando un curso de señal de la intensidad de reflexión de la radiación láser de reflexión detectada con un curso de señal de la intensidad de rayo del rayo láser de onda continua. El procedimiento puede comprender correspondientemente la detección del pulso de modulación, comparando un curso de señal de la intensidad de reflexión de la radiación láser de reflexión detectada con un curso de señal de la intensidad de rayo del rayo láser de onda continua.

[0020]La modulación característica de la señal recibida por lo general no se compara con una señal de consigna (señal en una entrada de modulación), sino con un valor real (potencia óptica medida del láser activo), es decir, con la señal de salida de los diodos láser correspondientes. Por lo tanto, las imprecisiones como, por ejemplo, fluctuaciones (“jitter”) o similares se tienen en cuenta automáticamente.

[0021]Según un perfeccionamiento, el detector de radiación puede estar configurado para llevar a cabo la medición del tiempo de propagación por medio de una detección de flanco en los cursos de señal de las intensidades. El procedimiento puede comprender correspondientemente la realización de la medición del tiempo de propagación por medio de una detección de flanco en los cursos de señal de las intensidades.

[0022]Por lo tanto, en el caso de una modulación “simple”, se puede utilizar una detección de un flanco descendente/ascendente en el curso de la potencia óptica. La diferencia de los momentos de los flancos descendentes/ascendentes da como resultado la duración de tiempo para determinar la distancia.

[0023]Según un perfeccionamiento, el pulso de modulación puede presentar una variación de amplitud característica en una amplitud de modulación. El detector de radiación puede estar configurado para llevar a cabo la medición del tiempo de propagación mediante una medición de correlación en los cursos de señal de las intensidades. El procedimiento puede comprender correspondientemente la realización de la medición del tiempo de propagación mediante una medición de correlación en los cursos de señal de las intensidades.

[0024] En modulaciones “más complejas”, la determinación de la duración del tiempo se puede realizar, por ejemplo, a través de una medición de correlación de los cursos de señal de la potencia óptica emitida y recibida. Una autocorrelación permite, por ejemplo, un submuestreo y, por lo tanto, una estimación aún mejor de la distancia en comparación con el tiempo de modulación. Especialmente con los reguladores de corriente lentos de los diodos láser (del láser de alta energía), estas técnicas permiten una resolución de flanco y señal claramente mejorada y, por lo tanto, una estimación de distancia mejorada.

[0025] Las configuraciones y variantes anteriores se pueden combinar entre sí de cualquier manera, siempre que sea adecuado. Otras configuraciones, perfeccionamientos e implementaciones posibles de la invención también comprenden combinaciones no mencionadas explícitamente de las características de la invención descritas a continuación con vistas a los ejemplos de realización. En particular, el experto en la materia adicionará también aspectos individuales como mejoras o complementación de la forma base respectiva de la presente invención.

[0026] La presente invención se explica más en detalle a continuación mediante ejemplos de realización especificados en las figuras esquemáticas. A este respecto muestran:

Fig. 1 vista esquemática de un sistema de arma láser según una forma de realización de la invención;

Fig. 2 a 7 cursos de intensidad esquemáticos de pulsos de modulación con el sistema de arma láser de la Fig. 1;

y

Fig. 8 diagrama de desarrollo esquemático de un procedimiento para la medición de distancias con el sistema de arma láser de la Fig. 1.

[0027] Las figuras adjuntas deben permitir una mejor comprensión de las formas de realización de la invención. Ilustran formas de realización y sirven para la explicación de los principios y conceptos de la invención en relación con la descripción. Otras formas de realización y muchas de las ventajas mencionadas se derivan de los dibujos. Los elementos de los dibujos no están representados necesariamente a escala exacta entre sí.

[0028] En las figuras del dibujo, los elementos, las características y los componentes iguales, de igual funcionamiento y efecto están provistos en cada caso de los mismos números de referencia - siempre y cuando no se indique lo contrario.

[0029] La figura 1 muestra una vista esquemática de un sistema de arma láser 1 según una forma de realización de la invención. La Fig. 8 muestra un diagrama de desarrollo esquemático de un procedimiento para la medición de distancia con el sistema de arma láser de la Fig. 1.

[0030] Las mediciones de distancia habituales a un objeto objetivo en distancias más largas (por ejemplo, más de 1 m) a menudo funcionan según el principio de medición del tiempo de propagación. Estos telémetros se construyen por lo general a partir de un emisor (fuente de luz/láser con óptica, un receptor (óptica y diodo(s) de recepción) y electrónica adicional para la evaluación y control. A este respecto, habitualmente se emiten uno o varios pulsos de luz separados desde un emisor en la dirección del objeto objetivo y se mide el tiempo que necesitan el o los pulsos para correr desde el emisor hasta el objeto objetivo y vuelta al receptor. De este modo se puede determinar en última instancia la distancia.

[0031] En sistemas para dañar o perturbar un objeto por medio de radiación electromagnética dirigida (“sistemas láser de alta energía”, “radiación de defensa”, “energía dirigida”, etc.), se dirige un rayo láser (de alta energía) (“láser activo”) hacia un objeto objetivo. Para una buena eficiencia de un sistema de este tipo, es útil o necesario un conocimiento preciso de la distancia al objeto objetivo, por ejemplo, para enfocar el láser activo en el objeto objetivo y/o para enfocar la imagen para su observación o seguimiento (“tracking”). Por lo general, para determinar la distancia se utilizan telémetros separados que, dependiendo del principio de funcionamiento, utilizan sus propias fuentes para emitir un pulso de luz.

[0032] En el sistema de arma láser 1 mostrado en la figura 1 se utiliza un enfoque completamente diferente, donde no es necesaria ninguna fuente propia. Más bien, se utiliza un láser activo 2 que funciona en modo de onda continua como telémetro. Como componente adicional, solo se necesita un receptor adecuado para la detección (detector de radiación 3).

[0033] Concretamente, el sistema de arma láser 1 en la Fig. 1 comprende por tanto un láser activo 2, que está configurado para irradiar un objetivo 4 con un rayo láser de onda continua 5 con una intensidad de rayo 6 predeterminada. Además, el sistema de arma láser 1 comprende un detector de radiación 3, que está configurado para detectar radiación láser de reflexión 7, que se refleja por el objetivo 4 con una intensidad de reflexión 8.

[0034] El láser activo 2 está configurado para imprimir un pulso de modulación 9 en la intensidad de rayo 6 del rayo láser de onda continua 5. Para ello, el láser activo 2 aumenta o disminuye la intensidad de rayo 6 a lo largo de una corta duración de pulso 10, según la invención menos de 1 ms. Por ejemplo, una reducción a corto plazo de la intensidad o potencia del láser activo 2 puede conducir a los cursos de intensidad mostrados en las Fig. 2 y 3.

[0035] Según la invención, esto se realiza conduciendo los diodos láser del láser activo 2 (no representado) brevemente a un rango de sobrecarga y/o subcarga (por ejemplo, 10%, 20% o hasta 50% con respecto a un valor normal). Por lo tanto, la modulación puede adoptar, por ejemplo, la forma representada en la Fig. 5, donde la línea discontinua representa un valor normal, tal como se establece durante el modo de onda continua.

[0036] Sin embargo, también son posibles y están previstos pulsos de modulación 9 más complejos. Por ejemplo, la Fig. 6 muestra un pulso de modulación 9 con un curso de tiempo complejo, donde uno o varios diodos láser del láser activo 2 se desplazan a un rango de sobrecarga.

[0037] La Fig. 7 representa otro ejemplo donde el láser activo 2 no solo se conduce en el rango de sobrecarga, sino también en un rango de subcarga. La intensidad o potencia fluctúa u oscila en torno al valor normal (línea discontinua). Por lo tanto, el pulso de modulación 9 adquiere una forma característica. Esta forma característica caracteriza el pulso de modulación 9 y se puede reconocer en la radiación reflejada para simplificar la detección del pulso.

[0038] De nuevo con respecto a la Fig. 1, el detector de radiación 3 está configurado además para detectar el pulso de modulación 9 en la intensidad de reflexión 8 de la radiación láser de reflexión detectada 7 y determinar una distancia del objetivo 4 del sistema de arma láser 1 a través de una medición del tiempo de propagación del pulso de modulación 9. Para ello, se puede comparar un curso de señal de la intensidad de reflexión 8 de la radiación láser de reflexión 7 detectada con un curso de señal de la intensidad de rayo 6 del rayo láser de onda continua 5.

[0039] Por ejemplo, el detector de radiación 3 puede estar configurado para llevar a cabo la medición del tiempo de propagación por medio de una detección de flanco en los cursos de señal de las intensidades 6, 8, por ejemplo, en el caso de una modulación simple, como se puede ver en las Fig. 2, 3 y 5. En otro ejemplo, el detector de radiación 3 puede estar configurado para llevar a cabo la medición del tiempo de propagación mediante una medición de correlación en los cursos de señal de las intensidades 6, 8, por ejemplo, en el caso de una modulación compleja, como se puede ver en las Fig. 6 y 7.

[0040] En realizaciones, el láser activo 2 puede estar configurado, además, para imprimir en la intensidad de rayo 6 varios pulsos de modulación 9 (regulares o simplemente esporádicos). La profundidad y/o altura de los pulsos de modulación individuales 9 por encima de un valor normal de la intensidad/potencia se pueden adaptar en este caso de forma adaptativa, por ejemplo, según una calidad de detección. La Fig. 4 muestra un ejemplo donde se reduce gradualmente una profundidad de pulso.

[0041] Por lo tanto, el principio descrito para la medición de distancias invierte, en cierto sentido, un telémetro láser ordinario: no se emiten ni detectan pulsos individuales, sino que se aplica un rayo láser permanente con pulsos de modulación característicos, que a su vez se utilizan para la medición del tiempo de propagación. Esto ofrece la ventaja significativa de que el propio láser activo puede funcionar simultáneamente como un telémetro, lo que simplifica toda la estructura del sistema de arma láser.

[0042] En la descripción detallada anterior se han resumido distintas características para la mejora del rigor de la representación en uno o varios ejemplos. No obstante, a este respecto debería quedar claro que la descripción arriba mencionada es solo de naturaliza ilustrativa, pero en ningún caso limitante. Sirve para la cobertura de todas las alternativas, modificaciones y equivalencias de las distintas característica y ejemplos de realización. Muchos otros ejemplos le quedarán claros al experto en la materia de forma inmediata y directa debido a sus conocimientos técnicos considerando la descripción arriba mencionada.

[0043] Los ejemplos de realización se han seleccionado y descrito para poder representar lo mejor posible los principios que sirven de base a la invención y sus posibilidades de aplicación en la práctica. De este modo, los especialistas pueden usar y modificar de forma óptima la invención y sus distintos ejemplos de realización en referencia a la finalidad de uso pretendida. En las reivindicaciones y la descripción se usan los términos “que contiene” y “que presenta” como terminología idiomáticamente neutra para los términos correspondientes “que comprende”. Además, un uso de los términos “uno”, “una” no debe excluir básicamente una pluralidad de características y componentes descritos de este tipo.

Lista de referencias

[0044]

1 Sistema de arma láser

2 Láser activo

3 Detector de radiación

4 Objetivo

5 Rayo láser de onda continua

6 Intensidad de rayo

7 Radiación láser de reflexión

8 Intensidad de reflexión

9 Pulso de modulación

10 Duración de pulso

11 Amplitud de modulación

I Intensidad

t Tiempo

M Procedimiento

M1-M4 Etapas del procedimiento

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Sistema de arma láser (1), con:

un láser activo (2), que está configurado para irradiar un objetivo (4) con un rayo láser de onda continua (5) con una predeterminada intensidad de rayo (6); y

un detector de radiación (3), que está configurado para detectar radiación láser de reflexión (7), que se refleja por el objetivo (4) con una intensidad de reflexión (8);

donde el láser activo (2) está configurado para imprimir un pulso de modulación (9) a la intensidad de rayo (6) del rayo láser de onda continua (5) en modo de onda continua, y

donde el detector de radiación (3) está configurado para detectar el pulso de modulación (9) en la intensidad de reflexión (8) de la radiación láser de reflexión detectada (7) y determinar una distancia del objetivo (4) del sistema de arma láser (1) a través de una medición del tiempo de propagación del pulso de modulación (9);

donde el láser activo (2) está configurado para generar el pulso de modulación (6) mediante la reducción y/o el aumento de la intensidad de rayo (6) a lo largo de una duración de pulso (10) de menos de 1 ms, operando el láser activo (2) en un rango de sobrecarga y/o un rango de subcarga, donde la intensidad de rayo (6) se desvía en una amplitud de modulación (11) de una intensidad estándar del láser activo (2).

2. Sistema de arma láser (1) según la reivindicación 1, donde el

láser activo (2) está configurado para imprimir varios pulsos de modulación (9) a la intensidad de rayo (6) y donde el láser activo (2) está configurado para una adaptación adaptativa de una amplitud de modulación (11) de los pulsos de modulación (9).

3. Sistema de arma láser (1) según la reivindicación 1 o 2, donde el detector de radiación (3) está configurado para detectar el pulso de modulación (9) comparando un curso de señal de la intensidad de reflexión (8) de la radiación láser de reflexión (7) detectada con un curso de señal de la intensidad de rayo (6) del rayo láser de onda continua (5).

4. Sistema de arma láser (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde el detector de radiación (3) está configurado para llevar a cabo la medición del tiempo de propagación por medio de la detección de flancos en los cursos de señal de las intensidades (6, 8).

5. Sistema de arma láser (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde el pulso de modulación (9) presenta una variación de amplitud característica en una amplitud de modulación (11) y donde el detector de radiación (3) está configurado para llevar a cabo la medición del tiempo de propagación mediante una medición de correlación en los cursos de señal de las intensidades (6, 8).

6. Procedimiento (M) para la medición de distancias entre un sistema de arma láser (1) y un objetivo (4), con:

irradiación (M1) del objetivo (4) con un rayo láser de onda continua (5) de un láser activo (2) del sistema de arma láser (1) con una intensidad de rayo predeterminada (6), donde un pulso de modulación (9) se imprime en la intensidad de rayo (6) del rayo láser de onda continua (5);

detección (M2) de radiación láser de reflexión (7) con un detector de radiación (3) del sistema de arma láser (1), que se refleja por el objetivo (4) con una intensidad de reflexión (8);

detección (M3) del pulso de modulación (9) en la intensidad de reflexión (8) de la radiación láser de reflexión (7) detectada; y

determinación (M4) de la distancia del objetivo (4) del sistema de arma láser (1) a través de una medición del tiempo de propagación del pulso de modulación (9);

donde el pulso de modulación (9) se genera mediante la reducción y/o el aumento de la intensidad de rayo (6) a lo largo de una duración de pulso (10) de menos de 1 ms, operando el láser activo (2) en un rango de sobrecarga y/o un rango de subcarga, donde la intensidad de rayo (6) se desvía en una amplitud de modulación (11) de una intensidad estándar del láser activo (2).

7. Procedimiento (M) según la reivindicación 6, donde varios pulsos de modulación (9) se imprimen en la intensidad de rayo (6) y donde una amplitud de modulación (11) de los pulsos de modulación (9) se adapta de forma adaptativa.

8. Procedimiento (M) según la reivindicación 6 o 7, donde el pulso de modulación (9) se detecta comparando un curso de señal de la intensidad de reflexión (8) de la radiación láser de reflexión (7) detectada con un curso de señal de la intensidad de rayo (6) del rayo láser de onda continua (5).

9. Procedimiento (M) según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, donde la medición del tiempo de propagación se lleva a cabo por medio de una detección de flanco en los cursos de señal de las intensidades (6, 8).

10. Procedimiento (M) según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, donde el pulso de modulación (9) presenta una variación de amplitud característica en una amplitud de modulación (11) y donde la medición del tiempo de propagación se lleva a cabo mediante una medición de correlación en los cursos de señal de las intensidades (6, 8).