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Title:
DETECTOR UNIT AND A METHOD FOR DETECTING AN OPTICAL DETECTION SIGNAL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/065146
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a detector unit for detecting a detection signal from a localized optical source in front of a background (H). The detector unit comprises an image sensor (110) and a signal processing unit (120). The image sensor (110) comprises a plurality of pixels (111, 112,...) in order to detect the detection signal and the background (H). The image sensor (110) is designed to generate an image signal (S) independently for each pixel (111, 112,...) depending on the detection signal and the background (H). The signal processing unit (120) is designed to compare the image signal (S) with a threshold (SW) for each pixel (111, 112,...) and to output event data (125) if the threshold (SW) is exceeded within a duration (Δt). The threshold (SW) and the duration (Δt) can be adjusted.

Inventors:
SCHERBARTH STEFAN (DE)
LAUBER JOCHEN (DE)
Application Number:
EP2017/071150
Publication Date:
April 12, 2018
Filing Date:
August 22, 2017
Export Citation:
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Assignee:
HENSOLDT SENSORS GMBH (DE)
International Classes:
G01S7/48; F41G3/14; G01S3/784; H01L27/146
Foreign References:
EP2682776A12014-01-08
US6137566A2000-10-24
US20130336536A12013-12-19
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
LIFETECH IP (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Detektoreinheit zum Delektieren eines Detektionssignals von einer lokali- sierten optischen Quelle (50) vor einem Hintergrund (H), mit folgenden Merkmalen: einen Bildsensor (110) mit einer Vielzahl von Pixeln (111 , 112, , .,) zum Erfassen des Detektionssignals und des Hintergrundes (H), wobei der Bildsensor (110) ausgebildet ist, um in Abhängigkeit von dem Detektions- signal und dem Hintergrund (H) unabhängig für jedes Pixel (111 , 112, ...) ein Bildsignal (S) zu erzeugen; und einer Signalverarbeitungseinheit (120), die ausgebildet ist, um für jedes Pixel (111, 112, ...) das Bildsignal (S) mit einem Schwellenwert (SW) zu vergleichen und bei Überschreiten des Schwellenwertes (SW) innerhalb einer Zeitdauer (At) Ereignisdaten (125) auszugeben, wobei der Schwel- lenwert (SW) und/oder die Zeitdauer (At) pixelabhängig einstellbar sind.

2. Detektoreinheit nach Anspruch 1 , wobei die Signalverarbeitungseinheit (120) in dem Bildsensor (110) integrierten ist und der Schwellenwert (SW) für jedes Pixel (111 , 112, ...) individuell einstellbar ist und die Detektions- einheit weiter für jedes Pixel (111 , 112, ...) einen analogen Komparator aufweist, um das Bildsignal (S) mittels des analogen Komparators mit ei- nem für jedes Pixel (111 , 112, .. ,) individuellen Schwellenwert (SW) zu vergleichen, wobei die Zeitdauer (At) eine sich aus der Zeitkonstante des analogen Komparators ergebende Integrationszeit zum Aufsummieren des Bildsignals (S) ist.

3. Detektoreinheit nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Signalver- arbeitungseinheit (120) weiter ausgebildet ist, um die Zeitdauer (At) und/oder den Schwellenwert (SW) derart anzupassen, dass eine mittlere Anzahl von ausgegebenen Ereignisdaten (125) pro Zeiteinheit innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt, 4. Detektoreinheit nach Anspruch 3, wobei die Signalverarbeitungseinheit (120) weiter ausgebildet ist, um die Zeitdauer (At) und/oder den Schwel- lenwert (SW) fortlaufend derart anzupassen, dass die mittlere Anzahl von Ereignisdaten pro Zeiteinheit unabhängig von dem Hintergrund (H) ist. 5. Detektoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungseinheit (120) weiter ausgebildet ist, um die Schwel- lenwerte (SW) für jedes Pixel (111 , 112, ...) aus einem globalen Schwel- lenwert abzuleiten und dadurch zu ermöglichen, dass jedes Pixel (111 , 112, ...) eine gleiche Lichtempfindlichkeit aufweist und fertigungsbedingte Streuungen von Empfindlichkeiten der Pixel (111 , 112, ...) somit kompen- siert werden. 6. Detektoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bildsensor (110) einen CMOS-Bildsensor umfasst. 7. Detektoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der die Signalverarbeitungseinheit (120) eine CMOS-Ausleseelektronik um- fasst, die rückseitig pixelweise den Bildsensor (110) über pixelspezifische Signalkomponenten (121 ,122,123,...) kontaktiert. 8. Detektoreinheit nach dem Anspruch 7, wobei die Pixel (111 , 112, ...) des Bildsensors (110) Fotodioden basierend auf Silizium oder InGaAS auf- weisen. 9. Detektoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungseinheit (120) weiter ausgebildet ist, um bei Ausgabe der Ereignisdaten (125) ein Auslesen eines Pixelwertes für den entspre- chenden Pixel (111 , 112, ...) zu veranlassen, wobei das Auslesen ereig- nisgesteuert und asynchron erfolgt.

10. Detektoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungseinheit (120) ausgebildet ist, um unabhängig vonei- nander für jeden Pixel (111 , 112, ...) einzeln Ereignisdaten (125) auszu- geben. 11. Detektoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungseinheit (120) weiter ausgebildet ist, um in regelmäßi- gen Zeitintervallen die für jedes Pixel (111 , 112, ...) erhaltenen Ereignis- daten zu zählen und erhaltene Ergebnisse jeweils am Ende eines jeden Zeitintervails für alle Pixel (111 , 112, ...) auszugeben. 12. Detektoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiter eine Warneinheit (130) aufweist, die ausgebildet ist, um basierend auf den Ereignisdaten (125) ein Warnsignal (135) als Warnung vor der lokali- sierten optischen Quelle (50) zu erzeugen. 13. Detektoreinheit nach Anspruch 12, wobei die Warneinheit (130) ein Filter aufweist und das Filter ausgebildet ist, um ein periodisches Signal unter Nutzung eines ersten Schwellenwertes (SW1 ) und/oder ein nichtperiodi- sches Signal unter Nutzung eines zweiten Schwellenwertes (SW2) zu fil- tern, wobei der zweite Schwellenwert (SW2) größer ist als der erste Schwellenwert (SW1 ). 14. Detektoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungseinheit (120) und/oder die Warneinheit (130) ausge- bildet sind, um den Schwellenwert (SW) derart einzustellen, dass ein Sig- nalrauschverhältnis oberhalb von einem Wert 13 liegt.

15. Kamera mit einer Detektoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 14. 16. Kamera nach Anspruch 15 wobei das Sichtfeld eines Pixels (111 , 112, ...) maximal 2° beträgt.

17. Kamera nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, die weiter eine Linse, einen Spektralfilter und/oder einen Interferenzfilter aufweist und insbesondere einen Sichtbereich von zumindest 60°*60° erfasst. 18. Warnvorrichtung, insbesondere ein Laserwarner oder ein Detektor für Mündungsfeuer, mit einer Detektoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und/oder einer Kamera nach einem der Ansprüche 15 bis 17. 19. Verfahren zum Detektieren eines Detektionssignals von einer lokalisierten optischen Quelle (50) vor einem Hintergrund (H), wobei das Detektions- signals und der Hintergrund (H) durch einen Bildsensor (1 10) mit einer Vielzahl von Pixeln (111 , 1 12, ...) erfasst wird, mit folgenden Schritten:

Erzeugen (S1 10) eines Bildsignals (S), wobei das Bildsignal (S) unab- hängig für jeden Pixel (1 11 , 112, ...) erzeugt wird;

Vergleichen (S120) des Bildsignals (S) mit einem Schwellenwert (SW); und

Ausgeben (S130) von Ereignisdaten (125), wenn der Schwellenwert (SW) innerhalb einer Zeitdauer (At) überschritten wird, wobei das Vergleichen (S120) unabhängig für jeden Pixel (1 1 1 , 112, ...) einzeln ausgeführt wird und der Schwellenwert (SW) und die Zeitdauer (At) einstellbar sind. 20. Verfahren nach Anspruch 19, das weiter ein Ändern des Schwellenwertes (SW) und/oder der Zeitdauer (At) umfasst, um eine mittlere Rate von ausgegeben Ereignisdaten (125) zu ändern und insbesondere kleiner als einen Maximalwert zu halten.

Description:
Detektoreinheit und ein Verfahren zum Delektieren eines optischen Detek- tionssignals

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Detektoreinheit und ein Verfah- ren zum Detektieren eines optischen Detektionssignals und insbesondere auf eine Laser-Warn- Vorrichtung und einen Detektor für Mündungsfeuer.

Hintergrund

Sowohl für die Detektion von gepulsten Laserquellen (z.B. für lasergesteuerte Lenkflugkörper) als auch für Mündungsfeuer sind sehr kurze, lokalisierte opti- sche Blitze zu detektieren, und zwar häufig vor einem starken, mit Sonnenlicht bestrahltem Hintergrund. Die typische Blitzdauer der Lichtblitze können im Be- reich von Nanosekunden für gepulsten Laser und im Bereich ab ca. hundert Mikrosekunden bei der Detektion von Mündungsfeuer liegen.

Ein primärer Begrenzungsfaktor für die Detektion solcher Signale während der Tageszeit ist das Schrotrauschen des vorhandenen solaren Hintergrunds. Typi- sche Referenzhintergrund-Lichtsignale sind beispielsweise ein sonnenbestrahl- ter Strand oder eine sonnenbestrahlte Wolke (mit Albedowerten von 0,6 bis 0,8) oder sogar sonnen bestrahlte Schneefelder (mit einem Albedowert von bis zu 1 ).

Bisher bekannte Systeme zur Detektion von gepulsten Lasern und für feindli- ches Feuer sind deutlich begrenzt hinsichtlich des Hintergrundlichtes und sind für moderne Anwendungen häufig ungeeignet. Zur Beschussdetektion werden zwar ebenfalls akustische Detektoren genutzt, die liefern jedoch häufig Fehl- alarme (z.B. bei Hubschrauberanwendungen). Die ebenfalls genutzten Radar- systeme sind aufwand ig und müssen außerdem aktiv Signale abstrahlen, was oft nicht gewünscht ist.

Daher besteht ein Bedarf an Detektoren, die in der Lage sind, sehr kurze Licht- blitze von sehr geringer Intensität vor einem Hintergrundsignal hoher Intensität wie beispielsweise sonnenbeschienene Objekte mit Albedowerten von bis zu 0,8 (Wolke, Strand) oder mehr zu detektieren. Außerdem besteht ein Bedarf nach Detektoren für Laserwarnern oder nach Detektoren für Warnsysteme vor feindli- chem Feuer, die eine hohe Ortsauflösung von beispielsweise < 1 ° erreichen können.

Zusammenfassung

Zumindest ein Teil der oben genannten Probleme wird durch eine Detektorein- heit nach Anspruch 1 , eine Kamera nach Anspruch 15 und ein Verfahren nach Anspruch 19 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Detektoreinheit zum Detektieren eines Detektionssignals von einer lokalisierten optischen Quelle vor einem Hin- tergrund und insbesondere auf eine Detektoreinheit zum Detektieren von kurzen optischen Detektionssignalen. Die Detektoreinheit kann daher insbesondere für Laserwarner und zur Detektion von feindlichem Feuer genutzt werden und um- fasst: einen Bildsensor und eine Signalverarbeitungseinheit. Der Bildsensor umfasst eine Vielzahl von Pixeln zum Erfassen des Detektionssignals und des Hintergrundes, wobei der Bildsensor ausgebildet ist, um in Abhängigkeit von dem Detektionssignal und dem Hintergrund unabhängig für jeden Pixel ein Bildsignal zu erzeugen. Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, um für jeden Pixel das Bildsignal mit einem Schwellenwert zu vergleichen und bei Überschreiten des Schwellenwertes innerhalb einer Zeitdauer Ereignisdaten auszugeben. Optional ist die Signalverarbeitungseinheit in dem Bildsensor inte- griert.

Der Schwellenwertvergleich kann hierbei durch einen analogen Schweliwert- komparator pro Pixel erfolgen, sodass die Zeitdauer sich aus der Zeitkonstante dieses analogen Schwellwertkomparators ergeben kann. Hierdurch wird er- reicht, dass die Detektion nicht an ein festes, durch die Zeitdauer gegebenes Zeitraster gebunden ist, sondern immer dann Ereignisdaten erzeugt werden, wenn innerhalb der durch die Zeitkonstante gegebenen Zeitdauer der Schwell- wert überschritten wird. Der Schwellenwert und die Zeitkonstante sind einstell- bar, wobei der Schwellwert optional für jedes Pixel individuell eingestellt werden kann. Hierdurch wird erreicht, dass die auf Grund von Fertigungstoleranzen unterschiedlichen Empfindlichkeiten der Einzelpixel kompensiert werden kön- nen. Bei geeigneter Einstellung der Schwellenwerte kann somit eine gleiche Empfindlichkeit aller Pixel erzielt werden. Die Ereignisdaten hängen von dem Detektionssignal ab (z.B. nur jene Pixel betreffen, die optische Signale von der lokalisierten Quelle erfassen).

Das (elektrische) Bildsignal kann beispielsweise einen elektrischen Spannungs- wert oder eine Anzahl von Ladungen darstellen (z.B. durch einen CCD-Sensor erzeugt). Es ist ebenfalls möglich, dass das Bildsignal einen Stromstärkewert anzeigt, wie er beispielsweise durch eine Fotodiode erzeugt wird. Der Hinter- grund stellt ebenfalls ein optisches Signal dar, welches sich mit der Zeit oder auch in Abhängigkeit vom Ort ändern kann. In der Regel sind die Änderungen natürlichen Hintergrundlichtes in dem hier betrachteten Zeitintervall von Nano- sekunden bis Microsekunden sehr gering und werden durch das aus der Photo- nenstatistik des Hintergrundsignals bestimmte Schrotrauschen dominiert. Um die auf einen begrenzten Bereich lokalisierte Quelle zu detektieren, umfasst die Signalverarbeitungseinheit für jeden Pixel eine zughörige Signalverarbeitungs- komponente, die für den einzelnen Pixel die Auswertung vornimmt und ein po- tenzielles Ereignis feststellt.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist die Signalverarbeitungseinheit weiter ausgebildet, um die Zeitdauer und/oder den Schwellenwert derart anzupassen, dass eine Anzahl (Rate) von ausgegebenen Ereignisdaten in einer vorbestimm- ten Zeiteinheit (z.B. pro Sekunde) innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt. Optional kann hierdurch erreicht werden, dass die mittlere Anzahl von Ereignisdaten pro Zeiteinheit unabhängig von dem Hintergrund wird. Hierdurch wird erreicht, dass die Detektoreinheit immer mit der durch die Hintergrundstrah- lung begrenzten maximalen Empfindlichkeit betrieben wird.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf einen bestimmten vorbestimmten Bereich eingeschränkt. Vielmehr kann der vorbestimmte Bereich frei gewählt werden und an die entsprechende Hardware angepasst werden (z.B. nur durch einen Maximalwert definiert sein). Somit wird der vorbestimmte Bereich beispielsweise derart gewählt, dass eine Optimierung der Detektion erreicht wird und nur so viele Ereignisse (z.B. von einer Quelle) detektiert werden wie auch verarbeitet werden können. Beispielhaft kann diese Rate für eine sehr einfache weitere Signalverarbeitungshardware bei ca. 10-100/s liegen; wird die bestmögliche Empfindlichkeit angestrebt kann eine leistungsfähigere Signalverarbeitungs- hardware verwendet werden, mit welcher dann auch Raten von 100000/s verar- beitet werden können.

Optional umfasst der Bildsensor einen CMOS-Bildsensor und die Zeitdauer ist eine Integrationszeit zum Aufsummieren des Detektionssignals.

Optional kann auch nur die Signalverarbeitung in einer CMOS Ausleseelektronik realisiert sein, auf welcher die lichtsensitiven Pixel rückseitig kontaktiert werden. Dies kann beispielsweise durch das sogenannte„flip chip bonding" geschehen, bei dem pixeispezifische Signalkomponenten der Auswerteelektronik auf der Rückseite durch den Bildsensor kontaktiert werden.

Bei weiteren Ausführungsbeispieien ist die Signalverarbeitungseinheit weiter ausgebildet, um bei Ausgabe der Ereignisdaten ein Auslesen eines Pixelwertes für den entsprechenden Pixel zu veranlassen, so dass ein ereignisgesteuertes und asynchrones Auslesen der Pixel erfolgt. Insbesondere brauchen beim Aus- lesen keine vollständigen Frames erzeugt werden, die Pixelwerte können statt- dessen unabhängig voneinander verarbeitet werden. Ein Überschreiten eines einzigen Pixelwertes ist ausreichend, um für diesen Pixel (und nur für diesen Pixel) ein Auslesen auszulösen. Der Pixelwert umfasst beispielsweise das auf- summierte Signal, wobei das aufsummierte Signal beispielsweise durch die Gesamtzahl von Ladungen gegeben ist, die innerhalb der Zeitkonstante des Schwellenwertkomparators erzeugt wurden und die dem Bildwert für den ent- sprechenden Pixel entsprechen. Somit definieren Ausführungsbeispiele eben- falls eine Signalverarbeitungseinheit, die unabhängig voneinander für jeden Pixel einzeln Ereignisdaten ausgibt.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Detektoreinheit eine Warnein- heit, die ausgebildet ist, um basierend auf den Ereignisdaten ein Warnsignal als Warnung vor dem Detektionssignal zu erzeugen. Die Ereignisdaten sind somit nicht notwendigerweise ein Warnsignal. Erst wenn noch andere Kriterien erfüllt sind, kann daraus beispielsweise ein Warnsignal generiert werden.

Da die Ereignisdaten auch die Identifikation des Pixels beinhalten, für welches das Ereignis ausgelöst wurde, kann die Warneinheit auch die Richtung der opti- schen Quelle ermitteln. Hierbei kann eine entsprechende Kalibrierung des Bildsensors genutzt werden, um jedem einzelnen Pixel eine Richtung im Zielbe- reich zuzuordnen und somit die Richtung zu der lokalisierten Quelle zu bestim- men.

Die Warneinheit umfasst optional einen Filter, das ausgebildet ist, um ein perio- disches Signal unter Nutzung eines ersten Schwellenwertes und/oder ein nicht- periodisches Signal unter Nutzung eines zweiten Schwellenwertes zu filtern, wobei der erste Schwellenwert kleiner ist als der zweite Schwellenwert. Das Filter kann dazu beispielsweise ein digitales Filter umfassen und die Warnein- heit kann eine Rückkopplung zu der Signalverarbeitungseinheit aufweisen, um eine Änderung des Schwellenwertes zu bewirken.

Optional sind die Signalverarbeitungseinheit und/oder die Warneinheit ausgebil- det, um den Schwellenwert derart einzustellen, dass ein Signalrauschverhältnis bei einem Wert 13 liegt (es kann aber auch ein kleineres oder größeres Verhält- nis gewählt werden). Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Kamera mit einer zuvor beschriebenen Detektoreinheit. Optional umfasst die Kamera eine Linse, einen Spektralfilter und/oder einen Interferenzfilter.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Detektieren eines Detek- tionssignals von einer lokalisierten optischen Quelle vor einem Hintergrund, wobei das Detektionssignal und der Hintergrund durch einen Bildsensor mit einer Vielzahl von Pixeln erfasst wird. Das Verfahren umfasst die Schritte: Er- zeugen eines Bildsignals, wobei das Bildsignal unabhängig für jeden Pixel er- zeugt wird, Vergleichen des Bildsignals mit einem Schwellenwert; und Ausge- ben von Ereignisdaten, wenn der Schwellenwert innerhalb einer Zeitdauer über- schritten wird. Das Vergleichen wird unabhängig für jeden Pixel einzeln ausge- führt und der Schwellenwert und die Zeitdauer sind einstellbar. Optional kann für jedes Pixel ein individueller Schwellenwert und/oder eine individuelle Zeitdauer eingestellt werden.

Ausführungsbeispiele lösen zumindest einige oben genannten technischen Probleme durch eine Nutzung eines CMOS-Bildsensors, bei dem in jedem Pixel ein analoger Komparator integriert ist, der das erfasste Bildsignal mit einem Schwellenwert vergleicht und bei Überschreiten ein Ereignis auslöst. Beispiels- weise zeigt dieses Ereignis ein Überschreiten einer absoluten Änderungsge- schwindigkeit der Photoelektronenanzahl an, Der Inhalt des jeweiligen Pixels kann dann asynchron, ereignisgesteuert ausgelesen werden - nicht notwendi- gerweise Frame-basiert.

Der Schwellenwert ist dabei regelbar und kann beispielsweise derart eingestellt werden, dass sich eine konstante (mit einer Toleranzbreite von beispielsweise +/-10%) und noch gut verarbeitbare Ereignisrate einstellt. Diese Ereignisrate kann beispielsweise in einem Bereich von 10 bis 100000 Ereignissen/Sekunde liegen. Die Erfindung soll aber nicht auf diese Werte eingeschränkt werden. Der konkrete Wert, auf dem die Ereignisrate justiert wird, kann frei gewählt werden und den jeweiligen Gegebenheiten (z.B. der Rechenleistung) angepasst wer- den.

Optional können auch die Ereignisdaten für jedes Pixel in der Signalverarbei- tung während fester Zeitintervalle gezählt werden. Die somit erhaltene Ereig- nisanzahl pro Pixel wird dann jeweils am Ende der Zeitintervalle für alle Pixel ausgelesen.

Der Detektor kann gemäß weiterer Ausführungsbeispiele als eine Kamera aus- gebaut sein, wobei ein entsprechend lichtstarkes Objektiv mit einem passenden Sichtbereich von beispielsweise 90°*90° sowie einer geeigneten spektralen Filterung genutzt wird.

Kurzbeschreibung der Figuren

Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstan- den mit der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeich- nungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so ver- standen werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausfüh- rungsformen einschränkt, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.

Fig. 1 zeigt einen Detektor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorlie- genden Erfindung.

Fig. 2 zeigt beispielhaft einen Signalverlauf für ein Signal, welches durch eines der Pixel des Bildsensors erfasst wird.

Fig. 3 zeigt den Detektor mit weiteren optionalen Komponenten gemäß weiterer Ausführungsbeispiele.

Fig. 4 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Detektieren eines

Detektionssignals von einer lokalisierten optischen Quelle gemäß ei- nem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Detaillierte Beschreibung

Das zugrundeliegende Detektorkonzept, wie es in Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung umgesetzt wird, kann wie folgt beschrieben werden.

Für einen opto-elektronischen Detektor wird das kleinste detektierbare Signal durch das intrinsische Rauschen des Detektors sowie durch Rauschen des Hintergrundsignals begrenzt, vor welchem das Nutzsignal zu delektieren ist. Für sehr kurze Nutzsignale ändert sich das Hintergrundsignal während der Dauer des Nutzsignals in der Regel kaum, so dass das von der Hintergrundintensität erzeugte Schrotrauschen bestimmend für den Rauschbeitrag des Hintergrundes wird. Dieses berechnet sich aus der Photonenstatistik aus der Wurzel der wäh- rend der Detektionszeit am Pixel empfangenen Photonen.

Für Anwendung bei Tageslicht, wie sie beim Einsatz eines Laserwamers oder einer Mündungsfeuerdetektion auftritt, ist dieser durch das Schrotrauschen er- zeugte Rauschanteil der weitaus dominierende Anteil, welcher somit die Nach- weisgrenze des Detektors physikalisch begrenzt.

Um nun eine sehr geringe Nachweisgrenze zu erhalten, wird somit der Detektor so gestaltet, dass die Zahl der während des Detektionszeitraums erfassten Pho- tonen des Hintergrundes möglichst gering wird wobei gleichzeitig so viele Pho- tonen des Nutzsignals wie möglich detektiert werden sollen.

Ein erster Schritt hierzu ist die Verwendung eines bildgebenden Detektors mit möglichst vielen Pixeln. Mit zunehmender Pixelanzahl wird das Sichtfeld des einzelnen Pixels immer kleiner, so dass sich die Lichtintensität des Hintergrund- lichtes reduziert. Da das zu detektierende Nutzsignal aus ein Punktlichtquelle stammt, bleibt diese jedoch für das getroffene Pixel annähernd gleich, unabhän- gig von der Pixelanzahl - eine hohe Pixefanzahl reduziert somit bei gleicher Optik das Hintergrundsignal ohne das Nutzsignal zu beeinträchtigen.

Ein zweiter Schritt ist die Reduktion des Detektionszeitraums. Je kürzer der Detektionszeitraum ist, desto weniger Photonen des Hintergrundlichtes werden detektiert. Solange der Detektionszeitraum grösser ist als die Dauer des Nutz- signals wird diese in voller Höhe detektiert. Idealerweise wäre daher der Detek- tionszeitraum gleich lang wie die Dauer des Nutzsignals. Bei übliche CMOS Kameras liegt die Bildfrequenz bei ca. 50-200 Hz, der Detektionszeitraum ist somit mit 5-20 ms um den Faktor 0,5-2 * 10 6 länger als die Dauer eines Laser- pulses von z.B. 10 ns. Selbst sehr aufwändige Hochgeschwindigkeitskameras erreichen nur Bildfrequenzen von bis ca. 100kHz, womit der Detektionszeitraum mit 10ps immer noch um den Faktor 1000 länger ist als die Dauer des obigen Laserpulses. Somit sind die bekannten bildgebenden Sensoren, bei welchen jeweils das gesamte Bild nach der Integrationszeit ausgelesen wird, nicht sehr gut zur Detektion kleinster Lichtpulse vor hohem Hintergrundlicht geeignet. Die- se Begrenzung wird durch die vorgeschlagene pixelweise Signalverarbeitung aufgehoben. Hier sind in CMOS Technologie Schwellwertkomparatoren bis zu 10 ns Zeitkonstante realisierbar. Die effektive Detektionszeit entspricht dieser Zeitkonstante und kann somit idealerweise gleich lang wie die zu detektierenden Laserpulse realisiert werden.

Ein dritter Schritt ist die spektrale Eingrenzung des detektierten Wellenlängen- bereiches über einen entsprechenden Interferenzfilter. Solange das Nutzsignal innerhalb des Detektionsbandes liegt wird es hierdurch nicht beeinträchtigt, das Hintergrundsignal nimmt jedoch entsprechend der Bandbreite ab. Diese spektra- le Eingrenzung kann jedoch nur insoweit verwendet werden, wie die Wellenlän- ge des Nutzsignals bekannt ist. Auch wird die minimale Bandbreite durch den gewünschten Blickwinkel der Kamera begrenzt, da Interferenzfilter eine Wellen- längenverschiebung mit dem Einfallwinkel aufweisen. Dieser Einschränkung kann durch die Verwendung spezieller Objektive wie z.B. das in Fig.3 gezeigte reduziert werden.

Um die Anzahl von Falschalarmauslösungen zu begrenzen, kann ein relativ hohe Detektionsschwellenwert von z.B. S/N = 13 genutzt werden (S/N = Signal to noise ratio; Signalrauschverhältnis). Ist das Nutzsigna I periodisch können auch deutlich kleinere Detektionsschwellenwerte genutzt werden. Diese erzeu- gen dann zunächst eine relativ hohe Untergrundsignalrate, aus welchen dann z.B. mit einem digitalen Kammfilter das Vorhandensein eines periodischen Sig- nals bei geringer Falschalarmauslösung detektiert werden kann.

Im Folgenden wird ein konkreter Detektor und eine Kamera beschrieben, die dieses Detektorprinzip umsetzt.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Detektor, der geeignet ist, um ein Detektionssignal einer lokalisierten optischen Quelle (nicht in der Figur 1 ge- zeigt) vor einem Hintergrund zu detektieren. Der Detektor umfasst einen Bildsensor 110, eine Signalverarbeitungseinheit 120 und eine Warneinheit 130.

Der Bildsensor 1 10 umfasst eine Vielzahl von Pixeln 1 1 1 , 1 12, ... zum optischen Erfassen des Detektionssignals und des Hintergrundes. Der Bildsensor 1 10 ist ausgebildet, elektrische Bildsignal für jeden einzelnen Pixel 1 1 1 , 1 12, ... zu erzeugen und ist als ein Pixelarray von Fotodioden, beispielsweise basierend auf Silizium oder InGaAs (oder anderen lll-V Halbleitermaterialien) ausgebildet welcher rückseitig mit der CMOS Signalverarbeitungseinheit 120 verbunden ist. Die Bildsignale sind elektrische Signale, die der einfallenden Lichtintensität ent- sprechen und von CMOS Signalverarbeitungskomponenten (121 ,122,123) der Signalverarbeitungseinheit 120 ausgelesen werden. Die Signalverarbeitungs- einheit 120 ist ausgebildet, um für jeden Pixel das Bildsignal fortlaufen mit einem Schwellenwert zu vergleichen und bei Überschreiten des Schwellenwertes in- nerhalb einer Zeitdauer Ereignisdaten 125 auszulösen, die dann über eine Aus- gabeeinheit 129 an die Wameinheit 130 ausgegeben werden.

Die Ereignisdaten 125 zeigen ein potenziell zu detektierendes Ereignis an und die Ausgabeeinheit 129 kann zusammen mit diesen Ereignisdaten 125 außer- dem Bilddaten (z.B. Intensität) als auch andere Informationen über den betref- fenden Pixel (z.B. Zeitpunkt der Schwellwertüberschreitung) ausgeben. Die Warneinheit 130 erzeugt ein Warn- oder Alarmsignal 135, wenn bestimmte Kri- teilen erfüllt sind. Zu diesen Kriterien können beispielsweise gehören, dass eine bestimmte Mindestanzahl oder Maximalanzahl von Pixeln ein Überschreiten des Schwellenwertes detektiert haben und somit eine lokalisierte optische Quelle delektiert wurde und nicht nur ein zufälliges Rauschen oder ein plötzliches Auf- hellen des gesamten Hintergrundes aufgetreten ist.

Die Fig. 2 zeigt beispielhaft einen Signalverlauf für ein Bildsignal S, welches für eines der Pixel durch den Bildsensor 110 erfasst wird. Das Bildsignal S kann beispielsweise ein photoelektrischer Strom {von einer Fotodiode) oder eines CCD Pixel in dem Bildsensor 110 darstellen. Der beispielhafte Signalverlauf zeigt den durch das Hintergrundlicht gegebene Untergrundsignal, sowie zwei kurze überlagerte Nutzsignale S1 und S2. Das Signal K ist das resultierende Signal am Schwellwertkomparator mit der Zeitkonstante Δί ohne die mittlere Untergrundintensität (die beispielsweise subtrahiert werden kann). Die gestri- chelte Linie zeigt den Schwellenwert. Zu den Zeitpunkten t1 und t2 wird jeweils der Schwellenwertkomparator ausgelöst, da das in dem Intervall At vor t1 bzw. t2 liegende aufintegrierte Signal den Schwellenwert überschreitet. Durch den Einsatz einer analogen Signalverarbeitung ist die Detektion nicht an ein Zeitras- ter gebunden. D. h. die Abstände zwischen t1 und t2 müssen kein ganzzahliges Vielfaches von At sein. Jeweils zu den Zeiten t1 und t2 wird das Ereignissignal 125 für das Pixel ausgelöst und an die Warneinheit übermittelt. Optional kann auch noch die Höhe des Signals oder der Zeitpunkt der Auslösung relativ zu einem Referenzzähler ein Bestandteil des Ereignissignals sein.

Wenn dieses Bildsignal nur von einer begrenzten Anzahl von Pixeln erfasst wird, ist davon auszugehen, dass es von einer lokalisierten Quelle stammt und nicht ein zufälliges Rauschsignal und eine plötzliche Aufhellung des Hintergrun- des darstellt.

Die Zeitdauer/Integrationszeit At kann variabel gewählt werden und beispiels- weise durch die Signalverarbeitungseinheit 120 oder die Alarmeinheit 130 in Abhängigkeit von bestimmten Kriterien geändert oder eingestellt werden. Dem- entsprechend wird das Signal S nicht zwingenderweise über einen vorgegebe- nen konstanten Zeitraum aufsummiert. Der Bereich Ät kann vielmehr flexibel angepasst werden. Zusätzlich zur oder anstatt der Integrationszeit M kann ebenfalls der Schwellenwert SW angepasst werden. Der Schwellenwert kann beispielsweise über einen Komparator eingestellt werden, der in jedem Pixel vorhanden sein kann.

Außerdem kann die Warneinheit 130 ein optionales Filter aufweisen, um perio- dische Signale einer sich sehr schwach wiederholenden Quelle zu finden. Hier- für kann beispielsweise ein digitales Filter genutzt werden. Solche periodischen Quellen sind beispielsweise Lenklaser für lasergesteuerte Lenkflugkörper (Beamrider-Lenkflugkörper). Ein Vorteil dieser Filter besteht darin, dass sehr schwache Signale detektiert werden können. Für diese Anwendung können beispielsweise Schwellenwerte SW1 genutzt werden, die weniger als S/N = 13 aufweisen. Für nicht-periodische Quellen würde die Warneinheit nach Signalpi- xelintensitäten suchen und dementsprechend einen höheren Schwellenwert SW2 anwenden (z.B. einen Wert S/N = 13 oder auch mehr). Damit wird es mög- lich bereits für ein einziges Ereignis einen Alarm bei geringer Falschalarmrate zu erzeugen.

Diese Änderungen oder Anpassungen des Schwellenwertes SW (oder SW1 für periodische und SW2 für nicht-periodische Quellen) können ebenfalls dyna- misch erfolgen (z.B. während des Betriebes) und können sicherstellen, dass bestimmte Kriterien erfüllt sind. Eines der Kriterien ist beispielsweise die Ereig- nisrate, d.h. wie viele Ereignisse innerhalb einer vorgegebenen Zeit (z.B. pro Sekunde) detektiert werden. So kann es vorteilhaft sein, wenn diese Rate so hoch gewählt wird (z.B. durch Einstellen des Schwellenwertes), dass die detek- tierte Ereignisrate durch die nachfolgende Elektronik verarbeitbar ist, aber nicht höher. Wenn der Schwellenwert SW kontinuierlich (dynamisch) angepasst wird, kann eine annähernd konstante Ereignisrate unabhängig von dem tatsächlichen Hintergrundsignal erreicht werden. Durch Einstellen der Integrationszeit At kann der Detektor für die erwarteten Nutzsignale optimiert werden indem ein der er- warteten Nutzsignallänge entsprechende Integrationszeit At eingestellt wird.

Es ist ebenfalls möglich, die Ereignisrate durch den Schwellenwert SW so zu regeln, dass die Ereignisrate einen Maximalwert nicht überschreitet. Der Maxi- malwert kann beispielsweise von der Rechenleistung der nachfolgenden Aus- werteelektronik abhängen und kann sicherstellen, dass keine Ereignisse igno- riert werden oder erst zu einem Zeitpunkt ausgewertet werden könnten, der für die konkrete Anwendung (als Laserwarner oder als Detektor von feindlichen Feuer) nicht akzeptabel ist.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist die Detektoreinheit in eine Kamera inte- griert, die beispielsweise eine große Blende, eine Linse mit spektraler Filterung und einen angepassten CMOS-Sensor-Focal-Plane-Array aufweist. Der an- wendbare Wellenlängenbereich für dieses Konzept umfasst insbesondere den UV-Bereich, den sichtbaren Bereich und das nahe Infrarotspektrum (NIR), bis zu einer Wellenlänge von beispielsweise 1064 nm. Der Detektor hat wiederum einen Schwellwertdetektor, der in jedem Pixel integriert ist. Der Schwellwertde- tektor löst wieder aus, wenn ein einsteilbarer Signalschwellenwert (z.B. SW) erreicht wird, und zwar innerhalb seiner Integrationszeit (At). Dieses Ereignis löst ein asynchronisches Auslesen des Pixelwertes aus, wobei gleichzeitig die Pixelkoordinate und die Pixelintensität zusammen mit einem Zeitwert bereitge- stellt werden können, um so Zugriff auf das detektierte Ereignis zu erhalten. Das asynchrone Auslesen erfolgt somit ereignisgesteuert und unabhängig vom Aus- lesen von anderen Pixeln.

In dem in Fig 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, bei welchem das Pixelarray rückseitig mit einer CCD Auswerteeinheit verbunden ist, kann durch Verwen- dung eines Pixelarrays in InGaAs Technologie auch der Wellenlänenbereich bis ca. 1 ,9 pm abgedeckt werden.

Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung für diesen Detektor/Kamera mit den weiteren optionalen Komponenten. Das gezeigte Ausführungsbeispiel stellt beispielsweise eine Kamera dar, in der der Bildsensor 1 10 und die Verarbeitungseinheit 120 eine Einheit bilden, wobei ein optisches Signal von einer lokalisierten optischen Quelle 50 über eine oder mehrere optische Komponenten 140 auf eine erste Position P1 auf einer Sen- sorfläche (Pixel des Bildsensors 1 10) projiziert wird. Neben dem optischen Sig- nal wird ebenfalls der Hintergrund H nach dem Durchlaufen der optischen Kom- ponenten 140 auf die Sensorfläche des Bildsensors 110 projiziert. Beispielhaft wird ein Teil des Hintergrundes H auf ein zweite Position P2 der Sensorfläche projiziert. Es versteht sich, dass jede Position P1 , P2, ... auf der Sensorfläche eine andere Richtung des Hintergrundes erfasst und dass über eine Kalibrierung festgelegt wird, welche Position auf der Sensorfläche (z.B. welcher Pixel)„wohin schaut". Daher kann aus der Identifikation der Pixel die Richtung der erfassten optischen Quelle bestimmt werden.

Der Bildsensor 110 und die Verarbeitungseinheit 120 erzeugen basierend auf den erfassten optischen Signalen Ereignisdaten 125, die an die Warneinheit 130 weitergeleitet werden. Die Warneinheit 130 umfasst beispielsweise einen Warn- prozessor, um ein Warnsignal oder einen Alarm 135 basierend auf den Ereig- nisdaten und weiteren Kriterien zu erzeugen. Die Ereignisdaten 125 umfassen beispielsweise die Bild werte, die durch die einzelnen Pixel erfasst wurden und der jeweiligen Intensität der einfallenden optischen Strahlung entsprechen. Op- tional können ebenfalls die detektierte Zeit und die Position des Pixels als Teil der Ereignisdaten 125 übertragen werden, um basierend darauf wie zuvor be- schrieben die Richtung der optischen Quelle zu identifizieren.

Um ein enges spektrales Filtern durchzuführen und so eine gewünschte Sensiti- vität zu erreichen, kann der Detektor mit einem speziellen Linsendesign ausge- rüstet sein. Die optische(n) Komponente(n) 140 umfasst beispielsweise ein Lin- sensystem eines umgekehrten Galilei Teleskops 141 zur Winkelaufweitung, einen Interferenzfilter 142 und ein primären Objektiv 143. Der Interferenzfilter 142 ist somit an einem Ort geringer Strahldivergenz eingefügt, so dass die Wel- lenlängenverschiebung der Transmission durch den Einfallwinkel reduziert wird. Ein geeignetes Linsendesign würde beispielsweise die Verwendung einer 40 nm Filterbreite für eine 900 nm Laserdetektion in einer 90°-FOV-Kamera ermögli- chen.

Ausführungsbeispiele ermöglichen insbesondere ein Laserwarnsystem mit nur geringen wiederkehrenden Kosten. Außerdem können unterschiedliche indivi- duelle Linienfiltersensoren für den Laserwarner genutzt werden, um die Sensiti- vität zu verbessern und um Wellenlängeninformationen mit der Warnung bereit- zustellen. Es werden Detektionsempfindlichkeiten erreicht, welche mit bisher bekannten Laserwarnern hoher Ortsauflösung nicht erreichbar sind.

Alle in dieser Anmeldung angegeben Werte sind so zu verstehen, dass Abwei- chungen innerhalb einer Toleranzbreite auch noch unter die definierten Gegen- stände fallen sollen und als offenbart gelten. So kann eine obere Toleranzgren- ze um +10% oder +50% oder +100% und die untere Toleranzgrenze um -10% oder -30% oder -50% von dem angegebene Wert abweichen.

Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkma- le der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

50 optische Quelle

110 Bildsensor

111 , 112, 113, . .Pixel

120 Signalverarbeitungseinheit

125 Ereignisdaten

130 Warneinheit

135 Warnsigna!

140 optische Komponenten

141 Galilei-Filter

142 Interferenzfilter

143 Primärlinsen

H Hintergrund

SW, SW1 , SW2 Schwellenwert

P1 , P2 Positionen auf der Sensorfläche