Aktive Sensoren

Problemstellung

Die militärische Aufklärung unter ungünstigen atmosphärischen Bedingungen erfordert bildgebende Verfahren, die in der Lage sind, hochauflösende Bilder durch streuende und turbulente Medien hindurch zu liefern. Die aktive Bildgebung ist die Methode der Wahl für kritische Anwendungen, bei denen es auf hohe Präzision und Zuverlässigkeit ankommt. Die vollständige Kontrolle über die beleuchtende Lichtquelle ermöglicht es, ein hohes Maß an Informationen über die Eigenschaften entfernter Ziele zu gewinnen, insbesondere detaillierte 3D-Entfernungsinformationen, wie in Bild 1 dargestellt. Darüber hinaus können gepulste aktive Bildgebungssysteme den Zeitpunkt der Detektion steuern, wodurch Rauschen unterdrückt und die Sichtweite durch Nebel, Rauch und Feuer verbessert wird.

Projektziel

Im Rahmen eines von der deutschen Regierung in Auftrag gegebenen Projekts arbeiten wir am Fraunhofer IOSB an der Steigerung der Leistungsfähigkeit bestehender Systeme sowie an der Entwicklung und dem Benchmarking moderner Systeme für die aktive Bildgebung.

Lösungsansätze

Gated Viewing (GV) bietet die perfekte Kombination aus 3D-Detektion von nicht kooperativen Zielen unter widrigen Bedingungen und Detektionsgeschwindigkeit. Dabei wird ein gepulster Laser verwendet, der mit einer Kamera synchronisiert wird, um weit entfernte Objekte von Interesse zu beleuchten. Ein geeignetes Timing-Gate wählt nur die vom Objekt reflektierten Photonen aus und unterdrückt die Photonen, die aus dessen Vorder- und Hintergrund stammen. Dadurch erhält man einen wesentlich höheren Ziel-/Hintergrundkontrast als bei einem Bild ohne Gate. Außerdem werden zurückgestreute Photonen von Partikeln in der Atmosphäre zwischen Sensor und Objekt nicht erfasst, was bei schlechten Sichtverhältnissen deutliche Vorteile bringt.

Die Systeme arbeiten typischerweise im kurzwelligen infraroten, Netzhaut-sicheren Wellenlängenbereich mit günstigen Eigenschaften für die atmosphärische Ausbreitung. Die Pulsenergien reichen von einigen zehn Mikrojoule im Scanning-Modus bis zu einigen zehn Millijoule im Flash-Modus. Da sowohl die Nicht-Detektierbarkeit als auch die erweiterte Abdeckung von Spektralbereichen für den operationellen Einsatz von herausragender Bedeutung ist, untersuchen wir neuartige Ansätze zur aktiven Bildgebung wie Compressive Sensing und Quantum Imaging.

Mit Compressive Sensing ist es möglich, weit entfernte Objekte mit weniger Detektionen im Vergleich zu etablierten Systemen zur aktiven Bildgebung zu erfassen, da die räumliche Verteilung des Beleuchtungsmusters für jedes Bild kontrolliert werden kann. Diese Methode erfordert nur einen Einzelelementdetektor zur Detektion, da die räumliche Information des beleuchteten Objekts aus der Reflexion dieser Muster rekonstruiert werden kann.

Die Quanten-Bildgebung hat das Potenzial, Bilder mit einer minimalen Anzahl von Einzelphotonen zu erhalten (Bild 2), und diese Systeme können unter der Nachweisgrenze für externe Beobachter bleiben. Die breitbandige Quantenlichtquelle emittiert Photonen nach dem Zufallsprinzip in Raum und Zeit und kann so im Idealfall das Hintergrundrauschen nachahmen. Nur der Sender hat den Schlüssel, um mit Hilfe zusätzlicher Informationen aus verschränkten Photonenpartnern das echte Hintergrundrauschen vom echten Signal zu trennen. Darüber hinaus sind Quantensysteme von Natur aus gegen feindliche Störangriffe gehärtet.