DE102005033782A1 - Verfahren und System zur Erkennung und Unterscheidung des Vorliegens einer Bedrohung durch A-, B- oder C-Kampfstoffe - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung und Unterscheidung des Vorliegens einer Bedrohung durch A-, B- oder C-Kampfstoffe, umfassend folgende Verfahrensschritte: DOLLAR A - Ersterfassung einer die Kampfstoffe beinhaltenden Aerosolwolke, DOLLAR A - Bestimmung der aktuellen Entfernung von einem Ausgangspunkt zu der Aerosolwolke, DOLLAR A - Bestimmung einer mittleren Temperatur der Aerosolwolke, wobei bei einer mittleren Temperatur von mehr als 200 DEG C auf eine Bedrohung durch A-Kampfstoffe, bei einer mittleren Temperatur von 100-200 DEG C auf eine Bedrohung durch C-Kampfstoffe und bei einer mittleren Temperatur von weniger als 100 DEG C auf eine Bedrohung von B-Kampfstoffen unterschieden wird. DOLLAR A Die Erfindung betrifft weiterhin ein System zur Erkennung und Unterscheidung des Vorliegens einer Bedrohung durch A-, B- oder C-Kampfstoffe, umfassend: DOLLAR A - eine Videokamera zur Ersterfassung einer die Kampfstoffe beinhaltenden Aerosolwolke, DOLLAR A - Pulsader oder Radar zur Bestimmung der aktuellen Entfernung des Systems zu der Aerosolwolke, DOLLAR A - eine Wärmebildkamera zur thermografischen Erkennung und Unterscheidung der Aerosolwolken anhand der mittleren Temperatur der Aerosolwolke, wobei bei einer mittleren Temperatur von mehr als 200 DEG C auf eine Bedrohung durch A-Kampfstoffe, bei einer mittleren Temperatur von 100-200 DEG C auf eine Bedrohung durch C-Kampfstoffe und bei einer mittleren Temperatur von weniger als 100 DEG C auf eine Bedrohung von B-Kampfstoffen unterschieden wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung und Unterscheidung des Vorliegens einer Bedrohung durch A-, B- oder C-Kampfstoffe gemäß Patentanspruch 1 sowie ein System gemäß Patentanspruch 5.
- Aufgrund des Bedrohungsszenarios beim heutigen Einsatz der Streitkräfte in Krisenregionen kommt der Aufklärung bei B- und C- Kampfstoffen sowie radioaktivem Material (z.B. dirty bombs) besondere Bedeutung zu. Solche Stoffe sind insbesondere für Staaten oder terroristische Gruppierungen von Interesse, die nicht über die notwendigen finanziellen und technologischen Ressourcen für konventionelle Kriegsführung verfügen. Folgende Substanzen sind dabei von besonderem Interesse:
- A-Kampfstoffe/radioaktives Material
- In Bezug auf die Möglichkeiten der adressierten Staaten bzw. Gruppierungen ist die potentielle Anwendung von strategischen Atomwaffen weitgehend unwahrscheinlich, da weder die Waffen (Spalt- und Fusionsbomben) noch die notwendigen Trägersysteme (Flugzeuge, Flugkörper) von den hier adressierten Gruppen beschaffbar -bzw. nutzbar sind.
- Eine gewisse Gefahr besteht in der Beschaffung/Nutzung gewisser Sorten von taktischen Atomwaffen, deren Verwendung nicht ganz ausgeschlossen werden kann (z.B. Quellen aus der ehemaligen Sowjetunion).
- Ein ernstzunehmendes Bedrohungsszenario besteht in der Verwendung so genannter „dirty bombs", worunter man die Beimischung von kritischem radioaktivem Material in konventionelle Sprengstoffe versteht (Minen, Granaten, Bomben). Da die Be schaffung von geringeren Mengen von Spalt-material (Uran 235, Plutonium 239 aus Brennstabaufbereitung) heutzutage möglich und wahrscheinlich ist, und die Herstellung oder Beschaffung konventioneller Sprengstoffe sowieso kein Problem darstellt, ist hier ein ernstzunehmendes Bedrohungspotential selbst auf dem Level terroristischer Aktionen vorhanden.
- B-Kampfstoffe
- Unter diese Stoffklasse fallen folgende Substanzen:
- – Bakterien (z.B. Pesterreger, etc.)
- – Viren (z.B. Lassa, Ebola, etc.)
- – Toxine (z.B. Pilzgifte/Aflatoxine, etc.)
- Die Liste ist beliebig verlängerbar seitens der Beispiele. Die o.a. Beispielsubstanzen sind überwiegend tödlich und was die Bakterien, Viren betrifft, auch schnell verbreitend (Epidemien, Seuchengefahr).
- Es ist heutzutage für entsprechende Staaten und Gruppierungen problemlos möglich, die o.a. Substanzen zu beschaffen, ggf. auch in eigenen Einrichtungen herzustellen und diese zu verbreiten. Die technologisch und finanziell notwendigen Einrichtungen/Aufwendungen sind vergleichsweise gering. Das erforderliche Know-how ist weit verbreitet und ggf. rasch und nachhaltig nutzbar.
- C-Kampfstoffe
- Unter diese Stoffklasse fallen z. B. folgende Substanzen:
- – Loste (N- und S- Lost)
- – Phosphorsäureester (Nervenkampfstoffe)
- Lost- Kampfstoffe führen zu geschwürartigen Verätzungen der Haut, beim Einatmen entsprechend der Atemwege. Höhere Konzentrationen sind tödlich.
- Nervenkampfstoffe sind wesentlich problematischer als Loste und führen bereits bei geringer Exposition zum Tod, insbesondere dann, wenn die Stoffe nicht oder zu spät erkannt werden.
- Hinsichtlich Beschaffung/Herstellung und Ausbringung der C- Kampfstoffe gelten für die angesprochenen Staaten/Gruppierungen die gleichen Kriterien wie bereits bei den B- Kampfstoffen ausgeführt. Die angesprochenen Kampfmittel sind deswegen so gefährlich, weil mit geringem Aufwand bei der Darstellung und dem Einsatz ein weit reichender Schaden angerichtet werden kann.
- Von besonderer Bedeutung ist daher die Erkennung von Aerosolwolken oder sesshaftem Material im Rahmen einer Ferndetektion, bzw. Ersterkundung. Im Sinne einer möglichst raschen Aufklärung und Klassifizierung kommt der luftgestützten Aufklärung eine besondere Bedeutung zu. In diesem Zusammenhang sind insbesondere unbemannten Fluggeräte (Drohnen) von Interesse, da bemannte Fluggeräte eine komplexere Infrastruktur benötigen und darüber hinaus die Besatzung beim Anfliegen von Aerosolwolken oder entsprechenden Absetzungen hoch gefährdet ist.
- Im Rahmen eines DGLR-Workshops [1] wurde von einer IR-Ferndetektion unter Verwendung einer KZO-Drohne der Fa. Rheinmetall berichtet. Dabei ist konzipiert, dass ein FTIR- Spektrometer (Wellenlängenbereich 7–12 μm) in der Rumpfspitze der Drohne eingebaut ist, womit die von einer Aerosolwolke ausgehende IR- Strahlung spektral analysiert wird. Das System ist in der vorliegenden Form zur Aufklärung bei chemischen Kampfstoffen oder anderen C- Substanzen geeignet. A- Kampstoffe/radioaktive Materialien und darüber hinaus B- Kampfstoffe oder andere biologische Substanzen können mit der FTIR- Ausrüstung alleine nicht erfasst werden. Andererseits ist der Aufwand eine, oder auch mehrere Drohnen zur Kampfstoffaufklärung einzusetzen, erheblich und es sollte daher nach Möglichkeit eine umfassende A, B, und C-Analyse erfolgen. Entsprechende Systeme (Land-/luftgestützt) sind derzeit nicht bekannt.
- Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit welchem eine Bedrohung durch Kampfstoffe erkannt und mit welchem unterschieden werden kann, ob eine Bedrohung durch A-, B- oder C-Kampfstoffe vorliegt. Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung eines entsprechenden Systems, mit welchem das Verfahren realisiert werden kann.
- Diese Aufgaben werden mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und dem System gemäß Patentanspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
- Das Verfahren umfassend erfindungsgemäß folgende Verfahrensschritte:
- – Ersterfassung einer die Kampfstoffe beinhaltenden Aerosolwolke,
- – Bestimmung der aktuellen Entfernung von einem Ausgangspunkt zu der Aerosolwolke,
- – Bestimmung einer mittleren Temperatur der Aerosolwolke, wobei bei einer mittleren Temperatur von mehr als 200°C auf eine Bedrohung durch A-Kampfstoffe, bei einer mittleren Temperatur von 100–200°C auf eine Bedrohung durch C-Kampfstoffe und bei einer mittleren Temperatur von weniger als 100°C auf eine Bedrohung von B-Kampfstoffen unterschieden wird.
- Das System umfasst erfindungsgemäß:
- – eine Videokamera zur Ersterfassung einer die Kampfstoffe beinhaltenden Aerosolwolke,
- – Pulslaser oder Radar zur Bestimmung der aktuellen Entfernung des Systems zu der Aerosolwolke sowie
- – eine Wärmebildkamera zur thermografischen Erkennung und Unterscheidung der Aerosolwolken anhand der mittleren Temperatur der Aerosolwolke, wobei bei einer mittleren Temperatur von mehr als 200°C auf eine Bedrohung durch A-Kampfstoffe, bei einer mittleren Temperatur von 100–200°C auf eine Bedrohung durch C-Kampfstoffe und bei einer mittleren Temperatur von weniger als 100°C auf eine Bedrohung von B-Kampfstoffen unterschieden wird.
- Bei den angegebenen Methoden zur Entfernungsbestimmung handelt es sich um elastische Rückstreuprozesse. Dabei wird anhand der Zeitdifferenz zwischen emittierter und empfangener Leistung die Entfernung ermittelt. Ausbreitungsgeschwindig keit ist in beiden Fällen die Phasengeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen in Luft.
- Mit dem erfindungsgemäßen System ist eine Voraberkennung hinsichtlich A, B und C- Gefährdung wie beschrieben möglich. Eine Fernortung erfordert die Verwendung eines IR- Teleobjektives, z.B. mit einer 5 °- Optik.
- In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist das erfindungsgemäße System in einem Flugkörper untergebracht. Hierbei ist insbesondere zur Überwachung eines Elevationswinkelbereichs von –45° bis +10° die Wärmebildkamera schwenkbar angeordnet. Zweckmäßig ist der Flugkörper mit einem GPS-System zur automatischen Flugsteuerung ausgestattet.
- Zweckmäßig weist der Flugkörper folgende flugphysikalischen Eigenschaften auf:
-
Aktionsradius: bis 10 km Geschwindigkeit: bis ca. 120 kn Antrieb: Strahl-, Elektro- oder Verbrennungstriebwerke (z.B. Kolben/Drehkolbenmaschine, Turboprop oder (Heck-)Propeller) Nutzlast: Einbau in Rumpfspitze Flugführung: Programmierbare Steuerung, GPS-basiert. Zusätzlich manuell steuerbar von Bodenstation über integrierte Videokamera und Datenlink. Videokamera dient auch zur Ersterkennung von Aerosolwolken. - Die Kampfstoffe liegen zunächst in Form von Aerosolwolken vor (übliche und effektivste Ausbringung). Die Stabilität dieser Wolken ist unterschiedlich und im Wesentlichen abhängig von der Art der Ausbringung (Granaten, Flugkörper, etc.) sowie der aktuellen Wettersituation. Kompakte und relativ langlebige Aerosolwolken werden bei ruhiger Wettersituation erhalten. Dabei ist die Ausbreitung relativ gering (Ortsnahe Wolken). Bei schwachen bis mäßigen Winden werden die Wolken bereits signifikant verdünnt, behalten ihre Wirkung jedoch bei und werden signifikant verbreitet. Starke Winde und darüber hinaus noch Niederschläge führen zu kurzer Wolkenlebensdauer mit starker Absetzung. Die Detektion von Kampfstoffen muss primär die Aerosolwolken ermöglichen, zusätzlich aber auch bereits am Boden abgesetztes Material.
- Für eine drohnengestützte Detektion bedeutet dies hinsichtlich der Analytik einen relativ breiten Einsatzwinkelbereich (0– +/- ca. 10° für Wolkendetektion, Anflug im Bereich mittlere Wolkenhöhe, bis ca. –45° für Bodenablagerungen).
- Für eine luftgestützte Erstdetektion ist es nicht erforderlich, die genaue Natur der Kampstoffe zu ermitteln. Es sollte stattdessen möglich sein dahingehend zu unterscheiden, ob eine A, B oder C- Bedrohung vorliegt. Das ist zunächst ausreichend, um die notwendigen Folgeschritte (ABC- Alarm, Personenschutz, etc.) einzuleiten.
- Zum Nachweis radioaktiven Materials sind die bekannten kernphysikalischen Detektoren einsetzbar. Beispiele für die anzunehmende Bedrohung aus „Dirty Bombs" (U235, Pu 239 sowie radio-aktive Beiprodukte aus den Kernreaktoren) sind Geiger-Müller- Zählrohre oder auch Festkörper- Szintillationszähler. Damit sind entsprechende Materialien nachweisbar. Ferndetektion erfordert jedoch die Emission von Gamma- Strahlung (Photonen), da nur diese Art der Radioaktivität unbeschränkte Ausbreitung in der Atmosphäre hat. Korpuskularstrahlung wie Alpha- Strahlung (4/2 He) oder Beta- Strahlung (e–) haben sehr eingeschränkte Reichweiten (Alpha einige cm, Beta je nach Energie höchstens einige m). Sofern eine erhöhte Gamma- Aktivität (Emissionen von Kernspaltungs- Beiprodukten) ist das ein erster Hinweis auf das Vorhandensein radioaktiver Aerosole aus „Dirty Bombs". Weitergehende Analysen auf Alpha und Beta- Emissionen erfordern eine On-Board- Sammlung von Aerosolmaterial aus entsprechenden Wolken. Das ist möglich durch Impaktor- oder Filterdeposition von Material während des Fluges und dessen radioaktiver Analyse in unmittelbarer Nähe eines Zählrohres oder Szintillationszählers.
- Zum Nachweis von biologischen und chemischen werden charakteristische Emissionen von spezifischen Molekülen untersucht. Thermisch induzierte Emissionen von elektromagnetischer Strahlung können neben typischen Planck- Anteilen auch spezi fische Emissionen im Infrarotbereich resultierend aus Molekülemissionen enthalten. Der physikalische Hintergrund ist wie folgt.
- Im thermischen Gleichgewicht erfolgt die Besetzung individueller Molekülzustände gemäß der Boltzmann-Statistik (Anwendung auf diskrete quantenmechanische Systeme). Relevante molekulare Energieniveaus sind Rotationszustande (typische Mikrowellenfrequenzen), Schwingungszustände (typische Infrarotfrequenzen) sowie Elektronenanregung (typische Lichtfrequenzen).
- Andererseits ist die Wahrscheinlichkeit der Emission elektromagnetischer Strahlung gemäß den Einstein-Koeffizienten proportional zur 4. Potenz der korrespondierenden Frequenz der beiden relevanten benachbarten Quantenzustände, am höchsten also für Emissionen aus Elektronenzuständen. Diese sind jedoch über thermische Anregung am wenigsten besetzt (Boltzmann-Statistik).
- Es ist noch zu beachten, dass neben der Emission elektromagnetischer Strahlung noch der Konkurrenzprozess der strahlungslosen Deaktivierung möglich ist, worunter man vereinfacht die Dissipation der Anregungsenergie in Wärme versteht (Verteilung der Anregungsenergie auf andere molekulare Energieniveaus). Diese Dissipation ist umso effektiver, je geringer die Energieunterschiede zwischen den einzelnen Molekülniveaus sind, am effektivsten also bei Rotationszuständen. Hinsichtlich der möglichen Emission von elektromagnetischer Strahlung bei thermischer Anregung ergibt sich hinsichtlich Besetzungswahrscheinlichkeit nach Boltzmann, der Emissionswahrscheinlichkeit gemäß den Einsteinkoeffizienten sowie der Dissipationswahrscheinlichkeit der Anregungsenergie die Situation, dass die Emission von Schwingungsenergie der Moleküle beobachtbar ist. Dabei handelt es sich um typische Infrarotfrequenzen. Allerdings ist zu einer entsprechenden Beobachtung ein hochempfindlicher Detektor, z.B. wie in einer Wärmebildkamera erforderlich. Zusätzlich ist noch eine wellenlängenselektive Einrichtung notwendig, z.B. Wechselfilter vor der IR- Kamera.
- Beispiele für spezifische Molekülemissionen im Infrarotbereich (symmetrische Valenzschwingungen):
> N–H (Aminogruppen, Vorkommen in Proteinen/B- Agenzien) 3300–3500 1/cm, entsprechend 2,9–3.3 μm
> C–N (C-H- Einfachbindung, Vorkommen in Proteinen, DNA, RNA/B- Agenzien) 2840–2980 1/cm, entsprechend 3,35–3.52 μm
> C=O (Carboxylgruppe, Vorkommen in Proteinen, DNA, RNA/B- Agenzien) 1705–1740 1/cm, entsprechend 5,75–5,87 μm
– S–H (Mercaptogruppe, Vorkommen z.B. in S- Lost) 2611–2684 1/cm, entsprechend 3,73–3,83 μm - Neben der bislang beschriebenen rein passiven Moleküldetektion ist auch noch eine Variante dahingehend möglich, dass mittels des bordeigenen Pulslasers oder der (ebenfalls gepulsten) Mikrowellenquelle zur Abstandsdetektion beim Auftreffen der Strahlung auf das Aerosol infolge Absorption eine kurze Aufheizung induziert wird, die Anlass zu einer zusätzlichen Emission molekülspezifischer IR- Strahlung ist.
- Eine mit den angegebenen Bordsystemen ausgerüstete Drohne kann zu einer ersten Erkundung von fragwürdigen Aerosolwolken bzgl. A,,B oder C- Kontamination eingesetzt werden. In vergleichbarer Weise kann mittels A- Detektoren sowie durch die beschriebene Wärmebildtechnik abgesetztes Aerosol (Boden, Bewuchs) erkannt werden (z.B. durch Temperaturbestimmung der Aerosolwolke über sonstigem Untergrund oder durch Messung der für A, B, C- Aerosole charakteristischen Emissivität).
- Es ist zudem möglich, dass die Drohne Material einer Aerosolwolke aufsammelt (Impeller mit nachgeschaltetem Aerosolimpaktor) und die Sammeleinheit bei einer bodengebundenen Analytikstation abwirft, wobei dann insbesondere weitergehende Tests hinsichtlich B- und C- Kontamination mit konkreter Erkennung durchgeführt werden können (z.B. Diskriminierung Viren, Bakterien, Toxine sowie C- Gruppen wie Lost, Nervenkampfstoffe/Phosphorsäureester).
- Literatur
-
- [1] www.dglr.de/veranstaltungen/archiv/2004_uav-ucaf-mav/3-Grobecker/dglr_2004uav_Konzept-ABC-Drohne%20.pdf
Claims (15)
- Verfahren zur Erkennung und Unterscheidung des Vorliegens einer Bedrohung durch A-, B-, oder C-Kampfstoffe umfassend folgende Verfahrensschritte: – Ersterfassung einer die Kampfstoffe beinhaltenden Aerosolwolke, – Bestimmung der aktuellen Entfernung von einem Ausgangspunkt zu der Aerosolwolke – Bestimmung einer mittleren Temperatur der Aerosolwolke, wobei bei einer mittleren Temperatur von mehr als 200°C auf eine Bedrohung durch A-Kampfstoffe, bei einer mittleren Temperatur von 100–200°C auf eine Bedrohung durch C-Kampfstoffe und bei einer mittleren Temperatur von weniger als 100°C auf eine Bedrohung von B-Kampfstoffen unterschieden wird.
- Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Aerosolmaterial aus der Aerosolwolke auf radioaktiven Zerfall untersucht wird.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei infrarote Strahlung aus der Aerosolwolke bezüglich spezifischer Molekülemissionen untersucht wird, wobei bei Molekülemissionen im Bereich von 2,9–3,3 μm auf Aminogruppen, im Bereich von 3,23–3,52 μm auf C-H-Einfachbindungen, im Bereich von 5,75–5,87 μm auf Carboxylgruppen und im Bereich von 3,73–3m83 μm auf Mercaptogruppen entschieden wird.
- Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Aerosolwolke oder Teile davon zur Emission von molekülspezifischer Strahlung angeregt werden mittels Einbringung von gepulster Laser- oder Mikrowellenenergie in die Wolke.
- System zur Erkennung und Unterscheidung des Vorliegens einer Bedrohung durch A-, B-, oder C-Kampfstoffe umfassend – eine Videokamera zur Ersterfassung einer die Kampfstoffe beinhaltenden Aerosolwolke, – Pulslaser oder Radar zur Bestimmung der aktuellen Entfernung des Systems zu der Aerosolwolke – eine Wärmebildkamera zur thermografischen Erkennung und Unterscheidung der Aerosolwolken anhand der mittleren Temperatur der Aerosolwolke, wobei bei einer mittleren Temperatur von mehr als 200°C auf eine Bedrohung durch A-Kampfstoffe, bei einer mittleren Temperatur von 100–200°C auf eine Bedrohung durch C-Kampfstoffe und bei einer mittleren Temperatur von weniger als 100°C auf eine Bedrohung von B-Kampfstoffen unterschieden wird.
- System nach Anspruch 5, wobei Mittel zur Aufnahme von Aerosolmaterial aus der Aerosolwolke vorhanden sind.
- System nach Anspruch 6, wobei Mittel zur Detektion des radioaktiven Zerfalls des aufgenommenen Aerosolmaterials vorhanden sind.
- System nach einem der Ansprüche 5–7, wobei die Wärmebildkamera einen Empfindlichkeitsbereich von 3–5 μm aufweist.
- System nach Anspruch 8, wobei der Wärmebildkamera Mittel zur Wellenlängenselektierung zugeordnet sind.
- System nach Anspruch 9, wobei die Mittel zur Wellenlängenselektierung einen Bereich von 2,9–3,3 μm, 3,35–3,52 μm und 3,73–3,83 μm aufweisen.
- Flugkörper mit einem System gemäß einem der Ansprüche 5–10.
- Flugkörper gemäß Anspruch 11, wobei zur Überwachung eines Elevationswinkelbereichs von –45° bis +10° die Wärmebildkamera schwenkbar angeordnet ist.
- Flugkörper nach Anspruch 11 oder 12 mit einem GPS-System zur automatischen Flugsteuerung.
- Flugkörper nach einem der Ansprüche 11–13 mit einem Funk-Datenbus zur Kommunikation mit einer Basisstation.
- Flugkörper nach einem der Ansprüche 11–14 mit einem Strahl-, Elektro- oder Verbrennungsantrieb.
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| DE102005033782A DE102005033782A1 (de) | 2005-07-20 | 2005-07-20 | Verfahren und System zur Erkennung und Unterscheidung des Vorliegens einer Bedrohung durch A-, B- oder C-Kampfstoffe |
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Family Applications (1)
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