DE102006037209B4 - Einrichtung zum Detektieren von Hochleistungs-Mikrowellenpulsen - Google Patents

Abstract

An einem zu schützenden Objekt betriebene Detektionseinrichtung zum Detektieren eines gegen das Objekt gerichteten Angriffes mit einem kurzzeitigen Hochleistungs-Mikrowellenpuls,
welche eine Empfangsantenne in Form eines unabgestimmten Dipols aufweist, der nur schwach auf permanente Umfeldstrahlung von einer Mobiltelefoninfrastruktur oder von Fernwirkeinrichtungen reagiert,
wobei der unabgestimmte Dipol eine HF-Diode speist, deren Ansprechschwelle zumindest so hoch ist, dass die HF-Diode, bezogen auf ein Kurzzeitintegral über einige Nanosekunden, erst oberhalb der Empfangsfeldstärke der permanenten Umfeldstrahlung durchschaltet, und
wobei die Detektionseinrichtung eingerichtet ist, bei Durchschalten der HF-Diode einen gegen das Objekt gerichteten Angriff mit einem kurzzeitigen Hochleistungs-Mikrowellenpuls zu detektieren.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Detektieren von kurzzeitigen Hochleistungs-Mikrowellenpulsen.
• Aus der US 4,876,551 ist eine Vorrichtung zur Detektion eines plötzlich auftretenden elektromagnetischen Pulses bekannt, welche insbesondere zur Detektion eines elektromagnetischen Pulses aufgrund einer nuklearen Explosion geeignet ist. In dieser Patentschrift wird darauf abgezielt, eine genaue Unterscheidung zwischen der Detektion eines elektromagnetischen Pulses aufgrund einer nuklearen Explosion einerseits und der Detektion eines elektromagnetischen Pulses aufgrund eines natürlichen Phänomens (z. B. Blitzschlag) andererseits zu gewährleisten. Es wird also angestrebt, elektromagnetische Signale mit ähnlicher zeitlicher Intensitätsentwicklung voneinander zu unterscheiden, nämlich kurzzeitige Pulse, wie sie z. B. bei Nuklearexplosionen und Blitzen auftreten.
• Aus der US 5,856,803 ist ein Verfahren zur Detektion eines Angriffs mit einer Radiowellenwaffe bekannt. Die Antenne der zu diesem Verfahren verwendeten Detektionseinrichtung ist so ausgelegt, dass sie möglichst alle eintreffenden Radiosignale empfängt. Die Antenne ist also auf einen hohen Antennengewinn ausgelegt.
• Aus der US 5,561,364 ist eine Antenne bekannt, welche eine Diode speist.
• In der DE 103 19 475 A1 ist ein Generator zum impulsförmigen Erzeugen und Abstrahlen von Energie im Mikrowellenspektrum (allgemein als HPM = High Power Microwaves bezeichnet) beschrieben, deren breitbandig hohe Energiedichte geeignet ist, in der Umgebung betriebenen Funkverkehr zumindest zu beeinträchtigen und elektronische Schaltungen insbesondere eingangsseitig zu stören oder gar zu zerstören.
• Für die Funktion von elektronischen Schaltungen auf Objekten, die solchen Angriffen ausgesetzt sind, kann es deshalb überlebensnotwendig sein, wenigstens das Auftreten solcher Mikrowellen-Impulsstrahlung rasch zu detektieren, um z. B. rechtzeitig Schutz- und Abwehrmaßnahmen aktivieren zu können.
• In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die technische Aufgabenstellung zugrunde, unter möglichst weitgehender Verwendung preiswerter, da kommerziell verfügbarer Komponenten eine derartige HPM-Detektion durchzuführen.
• Nicht für eine solche Detektion geeignet sind allerdings die gängigen, auch als Elektrosmog-Warner bezeichneten Testgeräte etwa zum Prüfen der Dichtigkeit von Mikrowellen-Gargeräten oder zum Messen der Emission von Mobilfunkantennen. Denn die Funktion solcher Testgeräte beruht auf der zeitlichen Integration quasi-kontinuierlich aufgenommener Mikrowellenenergie geringen Pegels; wohingegen sich der einzeln auftretende HPM-Impuls bei sehr hoher Amplitude durch extrem kurze Pulsdauer (typisch in der Größenordnung von Nanosekunden) auszeichnet. Hochleistungsimpulse, die nur derart kurzzeitig anstehen, liefern, wenn sie von den erwähnten Testgeräten überhaupt erfasst und verarbeitet werden können, nur die Anzeige einer zeitlich gemittelten Impulsstrahlungsleistung in der Größenordnung von wenigen Watt. Diese Anzeige ist aber nicht charakteristisch für eine HPM-Beeinflussung, weil auch konventionelle Strahler niedriger Dauerleistung ein vergleichbares Messergebnis liefern. Und zur Richtungsbestimmung hinsichtlich eines HPM-Angriffes versagen die klassischen Peilmethoden mit Rahmen- und anderen Richtantennen zum cw-Empfang schon deshalb, weil die Dauer einer typischen HPM-Ausstrahlung dafür viel zu kurzzeitig ist.
• Dagegen wird die vorstehend umrissene Aufgabe erfindungsgemäß durch die Detektionseinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Diese Lösung beruht auf der erfindungsgemäßen Überlegung, dass wegen der sehr hohen Feldstärke der distanziert aufeinander folgenden HPM-Impulse zu deren Detektion eine Antenne mit hohem Antennengewinn nicht erforderlich ist; dass sogar eine nicht abgestimmte sehr kleine Dipol-Antenne mit ihrer Rundumcharakteristik zu differentiellem Erfassen des richtungsunabhängig empfangenen, nur kurzzeitig (über Nanosekunden bis allenfalls Mikrosekunden) anstehenden Impulsfeldes zu bevorzugen ist. Denn eine solche nicht abgestimmte Antenne reagiert nur schwach auf die permanente Umfeldstrahlung etwa von einer Mobiltelefoninfrastruktur oder von Funkfernwirkeinrichtungen; andererseits reagiert sie hinreichend auf die mit breitem Frequenzspektrum quasi singulär auftretenden HPM-Impulse mit ihren jeweils extrem hohen Feldstärken. Die sind sowohl in horizontaler wie auch in vertikaler, also in beiden zueinander orthogonalen Polarisierungen zu erfassen, was durch differentielle Messungen der zeitlichen Ableitungen des momentanen elektrischen Feldes etwa mittels der so genannten D-Dot-Sonden durchführbar ist, wie sie an sich zur oszillographischen Pulsdarstellung kommerziell verfügbar und im Einsatz sind.
• Ebenfalls der Detektion der HPM-Impulseinstrahlung im quasi kontinuierlich aber schwach strahlenden Umfeld dient eine dem Antennen-Dipol als Empfänger (Demodulator) nachgeschaltete HF-Diode mit einem Ansprechverhalten, das erst oberhalb eines bestimmten Mindestpegels der Empfangsfeldstärke einsetzt. Auch dadurch wird ein Reagieren der Detektionseinrichtung schon auf quasi kontinuierliche Umfeldstrahlung unterbunden.
• Das wird durch nachfolgende Überlegung veranschaulicht: Um mit dieser Detektoreinrichtung eine HPM-Impulsquelle zu detektieren, die in einer vorgegebenen Entfernung eine bestimmte Impulsleistung abstrahlt, wird der Dipol-Antenne eine HF-Diode nachgeschaltet, die erst bei einer bestimmten Empfangsfeldstärke durchschaltet. Bei anwachsender Entfernung bleibt dieser Durchschalt-Mindestpegel von der empfangenen Feldstärke nur erreicht und überschritten, wenn die von der HPM-Impulsquelle effektiv abgestrahlte Leistung über der anwachsenden Detektions-Entfernung quadratisch ansteigt. Derart hohe Abstrahlleistungen kommen bei konventionellen Strahlern aber nicht vor, auch nicht durch deren Feldüberlagerungen – das Ansprechen der HF-Diode steht deshalb für Detektion einer momentanen HPM-Einwirkung.
• Die Tatsache des Ansprechens der HF-Diode liefert zudem für eine als typisch zu unterstellende Sendeleistung der HPM-Quelle eine Abschätzung ihrer momentan maximalen Entfernung vom mit der Detektionseinrichtung ausgerüsteten Objekt; denn bei einem Strahler jenseits jener Grenzentfernung würde die Empfangsfeldstärke zu gering zum Überwinden der Ansprechschwelle des Mindestpegels der HF-Diode werden.
• Während so, mittels einer Detektionseinrichtung mit unabgestimmtem Antennen-Dipol vor einer HF-Diode mit Ansprechschwelle in Form eines Mindestpegels, ein HPM-Angriff als solcher sensiert ist, kann nach einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung mittels wenigstens zweier derartiger, zueinander beabstandeter Detektionseinrichtungen, eingesetzt etwa an Bord des zu schützenden Objektes wie eines Einsatzfahrzeuges in zu befriedenden Krisengebieten, auch eine Richtungsinformation bezüglich dieses momentanen HPM-Angriffes auf dieses Objekt gewonnen werden. Dazu wird die Zeitspanne des aufeinander folgenden Ansprechens zweier Detektionseinrichtungen ermittelt, also die Laufzeitdifferenz mit der eine von einem Impuls aus entfernter Quelle ausgehende und deshalb als eben unterstellbare Wellenfront nacheinander auf die zwei gegeneinander versetzt betriebenen Detektionseinrichtungen trifft. Dieser von einer Kurzzeitmesseinrichtung erfasste Zeitunterschied ist proportional dem Wegunterschied von der HPM-Quelle zu den beiden Detektionseinrichtungen und deshalb auch dem Sinus des Winkels zwischen der Verbindungsgeraden dieser beiden Detektionseinrichtungen und der Einfallsrichtung proportional. Das Messergebnis einer solchen Kurzzeitmesseinrichtung, die von der zuerst ansprechenden Detektionseinrichtung gestartet und von der nächsten wieder gestoppt wird, repräsentiert also eine Richtungsinformation zwischen der angreifenden HPM-Quelle und dem angegriffenen, mit den Detektionseinrichtungen ausgerüsteten Objekt.
• Wegen der Rundumcharakteristiken der Dipole ist die so gewonnene Richtungsinformation allerdings noch zweideutig, d. h. der Ort der HPM-Quelle kann zur einen oder zur anderen Seite dieser Richtungsinformation gelegen sein. Die tatsächliche, vektorielle Richtung vom HPM-angegriffenen Objekt zur HPM-Quelle ergibt sich aus Laufzeitmessungen an einem Array aus wenigstens drei solchen Detektionseinrichtungen, die vorzugsweise nicht auf einer gemeinsamen Verbindungslinie angeordnet sind, sondern etwa an den Karosserie-Ecken eines durch HPM-Angriffe potentiell bedrohten Fahrzeuges. Auf dem kann die aktuelle Bedrohungsrichtung nun in Echtzeit als Vektor in einem Display fahrzeugorientiert oder eingenordet graphisch dargestellt werden.
• Für eine Entfernungsinformation, die genauer als die vorstehend beschriebene Abschätzung einer Höchstentfernung ist, kann gemäß einer zusätzlichern Weiterbildung der Erfindung der Unterschied der Empfangsamplituden an einzelnen Detektionseinrichtungen eines Array ausgewertet werden. Da die Feldamplitude eines empfangenen HPM-Impulses dem Abstand zu seiner HPM-Quelle umgekehrt proportional ist, ergibt das Verhältnis zwischen den Empfangsamplituden an zwei Detektionseinrichtungen unmittelbar eine grob abgeschätzte Entfernungsinformation zur HPM-Quelle. Diese Abschätzung ist desto genauer, je kürzer die Entfernung zwischen angreifender HPM-Quelle und angegriffenem Objekt ist, je geringer also der Unterschied zwischen der Bedrohungsentfernung und dem Detektorabstand ist. Bei den kleinen Wegdifferenzen zwischen den nacheinander auf den selben HPM-Puls ansprechenden Detektionseinrichtungen ergibt diese rechnerische Entfernungsabschätzung deshalb nur ungenaue Entfernungswerte bei großen Bedrohungsentfernungen; aber gerade kleine und somit aus dem Amplitudenvergleich relativ genau ermittelbare Bedrohungsentfernungen (in der Größenordnung bis etwa zu zehn Metern) sind für die Belange der Praxis besonders interessant, weil dann z. B. von einem bedrohten Fahrzeug aus eine nach Richtung und Entfernung aufgespürte, am Fahrbahnrand versteckt und personallos betriebene HPM-Quelle durch gezielten Beschuss unschädlich gemacht werden kann.
• Die aktuelle Bedrohung eines Objektes mit HPM-Impulsen wird also erfindungsgemäß mittels wenigstens einer beim Objekt betriebenen Detektionseinrichtung festgestellt, in der ein nicht abgestimmter Antennen-Dipol mit Rundumcharakteristik eine HF-Diode mit ausgeprägter Ansprechcharakteristik bei einer Mindestfeldstärke speist, die wenigstens im oberen Bereich der Feldstärke quasi kontinuierlicher Umfeldstrahler liegt. Bei wenigstens zwei solchen unterschiedliche Abstände zum angreifenden HPM-Strahler aufweisenden Detektionseinrichtungen wird der Zeitunterschied deren Ansprechens als ein Maß für die Richtung und der Pegelunterschied nach dem Ansprechen als Maß für die Entfernung zum HPM-Strahler ausgewertet.

Claims (6)

1. An einem zu schützenden Objekt betriebene Detektionseinrichtung zum Detektieren eines gegen das Objekt gerichteten Angriffes mit einem kurzzeitigen Hochleistungs-Mikrowellenpuls, welche eine Empfangsantenne in Form eines unabgestimmten Dipols aufweist, der nur schwach auf permanente Umfeldstrahlung von einer Mobiltelefoninfrastruktur oder von Fernwirkeinrichtungen reagiert, wobei der unabgestimmte Dipol eine HF-Diode speist, deren Ansprechschwelle zumindest so hoch ist, dass die HF-Diode, bezogen auf ein Kurzzeitintegral über einige Nanosekunden, erst oberhalb der Empfangsfeldstärke der permanenten Umfeldstrahlung durchschaltet, und wobei die Detektionseinrichtung eingerichtet ist, bei Durchschalten der HF-Diode einen gegen das Objekt gerichteten Angriff mit einem kurzzeitigen Hochleistungs-Mikrowellenpuls zu detektieren.
2. Vorrichtung mit wenigstens zwei an gegeneinander versetzten Orten betriebenen Detektionseinrichtungen nach Anspruch 1, die jeweils paarweise eine Kurzzeitmesseinrichtung zum Messen der Zeitunterschiede der Durchschaltzeitpunkte der jeweiligen HF-Dioden ansteuern.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Vorrichtung angepasst ist, aus den gemessenen Zeitunterschieden die Richtung zu ermitteln, aus welcher der Angriff kommt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei ein Display für eine graphische Darstellung der ermittelten Angriffsrichtung vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei eine von der Ansprechschwelle bestimmte Höchstentfernungsanzeige vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei eine von der Differenz zweier Empfangspegel angesteuerte Entfernungsanzeige vorgesehen ist.