DE3733681C1 - Vorrichtung mit Infrarot-Suchkopf zur Entdeckung und Bekämpfung feindlicher Hubschrauber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entdeckung und Bekämpfung feindlicher Hubschrauber gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-OS 29 07 249 bekannt.

Bei der bekannten Vorrichtung wird als Sensor ein pyroelektri­ scher Detektor oder ein Quadrantendetektor verwendet. Mit die­ sen speziellen Detektoren soll nun einerseits die Möglichkeit einer Unterscheidung zwischen der von einem Hubschrauber her­ rührenden IR-Strahlung und der IR-Strahlung eines anderen im Sehfeld des Suchkopfes befindlichen IR-Strahlers ermöglicht werden, und zwar dadurch, daß die von den Rotorblättern des Hubschraubers modulierte IR-Strahlung zu elektrischen Impulsfolgen, die IR-Strahlung einer anderen Strahlungsquelle zu elektrischen Dauersignalen führt, wobei dann die Auswertein­ richtung nur eine Auswertung der Impulsfolgesignale vornimmt. Andererseits soll durch diese Detektoren die Richtung der an­ kommenden modulierten IR-Strahlung und damit die Winkel­ ablage des Hubschraubers ermittelt werden, um diese dann mit entsprechenden Maßnahmen bekämpfen zu können. Nun ist es zwar mit Hilfe eines pyroelektrischen Detektors oder eines Quadran­ tendetektors möglich, in der Auswerteinrichtung eine Unterschei­ dung zwischen einer modulierten und einer unmodulierten IR-Strahlung zu treffen, jedoch ist die Empfindlichkeit zu gering, um die Hubschrauberstrahlung messen zu können. Pyro­ elektrische Detektoren, beispielsweise auf Barium/Strontium/ Niobat-Basis, haben nur ein Nachweisvermögen von D* ≈ 10⁷-10⁸ cm W^-1 Hz^1/2. Darüberhinaus ist auch keine Bestimmung des Types des Hubschraubers, die, wie später noch erläutert werden wird, eine Modulationsfrequenz vorgegebener Größen verursachen, möglich. Ein weiterer Nachteil der bekann­ ten Vorrichtung besteht darin, daß sowohl der pyroelektrische Detektor als auch der Quadrantendetektor zu einer nur sehr un­ genauen Ermittlung der Winkelablage führen, was die Bekämpfungs­ maßnahmen sehr erschwert, beispielsweise kann damit keine exakte Endphasenlenkung eines Flugkörpers vorgenommen werden. Dabei ist es bei pyroelektrischen Detektoren kaum möglich, eine feinere Abstufung des Sensors zu erhalten und Quadrantendetektoren könnten zwar in eine größere Zahl von Sektoren als vier aufge­ teilt werden, jedoch ergibt sich damit immer noch nicht eine Ab­ stufung in radialer Richtung des Sensors. Eine "Feinabstufung" und damit eine exaktere Ermittlung der Winkelablage des Ziel­ hubschraubers wäre zwar mit einer sogenannten Wärmebild-Kamera möglich, jedoch kann damit nicht zwischen modulierter und un­ modulierter Strahlung unterschieden werden, weil die einzelnen Sensorpunkte von der Auswerteinrichtung zeilenweise abgetastet werden, so daß nicht erkennbar ist, ob die auf den einzelnen Sensorpunkt fallende IR-Strahlung getaktet ist oder nicht. Bei Verwendung einer Wärmebild-Kamera würde also die große Gefahr einer Ortung falscher Ziele bestehen.

Ferner sind aus der DE 26 55 520 ein Verfahren und eine Vor­ richtung bekannt, mit deren Hilfe vom Boden aus ein am Horizont fliegender Hubschrauber erkannt und identifiziert werden kann. Dabei wird zur Identifizierung die Modulation der Hintergrund­ strahlung durch den Rotor im sichtbaren Wellenlängenbereich oder die Rotoreigenstrahlung im Wärmestrahlungsbereich heran­ gezogen. Die Vorrichtung benötigt drei verschiedene Sensoren, die sich drehen und in jeweils einem anderen Wellenlängenbereich empfindlich sind. Eine Verwendung dieses bekannten Verfahrens und dieser bekannten Vorrichtung bei einem über dem zu erkennen­ den Hubschrauber befindlichen Suchkopf ist schon deshalb nicht möglich, weil damit gerade das unter dem Suchkopf befindliche Zielgebiet nicht abgetastet würde.

Schließlich ist noch darauf hinzuweisen, daß es aus der DE- 24 26 844 vorbekannt war, für den passiven Betrieb IR-Sensoren zu verwenden, die aus CdHgTe bestehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die eingangs erwähnte Vorrichtung so zu verbessern, daß eine exakte Ermitt­ lung sowohl der Modulationsfrequenz der IR-Strahlung als auch der Winkelablage derselben möglich ist. Die Lösung dieser Auf­ gabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Patentan­ spruches 1.

Bei der Erfindung wird also in der Brennebene der IR-Optik eine Matrix aus Detektorzellen, sogenannten Pixeln, angeordnet, wo­ bei diese Pixel durch die Auswerteinrichtung fast gleichzeitig einzeln abfragbar sind, so daß dann die von den Pixeln geliefer­ ten elektrischen Signale sowohl eine exakte Erkennung als auch eine exakte Ortung eines im Sehfeld des Suchkopfes auftauchenden Hubschraubers möglich macht. Darüberhinaus ist - im Gegensatz etwa zum Quadrantendetektor ohne radiale Abstufung - mit der er­ findungsgemäßen Detektorenmatrix erkennbar, ob sich der Ziel­ hubschrauber nahe benachbart bzw. am Rand des Sehfeldes befindet, so daß dann entsprechende Maßnahmen, beispielsweise eine Erwei­ terung des Sehfeldes getroffen werden können.

Die Modulationsfrequenz der ankommenden IR-Strahlung kann da­ bei die Pixel-Matrix so genau ermitteln, daß aus der Frequenz auf den Hubschrauber-Typ geschlossen werden kann, mit dem Er­ gebnis einer Freund-Feind-Erkennung, in welchem Fall die Aus­ werteinrichtung so auszubilden ist, wie dies im Patentanspruch 2 gekennzeichnet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der aus einer einzigen Figur bestehenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die Zeichnung schematisch den Suchkopf der Vorrichtung und den Strahlengang von einem im Sehfeld des Suchkopfes auftauchenden Hubschrauber.

Mit 10 ist auf der Zeichnung der Suchkopf bezeichnet, und zwar dessen vorderer (aktiver) Teil. Der Suchkopf 10 hat eine optische Achse 11 und ist an seiner Spitze mit einer IR-Optik 13 ver­ sehen, die in der Zeichnung der Einfachheit halber als eine Sammellinse dargestellt ist. In der Praxis wird verständlicher­ weise eine mehrteilige Optik verwendet, vorzugsweise eine Optik aus verstellbaren Spiegeln, wobei Filter, Blenden und derglei­ chen hinzukommen können. In der Brennebene der Optik 13 ist eine Matrix 14 aus einer Vielzahl punktförmiger Detektorzellen 15 angeordnet. Diese Detektorzellen 15, üblicherweise Pixel ge­ nannt, sprechen auf einen vorgegebenen Wellenbereich an, und zwar auf eine IR-Strahlung zwischen 3 und 14 µm, vorzugsweise 3 bis 5 und/oder 8 bis 14 µm. In der Praxis kann die Matrix 14 beispielsweise eine Quadratmatrix aus 16 000 Pixeln sein. Die Pixeln bestehen vorzugsweise aus CdHgTe oder InSb (D* ≈ 10¹⁰-10¹¹ cm W^-1 Hz^1/2) oder einem Material ähnlicher IR-Sensibilität. Die elektrischen Ausgangssignale der einzelnen Pixel werden einer - auf der Zeichnung nicht dargestellten - Auswerteinrichtung zugeführt, wobei diese Auswerteinrichtung die Pixeln fast gleich­ zeitig einzeln abfragt bzw. deren Ausgangssignale gleichzeitig aber gesondert aufnimmt. Die Auswertung durch die Auswertein­ richtung liefert dann zum einen den exakten Ort der IR-Strah­ lungsquelle und zum anderem die genaue Frequenz der Strahlungs­ modulation (wenn eine solche vorhanden ist).

Auf der Zeichnung ist der Suchkopf 10 von oben her auf den an­ gedeuteten Erdboden 12 gerichtet, wobei mit 16 eine IR-Strah­ lungsquelle, nämlich ein Hubschrauber, bezeichnet ist, der sich innerhalb des Sehfeldes 17 des Suchkopfes 10 befindet. Dabei ist der Hubschrauber 16 im Bereich des Randes des Sehfeldes 17 und wird deshalb auch einschließlich seiner Hintergrundstrahlung auf den entsprechenden Pixel am Rande der Matrix 14 abgebildet, wodurch die auf dem Pixel 15 auftreffende Strahlung größer ist als diejenige, die auf die Nachbarpixel auftritt. Die Auswertein­ richtung mißt die Strahlung auf allen Pixeln, auf die eine er­ höhte Strahlung auffällt, und zwar mindestens so lange, bis eine eventuell vorhandene Modulation in dem für einen Hubschrau­ ber charakteristischen Frequenzbereich von etwa 10 bis 30 Hz erkannt werden kann. Wird eine solche Modulationsfrequenz er­ kannt, dann ist es auch möglich, auf der Grundlage der exakt bestimmten Frequenz den Hubschrauber-Typ zu ermitteln, weil Hubschrauber innerhalb gewisser Grenzen mit relativ konstanter Drehzahl ihres Rotors fliegen, so daß die ermittelte Modula­ tionsfrequenz den Hubschrauber-Typ festlegt, was eine Freund- Feind-Erkennung ermöglicht. Die Lage desjenigen Pixels, auf den die IR-Modulation festgestellt worden ist, ergibt die Zielin­ formation, also den Ablagewinkel des Zielhubschraubers 16 von der optischen Achse 11. Nach Identifizierung und Ortung des Ziel­ hubschraubers kann eine Bekämpfungsmaßnahme eingeleitet werden. So kann der Suchkopf beispielsweise Teil eines Flugkörpers sein, der sich nach Abwurf des Fallschirmes und evt. zusätzli­ chem Zünden eines Raketenmotors unter weiterer Lenkung, z. B. Proportionallenkung durch den Suchkopf auf den Zielhubschrauber, stürzt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß vom Suchkopf aus über Funk eine Bodenrakete gezündet und mittels des Such­ kopfes zum Zielhubschrauber geleitet wird.

Um zu verhindern, daß beim Absinken des Suchkopfes mit sich da­ bei zwangsläufig ergebender Verkleinerung des Sehfeldes der Zielhubschrauber aus dem Sehfeld entfernt, ist es zweckmäßig, die IR-Optik so auszubilden, daß deren Sehfeld mit dem Absin­ ken des Fallschirmes selbstätig größer wird. Dies kann durch einen üblichen Mechanismus erfolgen.

Selbstverständlich kann die dargestellte Vorrichtung zahlreiche Abwandlungen erfahren, ohne den Bereich der Erfindung zu ver­ lassen. Dies gilt insbesondere bezüglich der Größe der Detek­ tormatrix und der Anzahl der Matrix-Detektorzellen sowie der jeweiligen Ausbildung der IR-Optik und der Auswerteinrichtung.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Entdeckung und Bekämpfung feindlicher Hubschrauber, die einen Infrarot-Suchkopf aus einer IR-Optik, einem in Abhängigkeit von einfallender IR-Strahlung elektrische Signale abgebenden IR-Sensor und einer die Amplituden und die Frequenz der elektrischen Signale ermittelnden Auswerteinrich­ tung aufweist, wobei der vorzugsweise an einem Fallschirm hän­ gende Suchkopf über den Hubschrauber gebracht wird, die von der Antriebsturbine und der Abgasfahne des Hubschraubers nach oben abgegebene und von den Hubschrauber-Rotorblättern modu­ lierte IR-Strahlung aufnimmt, die Winkelablage des Hubschrau­ bers zur optischen Achse des Suchkopfs ermittelt und entsprechen­ de Bekämpfungsmaßnahmen auslöst, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennebene der IR-Optik (13) als IR-Sensor eine zweidimen­ sionale Matrix (14) aus einer Vielzahl von punktförmigen Detek­ torzellen (15) angeordnet ist, wobei die aus CdHgTe oder InSb oder ähnlich IR-sensiblem Material bestehenden Detektorzellen (15) alle im gleichen Wellenlängenbereich empfindlich sind, und zwar im Wellenbereich von 3 bis 15 µm oder einem Teilbereich davon, und zur Ermittlung der Winkelablage des Hubschraubers (16) von der Auswerteinrichtung so schnell nacheinander einzeln abfrag­ bar sind, daß eine nahezu gleichzeitige Übermittlung aller Meß­ werte erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Freund-Feind-Erkennung die Auswerteinrichtung mit einem Speicherkreis, in welchem die Modulationsfrequenzen feindlicher Hubschrauber (16) gespeichert sind, und mit Vergleichskreisen zum Vergleichen der Modulationsfrequenz der empfangenen IR- Strahlung mit den gespeicherten Frequenzwerten ausgerüstet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die IR-Optik (13) einen veränderbaren maximalen Seitenwinkel (17) aufweist, so daß das Sehfeld gesteuert veränderbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die IR-Optik (13) aus verstellbaren Spiegeln aufgebaut ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorzellen (15) im Wellenbereich zwischen 3 und 5 µm empfindlich sind.