DE3816927A1 - Überwachungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Überwachungssystem, insbesondere aber nicht ausschließlich auf ein Flugkörper-Annäherungs-Warn- System.

Bekannte, in der Luft manövrierende Flugkörper-Annäherungs-Warn- Systeme haben eine relativ kurze Beobachtungsfähigkeit und/oder sie haben Probleme hinsichtlich Störeinflüssen.

Gemäß der Erfindung wird ein Überwachungssystem geschaffen, welches eine Strahlung feststellt, deren Wellenlänge im Ultraviolett-Ozon- Absorptions-Wellenband liegt.

Im Ultraviolett-Spektralband besteht eine starke Absorption infolge des atmosphärischen Ozons innerhalb weniger diffuser Bänder, denen ein sehr starkes kontinuierliches Band folgt, das sich von 200 nm bis 300 nm erstreckt. Unter 300 nm ist die Strahlung aus der Atmosphäre vernachlässigbar im Vergleich mit der von der Sonne ankommenden Strahlung.

Die Ozon-Konzentration liegt auf Seehöhe um eine Größenordnung niedriger als in Höhen zwischen 15 und 20 km, und daher ist die Sonneneinstrahlung auf Meereshöhe stark vermindert. Wenn daher das Ozonband bei Seehöhe eine vernünftige Übertragung innerhalb des Bandes ermöglicht, könnte ein Detektorsystem gegen einen praktisch schwarzen photonen Hintergrund arbeiten, so daß die Störausfilterung kein wesentliches Problem darstellt. Die spektrale Sonnenphotonen­ strahlung auf Meereshöhe ist kleiner als 1 ph/sec/m² /nm für Wellen­ längen zwischen 232 und 275 nm. Daher wird ein System mit einem hemisphärischen Sichtfeld und einer 1 m² Sammelöffnung weniger als 1 Photon pro Sekunde von der Sonne in diesem Wellenband empfangen. Bei einem Detektorsystem, das für die Sonnenstrahlung völlig blind ist, muß daher ein Filter Anwendung finden, der ein Sperrfilterband aufrollt, dessen Sperrwirkung größer ist als 10^-18 bei 315 nm.

Vorzugsweise stellt das System eine Strahlung mit einer Wellenlänge fest, die im Bereich zwischen 232 nm und 275 nm liegt. Innerhalb dieses Wellenbandes können die Linienemissionen der Flugkörperab­ gase festgestellt werden.

Die Sonneneinstrahlung hängt in jeder Höhe von der optischen Sicht­ länge ab. Da die hauptsächliche Konzentration von Ozon zwischen 10 und 25 km liegt, ändert sich die optische Weglänge nicht wesentlich, bis der Empfänger eine Höhe von 10 km übersteigt. Daher ändert sich die Sonneneinstrahlung nicht wesentlich, bis der Empfänger eine Höhe von 10 km überschreitet, wobei über dieser Höhe ein exponentieller Anstieg erfolgt. Daher liegt die Arbeitshöhe für ein UV-Detektorsystem bei etwa 10 km.

Ein UV-Band-Detektorsystem ist empfindlicher gegenüber einer Aerosol­ konzentration als ein im sichtbaren Bereich oder im Infrarotbereich arbeitendes System. Dies ist eine physikalische Folge der erhöhten Streuung bei kürzeren Wellenlängen. Bei Höhen über Meereshöhe und bis zu 10 km (wo die Atmosphäre reiner ist) steigt der Detektorbereich an. Über 10 km Höhe erhöht sich jedoch die Ozon-Konzentration rapide und die Transmission fällt unter den bei Meereshöhe herrschenden Wert.

Bei der Schaffung irgendeines Detektorsystems muß man die Größe der Sender in Rechnung stellen, die das System empfangen soll. Die primäre Strahlungsquelle in diesem UV-Wellenband rührt von den heißen Ver­ brennungsprodukten her, die bei Raketenabgasen auftreten. Die Strah­ lung hiervon ist in erster Linie von molekularem Ursprung, jedoch werden elektronische Pegel erregt, und diese ergeben eine schwächere Emission im sichtbaren Bereich und im ultravioletten Bereich. Umge­ kehrt kann die Reaktionszone einer Abgasflamme hohe Konzentrationen elektronisch erregter Wellen im mittleren UV-Bereich aufweisen.

Es ist wichtig, eine scharfe Flanke zu schaffen, so daß nur Strahlung eines vor bestimmten Wellenbandes festgestellt wird, da sonst das System durch Sonnenstrahlung überdeckt würde. Vorzugsweise umfaßt das System daher Filter, die an beiden Enden eines gewählten Wellen­ bandes eine scharfe Flanke aufweisen. Die Filter können ein Ein­ trittsfenster aufweisen, z. B. aus einer Substanz auf der Basis eines Polymer, wodurch ein Kurzwellen-Sperrfilter gebildet wird.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben, die in der einzigen Figur eine sche­ matische Darstellung des Überwachungssystems zeigt.

Ein Überwachungssystem (10) umfaßt einen Abtastspiegel (12), der mit einem Antriebsmotor (14) so verbunden ist, daß er eine Abtastung in Höhenrichtung und im Azimut vornehmen kann. Außerdem weist das Überwachungssystem ein Teleskopsystem (16) und eine Photoelektronen­ röhre (18) auf. Die Photoelektronenröhre (18) besitzt eine Kathode (20) aus Wolfram und eine Anode (22) innerhalb einer evakuierten Kammer. Ein geringer Anteil eines inerten Gases kann der Kammer zuge­ führt werden, um eine Verstärkung zu erzielen. Der Frontteil (24) der Photodiode (18) besteht aus einem Quarzglas, z. B. Corning 9720 oder Corning 9700, so daß ein Fenster gebildet wird, daß nur eine Strahlung hindurchtreten kann, deren Wellenlänge größer ist als ein gewählter Wert, beispielsweise 232 nm.

Die Wolfram-Kathode spricht nur auf eine Strahlung an, deren Wellen­ länge kleiner ist als ein bestimmter Wert, beispielsweise 275 nm, s daß das System (10) im Ultraviolettband zwischen 232 nm und 275 nm arbeitet.

Wenn bei der Benutzung eine Spannung zwischen der Kathode (20) und der Anode (22) angelegt wird und wenn eine Ultraviolett-Strahlung dieser Wellenlänge auf die Kathode (20) auftrifft, beispielsweise als Folge von Linienemissionen des Abgasstroms des Flugkörpers, dann werden Elektronen aus der Kathode abgestrahlt, und diese strömen nach der Anode (22) und liefern somit ein Signal, das nicht darge­ stellten Signalverarbeitungskomponenten zugeführt wird.

Durch Ionisierung des inerten Gases erfolgt eine Verstärkung des anfänglichen Photostromes. Bei richtigem Elektrodenabstand und richtigem Gasdruck wird durch Emission eines einzelnen Elektrons eine Lawinen-Ionisierung bewirkt, und so kann die Röhre so ausge­ bildet werden, daß sie eine große Verstärkung liefert.

Das Kurzwellen-Spektralansprechen hängt von der Wahl des Fenster­ materials für die Photoelektronenröhre ab. Zahlreiche Farbstoffe und Polymere und Quarzgläser besitzen eine rapide Änderung der Absorption mit der Wellenlänge.

Das spektrale Ansprechen der Vorrichtung bei langen Wellenlängen hängt von der Arbeitsfunktion des Metalles ab, das die Photokathode bildet. Die Rate, mit der das Ansprechen mit sich erhöhender Wellen­ länge erfolgt, ist von der Verteilung der Valenz-Elektronen innerhalb der Energiepegel des Metalls abhängig. Bei absolut Null nehmen die Elektronen jenen Status bis zum Fermi-Pegel ein. In diesem Fall wird ein Elektron nicht eher von der Oberfläche emittiert, bevor ein einfallendes Photon eine Wellenlänge besitzt, die kürzer ist als die Sperrwellenlänge. Wolfram und Kupfer mit Sperrwellenlängen von 273 bzw. 281 nm haben sich als geeignete Kathoden-Metalle für dieses Bandpaßfilter erwiesen. Faktoren, die bei der Kathodenausbildung beachtet werden müssen, umfassen Temperaturwirkungen auf das spektrale Ansprechen und Quantentheorie.

Ein Überwachungssystem dieser Art kann bei einem in der Luft befind­ lichen Flugkörper-Annäherungswarner benutzt werden, um über dem Schlachtfeld ein nach unten gerichtetes Sichtfeld zu erzeugen und es wird nicht durch Störungen beeinträchtigt, da die Sonneneinstrah­ lung im Ultraviolettband im Betriebswellenband durch die Ozonschicht absorbiert wird. Dieses System besitzt daher gegenüber Infrarot­ systemen Vorteile, bei denen thermische Störungen das Hauptproblem bilden.

Ein Überwachungssystem gemäß der Erfindung kann mit einem nach unten gerichteten UV-Sensor und einem nach oben gerichteten Infrarotsensor ausgerüstet sein.

Claims (8)

1. Überwachungssystem, welches derart angepaßt ist, daß es eine Strahlung erfaßt, deren Wellenlänge im Ultraviolett-Ozon- Absorptions-Wellenband liegt.

2. Überwachungssystem nach Anspruch 1, welches eine Strahlung mit einer Wellenlänge feststellt, die im Bereich zwischen 232 nm und 275 nm liegt.

3. Überwachungssystem nach den Ansprüchen 1 oder 2, welches Filter umfaßt, um einen scharfen Abfall an jedem Ende eines gewählten Wellenbandes zu gewährleisten.

4. Überwachungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches eine Photoelektronenröhre umfaßt.

5. Überwachungssystem nach Anspruch 4, bei welchem das Filter ein Eintrittsfenster der Photoelektronen­ röhre ist.

6. Überwachungssystem nach Anspruch 5, bei welchem das Eingangsfenster aus einer Substanz auf Polymer­ grundlage besteht, um ein Kurzwellen-Sperrfilter zu liefern.

7. Überwachungssystem nach Anspruch 4, bei welchem die Kathode der Photoelektronenröhre als Langwellen- Sperrfilter wirkt.

8. Überwachungssystem nach Anspruch 7, bei welchem die Kathode aus Wolfram oder Kupfer besteht.