DE3816927C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen eines durch Raketen angetriebenen Flugkörpers - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen eines durch Raketen angetriebenen FlugkörpersInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erkennen der
Annäherung eines durch Raketen angetriebenen Flugkörpers und
auf eine Flugkörper-Annäherungs-Warnvorrichtung.
Bekannte Annäherungs-Warnvorrichtungen benutzen im allgemeinen
Infrarot-Strahlungskomponenten eines Flugkörper-Abgasstreifens
zu Lokalisierung. Derartige Systeme haben jedoch eine relativ
kurze Beobachtungsfähigkeit und/oder sie haben Probleme hin
sichtlich Störeinflüssen.
Aus der EP 0 199 447 A2 ist eine Vorrichtung zum Erkennen und
Zerstören ankommender Flugkörper bekannt, wobei ein Detektor
vorgesehen ist, der Radarstrahlung sowie IR-Strahlung und UV-
Strahlung empfängt. Eine Alarmanzeige wird nur dann geliefert,
wenn eine vorbestimmte Kombination von Ausgängen des Annähe
rungsfühlers und des Strahlungsdetektors gegeben ist.
Die US 101 H1 beschreibt ein Zweifarben-Detektorfeld zur Fest
stellung eines Ziels oder eines Zielbildes im Ultraviolett
bereich und gleichzeitig im Infrarotbereich. Das Ziel kann
dabei ein Flugkörper oder ein Bodenziel sein, das sich bewegt
oder stillsteht. Eine Optik sammelt die kombinierte IR/UV-
Strahlung und projiziert deren Energie auf ein in der Brenn
ebene liegendes Feld unter einem Winkel relativ zur Achse der
Optik des Detektors.
Die GB 21 01 352 A zeigt einen opto-mechanischen Scanner zum
Leiten von Geschossen, wobei zwei strahlungsempfindliche Vor
richtungen auf unterschiedliche Wellenlängenbänder ansprechen.
Die bekannte Vorrichtung dient dazu, ein Geschoß auf ein Ziel
zu lenken. Eine Feststellung eines sich annähernden feindlichen
Flugkörpers ist hierdurch jedoch nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flugkörper-
Annäherungs-Warnvorrichtung zu schaffen, welche die Annäherung
raketengetriebener Flugkörper mit Sicherheit erkennt und dabei
Störeffekte, insbesondere auch durch das Sonnenlicht bedingte
Fehlmeldungen, ausscheidet.
Gelöst wird die gestellte Aufgabe verfahrensmäßig durch die
Gesamtheit der im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe dient eine Flugkörper-Annähe
rungs-Warnvorrichtung mit der Kombination der im Patentanspruch
2 angegebenen Merkmale.
Es sind zwar allgemein Strahlungsmesser für die verschiedensten
Anwendungszwecke bekannt, jedoch nicht in der in den Ansprüchen
1 und 2 angegebenen Kombination. So zeigt beispielsweise die
US 3 971 943 A einen tragbaren UV-Strahlungsmesser mit einer
ultraviolett-strahlungsempfindlichen Zelle, wobei der auf Ultra
violett ansprechende Wandler eine für Sonnenlicht blinde Vakuum
photodiode aufweist, die im interessierenden Wellenlängenbereich
über verschiedene Ultraviolettfelder bestrahlt wird, um ein ge
wünschtes vorbestimmtes Ansprechen zu gewährleisten. Dieses
Strahlungsmeßgerät soll den menschlichen Körper vor schädlicher
UV-Strahlenbelastung schützen.
Die DE 33 16 466 A1 betrifft einen Detektor für Feuer und Ex
plosionen, wobei ein UV-Sensor zusammen mit einem IR-Detektor
in Kombination benutzt wird.
Eine ähnliche Anordnung zum Erfassen von Feuer und Explosionen
zeigt die DE 29 07 546 A1. Auch hier findet ein UV-Detektor in
Kombination mit einem IR-Detektor Anwendung.
Die vorliegende Erfindung betrifft demgegenüber eine Flugkörper-
Annäherungs-Warnvorrichtung, welche auf einen ganz bestimmten
Strahlungsbereich der Raketenantriebe mit steiler Flanke abge
stimmt ist und Fehlerquellen, insbesondere auch Störstrahlungen
durch das Sonnenlicht, ausgeschaltet sind.
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Flugkörper-Annäherungs-
Warnvorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 3 bis 8.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis der nachstehenden physi
kalischen Zusammenhänge und nutzt diese in der angegebenen Weise
zum Erkennen raketengetriebener Ziele aus:
Im Ultraviolett-Spektralband besteht eine starke Absorption in folge 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 Strah lung aus der Atmosphäre vernachlässigbar im Vergleich mit der von der Sonne ankommenden Strahlung.
Im Ultraviolett-Spektralband besteht eine starke Absorption in folge 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 Strah lung aus der Atmosphäre vernachlässigbar im Vergleich mit der von der Sonne ankommenden Strahlung.
Die Ozon-Konzentration liegt auf Meereshöhe um eine Größen
ordnung niedriger als in Höhen zwischen 15 und 20 km, und da
her ist die Sonneneinstrahlung auf Meereshöhe stark vermindert.
Wenn daher das Ozonband bei Meereshöhe eine vernünftige Über
tragung innerhalb des Bandes ermöglicht, könnte ein Detektor
system gegen einen praktisch schwarzen photonen Hintergrund
arbeiten, so daß die Störausfilterung kein wesentliches Problem
darstellt.
Die spektrale Sonnenphotonenstrahlung auf Meereshöhe ist kleiner
als 1 ph/sec/m2/nm für Wellenlängen 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 vorbestimmten 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, durch das 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, so
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 Wellenlänge
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. Verfahren zum Erkennen der Annäherung eines durch
Raketen angetriebenen Flugkörpers, welches die folgenden
Schritte umfaßt:
- - es wird eine optische Vorrichtung benutzt, um elektro magnetische Strahlung aus einem Sichtfeld zu empfangen, in dem der durch Raketen angetriebene Flugkörper befindlich sein kann; und
- - es wird ein Detektor benutzt, um innerhalb dieser Strah lung nur jene Komponenten zu empfangen die dem Abgasstreifen eines Flugkörpers zugeordnet sind und eine Wellenlänge inner halb eines vorbestimmten Ultraviolett-Ozon-Absorptions-Wellen bandes aufweisen; und
- - es wird das Vorhandensein des Flugkörpers innerhalb des Sichtfeldes festgestellt, wenn diese Komponenten erkannt werden; wobei der Detektor ein Überwachungssystem aufweist, um eine Strahlung mit einer Wellenlänge zu erkennen, die innerhalb des Ultraviolett-Ozon-Absorptions-Wellenbandes liegt, und wobei das System folgende Merkmale aufweist:
- - eine Photoelektronenröhre (18), die derart angeordnet ist, daß ein Fenster (24) definiert wird, um in die Photo elektronenröhre (18) nur jene Strahlung eintreten zu lassen, deren Wellenlänge über einem ersten vorbestimmten Wert liegt, der dem Ozon-Absorptions-Wellenband zugeordnet ist;
- - eine Kathode (20) innerhalb der Photoelektronenröhre (18) zum Empfang der von der Photoelektronenröhre (18) durch das Fenster (24) empfangenen Strahlung, um Elektronen nur gemäß jenen Komponenten der Strahlung zu erzeugen, deren Wellenlänge unter einem zweiten vorbestimmten Wert liegt, der dem Ozon-Absorptions-Wellenband zugeordnet ist; und
- - Mittel (22) zur Feststellung der erzeugten Elektronen, um damit die Strahlung zu erkennen.
2. Flugkörperannäherungs-Warnvorrichtung mit den fol
genden Merkmalen:
- - ein optischer Strahlungsempfänger (16, 18) empfängt elektromagnetische Strahlung von einem Sichtfeld des opti schen Strahlungsempfängers, in dem ein durch Raketen ange triebener Flugkörper vorhanden sein kann; und
- - ein Detektor (18) ist mit dem optischen Strahlungs empfänger gekoppelt, um diese Strahlung zu empfangen und innerhalb dieser Strahlung das Vorhandensein nur jener Strahlungskomponenten zu erkennen, die einem Flugkörper- Abgasstreifen zugeordnet sind und eine Wellenlänge inner halb eines vorbestimmten Ultraviolett-Ozon-Absorptions- Wellenlängenbandes besitzen, um den Flugkörper innerhalb des Sichtfeldes zu entdecken, wobei der Detektor (18) ein Überwachungssystem aufweist, um Strahlung mit einer Wellenlänge zu erkennen, die innerhalb des Ultraviolett- Ozon-Absorptions-Wellenbandes liegt, und wobei das System folgende Merkmale aufweist:
- - eine Photoelektronenröhre (18), die derart angeordnet ist, daß ein Fenster (24) definiert wird, um in die Photo elektronenröhre (18) nur jene Strahlung eintreten zu lassen, deren Wellenlänge über einem ersten vorbestimmten Wert liegt, der dem Ozon-Absorptions-Wellenband zugeordnet ist;
- - eine Kathode (20), die innerhalb der Photoelektronen röhre (18) angeordnet ist, um die durch das Fenster (24) in die Photoelektronenröhre (18) eintretende Strahlung zu empfangen und um Elektronen nur gemäß jenen Komponenten der Strahlung zu erzeugen, deren Wellenlänge unter einem vorbestimmten Wert liegt, der dem Ozon-Absorptions-Wellen band zugeordnet ist; und
- - Mittel (22) zur Feststellung der erzeugten Elektronen und zum Erkennen dieser Strahlung.
3. Flugkörperannäherungs-Warnvorrichtung nach Anspruch 2,
welche eine Abtastvorrichtung (12) aufweist, die mit der
Photoelektronenröhre (18) gekoppelt ist, um das Sichtfeld
abzutasten und die vom Sichtfeld empfangene Strahlung in
das Fenster (24) zu richten.
4. Flugkörperannäherungs-Warnvorrichtung nach den An
sprüchen 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste vorbestimmte Wellen
länge 232 nm beträgt.
5. Flugkörperannäherungs-Warnvorrichtung nach einem
der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite vorbestimmte Wellen
länge 275 nm beträgt.
6. Flugkörperannäherungs-Warnvorrichtung nach einem der An
sprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (24) aus einem
Material auf Polymerbasis besteht.
7. Flugkörperannäherungs-Warnvorrichtung nach einem
der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (22) der Photo
elektronenröhre (18) aus Wolfram besteht.
8. Flugkörperannäherungs-Warnvorrichtung nach einem
der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (22) der Photo
elektronenröhre (18) aus Kupfer besteht.
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