EP1746381B1 - Abwehrvorrichtung gegen Flugkörper, Verfahren zur Abwehr gegen Flugkörper und Verwendung einer Laservorrichtung - Google Patents

Abwehrvorrichtung gegen Flugkörper, Verfahren zur Abwehr gegen Flugkörper und Verwendung einer Laservorrichtung Download PDF

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EP1746381B1
EP1746381B1 EP06116303A EP06116303A EP1746381B1 EP 1746381 B1 EP1746381 B1 EP 1746381B1 EP 06116303 A EP06116303 A EP 06116303A EP 06116303 A EP06116303 A EP 06116303A EP 1746381 B1 EP1746381 B1 EP 1746381B1
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EP
European Patent Office
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plasma
laser device
laser
defensive
air
Prior art date
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EP06116303A
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French (fr)
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EP1746381B8 (de
EP1746381A1 (de
Inventor
Willy Bohn
Hans-Albert Eckel
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H11/00—Defence installations; Defence devices
    • F41H11/02—Anti-aircraft or anti-guided missile or anti-torpedo defence installations or systems

Definitions

  • the invention relates to a defense device against missiles with on electromagnetic radiation, in particular infrared radiation, responsive target detection.
  • the invention further relates to a method for defense against missiles, which have a responsive to electromagnetic radiation, in particular infrared radiation, target detection.
  • Missiles such as missile-equipped missiles or smart ammunition, may include target detection responsive to electromagnetic radiation, and particularly infrared radiation, and may thereby find their target, such as an aircraft.
  • the infrared radiation to which the target detection responds for example, delivered by engines of the aircraft.
  • a method of deflecting a projectile from an initial trajectory wherein the projectile has a first surface area and a second surface area and moves through a gaseous atmosphere with surrounding plasma sheath.
  • Electromagnetic radiation is directed to the projectile, with the electromagnetic radiation having a frequency that passes through the plasma sheath is absorbed to a significant degree but is not absorbed by the gaseous atmosphere.
  • From the DE 41 07 533 A1 is a method for protecting aircraft from missiles with UV homing heads known in which the aircraft are at least temporarily provided with a UV-emitting radiation source.
  • From the EP 0 240 819 A2 is a method for deflecting guided by radar and / or infrared radiation missiles are known, are ignited in or before the target area of the missile-generating projectile throwing body.
  • a laser is known, in particular, for projectile and / or target tracking and for illumination purposes, in which a pyrotechnic flare is provided as a pump light source.
  • the WO 2005/026650 A2 discloses a missile defense device having target detection responsive to electromagnetic radiation, particularly infrared radiation, in which a plasma cloud is generated locally in air.
  • a plasma generating device which has a laser device, wherein by means of the laser device in air at a distance from the plasma generating means one or more plasma clouds can be generated.
  • a plasma can be generated locally if the plasma breakthrough threshold of air is exceeded, that is, if at a location in the air so high field strengths prevail that the plasma breakthrough takes place.
  • the plasma formation is accompanied by the emission of electromagnetic waves.
  • the plasma recombination leads to radiation, inter alia in the infrared range.
  • the missile with target detection which responds to electromagnetic waves, can respond to the radiation and the target detection, the missile is directed in the direction of the location of the plasma formation. In turn, it can be distracted by an object to be protected, such as an airplane.
  • the plasma formation in air can be a target deception in the target detection of the missile perform. This allows, for example, to protect flying objects such as airplanes or even room areas around an airport.
  • the missiles with electro-optical target detection are defined "targets" provided to secure objects to be protected.
  • plasmas in air can be laser-induced.
  • Ultrashort light pulses enable the plasma breakthrough threshold in air to be achieved. Due to the non-linear propagation of ultrashort light pulses in the atmosphere, the induced Kerr effect leads to a self-focusing of a laser beam. For this self-focusing no telescope is necessary, but it suffices a "normal" optics. It is thereby possible to position the corresponding laser device at a large distance (which may be 10 km or more) from the location of the plasma breakdown, that is, the plasma breakdown can be effected at a great distance to the laser device by the self-focusing.
  • one or more plasma clouds can be generated in air by plasma breakthrough by the plasma generating device comprising a laser device.
  • These generated plasma clouds are accompanied by the emission of electromagnetic radiation, to which the target detection of a missile can react.
  • the plasma formation has a defocusing effect on the laser beam.
  • a self-focusing can take place. It can then form a series of plasma clouds. It can also occur a filamentation, in which a plasma breakthrough takes place in filaments between plasma clouds.
  • the plasma generating device comprises at least one laser device, by means of which light pulses can be emitted.
  • a high intensity (field strength) can be achieved, which can lead to the plasma breakthrough.
  • light pulses can be controlled with respect to their pulse shaping in such a way that the plasma breakdown takes place at a distance from the laser device.
  • light pulses in the subpicosecond range can be emitted by the at least one laser device and can be emitted, in particular in the femtosecond range.
  • Self-focusing in air occurs due to the induced Kerr effect in such short light pulses, and a high field strength can be achieved, which can lead to plasma breakthrough. There is no need for a telescope to focus on the location of the plasma breakthrough.
  • a self-focusing of the laser emission takes place in air. Due to the non-linear propagation of ultrashort light pulses during passage through the atmosphere it comes to the induced Kerr effect. This in turn leads to a self-focusing of the laser emission, without a telescope for focusing is necessary.
  • the plasma breakthrough may occur.
  • the plasma in turn leads to a defocusing of the laser beam.
  • the light can spread further and then again a self-focusing can occur.
  • a series of plasma clouds plasma clouds (plasma spheres) can be formed until the energy of the propagating light is no longer sufficient to produce a plasma breakthrough. At least the location of the first plasma breakthrough is approximately adjustable. It may also happen that form filaments (which have a diameter in the order of 100 microns). These form in particular along the laser beam between plasma clouds.
  • the laser device is operated by the method of Chirped Pulse Amplification (CPA).
  • CPA Chirped Pulse Amplification
  • a short pulse is stretched to lower the peak power.
  • the stretched pulse is amplified and the stretch is reversed by a compressor.
  • the stretching and compression can be done for example via optical gratings. It is possible to set the location of a self-focusing at a distance from the laser device. This can be done by phasing especially on the compressor.
  • the wavelength range of the electromagnetic radiation emitted by the laser device is different (it is for example at higher wavelengths) to the wavelength range of the electromagnetic radiation to which the target detection responds.
  • the target illusion occurs via the radiation as accompanying process of the plasma formation.
  • a laser device can be targeted plasma clouds set, which are accompanied by the emission of electromagnetic radiation.
  • the target detection of a missile can respond.
  • the plasma also UV-light is radiated, so that a "deception" of UV-sensors is possible in principle.
  • the laser device for generating light pulses operates in a single-mode mode or in a repetition mode in which a pulse train with a plurality of pulses (two pulses, three pulses or more) with a short distance, for example may be of the order of 100 ⁇ s. Operation in the repetition mode may facilitate the plasma breakthrough in the atmosphere.
  • the location of the plasma generation is at least approximately adjustable.
  • the distance of the location of the plasma generation from a laser device is adjustable.
  • the location of the plasma generation in the room can then be set at least approximately, and this in turn can protect a certain area of space.
  • the defense device is stationarily positioned.
  • it is arranged on the ground. It can serve to protect an airport.
  • a mobile positioning for example, a mobile object (on which the positioning is provided) can be protected like a flying object.
  • Mobile positioning for example on the ground, is also possible in order to be able to vary a spatial region in which plasma clouds are generated.
  • the defense device is arranged on a flying object such as an aircraft (outside or inside the flying object) in order to be able to protect it against attacking missiles.
  • the invention further relates to a method for defense against missiles, which have a responsive to electromagnetic radiation, in particular infrared radiation, target detection, which is carried out in a simple manner.
  • This object is achieved in that one or more plasma clouds are generated in air by means of a laser device, wherein the plasma cloud or plasma clouds spaced from the laser device are generated.
  • the method according to the invention has the advantages already explained in connection with the defense device according to the invention.
  • the plasma cloud or plasma clouds are generated at a distance from a plasma generating device.
  • effective protection against missiles can be achieved.
  • the plasma generation is performed at a distance of at least 50 m to the plasma generating device.
  • an appropriate area and also the plasma generating device itself can be effectively protected.
  • the plasma cloud or plasma clouds are formed in a region in which a self-focusing of the light pulses takes place.
  • Such self-focusing can be achieved for subpicosecond light pulses due to their non-linear propagation in the atmosphere. Due to the self-focusing, no telescope or the like is needed to achieve a plasma breakthrough in the atmosphere at a distance from the plasma generating device.
  • subpicosecond light pulses are emitted by the plasma generating device, which lead to plasma formation in air.
  • Subpicosecond light pulses can achieve field strengths that lead to plasma breakthrough in air.
  • the subpicosecond light pulses are generated by a laser device.
  • light pulses can be generated with such a high intensity that plasma breakdown occurs in the atmosphere.
  • the location of the plasma breakthrough can be set at least approximately.
  • phase adjustment is performed in the laser device that a plasma breakthrough takes place in the air at a predetermined distance from the laser device.
  • phase adjustment in the laser device for example on a compressor of a pulse shaping device
  • different transit times of light of different wavelengths can be used to achieve self-focusing at a specific distance from the laser device.
  • the laser device is operated according to the method of chirped pulse amplification.
  • a laser device with a subpicosecond laser for plasma generation in air is used for defense against missiles with target detection responsive to electromagnetic radiation.
  • FIG. 1 A first embodiment of a defense device according to the invention is in FIG. 1 shown and designated there with 10. It serves as a defense against Missiles 12 such as missiles (with warhead) or smart ammunition, which has a target detection means 14 which responds to electromagnetic radiation.
  • a target detection device 14 includes, for example, one or more optoelectronic sensors which detect electromagnetic radiation, such as infrared radiation.
  • the trajectory of the missile 12 is controlled during flight via the target detector 14 so that it follows the source of electromagnetic radiation.
  • a source of infrared radiation is an aircraft engine.
  • the defense device 10 comprises a plasma generation device 16 with a laser device 18.
  • the laser device 18 is an ultrashort pulse laser device; They emit light pulses in the subpicosecond range and in particular in the femtosecond range.
  • the laser device 18 comprises an oscillator 20 and a pulse shaping device 22.
  • the plasma breakthrough can be generated for example at a distance of about 10 m to a distance of several kilometers. This area is adjustable.
  • a plasma cloud (plasma ball) is formed.
  • the plasma has a defocusing effect on the light.
  • the further light propagation of the self-focusing effect can be effective again and at a distance to the first formed plasma cloud may form another plasma cloud, etc. It may be a series of Plasma clouds form, until the intensity of the propagating light pulse is no longer sufficient to exceed the plasma breakthrough threshold in air.
  • the target detection device 14 of the missile 12 can respond to these electromagnetic radiation; the radiation emission of the plasma cloud 30 (in particular of the collapsing plasma) simulates the presence of a radiating object to the target detection device 14 of the missile 12 and the missile 12 is guided by the target detection device 14 to the plasma cloud 30. It is done via the through the plasma generating device 16 generated plasma cloud 30 a target deception for the missile 12th
  • the wavelength range of the light pulses emitted by the laser device 18 may be outside the wavelength range to which the target detection device 14 of the missile 12 responds.
  • laser pulses are emitted in a wavelength range around 800 nm, that is to say in the short-wave infrared range.
  • a defense device 32 is mounted on a flying object such as an aircraft 34 with engines 35.
  • the defense device 32 has a plasma generating device 36, which is basically constructed as described with reference to the first embodiment.
  • One or more plasma clouds can be generated by the plasma generation device 36 at a distance to the flying object 34, whereby a missile 40 (such as a rocket or intelligent ammunition) with target detection can react to the electromagnetic radiation emanating from the plasma cloud 38 and thereby can be distracted by the flying object 34.
  • An oscillator 42 outputs a short pulse 44.
  • this short pulse is stretched in time to lower the peak power (pulse 46).
  • the stretched pulse 46 is amplified.
  • the resulting pulse 50 is long compared to the pulse 44.
  • the stretch is then reversed by a compressor 52 such that the resulting high intensity light pulse 28 (which may be on the order of 10 13 W / cm 2 ) is provided outside the plasma generator 16.
  • the compressor 52 By the compressor 52, the original shape of the short pulse 44 is restored.
  • self-focusing can be effected by a phase adjustment in the laser device 18 in an at least approximately defined distance from the laser device 18.
  • the straightener 45 can be realized for example via an optical grating.
  • the compressor 52 can be realized via an optical grating.
  • red and blue portions of an incoming pulse 44 and 50 can bend in different directions.
  • the compressor 52 is designed such that a phase adjustment takes place via the optical gratings, so that the self-focusing, which leads to the plasma breakthrough in air, occurs at a defined location at a distance from the laser device 18.
  • a laser device 18 with a subpicosecond laser is used to deceive missiles 12 and 40 with opto-electronic target detection by generating in plasma a plasma which is accompanied by the emission of electromagnetic radiation, in particular recombination radiation.
  • the defense device according to the invention can be used stationary or mobile. It can be used to generate plasma in a defined spatial area. This also allows a defined area of space to be protected. In particular, the space in which the plasma is generated is selected at a sufficiently great distance from an area to be protected.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Abwehrvorrichtung gegen Flugkörper mit auf elektromagnetische Strahlung, insbesondere Infrarot-Strahlung, reagierender Zielerfassung.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Abwehr gegen Flugkörper, welche eine auf elektromagnetische Strahlung, insbesondere Infrarot-Strahlung, reagierende Zielerfassung aufweisen.
  • Flugkörper, wie beispielsweise mit einem Sprengkopf versehene Raketen oder intelligente Munition, können eine Zielerfassung aufweisen, welche auf elektromagnetische Strahlung und insbesondere Infrarot-Strahlung reagiert und können dadurch ihr Ziel, wie beispielsweise ein Flugzeug, finden. Die Infrarot-Strahlung, auf die die Zielerfassung reagiert, wird beispielsweise durch Triebwerke des Flugzeugs abgegeben.
  • Aus der WO 2004/058566 A1 ist ein Verfahren zur Ablenkung eines Projektils von einer anfänglichen Flugbahn bekannt, wobei das Projektil einen ersten Oberflächenbereich und einen zweiten Oberflächenbereich aufweist und sich durch eine gasförmige Atmosphäre mit umgebender Plasmahülle bewegt. Es wird elektromagnetische Strahlung zu dem Projektil gerichtet, wobei die elektromagnetische Strahlung eine Frequenz hat, die durch die Plasmahülle zu einem signifikanten Maß absorbiert wird aber nicht durch die gasförmige Atmosphäre absorbiert wird.
  • Aus der DE 41 07 533 A1 ist ein Verfahren zum Schutz von Luftfahrzeugen vor Flugkörpern mit UV-Zielsuchköpfen bekannt, bei dem die Luftfahrzeuge zumindest zeitweise mit einer UV-emittierenden Strahlungsquelle versehen werden.
  • Aus der EP 0 240 819 A2 ist ein Verfahren zur Ablenkung von durch Radar und/oder Infrarotstrahlung gelenkten Flugkörpern bekannt, bei dem im oder vor dem Zielbereich des Flugkörpers Scheinziele erzeugende Wurfkörper gezündet werden.
  • Aus der DE 27 44 401 A1 ist ein Laser insbesondere zur Geschoss- und/oder Zielverfolgung sowie zu Beleuchtungszwecken bekannt, bei dem ein pyrotechnischer Leuchtsatz als Pumplichtquelle vorgesehen ist.
  • In dem Artikel "Hochenergie-Petawattlaser - die Erzeugung ultraintensiver Pulse" von Stefan Borneis, Photonik 3/2005, Seiten 76 - 79 ist ein Nd:Glas Hochenergie-Petawattlaser beschrieben.
  • Die WO 2005/026650 A2 offenbart eine Abwehrvorrichtung gegen Flugkörper mit auf elektromagnetische Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung, reagierender Zielerfassung, bei der eine Plasmawolke lokal in Luft erzeugt wird.
  • Die US-A-5 726 855 offenbart eine Vorrichtung und eine Methode zur Erzeugung von Leitungspfaden in der Atmosphäre. Hierbei wird ein Chirped-Pulsverstärkter Laser verwendet. Dieser Laser ist so konfiguriert, dass er eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen ionisierten Kanälen in der Atmosphäre erzeugen kann. Mittels dieser Kanäle soll es gelingen, Blitze gezielt zu induzieren und somit Blitzschäden zu vermeiden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abwehrvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welcher ein Schutz gegen solche Flugkörper erreichbar ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Plasmaerzeugungseinrichtung vorgesehen ist, welche eine Laservorrichtung aufweist, wobei mittels der Laservorrichtung in Luft in einem Abstand zu der Plasmaerzeugungseinrichtung eine oder mehrere Plasmawolken erzeugbar sind.
  • In Luft lässt sich lokal ein Plasma erzeugen, wenn die Plasmadurchbruchschwelle von Luft überschritten wird, das heißt wenn an einem Ort in der Luft so hohe Feldstärken herrschen, dass der Plasmadurchbruch erfolgt. Die Plasmabildung ist begleitet von der Abstrahlung elektromagnetischer Wellen. Insbesondere die Plasmarekombination führt zu Strahlung unter anderem im Infrarot-Bereich. Der Flugkörper mit Zielerfassung, welche auf elektromagnetische Wellen reagiert, kann auf die Abstrahlung reagieren und durch die Zielerfassung wird der Flugkörper in Richtung des Ortes der Plasmabildung gelenkt. Dadurch wiederum kann er von einem zu schützenden Objekt wie einem Flugzeug abgelenkt werden. Durch die Plasmabildung in Luft lässt sich eine Zieltäuschung in der Zielerfassung des Flugkörpers durchführen. Dadurch lassen sich beispielsweise Flugobjekte wie Flugzeuge oder auch Raumbereiche um einen Flughafen schützen. Den Flugkörpern mit elektrooptischer Zielerfassung werden definierte "Ziele" bereitgestellt, um zu schützende Objekte zu sichern.
  • Plasmen in Luft lassen sich beispielsweise laserinduziert bilden. Durch Ultrakurz-Lichtpulse kann die Plasmadurchbruchschwelle in Luft erreicht werden. Aufgrund der nicht-linearen Propagation von Ultrakurz-Lichtpulsen in der Atmosphäre kommt es durch induzierten Kerr-Effekt zu einer Selbstfokussierung eines Laserstrahls. Für diese Selbstfokussierung ist kein Teleskop notwendig, sondern es genügt eine "normale" Optik. Es ist dadurch möglich, die entsprechende Laservorrichtung in einem großen Abstand (der 10 km oder mehr betragen kann) vom Ort des Plasmadurchbruchs zu positionieren, das heißt der Plasmadurchbruch lässt sich in einem großen Abstand zu der Laservorrichtung durch die Selbstfokussierung bewirken.
  • Insbesondere sind durch die eine Laservorrichtung umfassende Plasmaerzeugungseinrichtung ein oder mehrere Plasmawolken (Plasmakugeln) in Luft durch Plasmadurchbruch erzeugbar. Diese erzeugten Plasmawolken sind begleitet mit der Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung, auf die die Zielerfassung eines Flugkörpers reagieren kann. Die Plasmabildung hat Defokussierungswirkung auf den Laserstrahl. Durch weitere Propagation der Lichtpulse in Luft kann wieder eine Selbstfokussierung stattfinden. Es kann sich dann eine Serie von Plasmawolken bilden. Es kann dabei auch eine Filamentierung auftreten, bei der ein Plasmadurchbruch in Filamenten zwischen Plasmawolken erfolgt.
  • Die Plasmaerzeugungseinrichtung umfasst mindestens eine Laservorrichtung, durch die Lichtpulse emittierbar sind. In Lichtpulsen lässt sich eine hohe Intensität (Feldstärke) erreichen, die zum Plasmadurchbruch führen kann. Ferner lassen sich Lichtpulse bezüglich ihrer Pulsformung so steuern, dass der Plasmadurchbruch in einem Abstand zu der Laservorrichtung erfolgt.
  • Insbesondere sind durch die mindestens eine Laservorrichtung Lichtpulse im Subpikosekunden-Bereich emittierbar und insbesondere im Femtosekunden-Bereich emittierbar. Bei solchen kurzen Lichtpulsen tritt eine Selbstfokussierung in Luft aufgrund induziertem Kerr-Effekt auf und es lässt sich eine hohe Feldstärke erreichen, die zum Plasmadurchbruch führen kann. Es ist dabei kein Teleskop zur Fokussierung an den Ort des Plasmadurchbruchs notwendig.
  • Insbesondere erfolgt eine Selbstfokussierung der Laseremission in Luft. Aufgrund der nicht-linearen Propagation ultrakurzer Lichtpulse beim Durchgang durch die Atmosphäre kommt es zum induzierten Kerr-Effekt. Dadurch wiederum kommt es zu einer Selbstfokussierung der Laseremission, ohne dass ein Teleskop zur Fokussierung notwendig ist. In einer Zone der Selbstfokussierung kann es, wenn die Lichtpulse eine entsprechend hohe Intensität aufweisen, zum Plasmadurchbruch kommen. Das Plasma wiederum führt zu einer Defokussierung des Laserstrahls. Das Licht kann sich weiter ausbreiten und es kann dann wiederum eine Selbstfokussierung auftreten. Dadurch kann eine Serie von Plasmawolken (Plasmakugeln) gebildet werden bis die Energie des propagierenden Lichts nicht mehr ausreicht, einen Plasmadurchbruch zu erzeugen. Mindestens der Ort des ersten Plasmadurchbruchs ist näherungsweise einstellbar. Es kann auch vorkommen, dass sich Filamente (die einen Durchmesser in der Größenordnung von 100 µm haben) bilden. Diese bilden sich insbesondere entlang des Laserstrahls zwischen Plasmawolken.
  • Günstig ist es, wenn die Laservorrichtung nach dem Verfahren der Chirped-Pulse-Amplification (CPA) betrieben wird. Bei diesem Verfahren (siehe beispielsweise D. Meschede, Optik, Licht und Laser, B.G. Teubner Stuttgart, Leipzig, 1999, Seiten 291, 292 und weiteres Zitat dort) wird ein kurzer Puls gestreckt, um die Spitzenleistung zu senken. Der gestreckte Puls wird verstärkt und die Streckung wird durch einen Kompressor rückgängig gemacht. Die Streckung und Kompression kann beispielsweise über optische Gitter erfolgen. Es ist dabei möglich, den Ort einer Selbstfokussierung im Abstand zu der Laservorrichtung einzustellen. Dies kann durch Phasenabgleich insbesondere an dem Kompressor erfolgen.
  • Beispielsweise ist der Wellenlängenbereich der von der Laservorrichtung emittierten elektromagnetischen Strahlung unterschiedlich (er liegt beispielsweise bei höheren Wellenlängen) zu dem Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung, auf den die Zielerfassung reagiert. Die Zieltäuschung erfolgt über die Abstrahlung als Begleitprozess der Plasmabildung. Insbesondere durch eine Laservorrichtung lassen sich gezielt Plasmawolken setzen, die mit der Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung begleitet sind. Auf die abgestrahlten elektromagnetischen Wellen, insbesondere im Infrarot-Bereich, kann die Zielerfassung eines Flugkörpers reagieren. (Durch das Plasma wird auch UV-Licht abgestrahlt, so dass auch eine "Täuschung" von UV-Sensoren prinzipiell möglich ist.)
  • Es ist grundsätzlich möglich, dass die Laservorrichtung zur Erzeugung von Lichtpulsen in einem Single-Mode-Modus arbeitet oder in einem Repetitionsmodus, bei dem eine Pulsfolge mit einer Mehrzahl von Pulsen (zwei Pulse, drei Pulse oder mehr) mit kurzem Abstand, die beispielsweise in der Größenordnung von 100 µs liegen kann, gebildet wird. Durch einen Betrieb im Repetitionsmodus lässt sich in der Atmosphäre unter Umständen der Plasmadurchbruch erleichtern.
  • Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der Ort der Plasmaerzeugung mindestens näherungsweise einstellbar ist. Beispielsweise ist der Abstand des Ortes des Plasmaerzeugung von einer Laservorrichtung einstellbar. Durch Einstellung der Ausrichtung der Laservorrichtung im Raum lässt sich dann der Ort der Plasmaerzeugung im Raum mindestens näherungsweise einstellen und dadurch wiederum lässt sich ein bestimmter Raumbereich schützen.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Abwehrvorrichtung stationär positioniert ist. Beispielsweise ist sie am Boden angeordnet. Sie kann dazu dienen, einen Flughafen zu schützen.
  • Es ist auch eine mobile Positionierung möglich. Durch die mobile Positionierung kann beispielsweise ein mobiles Objekt (an welchem die Positionierung vorgesehen ist) wie ein Flugobjekt geschützt werden. Es ist auch eine mobile Positionierung beispielsweise am Boden möglich, um einen Raumbereich, in welchem Plasmawolken erzeugt werden, variieren zu können.
  • Beispielsweise ist die Abwehrvorrichtung an einem Flugobjekt wie einem Flugzeug angeordnet (außen oder innen am Flugobjekt), um dieses gegen angreifende Flugkörper schützen zu können.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Abwehr gegen Flugkörper, welche eine auf elektromagnetische Strahlung, insbesondere Infrarot-Strahlung, reagierende Zielerfassung aufweisen, welches auf einfache Weise durchführbar ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mittels einer Laservorrichtung eine oder mehrere Plasmawolken in Luft erzeugt werden, wobei die Plasmawolke oder Plasmawolken beabstandet zu der Laservorrichtung erzeugt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Abwehrvorrichtung erläuterten Vorteile auf.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Abwehrvorrichtung erläutert.
  • Insbesondere werden die Plasmawolke oder Plasmawolken beabstandet zu einer Plasmaerzeugungseinrichtung erzeugt. Dadurch lässt sich ein effektiver Schutz gegenüber Flugkörpern erreichen.
  • Insbesondere wird die Plasmaerzeugung in einem Abstand von mindestens 50 m zu der Plasmaerzeugungseinrichtung durchgeführt. Dadurch lässt sich ein entsprechendes Gebiet und auch die Plasmaerzeugungseinrichtung selber auf effektive Weise schützen.
  • Günstigerweise werden die Plasmawolke oder Plasmawolken entfernt von einem zu schützenden Bereich erzeugt. Durch die Plasmaerzeugung wird üblicherweise ein anfliegender Flugkörper nicht direkt ausgeschaltet, sondern nur umgelenkt (da er über sein Ziel getäuscht wird). Die Umlenkung kann dabei so erfolgen, dass er nicht in einen zu schützenden Bereich gelangt bzw. den zu schützenden Bereich ohne Kollisionsgefahr durchquert.
  • Insbesondere werden die Plasmawolke oder Plasmawolken in einem Bereich gebildet, in dem eine Selbstfokussierung der Lichtpulse stattfindet. Eine solche Selbstfokussierung lässt sich für Subpikosekunden-Lichtpulse aufgrund deren nicht-linearen Propagation in der Atmosphäre erreichen. Aufgrund der Selbstfokussierung wird kein Teleskop oder dergleichen benötigt, um in einem Abstand zu der Plasmaerzeugungseinrichtung einen Plasmadurchbruch in der Atmosphäre zu erreichen.
  • Insbesondere werden durch die Plasmaerzeugungseinrichtung Subpikosekunden-Lichtpulse emittiert, die zur Plasmabildung in Luft führen. Über Subpikosekunden-Lichtpulse lassen sich Feldstärken erreichen, die in Luft zum Plasmadurchbruch führen.
  • Die Subpikosekunden-Lichtpulse werden durch eine Laservorrichtung erzeugt. Durch entsprechende Einstellung bzw. Steuerung der Laservorrichtung lassen sich Lichtpulse mit einer derart hohen Intensität erzeugen, dass es zum Plasmadurchbruch in der Atmosphäre kommt. Ferner lässt sich der Ort des Plasmadurchbruchs mindestens näherungsweise einstellen.
  • Insbesondere wird ein solcher Phasenabgleich in der Laservorrichtung durchgeführt, dass in einem vorgegebenen Abstand zu der Laservorrichtung ein Plasmadurchbruch in der Luft erfolgt. Durch Phasenabgleich in der Laservorrichtung (beispielsweise an einem Kompressor einer Pulsformungseinrichtung) lassen sich unterschiedliche Laufzeiten von Licht unterschiedlicher Wellenlänge dazu nutzen, dass eine Selbstfokussierung in einem bestimmten Abstand zu der Laservorrichtung erfolgt.
  • Insbesondere wird die Laservorrichtung gemäß dem Verfahren der Chirped-Pulse-Amplification betrieben.
  • Es kann vorgesehen sein, dass Mehrfach-Lichtpulse emittiert werden, das heißt, dass eine Laservorrichtung in einem Repetitionsmodus betrieben wird. Dadurch lässt sich auf eine relativ begrenzte Stelle in der Atmosphäre mit einer Mehrzahl von Lichtpulsen (beispielsweise Doppelpulsen, Dreifachpulsen usw.) einwirken, um den Plasmadurchbruch zu bewirken. Pulse in einer Mehrfachpuls-Gruppe haben beispielsweise einen Abstand in der Größenordnung von 100 µs.
  • Erfindungsgemäß wird eine Laservorrichtung mit einem Subpikosekunden-Laser zur Plasmaerzeugung in Luft zur Abwehr gegen Flugkörper mit auf elektromagnetische Strahlung reagierender Zielerfassung verwendet.
  • Die entsprechenden Vorteile sowie weitere Ausführungsformen dieser Verwendung wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.
  • Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung.
    Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Abwehrvorrichtung mit Stationierung am Boden;
    Figur 2
    ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abwehrvorrichtung mit Anordnung an einem Flugzeug; und
    Figur 3
    eine schematische Darstellung des Verfahrens der Chirped-Pulse-Amplification (CPA).
  • Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abwehrvorrichtung ist in Figur 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet. Sie dient zur Abwehr gegen Flugkörper 12 wie beispielsweise Raketen (mit Sprengkopf) oder auch intelligente Munition, die eine Zielerfassungseinrichtung 14 aufweist, welche auf elektromagnetische Strahlung reagiert. Eine solche Zielerfassungseinrichtung 14 umfasst beispielsweise einen oder mehrere optoelektronische Sensoren, welche elektromagnetische Strahlung wie beispielsweise Infrarot-Strahlung detektieren. Die Flugbahn des Flugkörpers 12 wird während des Fluges über die Zielerfassungseinrichtung 14 so gesteuert, dass sie der Quelle der elektromagnetischen Strahlung folgt. Beispielsweise ist eine Quelle für Infrarot-Strahlung ein Flugzeugtriebwerk.
  • Die Abwehrvorrichtung 10 umfasst eine Plasmaerzeugungseinrichtung 16 mit einer Laservorrichtung 18. Die Laservorrichtung 18 ist eine Ultrakurzpuls-Laservorrichtung; durch sie sind Lichtpulse im Subpikosekunden-Bereich und insbesondere im Femtosekunden-Bereich emittierbar.
  • Beispielsweise umfasst die Laservorrichtung 18 einen Oszillator 20 und eine Pulsformungseinrichtung 22.
  • Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Laservorrichtung 18 stationär am Boden 24 angeordnet. Es kann auch vorgesehen sein, dass sie mobil am Boden 24 positionierbar ist (dies ist durch den Pfeil mit dem Bezugszeichen 26 angedeutet).
  • Die Laservorrichtung 18 gibt Subpikosekunden-Pulse ab, wobei sich an einem oder mehreren Orten beabstandet zu der Plasmaerzeugungseinrichtung 16 Lichtpulse 28 (Figur 3) mit derart hoher Intensität erreichen lassen, dass es zum Plasmadurchbruch in der Luft kommt und sich eine oder mehrere Plasmawolken 30 (Figur 1) bilden. Insbesondere ist der Ort, an dem sich die Plasmawolke oder Plasmawolken 30 bilden, einstellbar. Diese Einstellung kann über einen Phasenabgleich unter Berücksichtigung der nicht-linearen Propagation der Lichtpulse der Laservorrichtung 18 in Luft erfolgen.
  • Es hat sich beispielsweise gezeigt, dass sich durch einen Subpikosekunden-Laser Lichtpulse 28 mit einer Intensität, die zum Plasmadurchbruch in Luft führt, in einer Entfernung von ca. 10 km von der Laservorrichtung 18 erzeugen lassen.
  • Der Plasmadurchbruch lässt sich beispielsweise in einem Abstand von ca. 10 m bis in einem Abstandsbereich von mehreren Kilometern erzeugen. Dieser Bereich ist einstellbar.
  • Aufgrund der nicht-linearen Propagation der erzeugten ultrakurzen Lichtpulse kommt es beim Durchgang durch die Atmosphäre zu einer Selbstfokussierung der Laseremission aufgrund induzierten Kerr-Effekts. Durch die Selbstfokussierung kann in einen Bereich (mit einem vorzugsweise einstellbaren Abstand zu der Laservorrichtung 18) die Plasmadurchbruchschwelle in der Atmosphäre überschritten werden. Aufgrund dieser (Selbst-)Fokussierung ist keine besondere Abbildungsoptik wie beispielsweise ein Teleskop notwendig.
  • An dem Ort des Plasmadurchbruchs bildet sich eine Plasmawolke (Plasmakugel). Das Plasma hat einen Defokussierungseffekt auf das Licht. Bei der weiteren Lichtpropagation kann der Selbstfokussierungseffekt wieder wirksam werden und in einem Abstand zu der erstgebildeten Plasmawolke kann sich eine weitere Plasmawolke bilden usw. Es kann sich dadurch eine Serie von Plasmawolken bilden, so lange, bis die Intensität des propagierenden Lichtpulses nicht mehr ausreicht, die Plasmadurchbruchschwelle in Luft zu überschreiten.
  • Es ist auch möglich, dass eine Filamentierung aufgritt. Insbesondere zwischen benachbarten Plasmawolken können sich entlang der Lichtstrecke Plasmafilamente mit einem Durchmesser von ca. 100 µm ausbilden.
  • Es ist möglich, dass die Laservorrichtung 18 in einem Single-Puls-Modus betrieben wird oder in einem Repetitionsmodus. In dem Repetitionsmodus wird eine Pulsgruppe mit beispielsweise zwei, drei oder mehr Pulsen abgesandt, wobei der Abstand der Pulse in einer Pulsgruppe kleiner ist als der Abstand von Pulsen unterschiedlicher Pulsgruppen, die nacheinander ausgesandt werden. Beispielsweise liegt der Abstand von Pulsen innerhalb einer Pulsgruppe bei ca. 100 µs. Dadurch lässt sich unter Umständen der Plasmadurchbruch erleichtern.
  • Das erzeugte Plasma führt zur Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen, insbesondere aufgrund von Rekombinationsprozessen des Plasmas. Unter anderem erfolgt eine Abstrahlung im Infrarot-Bereich.
  • Auf diese elektromagnetischen Strahlen kann die Zielerfassungseinrichtung 14 des Flugkörpers 12 reagieren; die Strahlungsemission der Plasmawolke 30 (insbesondere des zusammenbrechenden Plasmas) täuscht der Zielerfassungseinrichtung 14 des Flugkörpers 12 das Vorliegen eines abstrahlenden Gegenstandes vor und der Flugkörper 12 wird durch die Zielerfassungseinrichtung 14 zu der Plasmawolke 30 gelenkt. Es erfolgt also über die durch die Plasmaerzeugungseinrichtung 16 erzeugte Plasmawolke 30 eine Zieltäuschung für den Flugkörper 12.
  • Der Wellenlängenbereich der Lichtpulse, welche durch die Laservorrichtung 18 emittiert werden, kann außerhalb des Wellenlängenbereichs, auf welchen die Zielerfassungseinrichtung 14 des Flugkörpers 12 reagiert, liegen. Beispielsweise werden Laserpulse in einem Wellenlängenbereich um 800 nm abgegeben, das heißt im kurzwelligen Infrarot-Bereich.
  • Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel, welches in Figur 2 gezeigt ist, ist eine Abwehrvorrichtung 32 an einem Flugobjekt wie beispielsweise einem Flugzeug 34 mit Triebwerken 35 montiert. Die Abwehrvorrichtung 32 weist eine Plasmaerzeugungseinrichtung 36 auf, welche grundsätzlich so aufgebaut ist wie anhand des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben. Durch die Plasmaerzeugungseinrichtung 36 lassen sich in einem Abstand zu dem Flugobjekt 34 eine oder mehrere Plasmawolken erzeugen, wobei ein Flugkörper 40 (wie beispielsweise eine Rakete oder intelligente Munition) mit Zielerfassung auf die elektromagnetische Strahlung, welche von der Plasmawolke 38 ausgeht, reagieren können und dadurch von dem Flugobjekt 34 abgelenkt werden können.
  • Zur Herstellung von Lichtpulsen 28 von derart hoher Intensität, dass es in Luft zum Plasmadurchbruch kommt und damit eine Plasmawolke 30 bzw. 38 ausbildbar ist, wobei diese Plasmawolke 28 bzw. 30 in einem Abstand (und insbesondere großen Abstand) zu der Abwehrvorrichtung 10 bzw. 32 stattfindet, kann beispielsweise das Verfahren der Chirped-Pulse-Amplification (CPA) eingesetzt werden. Dieses Verfahren ist beispielsweise in D. Meschede, Optik, Licht und Laser, B.G. Teubner Stuttgart, Leipzig, 1999 im Kapitel 8.5.5 mit Zitatangabe beschrieben.
  • Ein Oszillator 42 gibt einen kurzen Puls 44 ab. Durch einen Strecker 45 der Pulsformungseinrichtung 22 wird dieser kurze Puls zeitlich gestreckt, um die Spitzenleistung zu erniedrigen (Puls 46). Durch einen Verstärker 48 wird der gestreckte Puls 46 verstärkt. Der resultierende Puls 50 ist im Vergleich zu dem Puls 44 lang.
  • Die Streckung wird dann durch einen Kompressor 52 rückgängig gemacht, und zwar derart, dass der entstehende Lichtpuls 28 mit hoher Intensität (die in der Größenordnung von 1013W/cm2 liegen kann) außerhalb der Plasmaerzeugungseinrichtung 16 bereitgestellt wird. Durch den Kompressor 52 wird die ursprüngliche Form des kurzen Pulses 44 wieder hergestellt.
  • In Zusammenwirkung mit der nicht-linearen Propagation in Luft lässt sich durch einen Phasenabgleich in der Laservorrichtung 18 in einer mindestens näherungsweise definiert eingestellten Entfernung von der Laservorrichtung 18 eine Selbstfokussierung bewirken.
  • Der Strecker 45 kann beispielsweise über ein optisches Gitter realisiert werden. Ebenfalls lässt sich der Kompressor 52 über ein optisches Gitter realisieren. Durch ein optisches Gitter lassen sich rote und blaue Anteile eines einlaufenden Pulses 44 bzw. 50 in unterschiedliche Richtungen beugen.
  • Beispielsweise ist der Kompressor 52 so ausgebildet, dass über die optischen Gitter ein solcher Phasenabgleich erfolgt, dass die Selbstfokussierung, welche zum Plasmadurchbruch in Luft führt, an einem definierten Ort beabstandet zu der Laservorrichtung 18 entsteht.
  • Erfindungsgemäß wird eine Laservorrichtung 18 mit einem Subpikosekunden-Laser dazu verwendet, Flugkörper 12 bzw. 40 mit opto-elektronischer Zielerfassung zu täuschen, indem in Luft ein Plasma erzeugt wird, welches mit der Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Rekombinationsstrahlung, begleitet ist.
  • Die erfindungsgemäße Abwehrvorrichtung lässt sich stationär oder mobil einsetzen. Über sie lässt sich in einem definierten Raumbereich Plasma erzeugen. Dadurch lässt sich ein definierter Raumbereich auch schützen. Insbesondere wird der Raumbereich, in dem das Plasma erzeugt wird, in einer genügend großer Entfernung von einem zu schützenden Bereich gewählt.
  • Durch die Abwehrvorrichtung 10 lässt sich beispielsweise ein Bereich um einen Flughafen schützen.

Claims (24)

  1. Abwehrvorrichtung gegen Flugkörper (12; 40) mit auf elektromagnetische Strahlung, insbesondere Infrarot-Strahlung, reagierender Zielerfassung (14), umfassend eine Plasmaerzeugungseinrichtung (16), welche eine Laservorrichtung (18) aufweist, wobei mittels der Laservorrichtung (18) in Luft in einem Abstand zu der Plasmaerzeugungseinrichtung (16) eine oder mehrere Plasmawolken erzeugbar sind.
  2. Abwehrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Plasmaerzeugungseinrichtung (16) in Luft in einem Abstand zu der Plasmaerzeugungseinrichtung (16) ein Plasmadurchbruch erzeugbar ist.
  3. Abwehrvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Laservorrichtung (18) Lichtpulse emittierbar sind.
  4. Abwehrvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die mindestens eine Laservorrichtung (18) Lichtpulse im Subpikosekunden-Bereich emittierbar sind.
  5. Abwehrvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Selbstfokussierung der Laseremission in der Atmosphäre erfolgt.
  6. Abwehrvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung (18) nach dem Verfahren der Chirped-Pulse-Amplification betrieben ist.
  7. Abwehrvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenlängenbereich der von der Laservorrichtung (18) emittierten elektromagnetischen Strahlung unterschiedlich zu dem Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung ist, auf den die Zielerfassung (14) reagiert.
  8. Abwehrvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenlängenbereich der von der Laservorrichtung (18) emittierten elektromagnetischen Strahlung bei größeren Wellenlängen liegt als der Wellenlängenbereich, auf den die Zielerfassung (14) reagiert.
  9. Abwehrvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Lichtpulse in einem Repetitionsmodus emittierbar sind.
  10. Abwehrvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ort der Plasmaerzeugung mindestens näherungsweise einstellbar ist.
  11. Abwehrvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine stationäre Positionierung.
  12. Abwehrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine mobile Positionierung.
  13. Abwehrvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Positionierung am Boden.
  14. Abwehrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Positionierung an einem Flugobjekt (34).
  15. Verfahren zur Abwehr gegen Flugkörper, welche eine auf elektromagnetische Strahlung, insbesondere Infrarot-Strahlung, reagierende Zielerfassung aufweisen, bei dem mittels einer Laservorrichtung (18) eine oder mehrere Plasmawolken in Luft erzeugt werden, wobei die Plasmawolke oder Plasmawolken beabstandet zu der Laservorrichtung (18) erzeugt werden.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass beabstandet zu der Laservorrichtung (18) ein Plasmadurchbruch in Luft bewirkt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaerzeugung in einem Abstand von mindestens 50 m zu der Laservorrichtung (18) erfolgt.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmawolke oder Plasmawolken entfernt von einem zu schützenden Bereich erzeugt werden.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Laservorrichtung (18) Subpikosekunden-Lichtpulse emittiert werden, die zur Plasmabildung in der Atmosphäre führen.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmawolke oder Plasmawolken in einem Bereich gebildet werden, in dem eine Selbstfokussierung der Lichtpulse stattfindet.
  21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein solcher Phasenabgleich an der Laservorrichtung durchgeführt wird, dass in einem vorgegebenen Abstandsbereich zu der Laservorrichtung ein Plasmadurchbruch in Luft stattfindet.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung gemäß dem Verfahren der Chirped-Pulse-Amplification betrieben wird.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass Mehrfach-Lichtpulse emittiert werden.
  24. Verwendung einer Laservorrichtung mit einem Subpikosekundenpuls-Laser zur Plasmaerzeugung in Luft zur Abwehr gegen Flugkörper mit auf elektromagnetische Strahlung reagierender Zielerfassung.
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