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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Suchkopf, insbesondere einen Infrarotsuchkopf zum Erfassen eines Luftziels, sowie ein Verfahren zum Erkennen eines Luftziels.
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Im militärischen Bereich werden zur Bekämpfung von Luftzielen, wie beispielsweise Strahlflugzeugen, Hubschraubern und Transportmaschinen, Flugkörper wie Luft-Luft- und Boden-Luft-Lenkflugkörper eingesetzt, welche die vom Triebwerk des Luftziels ausgehende Infrarotstrahlung, vornehmlich im Bereich zwischen 0,8 und 5 μm, mit Hilfe eines auf Infrarotstrahlung empfindlichen Suchkopfes (nachfolgend kurz als „Infrarotsuchkopf” bezeichnet) anpeilen und verfolgen. Zur Abwehr dieser Flugkörper werden daher Täuschkörper (auch Flares genannt) eingesetzt, welche die IR-Signatur des Luftziels imitieren, um anfliegende Flugkörper abzulenken.
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Derartige Täuschkörper emittieren je nach Zusammensetzung der Wirkmasse entweder eine temperaturabhängige Schwarzkörperstrahlung oder ein durch selektive Emitter bestimmtes Spektrum. insbesondere die Abwehr moderner Flugkörper mit so genannten Zweifarbensuchköpfen, die einfallende Infrarotstrahlung bei zwei Frequenzen auswerten, erfordert den Einsatz spektral angepasster IR-Täuschkörper mit einem geeigneten Strahlstärkeverhältnis im mittleren Infrarotbereich. Spektral angepasste IR-Täuschkörper können Zweifarbensuchköpfe überwinden, da sie die korrekten Bandenverhältnisse eines realen Luftziels liefern.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Suchkopf, insbesondere einen Infrarotsuchkopf sowie ein Verfahren zum Erkennen eines Luftziels zu schaffen, welcher/welches solche spektral angepassten IR-Täuschkörper diskriminieren kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen Suchkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Erkennen eines Luftziels mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
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Der Suchkopf der Erfindung umfasst einen Detektor, welcher geeignet ist, Infrarotstrahlung des Luftziels zu erfassen. Insbesondere kann es sich dabei um einen Infrarotdetektor handeln. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der erstgenannte Detektor zusätzlich geeignet, Strahlung im Wellenlängenbereich von 450 bis 600 nm und/oder bei 760 nm zu erfassen. Der Suchkopf kann aber auch einen weiteren Detektor umfassen, welcher geeignet ist, Strahlung im Wellenlängenbereich von 450 bis 600 nm und/oder bei 760 nm zu erfassen.
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Somit kann der erfindungsgemäße Suchkopf durch die zusätzliche Erfassungsmöglichkeit von Strahlung im oben genannten Wellenlängenbereich ein echtes Luftziel, welches keine oder nur wenig Strahlung in diesem Wellenlängenbereich aussendet, von einem Täuschkörper unterscheiden, der relativ viel Strahlung in diesem Wellenlängenbereich aussendet. Liegt beispielsweise die Intensität der detektierten Strahlung in beiden Bereichen oder auch nur in einem der beiden Bereiche über einem vorher bestimmten Schwellwert, kann der Suchkopf die Entscheidung treffen, dass es sich bei dem erfassten Flugobjekt um einen Täuschkörper handelt. Liegt dagegen die detektierte Strahlung in besagten Bereichen unter dem Schwellwert, so kann mit hoher Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, dass es sich um ein echtes Luftziel handelt.
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Für die oben genannten Wellenlängenbereiche können auch mehrere Schwellwerte bestimmt werden, z. B. ein Schwellwert für die Bandenstrahlung bei 760 nm und ein oder mehrere weitere Schwellwert(e) für die Bandenstrahlung im Bereich von 450 bis 600 nm. Dabei können differenziert für die zu erwartenden, meist unterschiedlichen Intensitäten der einzelnen Abbrand- und Zündstoffe von Täuschkörpern unterschiedliche Schwellwerte vorbestimmt werden. Dadurch kann die Sensibilität des Suchkopfs für Täuschkörper gesteigert werden, ohne dass die Fehler 1. Art (Suchkopf erkennt einen Täuschkörper, obwohl es sich in Wirklichkeit um ein echtes Luftziel handelt) und 2. Art (Suchkopf erkennt ein echtes Luftziel, obwohl es sich in Wirklichkeit um einen Täuschkörper handelt) größer werden.
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Erfindungsgemäß ist der weitere Detektor, bzw. im Fall der anderen Ausführungsform der Infrarotdetektor selbst, zum Erfassen von Bandenstrahlung im Wellenlängenbereich zwischen 450 und 600 nm und/oder bei 760 nm ausgebildet. Das bedeutet u. a., dass der Detektor (bzw. die mit ihm verbundene Auswerteelektronik) in der Lage ist, innerhalb oben genannter Wellenlängenfenster Intensitätsmaxima festzustellen (wie sie z. B. gut in den 2 und 3 zu erkennen sind). Diese Intensitätsmaxima können dann den Banden, also den für bestimmte Stoffe charakteristischen Strahlungsbestandteilen, einzelner Bestandteile des Strahlung abgebenden Flugobjekts zugeordnet werden.
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Durch Festlegen der Wellenlängenfenster kann der Fokus auf die interessierenden Strahlungsbestandteile gerichtet werden. Außerdem können die Detektionsparameter des mit dem Wellenlängenfenster versehenen Detektors auf den damit festgelegten Strahlungsbereich optimiert werden. Dies ist umso besser möglich, je kleiner das jeweilige Fenster ist. Dies impliziert die Verwendung mehrerer Detektoren innerhalb des Suchkopfs, von denen jeder auf die Erfassung einer bestimmten Strahlungsart oder eines bestimmten Wellenlängenbereichs spezialisiert ist. Wenn also ein Detektor im Sinne der vorliegenden Erfindung geeignet ist, eine bestimmte Strahlungsart und/oder einen bestimmten Wellenlängenbereich zu erfassen, dann bedeutet dies vorzugsweise, dass er in diesem Bereich optimal arbeitet. Das kann bedeuten, dass er in diesem Bereich besser funktioniert als in anderen Bereichen.
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Generell ist aber – im Sinne der vorliegenden Erfindung – die Eignung eines Detektors, eine bestimmte Strahlungsart und/oder einen bestimmten Wellenlängenbereich zu erfassen, nicht dahingehend einschränkend auszulegen, dass der betreffende Detektor überhaupt nicht in der Lage ist, auch außerhalb dieser spezifischen Bereiche liegende Strahlung zu erfassen. Vielmehr sind für die Erfindung auch Detektoren verwendbar, die ein sehr breites Spektrum detektieren können (sog. Breitband-Detektoren), insbesondere auch Detektoren, welche Strahlung erfassen können im Wellenlängenbereich von 450 bis 800 nm, oder im Wellenlängenbereich von 450 bis 800 nm und darüber, oder im Wellenlängenbereich von 450 bis 800 nm und darunter, oder im Wellenlängenbereich von 450 bis 800 nm und darunter und darüber. Der Vorteil in der Verwendung solcher Breitband-Detektoren liegt darin, dass sie in der Regel günstiger sind als auf enge Spektrumsbereiche spezialisierte Detektoren.
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Das optimale Funktionieren des Infrarotdetektors, der gleichzeitig geeignet ist, Strahlung im Wellenlängenbereich von 450 bis 600 nm und/oder bei 760 nm zu erfassen (also außerhalb des IR-Bereichs, im sichtbaren Spektrum), gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung, kann dadurch erreicht werden, dass der IR-Detektor mit zusätzlichen Detektorelementen versehen ist, die für die oben genannten, sichtbaren Bereiche optimiert sind. Diese zusätzlichen Detektorelemente können kleinflächig sein und in beliebiger Anordnung relativ zu den Detektorelementen angeordnet sein, die für das Erfassen von Infrarotstrahlung spezialisiert sind. Vorstellbar ist z. B. eine schachbrettmusterartige Anordnung der einzelnen Detektorelemente der beiden Gruppen. So kann ein kompakter Detektor erreicht werden, der sowohl zur Erfassung von Infrarotstrahlung als auch zur Erfassung von Strahlung im Wellenlängenbereich von 450 bis 600 nm und/oder bei 760 nm geeignet ist.
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Vorzugsweise weist der Infrarotsuchkopf der Erfindung einen Infrarotdetektor, eine Optik zum Abbilden der Strahlung eines Luftziels auf den Infrarotdetektor und ferner einen oder mehrere Detektoren zum Erfassen von Bandenstrahlung im Wellenlängenbereich von 450 bis 600 nm und/oder bei 760 nm auf. Zum Erkennen eines Luftziels wird die Strahlung eines Luftziels im Infrarotbereich und zusätzlich im 450 bis 600 nm-Bereich und/oder bei 760 nm erfasst und ausgewertet. Ein IR-Täuschkörper wird erkannt, falls das Messsignal im 450 bis 600 nm-Bereich und/oder im Bereich um 760 nm einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Detektor, bzw. sind die Detektoren zum Erfassen der 450 bis 600 nm-Banden sowie 760 nm-Banden ein IR-transparentes Detektorelement, das im Strahlengang des Infrarotdetektors angeordnet ist.
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In einer alternativen Ausführungsform ist der Detektor, bzw. sind die Detektoren zum Erfassen der 450 bis 600 nm-Banden sowie 760 nm-Banden (ein) außerhalb des Strahlengangs des Infrarotdetektors angeordnete(s), IR-undurchlässige(s) Detektorelement(e), und im Strahlengang des Infrarotdetektors ist ein Strahlteiler angeordnet, der einen Teil der Strahlung des Luftziels auf das/die Detektorelement(e) richtet.
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In einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Detektor, bzw. sind die Detektoren zum Erfassen der 450 bis 600 nm-Banden sowie 760 nm-Banden (ein) außerhalb des Strahlengangs des Infrarotdetektors angeordnete(s) Detektorarray(s), dem/denen ein Streuelement (z. B. Gitter oder Prisma) vorgeschaltet ist, und im Strahlengang des Infrarotdetektors ist ein Strahlteiler angeordnet, der einen Teil der Strahlung des Luftziels auf das/die Detektorarray(s) richtet.
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Die vorstehend beschriebene Erfindung geht von den folgenden Überlegungen aus.
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Typische spektral angepasste Wirkmassen von IR-Täuschkörpern zur Erzeugung von CO
2 enthalten Kaliumperchlorat bzw. Kaliumnitrat als bevorzugtes Oxidationsmittel und einen organischen Brennstoff aus der Gruppe der aromatischen Carbonsäuresalze wie beispielsweise Kaliumbenzoat, siehe z. B. J. Callaway, T. D. Sutlief, Infrared Emitting Decoy Flare,
US Patent Application 2004/0011235 A1 , 2004, GB., bzw. Carbonsäureanhydride wie beispielsweise Benzoltetracarbonsäuredianhydrid. Ebenso sind energiereiche Stoffe wie zum Beispiel Kaliumacetylendicarbonat vorgeschlagen worden. Andere Wirkmassen, z. B. auf der Basis von rotem Phosphor oder auf der Basis dreibasiger Pulver, wie diese in der H. Bannasch, M. Wegscheider, M. Fegg, H. Büsel, Spektrale Scheinzielanpassung und dazu verwendbare Flarewirkmasse,
WO 95/05572 , 1995, und in der R. Gaisbauer, V. Kadavanich, M. Fegg, C. Wagner, H. Bannasch, Explosive Body,
WO 2006/034746 , 2006, DE bezeichnet werden, enthalten stets Kaliumverbindungen, welche der Regulierung des Abbrands dienen.
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Da herkömmliche IR-Täuschkörper also stets Kaliumsalze enthalten, wird beim Abbrand der Täuschkörper immer eine sehr starke Emission der Kaliumlinie bei 760 nm beobachtet. 2 zeigt das visuelle Spektrum einer kaliumhaltigen Täuschkörperzusammensetzung.
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Da Kalium andererseits in herkömmlichen Treibstoffen nicht in nennenswerten Mengen enthalten ist, kann die 760 nm-Spektrallinie von Kalium als eindeutiges Charakteristikum von Täuschkörpern herangezogen werden. Die Erfindung schlägt daher vor, die Diskriminierung von IR-Täuschkörpern mit Hilfe der Kaliumlinie im visuellen Spektralbereich durchzuführen.
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Die Anzündung von Täuschkörperwirkmassen erfolgt oftmals über Mischungen, die Bor und sauerstoffabgebende Oxidationsmittel enthalten, z. B. B/KNO3 oder B/KClO4 zusammen mit organischen Bindemitteln wie z. B. Nitrocellulose oder Viton®. Bei der Verbrennung dieser Mischungen entstehen große Mengen flüchtiger Borverbindungen, die sehr intensive Banden im Bereich zwischen 450 und 600 nm liefern. 3 zeigt das Emissionsspektrum einer Anzündmischung auf Basis von Bor/Kaliumnitrat. Da Bor andererseits in herkömmlichen Treibstoffen nicht in nennenswerten Mengen enthalten ist, können die 450 bis 600 nm-Banden als eindeutiges Charakteristikum von Täuschkörpern herangezogen werden. Die Erfindung schlägt daher vor, die Diskriminierung von IR-Täuschkörpern auch mit Hilfe der BO2-Banden im visuellen Spektralbereich durchzuführen.
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Dabei kann die Diskriminierung von echten Luftzielen und IR-Täuschkörpern entweder allein auf Grundlage der 760 nm-Spektrallinie von Kalium oder allein auf Grundlage der BO2-Banden erfolgen. Es ist aber auch möglich, diese Diskriminierung auf Grundlage beider Spektralbereiche vorzunehmen. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil dadurch eine gesteigerte Wahrscheinlichkeit zur Erkennung eines Täuschkörpers erreicht wird. Der Täuschkörper kann dann nämlich sowohl an seiner Abbrandmasse als auch an seiner Anzündmasse erkannt werden. Außerdem werden darüber hinaus auch Täuschkörper erkannt, die zwar eine kaliumsalzfreie Abbrandmasse umfassen, aber eine Bormischung in der Anzündung verwenden, und auch Täuschkörper, die zwar eine borfreie Anzündung aufweisen, aber in der Abbrandmasse Kaliumsalze beinhalten.
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Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigt die 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus und der Funktionsweise eines Infrarotsuchkopfes der vorliegenden Erfindung mit verschiedenen Varianten des zusätzlichen Detektors.
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Bei dem erfindungsgemäßen Infrarotsuchkopf wird die einfallende Strahlung 10 eines Flugobjekts (Luftziel oder Täuschkörper) über eine Optik 12 auf einen Infrarotdetektor 14 abgebildet. Der verwendete Infrarotdetektor 14 kann dabei vorzugsweise auch unterschiedliche Wellenlängen im Infrarotbereich erfassen und unterscheiden, um einen Zweifarbensuchkopf zu bilden.
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Zusätzlich zu dem Infrarotdetektor 14 ist der Infrarotsuchkopf auch mit einem/mehreren Detektoren 16, 20, 24 zum Erfassen der Banden bei 450 bis 600 nm und/oder bei 760 nm ausgestattet. Für diese/n Detektor/en 16, 20, 24 sind verschiedene Varianten denkbar, die in der 1 gemeinsam dargestellt sind, obwohl in der Praxis in der Regel jeweils nur ein solcher Detektor 16, 20, 24 vorhanden ist.
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In der ersten Variante ist ein im 700 bis 800 nm-Bereich und 450 bis 600 nm-Bereich selektiv empfindliches Detektorelement 16, das für Infrarotstrahlung opak bzw. undurchlässig ist, außerhalb des Strahlengangs des Infrarotdetektors 14 angeordnet. Im Strahlengang des Infrarotdetektors 14 ist deshalb ein Strahlteiler 18 vorgesehen, um einen Teil der einfallenden Strahlung 10 auf dieses Detektorelement 16 zu richten.
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In einer zweiten Ausführungsform ist der Detektor zum Erfassen der 760 nm-Banden und/oder der 450 bis 600 nm-Banden aus einem Detektorarray 20 gebildet, das ebenfalls außerhalb des Strahlengangs des Infrarotdetektors 14 angeordnet ist. Dem Detektorarray 20 vorgeschaltet ist zur Dispersion der Strahlung ein Streuelement 22, wie beispielsweise ein Gitter, ein Prisma und dergleichen. Im Strahlengang des Infrarotdetektors 14 ist analog zur ersten Variante ein Strahlteiler 18 vorgesehen.
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In einer noch weiteren Ausführungsform ist ein im 700 bis 800 nm-Bereich und 450 bis 600 nm-Bereich selektiv empfindliches Detektorelement 24 als Detektor zum Erfassen der einfallenden Strahlung 10 vorgesehen, das IR-transparent ausgebildet ist und daher bevorzugt im Strahlengang des Infrarotdetektors 14 angeordnet ist.
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Mit Hilfe des Infrarotdetektors 14 kann der Infrarotsuchkopf grundsätzlich ein Wärmestrahlung abstrahlendes Luftziel erkennen. Im Fall von spektral angepassten, modernen IR-Täuschkörpern bestünde aber dennoch die Möglichkeit, dass die Strahlung eines solchen IR-Täschkörpers durch den Infrarotsuchkopf fälschlicherweise als ein Luftziel interpretiert wird. Deshalb wird erfindungsgemäß neben der Strahlung im Infrarotbereich mit Hilfe des Detektors 16, 20 bzw. 24 zusätzlich die Intensität der im Bereich zwischen 450 und 600 nm und/oder bei 760 nm emittierten Strahlung ausgewertet. Falls das Messsignal der Banden bei 760 nm und/oder bei 450 bis 600 nm einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, kann unabhängig vom Infrarot-Messsignal, welches in der Regel ja immer vom Infrarotdetektor 14 detektiert wird, ein IR-Täuschkörper als solcher erkannt werden.
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Selbstverständlich sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch andere Arten und Anordnungen des Detektors zum Erfassen der 760 nm-Banden und 450 bis 600 nm-Banden der einfallenden Strahlung möglich. So sind z. B. auch Kombinationen von Detektoren innerhalb und außerhalb des Strahlengangs des Infrarotdetektors denkbar, insbesondere vor dem Hintergrund von Gesichtspunkten wie Redundanz und Diversität.
