DE19546873C1 - Determining distance of object flying through atmosphere and radiating energy - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen der Entfernung eines durch die Atmosphäre fliegenden Objektes und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method to determine the distance one by the Atmosphere of flying object and on a device for Execution of the procedure.
Insbesondere ist die Erfindung von Bedeutung, wenn ein Flugzeug von einem selbstgetriebenen Flugkörper bedroht wird. Die meisten Flugkörper kurzer und mittlerer Reichweite haben in der Regel einen Infrarot-Suchkopf, der auf vom Flugzeug abgegebene Strahlung, hauptsächlich Strahlung von den Triebwerken empfindlich ist und nach einem zielsuchenden Lenkverfahren arbeitet. Derartige Lenkflugkörper sind relativ einfach herzustellen und können auch aus schultergetragenen Waffen, sogenannten Fliegerfäusten abgeschossen werden.In particular, the invention is important when a Airplane threatened by a self-propelled missile becomes. Most short and medium missiles Usually have an infrared seeker that has range radiation from aircraft, mainly Radiation from the engines is sensitive and after a goal-seeking steering process works. Such Guided missiles are relatively easy to manufacture and can also from shoulder-carried weapons, so-called Pilot fists are shot down.
Da solche Flugkörper - im Gegensatz zu radargelenkten - passiv ihr Ziel ansteuern, sind Warnsensoren von wachsender Bedeutung, um rechtzeitig und auch zum richtigen Zeitpunkt Gegenmaßnahmen gegen derartige anfliegende Flugkörper auslösen zu können.Since such missiles - in contrast to radar-guided - Passively heading for their destination, warning sensors are growing Importance to be on time and also at the right time Countermeasures against such flying missiles to be able to trigger.
Prinzipiell sind zwei Arten von Warnsensoren möglich, nämlich aktive und passive Warnsensoren. Aktive Warnsensoren arbeiten herkömmlicherweise nach dem Doppler- Radarprinzip, womit im Rahmen der Auflösung sofort Daten über Entfernung und/oder Geschwindigkeit des anfliegenden Flugkörper erhalten werden. Die bedrohenden Flugkörper, insbesondere kleine Boden-Luft-Flugkörper kürzerer Reichweite, haben jedoch in der Regel einen nur sehr geringen Radarquerschnitt, so daß die Reichweite solcher aktiver Warnsensoren beschränkt ist. Nachteilig ist auch, daß aktive Warnsensoren durch ihre Abstrahlung verräterisch sind.In principle, two types of warning sensors are possible, namely active and passive warning sensors. Active Warning sensors traditionally work according to the Doppler Radar principle, with which data immediately within the scope of the resolution about distance and / or speed of the approaching Missiles can be obtained. The threatening missiles, especially small surface-to-air missiles are shorter Range, but usually have only a very small radar cross-section, so that the range of such active warning sensors is limited. Another disadvantage is that active warning sensors are treacherous due to their radiation are.
Bevorzugt werden deshalb in Zukunft passiv arbeitende Warnsensoren verwendet, da mit diesen Sensoren Flugkörper mit kleinem Radarquerschnitt auch bei größeren Entfernungen detektiert werden können; zudem haben sie das Potential einer besseren Winkelauflösung. Nachteilig im Vergleich zu einem aktiven Warnsensor ist, daß ein passiver Warnsensor keine direkte Bestimmung der Entfernung und/oder der Relativgeschwindigkeit des anfliegenden Flugkörpers erlaubt.Passive workers will therefore be preferred in the future Warning sensors are used as missiles with these sensors with a small radar cross-section, even at longer distances can be detected; they also have the potential a better angular resolution. A disadvantage compared to An active warning sensor is a passive warning sensor no direct determination of the distance and / or the Relative speed of the approaching missile allowed.
Es bestünde nun die Möglichkeit, zwei passive Warnsensoren an den Enden einer Basis anzuordnen und zu kombinieren, wodurch dann die Entfernung eines Objektes durch Triangulation wenigstens grob abgeschätzt werden könnte. Hierzu sind aber Sensoren mit einer sehr guten Winkelauflösung notwendig. Abbildende elektro-optische Sensoren, die in den hier interessierenden Spektralbereichen des Ultraviolett oder des mittleren Infrarot arbeiten und heute in der Entwicklung sind, werden eine Winkelauflösung von etwa 1° erreichen. Es kann dann abgeschätzt werden, daß diese Winkelauflösung bei der Installation auf Flugzeugen - wegen der kurzen Basislänge - gerade ausreicht, um die Entfernung des anfliegenden Flugkörpers bis etwa 600 Meter einigermaßen quantitativ anzugeben. Es ist aber gerade der Bereich größerer Entfernungen von mehr als 1500 Metern, in dem eine Kenntnis der Entfernung und/oder der Geschwindigkeit des sich nähernden Flugkörpers wichtig ist, um Gegenmaßnahmen zur Abwehr rechtzeitig und damit effektiv durchführen zu können.There would now be the possibility of two passive warning sensors to arrange and combine at the ends of a base, then through the removal of an object Triangulation could at least be roughly estimated. For this purpose, however, there are sensors with a very good one Angular resolution necessary. Imaging electro-optical Sensors that are of interest here Spectral ranges of the ultraviolet or the middle Work infrared and are in development today achieve an angular resolution of approximately 1 °. Then it can can be estimated that this angular resolution at Installation on aircraft - because of the short base length - just enough to distance the approaching Missile up to about 600 meters somewhat quantitative specify. But it is precisely the area that is larger Distances of more than 1500 meters in which a knowledge the distance and / or the speed of the Approaching missile is important to countermeasures Defense in a timely and effective manner can.
Gegenmaßnahmen sind z. B. die Ablenkung des Flugkörpers durch Aussetzen von strahlenden Scheinzielen, wie Infrarot- Tauschkörpern etc., oder letztendlich die Störung bzw. Zerstörung des anfliegenden Flugkörpers bzw. dessen Suchkopfes mit Hilfe von gerichteten Gegenmaßnahmen.Countermeasures are e.g. B. the deflection of the missile by exposing shining targets, such as infrared Exchange bodies etc., or ultimately the fault or Destruction of the approaching missile or its Seeker head with the help of directed countermeasures.
Wenn man die Reaktions- und Verzögerungszeiten bei der Abwehr des anfliegenden Flugkörpers mit ausgesetzten Scheinzielen in Betracht zieht, so zeigt sich, daß insbesondere bei Großflugzeugen nur dann gute Ergebnisse erzielt werden können, wenn der anfliegende Flugkörper bereits in einer Entfernung von mehr als 2,5 km erfaßt wird.If you look at the response and delay times at the Defense of the approaching missile with exposed Considering pseudo targets, it turns out that Good results, especially with large aircraft can be achieved when the approaching missile already detected at a distance of more than 2.5 km becomes.
Ebenso muß eine Zerstörung des Suchkopfes des anfliegenden Flugkörpers, z. B. mit Hilfe von Laserstrahlung, in einer solchen Entfernung erfolgen, daß der anfliegende Flugkörper nach der Zerstörung des Suchkopfes auch tatsächlich das Flugzeug verfehlt. Die Minimalentfernung, in der der Flugkörper erfaßt werden muß, um einen Abwehrerfolg zu haben, hängt von verschiedenen Parametern ab, so z. B. auch vom relativen Winkel zwischen Flugkörper und Flugzeug, der Winkeländerung und von der relativen Geschwindigkeit zwischen Flugzeug und Flugkörper. Es zeigt sich, daß diese Minimalentfernung bei einer Sensor(zer)störung sogar noch größer als im Fall des Aussetzens von Scheinzielen gewählt werden muß.Likewise, the seeker's head must be destroyed Missile, e.g. B. with the help of laser radiation, in one such a distance that the approaching missile after the search head was destroyed, it actually did Airplane missed. The minimum distance at which the Missile must be detected in order to be a defense have depends on various parameters, such. Belly the relative angle between the missile and the aircraft, the Angle change and relative speed between aircraft and missile. It turns out that this Minimum distance for a sensor (destruction) even more chosen larger than in the case of the suspension of false targets must become.
In der DE 37 38 222 C1 wird ein Verfahren beschrieben, um Flugkörper störsicher auch gegenüber einem Hintergrund bzw. ausgesetzten Scheinzielen orten zu können. Dies wird dadurch erreicht, daß auf dem zu ortenden Flugkörper ein modulierbarer Referenzstrahler angebracht wird und daß andererseits der Detektor nur Signale mit vorbestimmten Modulationsfrequenzen weiterverwertet. Zur Bestimmung der räumlichen Winkellage wird ein Detektor-Array verwendet, wodurch es möglich ist, ein Scheinziel von dem zu ortenden Flugkörper räumlich zu trennen. Dieses erlaubt zwar eine Auflösung des Raumwinkels des zu ortenden Flugkörpers, aber nicht die Bestimmung seiner Entfernung. Weiter sei noch angemerkt, daß die meisten anfliegenden Flugkörper keinen modulierten Referenzstrahler besitzen, so daß dieses Verfahren für den hier relevanten Fall praktisch nicht anwendbar ist.DE 37 38 222 C1 describes a method for Missile interference-free even against a background or to be able to locate exposed false targets. this will thereby achieved that on the missile to be located modulatable reference radiator is attached and that on the other hand, the detector only signals with predetermined Modulation frequencies reused. To determine the spatial angular position, a detector array is used, whereby it is possible to make an apparent target of the one to be located Separate missiles spatially. This allows one Resolution of the solid angle of the missile to be located, however not determining its distance. Be further noted that most of the missiles approaching none have modulated reference emitters, so that this Procedures for the relevant case practically not is applicable.
Eine weitere prinzipielle Möglichkeit, mit einem passiven Sensor die Entfernung eines Objektes grob zu bestimmen, ist in der US 3 103 586 für einen Wärmestrahlung angebenden Körper beschrieben. Der Patentschrift liegt die Idee zugrunde, die Entfernung nicht aktiv - wie beim Radar - sondern passiv zu bestimmen, indem die von einem Körper ausgehende Wärmestrahlung in zwei spektralen Banden gemessen wird, wobei eine der Meßbanden in einer Absorptionsbande des atmosphärischen CO₂ oder des Wasserdampfs, die andere Bande in einem benachbarten Spektralbereich liegt, dessen atmosphärische Transmission nicht durch diese Absorptionsbande beeinträchtigt wird. Durch Messung der in den beiden Banden detektierten Strahlungsleistungen mit einem IR-empfindlichen Detektor kann - bei bekannter Konzentration des absorbierenden Gases und bekannter Temperatur des strahlenden Körpers - die Entfernung aus dem Verhältnis der detektierten Strahlungsleistungen bestimmt werden.Another principal option with a passive Sensor to roughly determine the distance of an object in US 3 103 586 indicating heat radiation Body described. The patent specification is the idea based, the distance is not active - as with radar - but to be determined passively by that of a body outgoing heat radiation in two spectral bands is measured, with one of the measuring bands in a Absorption band of atmospheric CO₂ or Water vapor, the other gang in a neighboring one Spectral range lies, its atmospheric transmission is not affected by this absorption band. By measuring those detected in the two bands Radiation power with an IR sensitive detector can - with known concentration of the absorbing gas and known temperature of the radiating body - the Distance from the ratio of the detected Radiation powers are determined.
Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß bei der Detektion kleiner Objekte mit wachsender Entfernung mehr und mehr Hintergrundstrahlung mit auf den Detektor fällt, so daß das Signal-Rausch-Verhältnis mit wachsender Entfernung immer schlechter wird, wodurch dann die Entfernung nicht mehr bestimmt werden kann. Zwar ist es prinzipiell möglich, unter Zuhilfenahme einer Vergrößerungsoptik das Signal- Rausch-Verhältnis zu verbessern, jedoch wird diese Verbesserung mit einer Verkleinerung des Gesichtsfeldes erkauft, so daß die eigentliche Aufgabenstellung eines Warnsensors - d. h. die Warnung über ein größeres Gesichtsfeld - verfehlt wird.The disadvantage of this method is that the detection small objects with increasing distance more and more Background radiation falls on the detector, so that Signal-to-noise ratio with increasing distance always gets worse, making the distance no longer can be determined. In principle, it is possible with the help of magnifying optics the signal To improve noise ratio, however, this will Improvement with a reduction in the visual field bought, so that the actual task of a Warning sensor - d. H. the warning about a bigger one Field of vision - is missed.
Somit kann mit der in obiger Patentschrift beschriebenen Vorrichtung die Entfernung bei kleineren Objekten, wie anfliegenden Flugkörpern, nur im Nahbereich bestimmt werden, und hier sind ähnliche Entfernungsbeschränkungen wie die Triangulationsmethode mit mehreren auf dem Flugzeug installierten Sensorköpfen gegeben.Thus, with that described in the above patent Device the distance for smaller objects, such as approaching missiles, determined only in the close range and here are similar distance restrictions like the triangulation method with several on the plane installed sensor heads.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen Daten eines anfliegenden Objektes schneller und genauer als bisher bereits aus größeren Entfernungen zur Verfügung gestellt werden können, um effektiv Gegenmaßnahmen gegen das anfliegende Objekt ergreifen zu können. The invention has for its object a method and to provide a device with which data a approaching object faster and more accurately than before already made available from larger distances to be able to effectively take countermeasures against that to be able to grasp the flying object.
Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens mit dem Gegenstand des Patentanspruches 1, bezüglich der Vorrichtung mit dem Gegenstand des Patentanspruches 8 gelöst.This task is related to the procedure with the subject of claim 1, with respect to Device with the subject of Claim 8 solved.
Demgemäß werden ein Verfahren und eine Vorrichtung mit einem abbildenden passiven Sensor vorgeschlagen, der in mindestens zwei Wellenlängenbereichen, in denen die atmosphärischen Dämpfungskoeffizienten unterschiedlich sind, das sich nähernde Objekt detektiert.Accordingly, a method and an apparatus with a imaging passive sensor proposed in at least two wavelength ranges in which the atmospheric damping coefficients differ are, the approaching object is detected.
Durch Verwendung eines abbildenden Sensors, insbesondere mit einer größeren Zahl von Detektorelementen, wird im Vergleich zur US 3 103 586 erreicht, daß auch in größerer Entfernung das Signal-Rausch-Verhältnis noch akzeptabel ist und somit eine Entfernungsbestimmung ermöglicht wird.By using an imaging sensor, in particular with a larger number of detector elements, is in Comparison to US 3 103 586 achieved that also in the signal-to-noise ratio even further away is acceptable and therefore a distance determination is made possible.
Die Erfassung des Objektes in mehreren Wellenlängenbereichen kann z. B. dadurch erfolgen, daß vor das optische System des passiven Warnsensors ein rotierender Filter vorgeschaltet wird, der aus mehreren Sektoren besteht, deren Transmissionsbereiche entsprechend den gewählten Wellenlängenbereichen unterschiedlich sind. Die Sensorsignale entsprechend der von dem Sensor detektierten Strahlungsleistung des anfliegenden Objektes bei den unterschiedlichen Wellenlängen können nun herangezogen werden, um unter Berücksichtigung der Differenz der atmosphärischen Dämpfungskoeffizienten die Entfernung und/oder Geschwindigkeit des Objektes, z. B. eines ein Flugzeug anfliegenden Flugkörpers, zu ermitteln. Im Prinzip ist für diese Bestimmung eine räumliche Auflösung des Objektes mit einem abbildenden Sensor nicht notwendig, sofern nur von einem Detektorelement das gesamte Objekt, bzw. zumindest dessen die Strahlungsleistung abgebenden Teile - ohne störende Hintergrundstrahlung - erfaßt werden. Bei großen Entfernungen des Objektes kann das Signal eines Einzeldetektors, d. h. ein Pixel ausreichen, während bei kleinen Entfernungen das Objekt auf mehreren Detektorelementen abgebildet wird und somit mehrere Pixel im Sinne einer räumlichen Auflösung des Objektes ausgewertet werden müssen.The detection of the object in several Wavelength ranges can e.g. B. done in that before the optical system of the passive warning sensor rotating filter, which consists of several Sectors exist, whose transmission ranges accordingly the selected wavelength ranges are different. The sensor signals corresponding to that from the sensor detected radiation power of the approaching object at the different wavelengths can now can be used to take into account the Difference in the atmospheric damping coefficient Distance and / or speed of the object, e.g. B. of a missile approaching an aircraft. In principle there is a spatial one for this determination No resolution of the object with an imaging sensor necessary if only the entire of one detector element Object, or at least its radiant power emitting parts - without disturbing background radiation - be recorded. With large distances of the object can the signal from a single detector, d. H. a pixel suffice while at short distances the object is on several detector elements is mapped and thus several pixels in the sense of a spatial resolution of the Object must be evaluated.
Das Verfahren und die Vorrichtung sind nicht nur für das Erkennen von bedrohenden Flugkörpern von einem bedrohten Flugzeug aus, sondern ganz allgemein zum Erkennen von fliegenden Objekten von einem bewegten oder stationären Beobachtungsort, z. B. am Boden, verwendbar, sofern diese Objekte bei ihrem Flug Strahlung, insbesondere Wärme und/oder UV-Strahlung abgeben. Die zu erkennenden Flugkörper müssen somit nicht ständig oder zumindest kurzfristig durch Triebwerke angetriebene Flugkörper sein. Es kann auch Strahlung detektiert werden, die durch die Reibung des Flugkörpers bei dessen Flug durch die Atmosphäre erzeugt wird. Aktive Sensoren sind bei dem beschriebenen Verfahren nicht notwendig.The method and the device are not only for that Detect threatening missiles from a threatened one Plane, but more generally for recognizing flying objects from a moving or stationary Observation site, e.g. B. on the ground, if applicable Objects in flight radiation, especially heat and / or emit UV radiation. The ones to be recognized Missiles therefore do not have to constantly or at least be missiles powered by engines for a short time. Radiation can also be detected by the Friction of the missile during its flight through the Atmosphere is created. Active sensors are with the described procedure is not necessary.
Für die folgende Betrachtung wird angenommen, daß der Warnsensor einen passiven abbildenden Sensor aufweist, der bei zwei Wellenlängen λ₁ und λ₂ arbeitet, und daß es sich bei dem Objekt um einen angetriebenen Flugkörper mit einem oder mehreren Triebwerken handelt. Das detektierte Sensor- oder Bildsignal P₁ bzw. P₂ bei den beiden Wellenlängen hängt von den atmosphärischen Dämpfungskoeffizienten A₁ bzw. A₂ und der vom Flugkörperabgasstrahl emittierten Strahlungsleistung PFK1 bzw. PFK2 und der Entfernung R zwischen Flugkörper und Sensor wie folgt ab:For the following consideration, it is assumed that the warning sensor has a passive imaging sensor that works at two wavelengths λ₁ and λ₂, and that the object is a powered missile with one or more engines. The detected sensor or image signal P₁ or P₂ at the two wavelengths depends on the atmospheric damping coefficients A₁ or A₂ and the radiation power P FK1 or P FK2 emitted by the missile exhaust gas jet and the distance R between the missile and the sensor as follows:
Hierbei ist i = 1 oder 2, Fi die durch das Filter mitbestimmte effektive Detektorfläche bei der Wellenlänge λi, Δλi die effektive spektrale Breite des Filters und ηs ein von der Wellenlänge abhängiger Effizienzfaktor. Das Verhältnis der Bildsignale bei den beiden Wellenlängen ist dann:Here i = 1 or 2, Fi is the effective detector area at the wavelength λ i , which is also determined by the filter, Δλ i is the effective spectral width of the filter and η s is an efficiency factor dependent on the wavelength. The ratio of the image signals at the two wavelengths is then:
Vor der Installation des Warnsensors am Beobachtungsort, z. B. im Flugzeug, werden in Eichmessungen die charakteristischen Filterdaten, d. h. die effektive spektrale Breite Δλi und die durch das Filter mitbestimmte effektive Detektorfläche Fi ermittelt. Somit verbleiben als vorläufig noch unbekannte Größen neben der Relativentfernung Flugkörper/Flugzeug die vom Abgasstrahl des Flugkörpers emittierten Intensitäten PFK1 und PFK2 sowie die Differenz der atmosphärischen Dämpfungskoeffizienten A₁ und A₂ bei den jeweiligen Wellenlängen λ₁ bzw. λ₂. Die Differenz der atmosphärischen Dämpfungskoeffizienten kann für die meisten Fälle als bekannt vorausgesetzt werden, indem sie entweder vorhandenen Tabellenwerken entnommen oder vom Flugzeug aus gemessen wird. In vielen Fällen kann auch das Verhältnis der vom Abgasstrahl eines anfliegenden Flugkörpers abgestrahlten Strahlungsleistungen PFK1/PFK2 bei den unterschiedlichen Wellenlängen als bekannt vorausgesetzt werden, z. B. wenn die Wellenlängen dicht beieinander liegen und zum anderen, wenn nur eine geringe Anzahl von typverschiedenen Flugkörpern zum Einsatz kommt, deren charakteristische Daten in der Regel auch dem Gegner bekannt sind.Before installing the warning sensor at the observation site, e.g. B. in an airplane, the characteristic filter data, ie the effective spectral width Δλ i and the effective detector area F i determined by the filter, are determined in calibration measurements. Thus, as a provisionally still unknown variables, in addition to the relative missile / aircraft distance , the intensities P FK1 and P FK2 emitted by the exhaust jet of the missile and the difference in the atmospheric damping coefficients A₁ and A₂ at the respective wavelengths λ₁ and λ₂ remain. The difference in atmospheric damping coefficients can be assumed to be known in most cases either by taking them from existing tables or by measuring them from the aircraft. In many cases, the ratio of the radiation powers P FK1 / P FK2 emitted by the exhaust jet of an approaching missile can also be assumed to be known at the different wavelengths, e.g. B. if the wavelengths are close to each other and on the other hand if only a small number of missiles of different types are used, the characteristic data of which are usually known to the enemy.
Falls dieses nicht der Fall sein sollte, so kann eine weiter unten angegebene Verfahrensvariante angewendet werden.If this is not the case, one can Process variant specified below applied will.
Setzt man somit voraus, daß die Differenz der Dämpfungskoeffizienten Ai und das Verhältnis der abgestrahlten Intensitäten PFK1 bekannt sind, dann hängt das Verhältnis der detektierten Leistungen entsprechend der obigen Gleichung (2) nur noch exponentiell von der Entfernung R zwischen Flugkörper und Flugzeug ab, wobei die Änderung dieses Verhältnisses mit der Entfernung R entscheidend vom Unterschied der atmosphärischen Dämpfungskoeffizienten A₁ und A₂ bestimmt ist.Assuming that the difference between the damping coefficients A i and the ratio of the radiated intensities P FK1 are known, the ratio of the detected powers according to equation (2) above depends only exponentially on the distance R between the missile and the aircraft, the change in this ratio with the distance R is decisively determined by the difference in the atmospheric damping coefficients A₁ and A₂.
Zur Erzielung einer ausreichenden Genauigkeit ist erforderlich, bei solchen Wellenlängen zu arbeiten, die eine Differenz der atmosphärischen Dämpfungskoeffizienten (A₁ - A₂) < 1/Rmin ergeben, wobei Rmin die Entfernung ist, bei der ein anfliegender Flugkörper in jedem Falle detektiert sein sollte. Wenn Rmin als 2,5 km vorgegeben wird, dann sollte die Differenz (A₁ - A₂) mindestens 0,4 km-1 betragen. Es bietet sich nun an, bei Wellenlängen in der spektralen Nähe von atmosphärischen Absorptionslinien zu arbeiten, und zwar vorzugsweise von Absorptionslinien, die durch Gase bedingt sind, deren Konzentration nur wenig mit den klimatischen Bedingungen schwankt. Demgemäß sollten Absorptionslinien vermieden werden, die etwa durch Wasserdampf bedingt sind.To achieve sufficient accuracy, it is necessary to work at such wavelengths that give a difference in the atmospheric damping coefficients (A₁ - A₂) <1 / R min , where R min is the distance at which an approaching missile should be detected in any case . If R min is given as 2.5 km, then the difference (A₁ - A₂) should be at least 0.4 km -1 . It is now advisable to work at wavelengths in the spectral vicinity of atmospheric absorption lines, preferably absorption lines which are caused by gases, the concentration of which fluctuates only slightly with the climatic conditions. Accordingly, absorption lines that are caused by water vapor, for example, should be avoided.
Im folgenden werden für einen UV-Warnsensor und einen IR- Warnsensor Beispiele zur Entfernungsbestimmung beschrieben.In the following, a UV warning sensor and an IR Warning sensor Examples of distance determination described.
Ein UV-Sensor arbeitet normalerweise im "solarblinden" Bereich des UV-Spektrums mit einer effektiven Arbeitswellenlänge λ₁ < 280 nm. Diese Arbeitswellenlänge liegt schon in der langwelligen Flanke der Ozonabsorptionsbande bei 255 nm. Durch Zusatz eines geeigneten Filters, der die Wahl der zweiten Wellenlänge λ₂ zwischen 300 nm und 320 nm erlaubt, kann die Differenz der atmosphärischen Dämpfungskoeffizienten (A₁ - A₂) groß genug gemacht werden, um ausreichende Genauigkeit bei der Quotientenbestimmung entsprechend der Gleichung (2) zu erzielen. Dieses Verfahren der Entfernungsbestimmung arbeitet besonders gut bei einem Nachteinsatz. Wird der UV- Sensor bei Tage eingesetzt, so kann durch den dann größeren Anteil von UV-Hintergrundlicht ein Mehraufwand in der Bildverarbeitung zur Ermittlung des Bildsignales des Flugkörpers nötig werden.A UV sensor normally works in the "solar blind" Range of the UV spectrum with an effective Working wavelength λ₁ <280 nm. This working wavelength is already in the long-wave flank of the Ozone absorption band at 255 nm. By adding a suitable filter, the choice of the second wavelength λ₂ allowed between 300 nm and 320 nm, the difference of atmospheric damping coefficient (A₁ - A₂) large enough be made to ensure sufficient accuracy in the Quotient determination according to equation (2) achieve. This method of distance determination works particularly well during a night operation. If the UV Sensor used during the day, so the larger one can Share of UV backlight is an additional expense in the Image processing to determine the image signal of the Missile become necessary.
Der Unterschied der atmosphärischen Dämpfungskoeffizienten bei den beiden Wellenlängen hängt bei einem solchen UV- Warnsensor primär von der Ozonkonzentration ab; diese variiert mit dem Ort und mit der Tages- bzw. Jahreszeit. The difference in atmospheric damping coefficients at the two wavelengths depends on such a UV Warning sensor primarily depends on the ozone concentration; this varies with the location and with the time of day or season.
Falls die Ozonkonzentration in dem betreffenden Einsatzgebiets des Flugzeuges nicht bekannt ist, kann sie auch an Bord des Flugzeuges z. B. in Verbindung mit einem Laser-Entfernungsmesser bestimmt werden. Ein solcher Entfernungsmesser arbeitet normalerweise auf der Basis eines gepulsten Nd:YAG-Lasers. Durch Verwendung der höheren Harmonischen, insbesondere der vierfachen Laserfrequenz bei einer Wellenlänge von ca. 265 nm, die in der Nähe des Maximums der Ozon-Absorptionsbande liegt, wird aus der rechnerischen Auswertung des rückgestreuten Lichtes ein Maß für die Ozonkonzentration in der Nähe des Warnsensors bzw. des Flugzeuges ermittelt.If the ozone concentration in the concerned Area of application of the aircraft is not known, it can also on board the aircraft z. B. in connection with a Laser rangefinders can be determined. Such a Range finders usually work on the base of a pulsed Nd: YAG laser. By using the higher Harmonics, especially four times the laser frequency a wavelength of approximately 265 nm, which is close to the Maximum of the ozone absorption band is from the mathematical evaluation of the backscattered light a measure for the ozone concentration near the warning sensor or of the aircraft.
Wenn die emittierten Intensitäten PFK1 bzw. PFK2 des Flugkörpers bei den gewählten Wellenlängen sehr unterschiedlich sind, kann durch eine geeignete Sektorierung des Filters erreicht werden, daß die über die Zeit gemittelten detektierten elektrischen Signale nährungsweise gleich groß sind. Auf diese Weise kann das Signal-Rausch-Verhältnis des Gesamtsignales P₁/P₂ deutlich verbessert werden.If the emitted intensities P FK1 and P FK2 of the missile are very different at the selected wavelengths, it can be achieved by a suitable sectoring of the filter that the detected electrical signals averaged over time are approximately the same size. In this way, the signal-to-noise ratio of the overall signal P₁ / P₂ can be significantly improved.
Sensoren im IR-Bereich arbeiten vorzugsweise im mittleren Infrarot, d. h. im Spektralbereich zwischen etwa 3 µm und 5 µm. In diesem Spektralbereich wird auch Strahlung von dem Abgasstrahl des anfliegenden Flugkörpers emittiert. Hier bietet es sich an, bei zwei Wellenlängen in der Nähe der CO₂-Absorptionsbande, die bei etwa 4,24 µm liegt, zu arbeiten, z. B. mit der Wellenlänge λ₁ auf der kurzwelligen Seite der Absorptionsbande bei etwa 4 µm und mit der Wellenlänge λ₂ auf der langwelligen Seite zwischen 4,4 und 4,7 µm. Da die atmosphärische Dämpfung in dem letztgenannten Spektralbereich mit dem Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre deutlich anwächst und daher auch die Differenz der Dämpfungswerte (A₁ - A₂) entsprechend mit beeinflußt, kann diese Differenz durch Bestimmen des Wasserdampfgehaltes der umgebenden Atmosphäre rechnerisch an den jeweiligen Ortswert angepaßt werden. Zusätzlich könnten auch die Dämpfungskoeffizienten bei den Wellenlängen λ₂ in-situ bestimmt werden, wenn sich an Bord des betreffenden Flugzeuges ein gepulster Laser mit Wellenlängen in dem betreffenden Spektralbereich befindet, so daß aus dem von der Atmosphäre rückgestreuten Lasersignal die Dämpfung ermittelt werden kann.Sensors in the IR range preferably work in the middle Infrared, d. H. in the spectral range between about 3 µm and 5 µm. In this spectral range, radiation from the Exhaust jet of the approaching missile is emitted. Here it makes sense to use two wavelengths near the CO₂ absorption band, which is about 4.24 microns work, e.g. B. with the wavelength λ₁ on the short-wave Side of the absorption band at about 4 µm and with the Wavelength λ₂ on the long-wave side between 4.4 and 4.7 µm. Because the atmospheric damping in the last-mentioned spectral range with the water vapor content in the atmosphere grows significantly and therefore also the Difference of the damping values (A₁ - A₂) accordingly with influenced, this difference can be determined by determining the Computed water vapor content of the surrounding atmosphere be adapted to the respective local value. In addition could also the damping coefficients in the Wavelengths λ₂ can be determined in situ when on board a pulsed laser with the aircraft in question Wavelengths are in the relevant spectral range, so that from the backscattered from the atmosphere Laser signal the damping can be determined.
Ob ein Warnsensor im UV- bzw. IR-Bereich verwendet wird, hängt von mehreren Faktoren ab, u. a. der atmosphärischen Dämpfung, der Sensorempfindlichkeit, der UV- oder IR- Hintergrundstrahlung und der Flugzeugmission. Abbildende IR-Sensoren sind zur Zeit nur als Abtastsensoren mit einer Sensorzeile erhältlich, wohingegen UV-Sensoren mit "starring arrays" erhältlich sind. Mit letzteren Sensoren ist eine schnellere Aufbereitung der Bildsignale möglich, so daß bei gleicher Beobachtungszeit des anfliegenden Flugkörpers mehr bzw. rauschärmere Daten als bei einem Abtastsensor zur Verfügung stehen. Somit kann der nutzbare Entfernungsbereich größer und die zu erwartenden Quote von falschen Alarmen niedriger sein. Ebenso können UV-Sensoren dann von Vorteil sein, wenn der Flugkörper das Flugzeug vom Heck her anfliegt: IR-Sensoren könnten durch die von den Abgasstrahlen der Flugzeugtriebwerke abgegebene IR- Strahlung gestört werden. Allgemein wird ein UV-Sensor vorzuziehen sein, wenn Boden-Luft-Flugkörper mit geringerer Reichweite identifiziert werden sollen; bei größeren Höhen werden IR-Warnsensoren vorgezogen werden, insbesondere wenn Luft-Luft-Flugkörper in größeren Entfernungen detektiert werden sollen. Dies ist insbesondere wichtig für Hochgeschwindigkeits-Flugkörper, die als Luft-Luft-Raketen lediglich ein kurzzeitig brennendes Triebwerk aufweisen und anschließend aerodynamisch gesteuert werden, wobei sie aber infolge der aerodynamischen Aufheizung, insbesondere der Flugkörperspitze, Infrarotstrahlung abgeben können.Whether a warning sensor is used in the UV or IR range depends on several factors, including: a. the atmospheric Damping, sensor sensitivity, UV or IR Background radiation and the aircraft mission. Imaging IR sensors are currently only as scanning sensors with one Sensor line available, whereas UV sensors with "starring arrays" are available. With the latter sensors faster processing of the image signals is possible, so that at the same observation time of the approaching Missile more or less noise data than one Scanning sensor are available. So the usable Distance range larger and the expected rate of false alarms are lower. UV sensors can also be used then be of advantage if the missile takes the aircraft off Approaching aft: IR sensors could be Aircraft engine exhaust jets emitted IR Radiation are disturbed. Generally a UV sensor to be preferable when surface-to-air missiles with lower Range to be identified; at higher altitudes IR warning sensors will be preferred, especially if Air-to-air missiles are detected at greater distances should be. This is particularly important for High-speed missile used as an air-to-air missile have only a briefly burning engine and then be controlled aerodynamically, but they due to the aerodynamic heating, especially the Missile tip, can emit infrared radiation.
Die obige Gleichung (2) kann nicht verwendet werden, wenn der Typ des anfliegenden Flugkörpers nicht bekannt oder nicht feststellbar ist, d. h. wenn keine Daten zum Verhältnis der abgestrahlten Strahlungsleistungen des Flugkörpertriebwerkes bei den einzelnen Wellenlängen vorhanden sind. Dann kann aber durch Vergleich des Signalverhältnisses bei verschiedenen Entfernungen Ri die Änderung der Entfernung R bestimmt werden. Hierzu werden die Quotienten der obigen Bildsignale P₁ und P₂ an zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t1 und t2, d. h. für zwei unterschiedliche Entfernungen R₁ und R₂ als Verhältnis in Beziehung gebracht. Wenn sich nun innerhalb der Meßzeit t = (t2 - t1) zwischen den Entfernungen R₁ und R₂ das Verhältnis der vom Objekt bzw. Flugkörper emittierten Strahlungsleistungen PFK1/PFK2 kaum ändert, was man durch Wahl von dicht benachbarten Wellenlängen deutlich begünstigen kann, so ergibt sich, daß das Verhältnis der Signalquotienten für unterschiedliche Entfernungen nur noch von der Differenz der atmosphärischen Dämpfungskoeffizienten (A₁ - A₂) und von der Entfernungsdifferenz (R₁ - R₂) abhängt:Equation (2) above cannot be used if the type of missile approaching is not known or cannot be determined, ie if there is no data available on the ratio of the radiated power of the missile engine at the individual wavelengths. Then, however, the change in distance R can be determined by comparing the signal ratio at different distances R i . For this purpose, the quotients of the above image signals P₁ and P₂ at two successive times t1 and t2, that is, as a ratio for two different distances R₁ and R₂. If now within the measuring time t = (t2 - t1) between the distances R₁ and R₂ the ratio of the radiation powers P FK1 / P FK2 emitted by the object or missile hardly changes, which can be favored by choosing closely adjacent wavelengths, so it follows that the ratio of the signal quotients for different distances depends only on the difference in the atmospheric damping coefficients (A₁ - A₂) and on the distance difference (R₁ - R₂):
Somit kann aus dem Doppelquotienten nach dieser Gleichung (3) die Entfernungsdifferenz und damit die Relativgeschwindigkeit VR zwischen Flugkörper und Flugzeug durch Signalauswertung bestimmt werden:The distance difference and thus the relative speed V R between the missile and the aircraft can thus be determined from the double quotient according to this equation (3) by signal evaluation:
VR = (R₁ - R₂)/t (4).V R = (R₁ - R₂) / t (4).
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Further refinements of the invention result from the Sub-claims emerge.
Die Erfindung ist in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:The invention is in exemplary embodiments based on the Drawing explained in more detail. In this represent:
Fig. 1 schematisch einen Warnsensor gemäß der Erfindung mit einem einzigen abbildenden passiven Detektor und einem Filter für zwei unterschiedliche Wellenlängen; Figure 1 schematically shows a warning sensor according to the invention with a single imaging passive detector and a filter for two different wavelengths.
Fig. 2 schematisch einen Filter mit zwei Sektoren für die beiden unterschiedlichen Wellenlängen;2 schematically shows a filter having two sectors for the two different wavelengths.
Fig. 3 schematisch einen Filter, dessen Empfindlichkeit für die unterschiedlichen Wellenlängen elektrisch umschaltbar ist; und Fig. 3 shows schematically a filter whose sensitivity is electrically switchable for the different wavelengths; and
Fig. 4 einen Warnsensor gemäß der Erfindung, der mit zwei separaten Detektoren mit zugeordneten Filtern arbeitet. Fig. 4 shows a warning sensor according to the invention, which works with two separate detectors with associated filters.
In Fig. 1 ist von einem Warnsensor 1 eine Optik 2 und ein Sensor 3 dargestellt, der, wie schematisch angegeben, eine Anordnung aus mehreren kleinen Einzeldetektoren ist. Vor der Optik ist eine kreisförmige Filterscheibe 4 angeordnet, die, wie durch den Pfeil angedeutet, um die optische Achse des Warnsensors rotiert. Die Filterscheibe 4 ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Sie hat zwei Sektoren S1 und S2 und ggf. zwei zwischen diesen Sektoren liegende Dunkelsektoren D. Die Sektoren S1 und S2 haben jeweils eine definierte Transmission für eine Wellenlänge λ1, λ2 bzw. einen Wellenlängenbereich Δλ1, Δλ2; die Sektorgröße ist an den jeweiligen Anwendungsfall angepaßt, um, wie oben bei der Entfernungsbestimmung mit Hilfe eines UV-Warnsensors erwähnt, durch diese geeignete Sektorierung zu erreichen, daß die über die Zeit gemittelten detektierten Bildsignale näherungsweise gleich groß sind.In Fig. 1, an optical system 2 and a sensor 3 is of a warning sensor 1 shown, as indicated schematically of an arrangement of a plurality of small individual detectors. A circular filter disk 4 is arranged in front of the optics and, as indicated by the arrow, rotates about the optical axis of the warning sensor. The filter disk 4 is shown schematically in FIG. 2. It has two sectors S1 and S2 and possibly two dark sectors D lying between these sectors. Sectors S1 and S2 each have a defined transmission for a wavelength λ1, λ2 or a wavelength range Δλ1, Δλ2; the sector size is adapted to the respective application in order, as mentioned above for the distance determination with the aid of a UV warning sensor, to achieve by means of this suitable sectoring that the detected image signals averaged over time are approximately the same size.
Die Bildsignale werden einer Auswerteschaltung 5 zugeführt, die eine Auswertung anhand der oben angegebenen Quotientengleichungen vornimmt. Vorab werden in die Auswerteschaltung die sensorcharakteristischen Daten, wie Transmissionsbereich und effektive Detektorfläche, über eine Eingabeeinheit 6 eingegeben. Ferner werden der Auswerteschaltung 5 über eine Eingabeeinheit 7 die gemessenen oder anderweitig vorgegebenen atmosphärischen Dämpfungskoeffizienten Ai und das den Abgasstrahl des anfliegenden Flugkörpers charakterisierende Verhältnis der Strahlungsintensitäten PFK1/PFK2 eingegeben. Die Ergebnisse der Auswerteschaltung 5 werden einem Rechner 8 zugeführt, in dem Gegenmaßnahmen gegen den anfliegenden Flugkörper vorbereitet werden, ferner noch einer Anzeige 9, auf der relevante Ergebnisse dem Bedienungspersonal des angegriffenen Flugzeuges dargestellt werden.The image signals are fed to an evaluation circuit 5 which carries out an evaluation using the quotient equations given above. The sensor-characteristic data, such as transmission range and effective detector area, are entered into the evaluation circuit beforehand via an input unit 6 . Furthermore, the measured or otherwise predetermined atmospheric damping coefficients A i and the ratio of the radiation intensities P FK1 / P FK2 characterizing the exhaust gas jet of the approaching missile are input to the evaluation circuit 5 via an input unit 7 . The results of the evaluation circuit 5 are fed to a computer 8 , in which countermeasures against the approaching missile are prepared, and also a display 9 , on which relevant results are shown to the operating personnel of the attacked aircraft.
Anstelle eines rotierenden Filters kann ein Filter 4a entsprechend Fig. 3 verwendet werden. Bei diesem Filter wird das Transmissionsband mit einem elektrischen Wechselsignal verschoben. Auf diese Weise wird es auch leichter, eine weitgehend spektral homogene Hintergrundstrahlung durch Differenzbildung in ihrer Auswirkung auf das Bildsignal zu reduzieren.Instead of a rotating filter, a filter 4 a according to FIG. 3 can be used. With this filter, the transmission band is shifted with an alternating electrical signal. In this way it is also easier to reduce a largely spectrally homogeneous background radiation by forming differences in their effect on the image signal.
In Fig. 4 ist eine Anordnung mit zwei passiven abbildenden Detektoren 3₁ und 3₂ gezeigt, die wiederum jeweils als Anordnung aus kleinen Einzeldetektoren aufgebaut sind. Die durch die Eingangsoptik 2 fallende Strahlung wird mit einem Strahlteiler 11 auf zwei Wege gelenkt: im ersten Weg ist ein für einen ersten Wellenlängenbereich empfindlicher Filter 4₁ und der erste Sensor 3 gelegen, der das erste Bildsignal P₁ abgibt; im zweiten Weg ist ein für den zweiten Wellenlängenbereich empfindlicher Filter 4₂ und der zweite Sensor 3₂ gelegen, der das zweite Bildsignal P₂ abgibt. Die Bildsignale werden, wie zur Fig. 1 beschrieben, in einer Auswerteschaltung weiterverarbeitet. Diese Ausführungsform erfordert mehr Volumen als diejenige mit nur einem Sensor; außerdem ist eine Harmonisierung der Signale der beiden Einzelsensoren notwendig.In Fig. 4 an arrangement with two passive imaging detectors 3 ₁ and 3₂ is shown, which in turn are each constructed as an arrangement of small individual detectors. The radiation falling through the input optics 2 is directed with a beam splitter 11 in two ways: in the first way, a filter 4 ₁ which is sensitive to a first wavelength range and the first sensor 3 , which emits the first image signal P 1; in the second way there is a filter 4 ₂ and the second sensor 3 ₂ which is sensitive to the second wavelength range and which emits the second image signal P₂. As described for FIG. 1, the image signals are further processed in an evaluation circuit. This embodiment requires more volume than that with only one sensor; it is also necessary to harmonize the signals from the two individual sensors.
Claims (13)
einer Eingangsoptik (2) mit einer Filteranordnung (4, 4a, 4₁, 4₂) für mehrere unterschiedliche Wellenlängenbereiche, bei denen die atmosphärischen Dämpfungskoeffizienten unterschiedlich sind;
einem passiven abbildenden Sensor (3; 3₁, 3₂) zum Erfassen der Strahlung des Objektes bei den unterschiedlichen Wellenlängenbereichen;
einer Auswerteschaltung (5) zum Berechnen des Verhältnisses der Sensorsignale (Pi) bei den zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen und zur Berechnung der Entfernung des Objektes daraus.8. Device for carrying out the method according to one of claims 1 to 7, with:
an input optic ( 2 ) with a filter arrangement ( 4 , 4 a, 4 ₁, 4 ₂) for several different wavelength ranges in which the atmospheric attenuation coefficients are different;
a passive imaging sensor ( 3 ; 3 ₁, 3 ₂) for detecting the radiation of the object at the different wavelength ranges;
an evaluation circuit ( 5 ) for calculating the ratio of the sensor signals (P i ) at the two different wavelength ranges and for calculating the distance of the object therefrom.
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