-
- Erfindungsbeschreibung -
-
"Integrierter Infrarot-Flächenstrahler mit thermisch stabilem IR-Bild
Die Erfindung bezieht sich auf einen Infrarot-Strahl er, der als Strahlungsquelle
ein stabiles Infrarot-Bild liefert und bei der Simulation von im IR-Bereich strahlenden
Zielen vor Hintergründen, die selbst im infraroten Spektralbereich strahlen, Verwendung
findet.
-
Die Simulation von Zielen und Hintergründen mit Infrarot-Strahlern
ist erforderlich, wenn die Verwendbarkeit von Infrarot-Zielsuchkbpfen getestet werden
soll. Dabei muß angestrebt werden, dasjenige Strahlungsszenarium im Simulator so
naturgetreu wie möglich nachzubilden, in welchem der Zielsuchkopf beim praktischen
Einsatz operiert. Infrarot-Flächenstrahler haben die Aufgabe, dieses Infrarot-Szenarium
im Simulator zu erzeugen. Im Detail sollen sie die IR-Strahlung simulieren, die
von Landfahrzeugen unterschiedlicher Typen im Gelände emittiert wird, die von Schiffen
bei verschiedenen meteorologischen Bedingungen abgestrahlt wird und die von Luftfahrzeugen
bei variablen Hintergrundbedingungen ausgeht.
-
Bei den üblichen Verfahren, mit denen man Infrarot-Ziele simuliert,
werden die Konturen der Ziele mit schwarzen Strahlern nachgebildet. Dabei kommt
es besonders darauf an, sowohl die Intensität als auch die spektrale Verteilung
des Strahlungsszenariums so mit Schwarzkörperstrahlern nachzuahmen, daß in der Eingangsoptik
des Zielsuchkopfes kaum ein Unterschied zwischen simulierter und realer Ziel- und
Hintergrundstrahlung auftritt.
-
Es ist eine thermische übungs-Zielanordnung, DE OS 3006 462, vorneschlagen,
von der Infrarotstrahlung zur Darstellung eines bestimmten, sict nicht bewegenden
Zieles ausgesandt wird. Solche'Anordnungen sind jedoch meist nicht für Untersuchungen
über das Flugverhalten des Suchkopfes geeignet. Sollen im Simulator auch die Suchkopfsignale
erzeugt werden, die zur Lenkung des Flugkörpers benötigt werden, d.h. will man auch
die Funktionsweise zes Suchkopfes während der Flugphase teste, so muß man die mit
den Bewegungsabläufen verbundenen Anderungen des Zielszenariums bei dessen Darstellung
mit bericksichtigen. Dies erfordert einen dynamischen Simulationsablauf.
-
Eine Möglichkeit der dynamischen Zielrepräsentation bietet eine geheizte
Platte vor der bewegliche Blenden angebracht sind. Mit letzteren werden die Ziele
und die zeitliche Anderung ihrer Konturen beim simulierten Zielanflug eines IR-Suchkopfes
nachgebildet. Der wesentliche Nachteil besteht darin, daß mit dieser Anordnung immer
nur Ziele eines Temperaturwertes zur gleichen Zeit simuliert werden können. Damit
ist mit einer solchen Strahlungsquelle die zum Testen von IR-Zielsuchköpfen gewünschte
Simulationsdynamik nicht zu erreichen.
-
Eine andere Anordnung zur dynamischen Darstellung des IR-Ziel- und
Hintergrundszenariums in Größe, Struktur und Ausdehnung benutzt als Strahlungsquelle
eine Metallfolie. Auf dieser werden die Wärmebilder der darzustellenden Objekte
von einem Laserstrahl erzeugt. Dieser wird so über die Rückseite der Metallfolie
geführt, daß auf deren Vorderseite sich das gewünschte Wärmebild aufbaut. Durch
eine entsprechende Optik werden die von dem Wärmebild ausgehenden IR-Strahlen aufgeweitet
und in die Referenzebene des Simulators projiziert. Die Intensität des Laserstrahlers,
der mit der erforderlichen Periodizität über die Rückseite der Metallfolie geleitet
wird, muß so geregelt werden, daß das IR-Bild auf der Folienvorderseite so viel
Strahlung emittiert, daß auch noch nach der Aufweitung des IR-Bildes durch die Optik
ausreichend Strahlungsleistung in der Referenzebene vorhanden ist.
-
Das geschilderte Metallfolienkonzept kann mit der nötigen Geschwindigkeit
Bildänderungen liefern und außerdem die Zielmannigfaltigkeit erzeugen, ist dafür
aber mit einer Reihe von technologischen Schwierigkeiten behaftet. Das Emissionsvermögen
von Metallen ist im infraroten Spektralbereich meist sehr gering.
-
Zur Erzeugung der notwendigen Strahlungsintensitäten muß daher die
Oberfläche der Metallfolie eine vergleichsweise höhere Temperatur als ein echter
Schwarzkörperstrahler annehmen. Da aber das thermische Auflösungsvermögen von Infrarot-Halbleiterdetektoren
von der Temperatur der Ziele abhängt, bedeuten höherc Temperaturen für das Simulieren
von Zielobjekten, die in ihrer realen Umgebung selbst niedrigere Temperaturen haben,
das Einbringen von systematischen Fehlern in die Testanlage.
-
Die Energieversorgung der Metallfolie stellt ein weiteres technologisches
Problem dar. Beim übergang der Strahlungsleistung vom Laser auf die Metalloberfläche
wird abhängig vom Absorptionsvermögen des Metalls nur ein Teil der ankommenden Leistung
absorbiert. Dabei muß die Metalloberfläche pro Zeiteinheit
etwa
das Doppelte an Energie von dem, was das Wärmebild der Folienvorderseite zur Emission
benötigt, vom Laser übernehmen, denn Ausstrahlung findet in gleicher gleise auf
der Vorder- wie auf der Rückseite der Folie statt. Die Leistung, die von der Rückseite
emittiert wird, geht jedoch dem Gesamtsystem verloren.
-
Das Verfahren der Energieübertragung vom Laserstrahl auf die Metallfolie
wird dadurch komplizierter, daß das Absorptionsvermögen außer von der Oberflächenbeschaffenheit
auch noch von der Temperatur abhängt. An der Auftreffstelle des Laserstrahl es steigt
die Temperatur schnell an und damit wächst auch das Absorpti onsvermögen der U»tallfolie.
-
Den größten Nachteil des Metallfolienkonzeptes stellt jedoch die Instabilität
des Wärmebildes dar. Der Energietransport zwischen Absorptions- und Emissionsfläche
- also zwischen Rückseite und Vorderseite der Folie - erfolgt durch Wärmeleitung.
Diese aber verläuft nicht nur senkrecht zwischen den beiden Flächen, sondern nimmt
ihren Ursprung beim Auftreffpunkt des Lasers und setzt sich radial in die Folie
fort. Dies führt dazu, daß das Wärmebild zeitlich instabil wird und seine Konturen
verschmiert werden. Bei zu langem Abstand zwischen zwei Laserpulsen kann sogar vollständiger
thermischer Ausgleich innerhalb und auf den Oberflächen der Folie erfolgen. Diese
Ausgleichszeit hängt von der Wärmeleitfähigkeit des Metalls und von der Dicke der
Folie ab. Ist der Ausgleich erfolgt, hat man eine Folie mit erhöhter Temperatur,
aber ohne thermisches Bild. Zur Erhaltung des Wärmebildes ist es daher notwendig,
die Folienrückseite immer wieder mit dem Laserstrahl abzutasten, so daß das Wärmebild
ständig neu entsteht. Eine Kontrolle der Abstrahlintensität muß dabei die Abtastfrequenz
und die Laserleistung bestimmen. Dennoch kann sowohl ein Auseinanderlaufen des Wärmebildes
als auch eine kontinuierliche Temperaturerhöhung der Folie nicht vollständig verhindert
werden. Beide Fakten stellen eine zeitliche Begrenzung für den jeweiligen Simulationslauf
dar.
-
Soll der Metallfolienstrahler nicht im Vakuum, sondern in Luft aufgebaut
und betrieben werden, so wird das Wärmebild auf der Folie noch durch Konvektion
beeinflußt. Dieser Effekt kann jedoch reduziert werden, wenn man die Metallfolie
waagerecht installiert.
-
Zum Aufbau des Infrarotbildes auf der Folienvorderseite muß die Wärme
die Foliendicke durchlaufen. Dies bedeutet eine Verzögerung im Bi.'aufbau zwischen
Abstrahl- und Absorptionsfläche. Die Zeitdauer, mit der das Bild verzögert auf beiden
Flächen erscheint, setzt eine Grenze für die Geschwindigkeit, mit der ein Simulationstest
durchgeführt werden kann.
-
Um die Verzögerungszeit klein zu halten, sollte die Metallfolie möglichst
dünn sein. Das aber beeinflußt die Frequenz, mit der der Laserstrahl die Folie überstreicht.
Bei gleicher Temperatur und gleichen Abstrahlflächen ist die in einer dünnen Folie
speicherbare Laserenergie geringer als in einer vergleichsweise dickeren, so daß
bei einer dünnen Folie öfter Energie nachgeliefert werden muß.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aufgezeigten Schwierigkeiten
und Nachteile - insbesondere thermische Instabilität, geringe räumliche und zeitliche
Dynamik, mangelnde Temperaturtreue - bei der Erzeugung von Infrarotbildern für Simulationszwecke
zu überwinden.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die im IR-Bereich
strahlenden Objekte und der ebenfalls im IR-Bereich strahlende Hintergrund gleichzeitig
thermisch stabil auf einer Fläche dargestellt werden, die aus thermisch gegeneinander
isolierten Strahlungselementen besteht, denen die Energie durch Strahlung zugeführt
wird.
-
Ähnlich wie der Aufbau eines Bildes im sichtbaren Spektralbereich
beim Bildrasterverfahren durch Grauabstufungen geschieht, wird erfindungsgemäß das
Infrarotbild aus kleinen isothermen Strahlern zusammengesetzt. Diese kleinen Flächenstrahler
dürfen untereinander nicht in thermischem Kontakt stehen, damit sie sich nicht aufgrund
ihrer verschiedenen Temperaturen gegenseitig beeinflussen. Um eine schnelle Anderung
des mit diesen isothermen Flächenstrahlern zusammengesetzten Infrarotbildes zu ermöglichen,
sollte deren thermische Zeitkonstante möglichst klein sein.
-
Die gegeneinander isolierten Strahlungselemente werden zweckmäßig
von einer nach rückwärts offenen Wabenstruktur aus wärmeisolierendem Kunststoff
getragen.
-
Die Innenflächen der Waben sind hochglanzverspiegelt.
-
Es ist vorteilhaft, die Strahlungselemente in die vorderseitigen Wabenöffnungen
einzupassen. Die Wabenwände dienen dabei gleichzeitig als Träger und dünne isolierende
Distanzhalter. Die Vorderseiten der Elemente strahlen als schwarze bzw.
-
graue Körper. Die Rückseite, d.h. die dem Wabeninnern zugekehrte Fläche
der Strahlungselemente ist geschwärzt, so daß diese wie ein schwarzer Körper die
auf sie auftreffende Strahlung absorbiert. Gleichzeitig aber bewirkt die schw(rze
Oberfläche maximales Emissionsvermögen, wenn ein schnelles Abkühlen des isc:-thermen
Flachenstrahlers erforderlich ist.
-
Sollte es aus konstruktiven Gründen nicht möglich sein, die kleinen
sechseckigen Strahlungselemente einzeln auf die Wabenöffnungen aufzusetzen, so kann
die Wabenstruktur auch mit einer durchgehenden, auf der Innenseite geschwärzten,
dünnen Schicht aus eindimensionalem Leitermaterial abgeschlossen werden.
-
Die bemerkenswerte Eigenschaft dieser Materialien ist ihre Anisotropie
bezüglich ihrer elektrischen und damit auch thermischen Leitfähigkeit. Aufgrund
der molekularen Struktur dieser Stoffe aus parallelenMolekülketten wird eine Vorzugsrichtung
definiert, in der die elektrische Leitfähigkeit fast die der Metalle erreicht. Senkrecht
zu dieser Richtung kann die Leitfähigkeit um Zehnerpotenzen geringer sein.
-
Stoffe, die augenblicklich zu den eindimensionalen Leitern zählen,
sind z.B.
-
Polyschwefelnitrit und Polyaetylen. Polyschwefelnitrit mit Brom versetzt
ist z.Zt. das eindimensionale Leitermaterial mit der höchsten Leitfähigkeit.
-
In der dünnen Abdeckfolie aus eindimensionalem Leitermaterial erfolgt
die Wärmeleitung bevorzugt in Richtung der Foliendicke. Die Textur eines auf der
Rückseite entstandenen Wärmebildes wird durch Leitung auf die Folienvorderseite
und von da auf die Abstrahlflächen der gegenseitig thermisch isolierten Strahlungselemente
gebracht. Allerdings ist damit auch eine Zeitdifferenz zwischen dem Entstehen des
Wärmebildes auf der Folienrückseite und seiner Abstrahlung von der Emissionsfläche
verbunden.
-
Die zur Erzeugung des Infrarotbildes erforderliche Energie wird von
einem Laser geliefert, dessen Strahl über die offene Rückseite der Wabenstruktur
wandert.
-
Die Intensität dieses Strahles ist dem gewünschten Infrarotbild entsprechend
moduliert. Um die dabei einem Abstrahlelement der Vorderseite zukommende Temperatur
zu erzeugen, muß der Laserstrahl durch die Wabenöffnung dirses Elementes einfallen.
Er trifft dabei entweder gleich auf die geschwärzte Rückseite dieses sechseckigen
Elementes oder auf die verspiegelten Innenseiten der Wabe, von wo er weiter in Richtung
Wabeninnenraum reflektiert wird. Er gelangt auch so auf jeden Fall auf die schwarze
Rückseite des Strahlungselementes, wo seine Energie absorbiert wird. Da die Wabenöffnungen
auf der Rückseite relativ groß sind, stellt das Treffen der richtigen Wabe mit dem
Laserstrahl kein Problem dar.
-
Die nach auRen gerichtete Oberflache der Strahlungselemente ka.,n
als "Doppelflächenspiegel" (Second Surface Mirror) ausgebildet werden. Dazu wird
die polierte Metalloberfläche zusätzlich mit einem Material bedampft, dessen Emissionsvermögen
im
Infrarotbereich hoch ist, das aber für Strahlung kürzerer Wellenlänge durchlässig
ist. Diese kurzwelligere Strahlung dringt fast ungeschwächt durch die aufgedampfte
Schicht des Doppelflächenspiegels durch, gelangt auf die spiegelnde Metalloberfläche
und wird von dieser reflektiert, d.h. für diese Strahlung findet an der Metalloberfläche
spiegelnde Reflexion statt.
-
Die auf das Metall aufgedampfte zusätzliche Schicht (meist Metalloxid)
ist in gutem thermischem Kontakt mit der Spiegeloberfläche. Tritt Energie in Form
von Wärme vom Metall in die aufgedampfte Schicht über, so erfolgt dies durch Wärmeleitung.
Die niedrigere Emissionskoeffizient der Metalloberfläche für IR-Strahlung ist dabei
ohne Bedeutung. IR-Strahlung wird erst von der Oberfläche der aufgedampften Schicht
emittiert, deren Emissionskoeffizient für diese groß sein muß. Dabei darf angenommen
werden, daß die Emission wie bei einem Lambert-Strahler und nach den Gesetzen der
Schwarzkörperstrahlung erfolgt, d.h. daß die Intensität und deren Verteilung über
die Wellenlängen der Temperatur der abstrahlenden Fläche entspricht.
-
Gemäß diesen Eigenschaften der Doppelflächenspiegelelemente fällt
ihnen eine doppelte Aufgabe zu. Sie sind mit ihren spiegelnden Oberflächen so in
die Wabenstruktur eingepaßt, daß sie in ihrer Gesamtheit für kurzwellige Strahlung
den Spiegel selbst darstellen. Andererseits sind sie Abstrahler des IR-Bildes.
-
Man kann bei einer Simulationsanlage für Infrarotstrahlung davon ausgehen,
daß sie reflektierende optische Elemente enthält. Dies kann ausgenutzt werden, um
den IR-Flächenziel- und Hintergrundstrahler als solchen in einen Spiegel - vorzugsweise
den Primärspiegel - des optischen Systems zu integrieren. Die auf den Spiegel auffallende
kurzwelligere Strahlung wird dem Strahlengang des optischen Gesamtsystems entsprechend
reflektiert.
-
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß mit dem integrierten Infrarot-Flächenstrahler sowohl Temperaturtreue zum zu
simulierenden Objekt als auch Konstanz des Infrarotbildes erreicht werden kann.
-
Dies wird durch die thermische Isolation der einzelnen als Doppelflächenspiegel
ausgeführten Abstrahlelemente bewirkt, die als Abschlußstücke in die Waben eingesetzt
werden. Das Wabenmaterial unterbindet weitgehend jegliche Wärmeleitung zwischen
den Einzelspiegeln. Ist eine eindimensionale Leiterfolie zwischen den Waben und
den Spiegeln angebracht, so sorgen minimale Spalte zwischen den Abstrahlelementen
für gegenseitige Isolation. Die thermische
Isolation zwischen den
einzelnen Elementen ermöglicht eine hohe räumliche und zeitliche Dynamik des Infrarotbildes.
-
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Energieversorgung mit dem
Laserstrahl durch die Wabenstruktur. Die relativ großen Eingangsöffnungen der Waben
und die innen verspiegelten Wabenflächen bewirken, daß alle Laserenergie, die unter
den verschiedensten Einfallswinkeln zur Wabenöffnung gelangt, fast vollständig die
Absorptionsfläche erreicht. Damit ist die Energieversorgung der Abstrahlelemente
unproblematlsch.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und Einzelheiten sind in den
Zeichnungen dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt Fig. 1 den
schematisierten Ausschnitt aus einem Konkavspiegel (1), dessen Oberfläche aus Doppelflächenspiegeln
(2), die in die Waben (3) eingesetzt sind, besteht. Die Rückseiten der Doppelflächenspiegel
sind als schwarze Absorberflächen (4) ausgebildet. Die Innenseiten (5) der Waben
sind verspiegelt. Ein Laserstrahl (6) fällt über einen Drehspiegel (7) auf die Innenspiegel
der Waben, wird dort reflektiert und schließlich von der schwarzen Rückseite des
Doppelflächenspiegels absorbiert. Die so aufgenommene Energie wird durch Wärmeleitung
zur Emissionsfläche transportiert und dort als IR-Strahlung (8) ausgestrahlt.
-
Fig. 2 zeigt den Aufbau eines Konkavspiegels (1), wenn zwischen den
Doppelflächenspiegeln (2) und der Wabenstruktur (3) eine eindimensional leitende
Folie (9) eingesetzt ist. Die Rückseite (10) dieser Folie ist schwarz, damit sie
die von den verspiegelten Innenflächen (5) der Waben reflektierte Laserstrahlung
absorbieren kann. Die auf der Folienvorderseite aufgesetzten Doppelflächenspiegel
sind durch einen Luftspalt (11) thermisch voneinander isoliert.
-
Ein Lichtstrahl (12), der auf einen Doppelflächenspiegel auftrifft,
wird von diesem spiegelnd relfektiert.
-
Fig. 3 zeigt den schematischen Aufbau eines sechseckigen Doppelflächenspiegels.
-
Auf eine Metallunterlage (13) ist eine Metalloxidschicht (14) aufgebracht.
-
Diese ist für die auftretende kuzrwellige Strahlung (12! durchlässig,
so daß diese auf die verspiegelte Metalloberfläche (15) fällt und von dieser spiegelnd
reflektiert wird. Von ruckwärts aufgebrachte Energie in Form von Wärme fließt durch
Leitung vom Metall durch die Oxidschicht und wird an detin Oberfläche (16) als Infrarotstrahlung
(8) emittiert.
-
Leerseite