DE3744511A1

DE3744511A1 - Verfahren zur gesteuerten verteilung im spektralbereich der elektromagnetischen bzw. akustischen energie, die einen beliebig geformten koerper durchstrahlt oder/und von diesem reflektiert wird, um die detektierbarkeit zu erschweren, sowie zur indirekten reduzierung des rueckstrahlquerschnitts

Info

Publication number: DE3744511A1
Application number: DE19873744511
Authority: DE
Inventors: Axel Dr Ing Sedlmeyer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-12-30
Filing date: 1987-12-30
Publication date: 1989-07-20
Also published as: DE3744511C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung der Detektierbarkeit (Ortbarkeit) von Objekten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Detektierbarkeit der von einem Körper rückgestrahlten bzw. abgestrahlten elektromagnetischen bzw. akustischen Energie wird dadurch erschwert, daß der dem Empfänger bekannte Spektralanteil durch Modulation mit anderen Frequenzen reduziert wird. Die neu auftretenden Spektralanteile sind dem Empfänger nicht bekannt und/ oder wechseln zeitlich zu schnell für eine Empfangsmöglichkeit und/oder liegen in Frequenzbereichen, die im Übertragungsmedium zum Empfänger stark gedämpft werden.

Die derzeitigen Lösungen für die Aufgabe, ein angestrahltes bzw. strahlendes Objekt (z. B. Schiff, U-Boot, Flugzeug, Rakete) der Ortung zu entziehen bzw. diese zu erschweren, zielen ebenfalls darauf ab, die reflektierte Energie in Richtung des Ortungsempfängers klein zu halten. Dies wird nur durch

- Formgebung,
- absorbierende Beschichtung und
- Nutzung der Interferenz zwischen einfallender und reflektierter Welle

erreicht.

Die angeführten Lösungen sind mit folgenden schwerwiegenden Nachteilen behaftet:

- entscheidendes Eingreifen in die Konstruktion des zu tarnenden Objekts (z. B. nicht optimale Formgebung in der Aerodynamik),
- Neuentwicklung von Konstruktionswerkstoffen und deren äußerst kostenaufwendige Erprobung der Festigkeitswerte,
- Unbrauchbarkeit für eine Reihe von Anwendungen wegen zu großem Volumen und/oder Gewicht,
- teilweise starke Begrenzung in der Frequenzbandbreite ihrer Wirkung, so daß eine Mehrfachbeschichtung notwendig ist; Erzielung großer Bandbreiten ist nicht möglich (z. B. von 1 GHz bis 90 GHz),
- keine ausreichende Wirkung bei tiefen Frequenzen im elektromagnetischen Bereich (z. B. 12 MHz bis 500 MHz),
- Reflektorantennensysteme bleiben stark reflektierende Teile oder sind bei reflexionsarmer Ausführung in ihrer Antennenfunktion nicht optimal,
- es wird nicht berücksichtigt, daß die Forschung bei künftigen Ortungsmitteln dahingeht, absorbierende Stellen (Löcher) im Hintergrundrauschen zu detektieren. Damit könnte ein gering reflektierendes Objekt wieder geortet werden;
- im akustischen Bereich ist die Reduzierung sowohl der Eigengeräusche vom Objekt als auch dessen Schallreflexion nicht optimal gelöst. Es besteht kein Interesse, nichtlineare Effekte als Lösung in Betracht zu ziehen /5/.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren (Einrichtung) anzugeben, das die angegebenen Nachteile der bisherigen Lösungen, die Detektierbarkeit angestrahlter bzw. strahlender Objekte zu reduzieren, vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß das Objekt mit einer Schicht umgeben wird, in der für die Ausbreitung der elektromagnetischen bzw. akustischen Energie nichtlineare Verhältnisse herrschen. Durch das Einwirken auf diese Schicht von einer oder mehreren Hilfsstrahlungsquellen wird in ihr eine Modulation zwischen den Wellen der Hilfsstrahlungsquellen und den fallenden bzw. durchstrahlenden erzeugt /6/. Dadurch wird die Energie letzterer im Spektralband verteilt und reflektierte Energie im ursprünglichen Spektralbereich reduziert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß:

- die Wirkung der Reduzierung der rückgestrahlten Energie keiner Frequenzeinschränkung unterliegt,
- die Wirkung der Reduzierung der Rückstrahlenergie nicht auf wenige anstrahlende Quellen begrenzt ist,
- durch Flächenmodulatoren bei Nutzung z. B. von Halbleitern (PN-Übergängen), in Folienform oder eingegossen erstellt, die Veränderung der Konstruktion und Form beim Anbringen nicht wesentlich ist,
- Volumen und Gewicht stark reduziert sind im Vergleich zu jetzt eingesetzten Materialien,
- die Möglichkeit besteht, auch bei Antennensystemen nicht gewollte Reflexionen zu reduzieren,
- durch die Hilfsstrahlungsquellen ein Hintergrundrauschen nachgebildet werden kann und die Ortung künftig auch rauscharmer (absorbierender) Objekte vermieden wird,
- damit auch gleichzeitig die Detektierbarkeit aufgrund der Eigenabstrahlung des Objekts reduziert werden kann,
- das Verfahren in Abhängigkeit der Parameter des ortenden Systems arbeiten und so die Reduzierung der Ortbarkeit optimiert werden kann,
- aus taktischen Gründen die Wirkung der Reduzierung der Ortbarkeit einfach und zeitlich schnell ein- und abgeschaltet werden kann,
- gegebenenfalls auch Information über anstrahlende Ortungssysteme mittels codierter Hilfsstrahlungsquellen an ein Empfangssystem, das die Codierung kennt, übermittelt werden kann,
- das Verfahren im akustischen Bereich ebenso anwendbar ist und die Reduzierung der Rück- und Abstrahlung elektromagnetischer und akustischer Energie kombiniert werden kann,
- auch die Rückstrahlung in einem bestimmten Spektralbereich von gasförmigen Objekten (wie Abgasstrahl einer Rakete) reduziert wird; allerdings muß hier der heiße Gasstrahl gleichzeitig als Modulator wirken.

Am folgenden einfachen Beispiel soll die Wirkung des Verfahrens zur Reduzierung der Rückstrahlung gezeigt werden. Gegeben ist ein Reflektor in Form eines metallischen Planspiegels mit den Seitenlängen

h = 1 m,
b = 4 m.

Der Planspiegel wird mit der Frequenz ω und der Wellenlänge λ = 4 cm angestrahlt.

Nach /4/ ist der Rückstrahlquerschnitt σ _max in die günstigste Raumrichtung

Der Planspiegel sei nun überzogen mit einem Flächenmodulator mit statistischer Orientierung der Modulatorelemente als diskrete p/n-Übergänge im Kunststoff.

Es wird angenommen, daß von der ankommenden Leistung P _S = 1 W am Planspiegel 1% als Oberflächenwelle längs der Spiegeloberfläche strömt; damit ist die Leistung, die in den Flächenmodulator dringt:

Die Leistung der Hilfsstrahlungsquelle sei zur guten Dämpfung des Spektralanteils von ω so eingestellt, daß sich eine Amplitudenrelation am Modulatorelement « 1; z. B. a/A = 0,15 ergibt.

A = Spannungsamplitude der Frequenz Ω der Hilfsstrahlungsquelle;
a = Spannungsamplitude der Frequenz ω .

Gemäß Anspruch 4 soll gelten Ω<ω, z. B. 60 GHz.

Es ergibt sich für einen Modulator mit Diodenkennlinie (Knickkennlinie) ein Amplitudenanteil A _ω der ursprünglichen Frequenz l nach der Modulation (mit Reihenentwicklung der Modulationskennlinie) zu:

Bei Einsatz einer Ringmodulatoranordnung ist für A _ω ein noch wesentlich kleinerer Wert zu erwarten. - Das Modulatorelement kann hier als Dipol aufgefaßt werden, dessen Länge l « λ ist; damit wird der Strahlungswiderstand sehr klein. Er ist hier mit 1 Ω angesetzt. Dann ergibt sich folgende Leistung für ω nach der Modulation:

und als Dämpfung α ω erhält man unter Vernachlässigung der Dämpfung durch die Oberflächenwelle:

Diese vereinfachte Rechnung wird in erster Näherung der praktischen Anwendung gerecht. Im allgemeinen ergeben sich theoretisch bei Wellenausbreitung in nichtlinearen Medien komplexe Vorgänge gemäß /6, 7/.

Für das Verhältnis der Radarrückstrahlquerschnitte gilt, wie sich aus /4/ (Gewinn unberücksichtigt) berechnen läßt:

σ _m= fiktiver Radarrückstrahlquerschnitt durch Flächenmodulation.

Man erhält somit:

Literaturstellen

/1/ Antennen und Ausbreitung, bearbeitet von K. Fränz und H. Lassen, 2. Auflage, Springer-Verlag 1956, S. 4-23.
/2/ Planare Strahlungsanordnungen mit magnetostatischer Oberflächenwellenspeisung, von Jürgen Krug, Peter Edenhofer, Mitteilungen aus dem Institut für Hochfrequenztechnik der Ruhr-Universität Bochum, NTG- Fachberichte, Bd. 78, "Antennen '82", S. 52-57.
/3/ Stromverteilung auf planaren Antennen über einer ebenen geschichteten Struktur, von V. Hansen, Mitteilungen aus dem Institut für Hoch- und Höchstfrequenztechnik der Ruhr-Universität Bochum, NTG- Fachberichte, Bd. 78, "Antennen '82", S. 58-61.
/4/ Radarquerschnitt und Rückstrahleigenschaften von Radarreflektoren und Flugzielen, Teil I: NTZ 1964, Heft 4, S. 201-205, Teil II: NTZ 1964, Heft 5 (Polarisationseffekte), S. 245-254.
/5/ Principles of Underwater Sound, 2nd Edition by Robert J. Urick, Copyright 1975 by Mc Graw-Hill, Inc., S. 75-79.
/6/ Wave Propagation in Nonlinear Dispersive Media, Feature Article by Partha P. Banerjee, IEEE Antennas and Propagation Society Newletter, June 1986, S. 5-9.
/7/ Electromagnetic Theorems for Complex Anisotropic Media, by Cliford M. Krowne, IEEE Transaction on Antennas and Propagation, Vol. AP-32, No. 11, November 1984, S. 1224-1230.

Claims

1. Verfahren (Einrichtung), das elektromagnetische bzw. akustische Wellen bzw. deren Energie mit willkürlichen Parametern, wie beliebiger Richtung, Polarisation (bei elektromagnetischer Strahlung), Frequenz, Amplitudenform und Feldstärke, die von einem beliebig geformten und aus beliebigem Material (auch gasförmig und flüssig) bestehenden Körper (Objekt) reflektiert werden oder diesen Körper durchstrahlen, als Modulationsprodukte über das Spektrum verteilt, so daß solche Verteilungen zeit- und/oder frequenzabhängig in den Spektralbändern auftreten, die den Empfang rückgestrahlter bzw. durchgestrahlter Energie in entsprechender Entfernung von diesem Körper praktisch unmöglich machen (switched stealth = SWS) oder den Empfang nur bei Kenntnis der vorgegebenen spektralen und zeitlichen Verteilung mit vorgebbarer Wahrscheinlichkeit zulassen, mit Einsatz bei militärischen Objekten, Anlagen und Waffensystemen, gegebenenfalls unter Nutzung taktischer Aspekte (z. B. SWS) und bei zivilen Objekten und Einrichtungen zur Verringerung der Abstrahlung und Rückstrahlung in unerwünschten elektromagnetischen bzw. akustischen Bereichen sowie zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMC) bzw. der Raumakustik, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer modulierenden Beschichtung bzw. Abdeckung, sogenannten Flächenmodulatoren in kontinuierlichen und/oder diskreten Anordnungen, die so beschaffen sind, daß nicht lineare Zusammenhänge (keine Gültigkeit des Superpositionsgesetzes) zwischen den an ihnen auftretenden Wellen existieren, die weiterhin in ihrer Modulationsfähigkeit optimierbar sind, bezüglich Richtung, Frequenz und Feldstärke der auftretenden Wellen oder relativen Dielektrizitätskonstante (komplex), und daß mit Hilfe einer oder mehrerer (zusätzlicher) diese Beschichtung bzw. Abdeckung beleuchtenden bzw. durchstrahlenden elektromagnetischen bzw. akustischen Strahlungsquellen (im weiteren als Hilfsstrahlungsquellen bezeichnet) einschließlich der Nutzung elektrischer und/oder magnetischer Gleichfelder bzw. Druck- oder Zugvorspannung (im akustischen Bereich), integriert oder nicht integriert in diese Beschichtung/ Abdeckung oder in das Objekt, entsprechend vorgebbar in den folgenden, gegebenenfalls auch zeitabhängigen Parametern, wie Ort (einschließlich kontinuierlich oder/und diskret verteilt), Einstrahlrichtung, Polarisation (ausgenommen bei akustischer Energie), Frequenz (auch frequency hopping), Amplitudenform und Feldstärke, die reflektierte bzw. durchgestrahlte elektromagnetische bzw. akustische Energie als Modulationsprodukte mittels der Flächenmodulatoren und der Hilfsstrahlungsquelle(n) gesteuert im Spektrum verteilt wird.

2a. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Flächenmodulatoren für elektromagnetische Strahlung gekennzeichnet sind durch folgende Merkmale:

- Dichte der diskreten Modulatorelemente pro Volumeneinheit und Abstand zum Körper (Objekt) in der Form, daß sich ein Optimum zwischen Modulatorwirkungsgrad (abhängig von den Modulatorelementen pro Volumen) und geforderten, vorgegebenen Materialparametern der Beschichtung bzw. Abdeckung ergibt (Bild 1).
- Auswahl der relativen Dielektrizitätskonstanten der Beschichtung bzw. Abdeckung derart, daß sich eine minimale Oberflächenwelle /1/ ergibt bzw. die maximale Energie der einfallenden Welle in den Oberflächenmodulator strömt (Bild 2).
- determinierte Anordnung der diskreten Modulatorelemente (wie Dioden, Impattdioden bzw. Halbleiterübergänge) von Ein- oder Mischkristallen mit gleichen oder verschiedenen Charakteristika in der Form von:
- α) getrennter Einzelanordnung der Modulatorelemente in vorgegebener Orientierung zum gewählten Koordinatensystem mit gleicher und/oder verschiedener Länge der Zuleitung (Dipole) zum Modulatorelement (Bild 3),
- β) als zweidimensionales Netz in einer oder mehreren Ebenen verschiedener Orientierung zum gewählten Koordinatensystem (Bild 4),
- γ) als dreidimensionales Gitter mit verschiedenen Orientierungen zum gewählten Koordinatensystem (Bild 5),
- δ) als spezielle Anordnung, wie entsprechend Gegentakt- und Ringmodulatoren (Bild 6) oder/und
- zufällige Anordnung der diskreten Modulatorelemente als Einzelelemente oder entsprechend als Struktureinheiten, wie bei α) bis δ) bei der determinierten Anordnung angegeben, oder/und
- kontinuierlich verteilte nichtlineare Effekte über die Beschichtungen bzw. Abdeckung, oder/und
- Modulationseffekte mittels nichtlinearer Reaktanzen (wie spannungsabhängige Kapazitätsänderung bei Durchlaß- und Sperrkapazität).

2b. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Flächenmodulatoren für akustische Strahlung gekennzeichnet sind durch folgende Merkmale:

- Materialien (auch flüssige und gasförmige), die bei Schalleitung keine lineare Abhängigkeit der Dichteänderung zur verursachenden Schalldruckänderung aufweisen,
- Materialien, die durch mechanische und/oder elektromagnetische Kräfte keine lineare Abhängigkeit der Dichteänderung zur verursachenden Schalldruckänderung aufweisen,
- bezüglich Anordnung, Verteilung und Optimierung gilt Verfahren 2a entsprechend, und/oder
- bewegte Teilchen bzw. Gaseinschlüsse im beschallten Medium (flüssig) zur Generierung von subharmonischen Frequenzen /5/ und/oder
- Nutzung der Modulationseffekte des Prinzips der parametrischen Verstärkung /5/.

3. Verfahren nach Anspruch 1 mit Anspruch 2 eingeschlossen, wobei die Ankopplung der Hilfsstrahlungsquellen bzw. Erregung der Flächenmodulatoren durch diese gekennzeichnet ist durch folgende Merkmale:

- direkte Anstrahlung der Flächenmodulatoren /3/.
- Auffassung der Flächenmodulatoren und ihrer Trägerschicht (Trägermaterial) als Wellenleiter einseitig oder beidseitig eingespeist mit elektrischer und/oder magnetischer Einkopplung (bei elektromagnetischer Energie) /1/ bzw. angeregt von Longitudinal- und/oder Transversalwellen (bei akustischer Energie),
- Nutzung der Körperoberfläche als Strahler entweder direkt oder durch geeignete Modifikation,
- Anregung des elektromagnetischen Strahlers durch akustische Elemente /2/ und umgekehrt,
- Überzug der Strahler durch modulierende Beschichtung bzw. Abdeckung.

4. Verfahren nach Anspruch 1 mit Anspruch 2 und 3 eingeschlossen, gekennzeichnet dadurch, daß die Parameter der Hilfsstrahlungsquellen so gewählt werden, daß die den Körper durchstrahlende bzw. vom Körper zurückgestrahlte Energie in Spektralbereichen erscheint, in denen eine große Dämpfung durch das zu übertragende Medium (Bild 7) zum Detektor (Empfänger) hin auftritt, und somit diese Maßnahme sich als indirekte Reduzierung des Radarrückstrahlquerschnitts (RCS) bzw. des akustischen Rückstrahlquerschnitts ergibt und/oder daß die Parameter der Hilfsstrahlungsquellen zeitabhängig so schnelle Veränderungen ausführen, daß ein Empfänger ohne Vorinformation nicht in der Lage ist, sich auf den Empfang des sich zeitlich rasch verändernden Spektrums einzustellen und/oder, daß die Hilfsstrahlungsquellen Rauschen entsprechender Bandbreite erzeugen, so daß die vom Körper abgestrahlte, als Modulationsprodukte erzeugte Energie der Hintergrundstrahlung des Körpers ähnlich wird und dem Empfänger die Möglichkeit einer Unterscheidung zwischen Energie vom Körper kommend und vom Hintergrund genommen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 mit Anspruch 2, 3 und 4 eingeschlossen, gekennzeichnet dadurch, daß für vorgebbare Frequenzen mit vorgebbarer Polarisation (im elektromagnetischen Spektrum) gegebenenfalls die Lage der Beschichtung/ Abdeckung veränderlich ist und die Flächenmodulatoren in der Beschichtung/Abdeckung so angeordnet sind, daß sie für diese Polarisationsrichtung (und Frequenzen) keine Modulationswirkung zeigen und die elektromagnetische Energie dieses Spektrumbereiches unverändert die Beschichtung bzw. Abdeckung durchläuft, und zwar sowohl bei der Durchstrahlung (vom Körper her) durch den Flächenmodulator oder/als auch bei der Anstrahlung durch den Flächenmodulator zum Körper hin, vergl. /4/, jedoch für Frequenzen ungleich der vorgegebenen Frequenz und ungleich der vorgegebenen Polarisation die Modulationswirkung erhalten bleibt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 mit Anspruch 2, 3, 4 und 5 eingeschlossen, gekennzeichnet dadurch, daß die Parameter der den Körper durchstrahlenden oder anstrahlenden Wellen (gemäß Oberbegriff) die Hilfsstrahlungsquellen in der Form steuern, daß diese nur eingeschaltet sind beim Auftreten der genannten Wellen (gemäß Oberbegriff) und/oder bestimmte Optimierungen (gemäß Oberbegriff) insbesondere der Intensität auftreten.

7. Verfahren nach Anspruch 1 mit Anspruch 2, 3, 4, 5 und 6 eingeschlossen, gekennzeichnet dadurch, daß auch das Verfahren bei gleichzeitigem Auftreten von elektrischer und akustischer Energie eingesetzt werden kann und hierbei entsprechende Elemente auf beide Energieformen wirken (wie Speiseeinrichtung, vergl. /2/).