DE19914033A1

DE19914033A1 - Verfahren zur Erzeugung eines im infraroten Spektralbereich einseitig transparenten Tarnnebels

Info

Publication number: DE19914033A1
Application number: DE19914033A
Authority: DE
Inventors: Josef Schneider; Ernst-Christian Koch; Axel Dochnahl
Original assignee: Piepenbrock Pyrotechnik GmbH
Current assignee: PEPETE GMBH, 63456 HANAU, DE
Priority date: 1999-03-27
Filing date: 1999-03-27
Publication date: 2000-09-28
Also published as: IL145010A; DE50005690D1; ES2216851T3; ATE261920T1; IL145010A0; DK1173393T3; EP1173393B1; TR200102721T2; WO2000058239A1; EP1173393A1; JP2002540059A; PT1173393E; US6484640B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines im infraroten Spektralbereich (780 nm-14,0 mum) einseitig transparenten Tarnnebels, welcher im sichtbaren Bereich undurchsichtig ist, wobei man erfindungsgemäß einen an sich bekannten, pyrotechnischen, im visuellen Spektralbereich (380 nm-780 nm) stark absorbierenden Tarnnebel in Form eines Aerosols ausbringt und darin gleichzeitig pyrotechnisch Streuteilchen ausbringt, deren Größe 10-100 mum beträgt und der Zweikomponenten-Nebel von der Seite des Nebelausbringers mit einer IR-Strahlungsquelle (Spektralbereich: 780 nm-14,0 mum) bestrahlt wird.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung eines im infraroten Spektralbereich einseitig transparenten Tarnnebels, welcher im sichtbaren Bereich undurchsichtig ist, wobei in einem Aerosol ausgebrachte Streuteilchen geeigneter Größenordnung mittels einer infraroten Strahlung beaufschlagt werden, so daß sich an den Streuteilchen eine stark ausgeprägte Vorwärtsstreuung ergibt. Das Aerosol selbst besteht aus einem im sichtbaren Bereich stark absorbierenden bekannten Tarnnebel.

Bei militärischen Kampfeinsätzen und auch bei Polizeieinsätzen gegen ver schanzte Täter ist es von erheblichem Vorteil, wenn kurzfristige eigene Positions veränderungen vom Gegner nicht beobachtet werden können. Da eine Beobach tung heute nicht nur im sichtbaren Bereich, sondern auch über IR- und Radar technik erfolgt, sind in der Vergangenheit in größerem Umfang nebelerzeugende Mischungen entwickelt worden, welche als Wurfkörper zwischen die eigene Posi tion und die des Gegners gebracht werden und dort eine lokale Nebelwand er zeugen, welche sich in der Luft langsam auflöst oder vom Wind weggetrieben wird, oder in sogenannten Smokepots abgebrannt werden, worauf sich die er zeugte Nebelwolke mit dem Wind zwischen die eigene Position und die Position des Gegners ausbreitet: (Vgl. EP 0 106 334 A2, DE 43 37 071 C1, DE 40 30 430 C1.) Obwohl solche Tarnnebel einen sehr guten Schutz sowohl im visuellen als auch im infraroten Spektralbereich abgeben, haben sie den Nachteil, daß wäh rend der Zeit, in der der Nebel undurchdringlich ist (üblicherweise etwa 20-60 Sekunden) nicht nur der Nebelausbringer, sondern auch der Gegner die Position ändern kann, so daß für einen anschließenden Einsatz nicht nur der Gegner die eigene, sondern man selbst auch die Position des Gegners erneut feststellen muß. Der Nebelausbringer hätte daher einen erheblichen taktischen Vorteil, wenn er während der wirksamen Phase des künstlichen Nebels zwar die eigenen Aktionen tarnen, gleichzeitig aber auch die Aktionen des Gegners verfolgen und darauf reagieren kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen einseitig transparenten Tarnnebel zu entwickeln.

Die bekannten Tarnnebel bestehen üblicherweise aus Aerosolen von festen oder flüssigen Partikeln, wobei die Größe der einzelnen Partikel in der Größenordnung der Wellenlänge der zu schwächenden Strahlung liegt, so daß sie zu einer Streuung und Absorption des Lichtes geeignet sind.

Aus der US 5 682 010 ist eine einseitige Tarnwirkung im visuellen Bereich bekannt geworden, bei der eine solche ein absorbierendes Aerosol enthaltenden Nebelwolke gleichzeitig mit einer Aerosolwolke aus Teilchen, die das Licht nicht absorbieren, sondern lediglich streuen, ausgebracht wird, wobei die absorbierende Wolke den eigenen Standort und die streuende Wolke dem Gegner näher ist. Bei dieser Art und Weise wird das vom Gegner ausgehende Licht weniger geschwächt als das vom eigenen Objekt ausgehende, vom Gegner beobachtbare Licht, so daß insgesamt ein zur Feststellung der gegnerischen Position ausreichendes Restlicht beobachtet werden kann. Soweit sich beide Nebelwolken miteinander vermischen, sind die Effekte für beide Seiten gleich, so daß der vorstehende Vorteil entfällt. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist es, daß das gleichzeitige Ausbringen der beiden Nebelwolken in definiertem Abstand zueinander und zu Abwurf- und Zielort schwierig ist und durch unterschiedliche lokale Windeinflüsse die Nebelwolken sich auch noch zusätzlich gegeneinander verschieben. Für praktische Anwendungen ist diese Verfahrensweise daher nicht geeignet.

Gemäß der DE 196 01 506 A1 wird eine einseitig durchlässige Sichtsperre da durch erreicht, daß man einen an sich durchsichtigen künstlichen Nebel, be stehend aus Aerosolpartikeln oder Gasen durch Bestrahlung mit elektro magnetischer Strahlung entsprechender Wellenlänge zum Aufleuchten bringt (Fluoreszenz, Raman-Streuung, diffuse Reflexion). Da dieses Aufleuchten ein isotroper Effekt ist, d. h. auch auf der Seite des Nebelausbringers stattfindet, wird eine gepulste Strahlungsquelle verwendet, deren Impulsfrequenz der Zeitdauer der Emissionseffekte angepaßt ist.

Mittels eines Verschlusses wird der Detektor des Nebelverwenders während der Bestrahlzeit ausgeschaltet, so daß nur elektromagnetische Strahlung in den Bestrahlungspausen detektiert wird. Die Bestrahlungsfrequenz ist typischerweise so hoch, daß der Gegner eine ständig emittierende Nebelwolke sieht. Um Gegenmaßnahmen des Gegners zu verhindern, wird die Impulsfolge der Strahlungsquelle durch einen dem Gegner nicht bekannten Algorithmus moduliert. Die Nachteile dieses Verfahrens sind einerseits die für das aufwendige, teure und anfällige Anregungs- und Detektionsverfahren notwendigen Vorrichtungen und andererseits die für die Strahlungsanregung erforderlichen toxikologisch bedenklichen fluoreszierenden Substanzen in der Nebelwolke.

Aufgrund der angesprochenen Nachteile (Funktion der einseitigen Sichtsperre nur bei idealen, in der Praxis nicht vorkommenden Windverhältnissen; Erfordernis ei nes aufwendigen und teuren Detektionsverfahrens bzw. Vorhandensein toxikolo gisch bedenklicher Substanzen in der Aerosolwolke) kommt keines der beiden Verfahren bis heute in der Praxis zur Anwendung.

Die Erfindung löst die oben beschriebenen Probleme, indem ein im infraroten Spektralbereich einseitig transparenter Nebel mit den Merkmalen des Haupt anspruchs erzeugt wird. Die Lösung wird durch die in den Unteransprüchen be schriebenen Mittel gefördert.

Dem Ausbringer dieses Nebels gelingt während der wirksamen Phase die Detek tion des Gegners mittels geeigneter elektronischer Hilfsmittel (IR-Kamera), wäh rend dem Gegner durch Überstrahlung der LOS (Line of sight) die Sicht sowohl im visuellen als auch im infraroten Spektralbereich genommen wird.

Die vorliegende Erfindung verwendet einen an sich bekannten, im visuellen Spek tralbereich (λ = 380 nm-780 nm) undurchsichtigen, aber im infraroten Spektral bereich (λ = 780 nm-14,0 µm) durchsichtigen Nebel aus einem Aerosol mit einer Teilchengröße von 0,1-5 µm, der zusätzlich ausgebrachte Streuteilchen einer Größe von 10 bis 100 µm enthält. Dieser Zweikomponenten-Nebel wird mit einer IR-Strahlungsquelle von der Seite des Nebelausbringers bestrahlt.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Konfiguration zu sehen. Für beide Seiten ist der visuelle Spektralbereich durch die erste Nebelkomponente 6 abgedeckt. Die Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen im IR-Bereich, die entweder durch eine leistungsstarke Lampe mit entsprechenden Filtern oder mit tels eines pyrotechnischen Strahlers 2 zur Verfügung gestellt wird, bewirkt bei der zweiten Nebelkomponente, den ausgebrachten Streuteilchen 5, eine charak teristische Vorwärtsstreuung 7 der IR-Strahlung in Richtung des Gegners 9, wäh rend der zurückgestreute Anteil der IR-Strahlung 10 vernachlässigbar klein bleibt.

Die so entstandene Überstrahlung in Richtung des Gegners 9 verhindert die Be obachtung des Nebelausbringers 1 mittels einer IR-Kamera 8 (typische Detektionswellenlängen: 8,0-14,0 µm), während mit der IR-Kamera des Nebel ausbringers 3 die Beobachtung des Gegners 9 problemlos möglich ist.

Um die physikalischen Effekte der Streuung der IR-Strahlung an den ausgebrach ten Streuteilchen 5 bzw. den Aerosolpartikeln der im visuellen Spektralbereich deckenden Nebelkomponente 6 zu verdeutlichen, wurden Strahlungsdiagramme gemäß der Streulichttheorie von Mie berechnet. Diese Theorie bietet bei Kenntnis der optischen und geometrischen Eigenschaften der Streuteilchen (komplexer Brechungsindex m(λ); Größenparameter x), im Gegensatz zur Rayleigh-Streuung, für beliebig große isotrope kugelförmige Streuteilchen exakte Lösungen.

Da die meisten Beobachtungsgeräte im Wellenlängenbereich von 8,0-14,0 µm arbeiten, wurde als Referenzwellenlänge λ = 10,0 µm gewählt.

Als Beispiel für die größenangepassten Streuzentren wird ein kugelförmiges Quarzteilchen mit einem Radius von r = 20 µm benutzt, wodurch sich der Größenparameter x zu 12.57 ergibt. Der wellenlängenabhängige komplexe Brechungsindex ergibt sich zu m(λ) = 2.67-0.05 i für λ = 10 µm. Das Quarz teilchen befindet sich im Zentrum des Polardiagramms in Fig. 2. Die einfallende elektromagnetische Welle wird aus 180°-Richtung kommend gestreut. Aufgetra gen ist die Phasenfunktion P, die sich als arithmetischer Mittelwert der Streulicht intensität I₁ der senkrecht zur Streuebene polarisierten Welle und der Streulicht intensität I₂ der parallel zur Streuebene polarisierten Welle ergibt. Man erkennt die extrem ausgeprägte Vorwärtsstreuung und die vernachlässigbare Intensität der seitlichen bzw. rückwärts gestreuten Anteile.

Streuteilchen mit einem Radius vom 5-50 µm, d. h. einer Größe von 10-100 µm, sind daher für eine solche anisotrope Streuung von IR-Licht besonders geeignet. Da es nur auf die Streugröße und nicht auf die chemische Zusammensetzung an kommt, wurden vorzugsweise feste Partikel eingesetzt, die nicht toxisch oder atemwegsreizend und umweltverträglich sind. Quarz- oder Glasmehl, organische oder anorganische Salze . . . sind besonders geeignet.

Um den Streueffekt der IR-Strahlung auf die Nebelkomponente 1, d. h. die Aero solpartikel zu demonstrieren, werden die Daten eines typischen Aerosolpartikels eines ausschließlich im VIS-Bereich wirksamen Nebels, bestehend aus rotem Phosphor, Kaliumnitrat und Ammoniumchlorid zur Streulichtanalyse benutzt. Diese bilden nach dem Abbrennen mit der Luftfeuchtigkeit feine Tröpfchen, die das VIS-Licht absorbieren.

Bei einer angenommenen relativen Luftfeuchtigkeit von 50% beträgt der Teilchen radius 0.27 µm, d. h. der Größenparameter x ergibt sich zu 0,17. Der komplexe Brechungsindex für λ = 10 µm ergibt sich zu m(λ) = 1.63-0.69 i.

Fig. 3 zeigt das entsprechende Strahlungsdiagramm. Es liegt eine fast isotrope Intensitätsverteilung vor. Die Intensität der gestreuten elektromagnetischen Welle ist um zwei Größenordnungen kleiner als bei dem Quarzteilchen, d. h. bei Bestrah lung mit einer IR-Lichtquelle wird keine ein- oder zweiseitige Überblendung auftre ten.

Der Wirkungsfaktor der Streuung Q_Sca, der definiert ist als Verhältnis von optisch wirksamer Teilchenfläche, dem Streuquerschnitt C_Sca zur geometrischen Quer schnittsfläche des Teilchens (bei kugelförmigen Teilchen gilt: Q_Sca = C_Sca/πr²), ist bei der gewählten Wellenlänge von λ = 10,0 µm bei dem Quarzteilchen um den Faktor 10⁴ größer als bei dem Aerosolteilchen der Nebelkomponente 1. Das Quarzteilchen erzeugt also eine effiziente und stark gerichtete Streustrahlung der einfallenden elektromagnetischen Welle in Richtung des Gegners.

Um eine vollständige Tarnung des Zielobjekts gegenüber dem Wärmebildgerät des Gegners zu erreichen, muß die Differenz der Strahlungsintensität des Ziel objekts und der Strahlungsintensität des Hintergrund am Ort des Detektors unter einen vom jeweiligen Wärmebildgerät abhängigen Schwellwert sinken.

Für die quantitative Beurteilung der Detektierbarkeit des Zielobjekts mit Hilfe der IR-Kamera des Gegners benutzt man die vom Abstand r abhängige Kontrast funktion c(r), die definiert ist als

wobei I_t(r) die Intensität des Ziels im Abstand r und I_b(r) die Intensität des Hinter grunds im Abstand r darstellt. Der ohne Dämpfung durch Atmosphäre bzw. künst liche Aerosole erfaßbare Kontrast ist gegeben durch:

Die Intensität des Zielobjekts im Abstand r ergibt sich zu

I_t(r) = I_t(0).T(r) + I_p(r), (3)

wobei T(r) die Transmission im Abstand r und I_p(r) die Summe der in die LOS ein gestrahlten Intensitäten (z. B. Vorwärtsstreuung an Aerosolpartikel) ist. Entsprechend gilt für die Intensität des Hintergrunds im Abstand r:

I_t(r) = I_b(0).T(r) + I_p(r). (4)

Mit Gl. (3) und Gl. (4) ergibt sich für die Kontrastfunktion c(r):

Die Wirksamkeit der Erfindung soll durch das folgende Beispiel verdeutlicht wer den:

Für ein typisches Szenario (Abstand Nebelausbringer - Aerosolwolke: 40 m; Ab stand Aerosolwolke - Gegner: 1000 m; Tiefe der Aerosolwolke: 8 m) ist in Fig. 4 der Verlauf der Kontrastfunktion c (Gl. (5)) in Abhängigkeit des Intensitäts verhältnisses von der in die LOS eingestrahlten Intensität I_p zur Hintergrund intensität I_b(0) dargestellt. Sowohl die Absorption durch die Atmosphäre als auch durch die Aerosolwolke wurde bei der Berechnung der Transmission T(r) berück sichtigt.

Die Kontrastschwelle c_Krit, bei der im Wärmebildgerät das Zielobjekt nicht mehr vom Hintergrund zu unterscheiden ist beträgt typischerweise 0.35, der Kontrast ohne Dämpfung ergibt sich zu 1.35.

Wie zu erkennen ist, sinkt der Kontrast bei einem Verhältnis von I_p/I_b(O) ≧ 2 unter den Schwellwert von 0.35, d. h. dann ist das Zielobjekt vom Wärmebildgerät nicht mehr detektierbar.

Mit Hilfe der Mie-Theorie läßt sich der Anteil der nach vorne gestreuten Strahlung durch die ausgebrachten Streuteilchen berechnen. Bei den oben angegebenen Verhältnissen, einer Konzentration der Streuteilchen von 0.3 g/m³, einer Wellen länge von λ = 10 µm und der Annahme, daß I_p durch die Vorwärtsstreuung der Streuteilchen gegeben ist, muß die Intensität der IR-Strahlungungsquelle des Nebelausbringers etwa um den Faktor 30, aus Sicherheitsgründen um 30-100, größer als die Intensität des Hintergrunds sein, um die Kontrastschwelle zu unter schreiten. Setzt man für die Strahlungsintensität des Hintergrunds I_b im Wellen längenbereich von 8,0-14,0 µm und einer Umgebungstemperatur von 293 K ei nen Wert von 40 W m^-2 sr^-1 an, muß die Intensität der IR-Strahlungungsquelle des Nebelausbringers in diesem Wellenlängenbereich eine Leistung von mindestens 1200-4000 W m^-2 sr^-1 erreichen, damit der Kontrast im Wärmebild des Gegners unter die Kontrastschwelle fällt und somit keine Detektion des Zielobjekts mehr möglich ist.

Bezugszeichenliste

1

Nebelausbringer

2

IR-Strahlungsquelle

3

IR-Kamera des Nebelausbringers

4

Nebelwurfkörper

5

Größenangepasstes Streuteilchen

6

Im VIS-Bereich wirkende Nebelkomponente

7

Vorwärtsstreuung der elektromagnetischen Welle

8

IR-Kamera des Gegners

9

Gegner

10

Rückwärtsstreuung der elektromagnetischen Welle

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung eines im infraroten Spektralbereich (780 nm-14,0 µm) einseitig transparenten Tarnnebels, welcher im sichtbaren Bereich undurchsichtig ist, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) einen an sich bekannten, pyrotechnischen, im visuellen Spektralbereich (380 nm-780 nm) stark absorbierenden Tarnnebel in Form eines Aerosols ausbringt und
b) darin gleichzeitig pyrotechnisch Streuteilchen ausbringt, deren Größe 10-100 µm beträgt und
c) der Zweikomponenten-Nebel von der Seite des Nebelausbringers mit einer IR-Strahlungsquelle (Spektralbereich: 780 nm-14,0 µm) bestrahlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der IR- Strahlungsquelle entweder um einen pyrotechnischen Strahler oder um eine lei stungsstarke Lampe, die gegebenenfalls mit entsprechenden Filtern aus gestattet ist, handelt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teil chengrößen und damit die Größenparameter x der ausgebrachten Streu teilchen so gewählt werden, daß der Effekt der stark ausgeprägten Vorwärts streuung entweder für den gesamten IR-Bereich (780 nm-14,0 µm) oder aus gewählte Teilbereiche innerhalb dieses Wellenlängenbereiches bei der in An spruch 1 und 2 beschriebenen IR-Bestrahlung der Streuteilchen gegeben ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das im visu ellen Spektralbereich (380 nm-780 nm) undurchdringliche Aerosol durch eine pyrotechnische Wirkmasse auf Basis von Ammoniumchlorid, Kaliumnitrat und Lactose erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die ausge brachten Streuteilchen Quarz-Partikel mit einer Größe von 20-50 µm sind.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Ansprüche 1 bis 5, bestehend aus

a) einer Einrichtung zur Erzeugung der im VIS-Bereich undurchsichtigen Nebelkomponente (6);
b) einer Einrichtung zur Ausbringung der Streuteilchen (5);
c) einer elektrischen oder pyrotechnischen IR-Strahlungsquelle.