DE3719679C1 - Verfahren und Anordnung zum Verhindern der Ortung und Täuschung einer thermischen Kamera - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Anordnung zur Verwirklichung dieses Verfahrens.

Gegenwärtig übliche, thermische Kameras besitzen zwei besondere Eigenschaften, die zur Entdeckung oder Ortung dieser Kameras dienen können:

• - Die Detektoren sind auf tiefe Temperaturen, beispiels­ weise 80°K gekühlt,
• - die Analyse des Gesichtsfeldes geschieht mittels einer optimechanischen Vorrichtung, die bewegliche optische Teile umfaßt, so daß das Bild der Detektoren das zu beobachtende Gesichtsfeld durchläuft.

Ausgehend von diesen Eigenschaften können zur Ortung zwei Methoden verwendet werden:

• - Eine rein passive Ortung, die auf der Erkennung eines kalten, pulsierenden Punktes in der Landschaft beruht und
• - eine aktive Ortung, die die zeitabhängigen Änderungen der reflektierenden Eigenschaften der Abtast-Detektor-Einheit ausnutzt.

Das gesamte optische System der thermischen Kamera verhält sich wie ein Kollimator, der die Detektoren ins Unendliche abbildet und das Gesichtsfeld mit der Analysegeschwindigkeit abtastet oder überstreicht. Eine Kamera kann somit auf passive Art entdeckt werden, da die Eintrittspupille eine scheinbare Temperatur aufweist, die zyklische Schwankungen hat, weil ein Beobachter abwechselnd das Innere der Kamera bei normaler Temperatur und die auf niedrige Temperatur gekühlten Detektoren "sieht".

Die Feststellung dieser zyklischen Temperaturänderun­ gen ist theoretisch möglich. In der Praxis macht die relativ niedrige Frequenz des Phänomens (einige hundert Hertz) und die sehr geringe Abmessung der Eintritts­ pupille eine kurzfristige oder rasche Ortung schwierig. Die Ortungsvorrichtung muß nämlich ein Gesichtsfeld überwachen, das wenig größer als die Abmessung der Pupille der Kamera ist, damit die Flußänderung ent­ sprechend der sehr niedrigen Temperatur des Detektors festgestellt werden kann und die Vorrichtung muß in jeder Ortungsrichtung zumindest die Dauer eines Ablenk­ zyklus der Kamera abwarten.

Für die aktive Ortung verhält sich das optische System der Kamera wie ein Kollimator, dessen Ausrichtung sich ablenkungsabhängig ändert. Im Brennpunkt dieses Kollimators befinden sich die Detektoren, die sich aus einer bestimmten Anzahl von unterschiedlich reflektieren­ den Oberflächen zusammensetzen, beispielsweise aus empfindlichen Bereichen und Metallisierungen. Diese Einheit hat in bezug auf sich im Gesichtsfeld befindende Quellen in dem Moment, wo das Bild des Detektors über die­ se Quellen streicht, die Eigenschaften eines Retro­ reflektors. Ein einer Quelle zugeordneter Detektor erhält daher in dem Moment ein starkes Echosignal, zu dem der "Kollimator" in die geeignete Richtung weist. Des weiteren kann dieses Echosignal durch die Differenzen der Reflexionskoeffizienten der um die Detektoren herum angeordneten Oberflächen moduliert sein. Auch hier hängt die Frequenz, mit der sich die Erscheinung wiederholt, vom Aufbau der Kamera ab. Die Frequenz ist wenigstens gleich der Bildfrequenz (oder der Rasterfrequenz, wenn das Bild aus mehreren ineinandergeschachtelten Rastern besteht). Die obengenannten Schwierigkeiten bei der passiven Ortung finden sich auch hier, aber weil die Ortungsvorrichtung Herr der Leistung der Quelle ist, ist es möglich, einen prinzipiell wesentlich größeren Elementarwinkel vorzusehen, was die notwendige Ortungs­ zeit vermindert.

Ausgehend von einer aktiven Ortungseinrichtung ist es möglich, eine thermische Kamera nach einem Verfahren zu täuschen, das beispielsweise aus der FR-OS 2 547 059 vom 31.5.1983 bekannt ist.

Das Täuschungsverfahren besteht darin, die Kamera mittels eines Lasers zu beleuchten, der mit der Ablen­ kung der Kamera synchrone Impulse zu Momenten sendet, zu denen die Kamera ihr Elementarfeld nicht auf die Laserquelle gerichtet hat, wobei vorausgesetzt wird, daß keinerlei von der Quelle stammende Energie auf die Detektoren gelangen kann, abgesehen von demjenigen Teil, der gegebenenfalls an den optischen Flächen, absorbieren­ den Blenden usw. gestreut wird, d. h. einem sehr kleinen Teil der Energie, was wiederum die Verwendung sehr leistungsfähiger Quellen erfordert.

Um einer aktiven Ortung vorzubeugen, kann man die Änderungen des Reflexionskoeffizienten gegenüber ex­ ternen Quellen klein halten. Man kann auch die Einrich­ tungen zur aktiven Ortung ihrerseits orten und dann die Kameraablenkung stillsetzen. Hierzu nutzt man die hohe Leuchtdichte und die Monochromie der Laserquellen aus. Beide Eigenschaften lassen sich mittels der Detektoren ermitteln.

Natürliche Lichtquellen strahlen stets wie ein mehr oder minder stark gefilterter schwarzer Körper. Der schwarze Körper mit der normalerweise höchsten vorkommenden Temperatur ist die Sonne (6000°K).

Die Differenz der Leuchtdichte zwischen Sonne und Himmel stellt daher den maximalen Wert dar, der ab­ gesehen von Lasern auftritt. Diesem Wert entspricht ein maximales elektrisches Signal. Wenn dieser Wert überschritten wird, läßt dies den Schluß zu, daß die Kamera von einem Laser angestrahlt wird.

Normalerweise kommen die Schaltungen der Kamera in die Sättigung bevor der der Sonne entsprechende Wert erreicht wird. Es müssen daher entweder spezielle Schaltungen mit geringer Verstärkung vorgesehen werden oder es muß - für den Fall der Sättigung - ein optisches Filter eingefügt werden um den Dynamikbereich der Kamera zu hohen Temperaturen hin zu verschieben.

Allerdings kann ein Laser auch eine scheinbare Leuchtdichte haben, die kleiner als diejenige der Sonne ist (weit entfernter Laser, der unter einem kleineren Winkel als dem Elementarfeld gesehen wird). Die Eigen­ schaft der sehr hohen Leuchtdichte erweist sich mithin als schwierig zu erkennen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verhindern der Ortung und Täuschung einer thermischen Kamera zu schaffen, das nicht auf der Erkennung der hohen Leuchtdichte sondern auf der Erkennung der charakteristischeren Eigenschaft der Monochromie von Laserquellen beruht.

Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren der im Ober­ begriff des Anspruches 1 angegebenen Gattung durch die in dessen Kennzeichen angegebenen Merkmale gelöst.

Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausge­ staltungen des Verfahrens.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung noch näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel des speziellen Detektors zur Feststellung kon­ tinuierlich strahlender Laser gemäß dem Verfahren nach der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine rotierende Scheibe, die radiale opti­ sche Filter trägt, die am Umfang der Scheibe angeordnet sind und zur Feststellung mono­ chromatischer Quellen dienen.

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des speziellen Detektors zur Feststellung konti­ nuierlich strahlender Laser gemäß dem Verfahren nach der Erfindung.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines speziellen Detektors zur Feststellung von Impulslasern hoher Leistung gemäß dem Verfahren nach der Erfindung.

Der in Fig. 1 vereinfacht wiedergegebene spezielle Detektor empfängt die von einem kontinuierlich strahlenden und zur Ortung einer nicht dargestellten thermischen Kamera benutzten Laser stammende monochromatische Strah­ lung 1. Dieser der Kamera zugeordnete Detektor umfaßt gemäß dem vorliegenden Vorschlag eine Linse 3, die die durch ein Dämpfungsglied 2 hindurch empfangene Energie in den Raum hinter eine Blende 4 fokussiert, die das Gesichtsfeld eines gegebenenfalls gekühlten Infrarotde­ tektors 5 festlegt. Der Detektor 5 gibt elektrische Signale an einen Vorverstärker 6 ab, dem eine Signal­ verarbeitungsschaltung 7 nachgeschaltet ist.

Der Spektralanalysator kann in unterschiedlichen, an sich bekannten Formen ausgeführt werden, z. B. als Prisma, als Gitter, als Filter mit durch Verschiebung veränderbarer Wellenlänge, als Scheibe, die mehrere Filter oder Detektoren mit gegeneinander verschobener spektraler Empfindlichkeit oder Detektoren, denen Filter vorgeschaltet sind, trägt, usw.

In Fig. 1 ist der Spektralanalysator als Scheibe 8 ausgeführt, die in Fig. 2 dargestellt ist und auf ihrem Umfang eine Aufeinanderfolge radial angeordneter optischer Filter f₁, f₂, f₃, . . . trägt, von denen jedes einem schmalen Spektralband entspricht, bzw. in der Weise, daß der gesamte abgetastete Spektralbereich sich beispielsweise von 8 bis 13 µm erstreckt.

Der Umfang der Scheibe 8 liegt im Strahlengang der Laserstrahlung zwischen der Blende 4 und dem Detektor 5. Wenn sich die von einem Motor 9 angetriebene Scheibe dreht, erzeugt eine monochromatische Laserquelle auf dem Detektor ein kurzes impulsförmiges Signal, wohingegen eine natürliche Quelle mit breitem Spektralband ein Signal ergibt, das sich im Verlauf der Abtastung hin­ sichtlich der Wellenlänge zeitlich langsam ändert.

Die elektronische Signalverarbeitungsschaltung 7 stellt das Auftreten eines impulsförmigen elektrischen Signales fest, sobald ein Filter der rotierenden Scheibe 8 die entsprechende Wellenlänge der Laserquelle durchläuft.

Mit Hilfe eines solchen Systems kann die Ablenk- oder Abtastbewegung der thermischen Kamera stillgesetzt oder abgeschaltet werden, sobald ein Signal empfangen wird und noch bevor die Kamera ein signifikantes Echo zu liefern vermag. Das System bleibt weiterhin tätig und kann die Ablenkbewegung der Kamera wieder in Gang setzen, sobald der das Gesichtsfeld oder die Landschaft absuchende Laserstrahl durch den Ort der Kamera hindurchgegangen ist.

Des weiteren läßt sich ohne weiteres zeigen, daß das von diesem Detektorsystem gelieferte Echosignal undetek­ tierbar gemacht werden kann.

Mit den folgenden Größen
Ta: atmoshärische Durchlässigkeit
To: Durchlässigkeit des vorgeschalteten Dämpfungs­ gliedes 2
Cr: Änderungen der Reflexionskoeffizienten des als Retroreflektor angenommenen Systems
S₂: Fläche der dem Laser zugeordneten Empfangsoptik
Ω: Raumwinkel des beleuchtenden oder anstrahlenden Lasers
und unter der sehr optimistischen Annahme, daß der Raum­ winkel nach Reflexion der gleiche bleibt, ist das Ver­ hältnis

gleich

Hierin ist D die Entfernung.

Nimmt man beispielsweise:
Ta = 0,5
To = 10^-3
Cr = 10^-1
S₂= 10^-2 m²
Ω = 10^-6 strd
D = 1000 m
so ist

Da man in dem der thermischen Kamera zugeordneten Empfänger einen Detektor verwenden kann, der ebenso empfindlich ist wie derjenige, der in dem dem Laser zu­ geordneten Empfänger verwendet wird, kann man ein Dämpfungsglied 2 vorsehen, das eine so hinreichende Dämpfung hat, daß der Laser leicht feststellbar (detektierbar) ist, wohingegen die Detektorvorrichtung eine Rückstreuung erzeugt, die zur Detektierung zu schwach ist.

Eine andere Ausführungsform des speziellen Detektors zur Feststellung der Strahlung eines CW-Lasers ist in Fig. 3 dargestellt. Die Spektralanalyse geschieht mittels eines dispersiven Prismas 10, das zwischen dem Dämpfungsglied 2 und der Linse 3 angeordnet ist.

Die aus der Linse 3, der Blende 4 und dem Detektor 5 bestehende Anordnung wird in der Dispersionsrichtung des Prismas mittels eines Motors 11 in eine schwingende Bewegung versetzt.

In einer anderen Ausführungsform des speziellen Detektors zur Feststellung der Strahlung eines kontinuierlich strahlenden Lasers erfolgt die Spektralanalyse mittels mehrerer Detektoren, von denen jeder einen Teil des Spektralbandes erfaßt, wobei die unterschiedlichen Spektralbänder aneinandergesetzt den insgesamt zu über­ wachenden Spektralbereich ergeben. Sofern das System eine monochromatische Strahlung empfängt, liefert lediglich einer der Detektoren ein Signal. Hingegen liefern bei natürlichen Quellen alle diese Detektoren eine Information. Dieselbe Anordnung kann auch zur Feststellung der Strahlung von Impulslasern verwendet werden.

Fig. 4 zeigt schematisch einen speziellen Detektor zur Feststellung der von einem gepulsten Laser hoher Leistung gesendeten Strahlung 12, die zur Täuschung der thermischen Kamera bestimmt ist. Der Detektor umfaßt eine Linse 13, die die Energie in der Ebene einer Blende 14 fokussiert, die das Gesichtsfeld begrenzt, sowie einen gegebenenfalls gekühlten Infrarotdetektor 15, dessen Ausgang mit einer elektronischen Schaltung verbunden ist, die das Eintreffen von Lichtimpulsen hoher Leistung feststellt. Da die Amplitude dieser Impulse zur Täuschung der Kamera sehr groß ist und folglich leicht detektiert werden kann und da die Täuschungsimpulse gemäß der französischen Patentanmeldung 2 547 059 synchron mit der Ablenkbewegung wiederkehren, ist es einfach, die Empfindlichkeit der thermischen Kamera während der Dauer der Impulse so herunterzusetzen, daß die Kamera weder getäuscht noch geblendet wird. Die Detektierung und die Ortung der tatsächlichen Richtung des CW-Lasers, der zur Ortung und zur Messung der Eigenschaften der Kameraablenkung dient, sind folglich trotz eines Impuls­ lasers möglich.

Claims (7)

1. Verfahren zum Verhindern der Ortung und Täuschung einer thermischen Kamera, die zunächst durch eine Dauerstrich-Laserquelle beleuchtet wird, die zur Ortung dient und zufolge eines zugeordneten Echo­ empfängers elektrische Impulse mit der Ablenk­ frequenz der Kamera liefert, welche Impulse in bezug auf das im Rhythmus der Ablenkung empfangene Echo­ signal verzögert werden und zur Synchronisation einer anderen Laserquelle dienen, die Lichtimpulse liefert, die ebenfalls die Kamera beleuchten, welche Lichtimpulse im Kamerabild zufolge der genannten Verzögerung ein fiktives Objekt erzeugen, das in einer anderen Richtung als die Laserquellen liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßnahme gegen die Ortung der Kamera darin besteht, ihr einen speziellen, von den Detektoren der Kamera verschiedenen Detektor zuzuordnen, der zumindest das selbe Gesichtsfeld erfaßt und unter anderem einen Spektralanalysator umfaßt, der auf die Kamera gerichtete, monochromati­ sche Quellen hoher Leuchtdichte erfaßt, daß die Abtast- oder Ablenkbewegung der Kamera bei Feststellung der monochromatischen Quelle und noch bevor die Kamera ein signifikantes Echo liefern konnte, abschaltbar ist und daß die Maßnahme gegen die Täuschung der Kamera darin besteht, ihr einen weiteren, speziellen, von den Detektoren der Kamera verschiedenen Detektor zuzuordnen, der Täuschungsimpulse hoher Leistung feststellt und die Empfindlichkeit der Kamera während der Dauer dieser Impulse herabgesetzt ist, so daß die Kamera weder getäuscht noch geblendet wird, was die Ortung der Quellen in ihrer wahren Position ermöglicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spezielle Detektor zur Verhinderung der Ortung der Kamera ein optisches Dämpfungsglied (2) und eine Linse (3) umfaßt, die die empfangene Energie (1) in den Raum hinter eine Blende (4) fokussiert, die das Gesichtsfeld eines gegebenenfalls gekühlten Infrarotdetektors (5) begrenzt, dem ein Vorverstärker (6) nachgeschaltet ist, auf den eine Signalverarbeitungsschaltung (7) folgt und daß der Spektralanalysator (8) je nach seinem Aufbau eine genau festgelegte Stelle im Strahlengang dieses Detektors einnimmt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spektralanalysator aus einer rotierenden Scheibe (8) besteht, deren zwischen der Blende (4) und dem Infrarotdetektor (5) befindlicher Umfang schmalbandige optische Filter (f₁, f₂, f₃,) trägt, die insgesamt einen festgelegten Spektral­ bereich überdecken.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spektralanalysator aus einem dispersiven Prisma (10) zwischen dem Dämpfungsglied (2) und der Linse (3) besteht, und daß die die Linse (3), die Blende (4) und den Infrarotdetektor (5) umfassende Einheit eine oszillierende Bewegung ausführt, deren Amplitude den gesamten Spektrumsbereich überdeckt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spezielle Detektor zur Verhinderung der Ortung der Kamera mehrere Detektorelemente umfaßt, von denen jedes in einem bestimmten Teil des zu überdeckenden Spektralbereiches empfindlich ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spezielle Detektor zur Verhinderung der Täuschung der Kamera eine weitere Linse (13) umfaßt, die die Empfangsenergie in die Ebene einer weiteren Blende (14) fokussiert, die das Gesichtsfeld eines anderen, gegebenenfalls gekühlten Detektors (15) begrenzt, der mit einer anderen elektronischen Schaltung (16) verbunden ist, die die Detektierung von Lichtimpulsen hoher Leistung nachweist.

7. Anordnung zur Verhinderung der Ortung und Täuschung einer thermischen Kamera, gekennzeichnet durch die Verwirklichung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 und 4 oder 1, 2, 3 und 6.