DE102006037209A1

DE102006037209A1 - Detection of illumination by an attacking high power microwave source, at a vehicle in hostile territory, measures the time for the field strength to breach a minimum level to give the range

Info

Publication number: DE102006037209A1
Application number: DE200610037209
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Urban
Original assignee: Diehl BGT Defence GmbH and Co KG
Current assignee: Diehl Defence GmbH and Co KG
Priority date: 2006-08-09
Filing date: 2006-08-09
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2026-08-10
Also published as: DE102006037209B4

Abstract

In the system to detect illumination by an attacking high power microwave (HPM) device, the electrical field of the pulses are received irrespective of the direction. On exceeding a minimum level, at least in the upper range of a short time integral of the received field strength of conventional durable radiation, they are measured differentially in both orthogonal polarization directions against each other. The time span between reception of a pulse field to the initial breach of the minimum level is a measure of the range to the attacking source. The field is received at least at two offset sites, for the time difference to be measured on breaching the minimum level.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des jeweiligen Hauptanspruches.The The invention relates to a method and a device according to the preamble the respective main claim.

Beispielsweise in der DE 103 19 475 A1 ist ein Generator zum impulsförmigen Erzeugen und Abstrahlen von Energie im Mikrowellenspektrum (allgemein als HPM = High Power Microwaves bezeichnet) beschrieben, deren breitbandig hohe Energiedichte geeignet ist, in der Umgebung betriebenen Funkverkehr zumindest zu beeinträchtigen und elektronische Schaltungen insbesondere eingangsseitig zu stören oder gar zu zerstören.For example, in the DE 103 19 475 A1 is a generator for pulse-shaped generating and radiating energy in the microwave spectrum (commonly referred to as HPM = High Power Microwaves) described whose broadband high energy density is suitable to affect at least operated in the environment radio communications and disrupt electronic circuits in particular the input side or even destroy ,

Für die Funktion von elektronischen Schaltungen auf Objekten, die solchen Angriffen ausgesetzt sind, kann es deshalb überlebensnotwendig sein, wenigstens das Auftreten solcher Mikrowellen-Impulsstrahlung rasch zu detektieren, und nach Möglichkeit dabei zugleich eine Information über die Entfernung und die Richtung zur aktuell angreifenden Impulsstrahlungsquelle zu erhalten, um z.B. rechtzeitig Schutz- und Abwehrmaßnahmen aktivieren zu können.For the function of electronic circuits on objects that are such attacks Therefore, it may be necessary to survive, at least to rapidly detect the occurrence of such microwave pulse radiation and if possible at the same time an information about the distance and direction to the currently attacking pulse radiation source to obtain e.g. timely protection and defense measures to activate.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, unter möglichst weitgehender Verwendung preiswerter da kommerziell verfügbarer Komponenten eine derartige HPM-Detektion nicht nur hinsichtlich der Tatsache einer momentanen Einwirkung, sondern möglichst auch unter Gewinnen von Informationen über die Einstrahlrichtung und die Entfernung zum angreifenden Strahler durchzuführen.In Recognition of these facts is the invention of the technical Underlying the problem, using as much as possible cheaper because commercially available Components such HPM detection not only in terms the fact of a momentary impact, but possible also gaining information about the beam direction and to perform the distance to the attacking spotlight.

Nicht für eine solche Detektion geeignet sind allerdings die gängigen, auch als Elektrosmog-Warner bezeichneten Testgeräte etwa zum Prüfen der Dichtigkeit von Mikrowellen-Gargeräten oder zum Messen der Emission von Mobilfunkantennen. Denn die Funktion solcher Testgeräte beruht auf der zeitlichen Integration quasi- kontinuierlich aufgenommener Mikrowellenenergie geringen Pegels; wohingegen sich der einzeln auftretende HPM-Impuls bei sehr hoher Amplitude durch extrem kurze Pulsdauer (typisch in der Größenordnung von Nanosekunden) auszeichnet. Hochleistungsimpulse, die nur derart kurzzeitig anstehen, liefern, wenn sie von den erwähnten Testgeräten überhaupt erfasst und verarbeitet werden können, nur die Anzeige einer zeitlich gemittelten Impulsstrahlungsleistung in der Größenordnung von wenigen Watt. Diese Anzeige ist aber nicht charakteristisch für eine HPM-Beeinflussung, weil auch konventionelle Strahler niedriger Dauerleistung ein vergleichbares Messergebnis liefern. Und zur Richtungsbestimmung hinsichtlich eines HPM-Angriffes versagen die klassischen Peilmethoden mit Rahmen- und anderen Richtantennen zum cw-Empfang schon deshalb, weil die Dauer einer typischen HPM-Ausstrahlung dafür viel zu kurzzeitig ist.Not for one However, such detection are the most common, even as an electrosmog-Warner designated test equipment about to check the tightness of microwave cooking appliances or measuring the emission from cellular antennas. Because the function of such test equipment is based on the temporal integration of quasi-continuously received microwave energy low level; whereas the singly occurring HPM pulse at very high amplitude due to extremely short pulse duration (typically in of the order of magnitude of nanoseconds). High-power pulses that only so briefly Wait, deliver, if by the mentioned test equipment at all can be recorded and processed, only the display of a time-averaged pulse radiation power in the order of magnitude of a few watts. This ad is not characteristic for one HPM-interference, because conventional radiators low continuous power a comparable Deliver measurement result. And to determine the direction of a HPM attack fails classic bearing methods with frame and other directional antennas for cw reception, if only because the Duration of a typical HPM broadcast for that much too short.

Dagegen wird die vorstehend umrissene Aufgabe erfindungsgemäß durch die in den Hauptansprüchen angegebenen wesentlichen Merkmale gelöst. Sowohl die verfahrensmäßige wie auch die apparative Lösung beruhen beide übereinstimmend auf der hier erfindungsgemäßen Überlegung, dass wegen der sehr hohen Feldstärke der distanziert aufeinander folgenden HPM-Impulse zu deren Detektion eine Antenne mit hohem Antennengewinn nicht erforderlich ist; dass sogar eine nicht abgestimmte sehr kleine Dipol-Antenne mit ihrer Rundumcharakteristik zu differentiellem Erfassen des richtungsunabhängig empfangenen, nur kurzzeitig (über Nanosekunden bis allenfalls Mikrosekunden) anstehenden Impulsfeldes zu bevorzugen ist. Denn eine solche nicht abgestimmte Antenne reagiert nur schwach auf die permanente Umfeldstrahlung etwa von einer Mobiltelefoninfrastruktur oder von Funkfernwirkeinrichtungen; andererseits reagiert sie hinreichend auf die mit breitem Frequenzspektrum quasi singulär auftretenden HPM-Impulse mit ihren jeweils extrem hohen Feldstärken. Die sind sowohl in horizontaler wie auch in vertikaler, also in beiden zueinander orthogonalen Polarisierungen zu erfassen, was durch differentielle Messungen der zeitlichen Ableitungen des momentanen elektrischen Feldes etwa mittels der so genannten D-Dot-Sonden durchführbar ist, wie sie an sich zur oszillographischen Pulsdarstellung kommerziell verfügbar und im Einsatz sind.On the other hand the object outlined above is achieved according to the invention those in the main claims specified essential characteristics solved. Both the procedural and also the apparative solution Both are consistent on the consideration here according to the invention, that because of the very high field strength the distanced consecutive HPM pulses for their detection one Antenna with high antenna gain is not required; that even an uncoordinated very small dipole antenna with all-round characteristics too differential detection of the direction-independent received, only for a short time (over nanoseconds to at most microseconds) to be preferred pulse field is. Because such a non-tuned antenna only weakly reacts on the permanent ambient radiation such as from a mobile phone infrastructure or radio remote control equipment; On the other hand, it responds sufficiently on the with a wide frequency spectrum quasi singular occurring HPM pulses with their extremely high field strengths. They are both horizontal as well as in vertical, ie in both mutually orthogonal polarizations to capture what through differential measurements of temporal derivatives the instantaneous electric field approximately by means of the so-called D-dot probes feasible is as they are commercially available for oscillographic pulse representation and are in use.

Ebenfalls der Detektion der HPM-Impulseinstrahlung im quasi kontinuierlich aber schwach strahlenden Umfeld dient eine dem Antennen-Dipol als Empfänger (Demodulator) nachgeschaltete HF-Diode mit einem Ansprechverhalten, das erst oberhalb eines bestimmten Mindestpegels der Empfangsfeldstärke einsetzt. Auch dadurch wird ein Reagieren der Detektionseinrichtung schon auf quasi kontinuierliche Umfeldstrahlung unterbunden.Also the detection of the HPM pulse radiation in the quasi-continuous but weakly radiating environment is the antenna dipole as a receiver (demodulator) Downstream RF diode with a response that only above a certain minimum level of reception field strength. Also by it a reaction of the detection device is already on quasi-continuous Surrounding radiation prevented.

Das wird durch nachfolgende Überlegung veranschaulicht: Um mit dieser Detektoreinrichtung eine HPM-Impulsquelle zu detektieren, die in einer vorgegebenen Entfernung eine bestimmte Impulsleistung abstrahlt, wird der Dipol-Antenne eine HF-Diode nachgeschaltet, die erst bei einer bestimmten Empfangsfeldstärke durchschaltet. Bei anwachsender Entfernung bleibt dieser Durchschalt-Mindestpegel von der empfangenen Feldstärke nur erreicht und überschritten, wenn die von der HPM-Impulsquelle effektiv abgestrahlte Leistung über der anwachsenden Detektions Entfernung quadratisch ansteigt. Derart hohe Abstrahlleistungen kommen bei konventionellen Strahlern aber nicht vor, auch nicht durch deren Feldüberlagerungen – das Ansprechen der Empfangsdiode steht deshalb für Detektion einer momentanen HPM-Einwirkung.The is illustrated by the following consideration: In order to detect an HPM pulse source with this detector device, at a given distance a certain pulse power is radiated, the dipole antenna is followed by an RF diode, the first at a certain reception field strength turns on. As the distance increases, this minimum turn-on level remains from the received field strength only reached and exceeded, if that from the HPM pulse source effectively radiated power over the increasing detection distance increases quadratically. so however, high emission rates occur with conventional radiators not even by their field overlays - the response of Reception diode is therefore for Detection of a momentary HPM exposure.

Die Tatsache des Ansprechens der HF-Diode liefert zudem für eine als typisch zu unterstellende Sendeleistung der HPM-Quelle eine Abschätzung ihrer momentan maximalen Entfernung vom mit der Detektionseinrichtung ausgerüsteten Objekt; denn bei einem Strahler jenseits jener Grenzentfernung würde die Empfangsfeldstärke zu gering zum Überwinden der Ansprechschwelle des Mindestpegels der HF-Diode werden.The The fact of the response of the RF diode also provides for a typical transmission power to be assumed by the HPM source is an estimate of their currently maximum distance from the detection device equipped Object; because with a spotlight beyond that boundary distance the Reception field strength too small to overcome the threshold of the minimum level of the RF diode.

Während so, mittels einer Detektionseinrichtung mit unabgestimmtem Antennen-Dipol vor einer HF-Diode mit Ansprechschwelle in Form eines Mindestpegels, ein HPM-Angriff als solcher sensiert ist, kann nach einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung mittels wenigstens zweier derartiger, zueinander beabstandeter Detektionseinrichtungen, eingesetzt etwa an Bord des zu schützenden Objektes wie eines Einsatzfahrzeuges in zu befriedenden Krisengebieten, auch eine Richtungsinformation bezüglich dieses momentanen HPM-Angriffes auf dieses Objekt gewonnen werden. Dazu wird die Zeitspanne des aufeinander folgenden Ansprechens zweier Detektionseinrichtungen ermittelt, also die Laufzeitdifferenz mit der eine von einem Impuls aus entfernter Quelle ausgehende und deshalb als eben unterstellbare Wellenfront nacheinander auf die zwei gegeneinander versetzt betriebenen Detektionseinrichtungen trifft. Dieser von einer Kurzzeitmesseinrichtung erfasste Zeitunterschied ist proportional dem Wegunterschied von der HPM-Quelle zu den beiden Detektionseinrichtungen und deshalb auch dem Sinus des Winkels zwischen der Verbindungsgeraden dieser beiden Detektionseinrichtungen und der Einfallsrichtung proportional. Das Messergebnis einer solchen Kurzzeitmesseinrichtung, die von der zuerst ansprechenden Detektionseinrichtung gestartet und von der nächsten wieder gestoppt wird, repräsentiert also eine Richtungsinformation zwischen der angreifenden HPM-Quelle und dem angegriffenen, mit den Detektionseinrichtungen ausgerüsteten Objekt.While so, by means of a detection device with uncoordinated antenna dipole in front of an RF diode with threshold in the form of a minimum level, an HPM attack is sensed as such, according to a development of the solution according to the invention by means of at least two such, spaced-apart detection devices used about aboard the protected Object such as an emergency vehicle in conflict areas to be pacified, also a directional information regarding this current HPM attack to be won on this object. This is the time span of the successive response of two detection devices determines, ie the transit time difference with the one of a pulse from a distant source outgoing and therefore as just imputable Wavefront successively on the two mutually offset detection devices operated meets. This time difference detected by a short-term measuring device is proportional to the path difference from the HPM source to the two detection devices and therefore also the sine of the angle between the connecting line of this both detection devices and the direction of incidence proportional. The measurement result of such a short-term measuring device by started the first responsive detection device and from the next is stopped again, so represents Direction information between the attacking HPM source and the attacked, equipped with the detection devices object.

Wegen der Rundumcharakteristiken der Dipole ist die so gewonnene Richtungsinformation allerdings noch zweideutig, d.h. der Ort der HPM-Quelle kann zur einen oder zur anderen Seite dieser Richtungsinformation gelegen sein. Die tatsächliche, vektorielle Richtung vom HPM-angegriffenen Objekt zur HPM-Quelle ergibt sich aus Laufzeitmessungen an einem Array aus wenigstens drei solchen Detektionseinrichtungen, die vorzugsweise nicht auf einer gemeinsamen Verbindungslinie angeordnet sind, sondern etwa an den Karosserie-Ecken eines durch HPM-Angriffe potentiell bedrohten Fahrzeuges. Auf dem kann die aktuelle Bedrohungsrichtung nun in Echtzeit als Vektor in einem Display fahrzeugorientiert oder eingenordet graphisch dargestellt werden.Because of The all-round characteristics of the dipoles is the direction information thus obtained but still ambiguous, i. the location of the HPM source can be used for one or the other side of this direction information located be. The actual, Vectorial direction from the HPM-attacked object to the HPM source results from runtime measurements on an array of at least three such detection devices, preferably not on a common connection line are arranged, but about at the body corners of a potentially threatened by HPM attacks Vehicle. On the current threat direction can now in real time Vehicle-oriented or nested as a vector in a display graphically displayed.

Für eine Entfernungsinformation, die genauer als die vorstehend beschriebene Abschätzung einer Höchstentfernung ist, kann gemäß einer zusätzlichern Weiterbildung der Erfindung der Unterschied der Empfangsamplituden an einzelnen Detektionseinrichtungen eines Array ausgewertet werden. Da die Feldamplitude eines empfangenen HPM-Impulses dem Abstand zu seiner HPM-Quelle umgekehrt proportional ist, ergibt das Verhältnis zwischen den Empfangsamplituden an zwei Detektionseinrichtungen unmittelbar eine grob abgeschätzte Entfernungsinformation zur HPM-Quelle. Diese Abschätzung ist desto genauer, je kürzer die Entfernung zwischen angreifender HPM-Quelle und angegriffenem Objekt ist, je geringer also der Unterschied zwischen der Bedrohungsentfernung und dem Detektorabstand ist. Bei den kleinen Wegdifferenzen zwischen den nacheinander auf den selben HPM-Puls ansprechenden Detektionseinrichtungen ergibt diese rechnerische Entfernungsabschätzung deshalb nur ungenaue Entfernungswerte bei großen Bedrohungsentfernungen; aber gerade kleine und somit aus dem Amplitudenvergleich relativ genau ermittelbare Bedrohungsentfernungen (in der Größenordnung bis etwa zu zehn Metern) sind für die Belange der Praxis besonders interessant, weil dann z.B. von einem bedrohten Fahrzeug aus eine nach Richtung und Entfernung aufgespürte, am Fahrbahnrand versteckt und personallos betriebene HPM-Quelle durch gezielten Beschuss unschädlich gemacht werden kann.For a distance information, more accurate than the above described estimate of maximum Distance is, can according to one zusätzlichern Development of the invention, the difference in the reception amplitudes be evaluated at individual detection devices of an array. There the field amplitude of a received HPM pulse to the distance is inversely proportional to its HPM source, gives the ratio between the Receive amplitudes at two detection devices directly one roughly estimated Distance information to the HPM source. This estimate is the more accurate, the shorter The distance between the attacking HPM source and the attacked object the smaller the difference between threat removal and the detector spacing. At the small path differences between the successively on the same HPM pulse responsive detection devices Therefore, this arithmetic distance estimation gives only inaccurate Distance values at large Threat distances; but just small and thus from the amplitude comparison relatively accurately identifiable threat removals (of the order of magnitude up to about ten meters) are for the interests of the practice are particularly interesting, because then of a threatened vehicle from a tracked by direction and distance, am Roadside hidden and unmanned HPM source through targeted shelling harmless can be made.

Die aktuelle Bedrohung eines Objektes mit HPM-Impulsen wird also erfindungsgemäß mittels wenigstens einer beim Objekt betriebenen Detektionseinrichtung festgestellt, in der ein nicht abgestimmter Antennen-Dipol mit Rundumcharakteristik eine HF-Diode mit ausgeprägter Ansprechcharakteristik bei einer Mindestfeldstärke speist, die wenigstens im oberen Bereich der Feldstärke quasi kontinuierlicher Umfeldstrahler liegt. Bei wenigstens zwei solchen unterschiedliche Abstände zum angreifenden HPM-Strahler aufweisenden Detektionseinrichtungen wird der Zeitunterschied deren Ansprechens als ein Maß für die Richtung und der Pegelunterschied nach dem Ansprechen als Maß für die Entfernung zum HPM-Strahler ausgewertet.The Current threat of an object with HPM pulses is thus according to the invention by means of at least a detection device operated at the object, in the one uncoordinated antenna dipole with omnidirectional characteristic one RF diode with pronounced Response characteristic feeds at a minimum field strength, the at least in the upper part of the field strength quasi continuous field radiator. At least two such different distances to the attacking HPM spotlight Having detection means, the time difference is the Response as a measure of direction and the level difference after response as a measure of distance evaluated for HPM spotlight.

Claims

A method for detecting an attack directed against an object to be protected attack with a short-term high-power microwave pulse by the reception of the object to be protected, characterized in that the electric field of the pulse receive direction independent but only at a minimum level, at least in the upper part of the value a short-term integral of the reception field strength of conventional continuous radiators, is measured differentially in two mutually orthogonal polarization directions.

Method according to claim 1, characterized in that that the period of time from the onset of receipt of a pulse field until its first crossing the minimum level as a measure of the maximum distance an attacking pulse source is evaluated.

Method according to claim 1 or 2, characterized that the field at least two staggered places receive and time differences of using the transgression of the Minimum level can be measured.

Process according to the preceding claim, characterized characterized in that measured time differences as a threat direction graphically displayed.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the difference of two staggered Received locations measured level as a measure of the removal of an attacking Pulse source is evaluated.

At one to be protected Object operated device for detecting a directed against the object Attack with a short-term high-power microwave pulse, characterized in that the detection device as receiving antenna an uncoordinated Having a dipole feeding a high threshold RF diode, their minimum levels at least in the upper range of the value of a Short time integral of the reception field strength of conventional continuous radiators is.

Device according to the preceding claim, characterized characterized in that at least two offset from each other Locally operated detection devices are provided, each in pairs control a short-time measuring device.

Device according to the preceding claim, characterized characterized in that a display for a vectorial display the threat direction is provided.

Device according to one of the three preceding claims, characterized characterized in that a maximum distance indication determined by the threshold is provided.

Device according to one of the four preceding claims, characterized characterized in that one of the difference of two reception levels controlled distance display is provided.