DE3614016A1 - Radartransparente folie mit steuerbarer infrarotreflexion fuer tarnzwecke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die es erlaubt, die Wärmeabstrahlung von Oberflächen zu regulieren und dadurch das Wärmebild eines Objektes zu beeinflussen. Die Vorrichtung eignet sich zur Tarnung gegen Wärmebildgeräte, indem die Kon­ turen des Hintergrundes am Ort des Objektes erzeugt werden oder indem die Konturen eines Objektes so erzeugt werden, dass ein vermeintliches Objekt entsteht, das in Wirklichkeit nicht vorhanden ist.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Vorrichtung ohne Verwendung metallischer Flächen realisiert werden kann und deshalb durchlässig ist für Radio- und Mikro­ wellen. Bevorzugte Anwendungen ergeben sich dadurch für die Tarnung von Radarkuppeln (Radome) und für die multispektrale Tarnung.

Die Tarnung von Objekten gegen Aufklärung durch Wärmebild­ geräte enthält eine besondere Problematik. Anders als im Sichtbaren ist im thermischen Infrarot-Bereich die Erkennbar­ keit eines Objektes nicht nur von dessen Oberflächeneigen­ schaften (wie Farbe, Reflexionsgrad, Rauhigkeit) abhängig, sondern wird zusätzlich durch die Temperatur der Oberfläche und die Temperaturen der Umgebung, des Hintergrundes und des Himmels bestimmt.

Zur Tarnung werden niedrigemittierende Anstriche eingesetzt. Diese Maßnahme verringert, proportional zur Höhe des Emis­ sionsgrades e der Oberfläche, die von diesem Objekt aus­ gehende Wärmestrahlung; besonders bei stärker erwärmten Ob­ jekten kann auf diese Weise eine Minderung der Entdeckbar­ keit erreicht werden.

Neben den Anstrichen sind andere Infrarot-Tarnmittel mit ähn­ licher Wirkung bekannt: beispielsweise niedrigemittierende Textilien, kaschierte Metallfolien, Infrarot-Tarnnetze mit metallischen Elementen (Schichten, Folien, Fäden), galvani­ sche niedrigemittierende Beschichtungen und ähnliches. Da sich aber die thermischen Verhältnisse der Umgebung, be­ dingt durch Sonnenstand, Wetterverhältnisse, Jahreszeiten und andere Einflüsse ständig ändern, ist es nicht möglich, ein Objekt im Infraroten mit einem Anstrich oder einem Tarn­ netz vollkommen wirksam zu tarnen, solange das Tarnmittel fest eingestellte Oberflächeneigenschaften besitzt. Um eine effektive Infrarot-Tarnung zu erreichen, sind also Tarnmittel erwünscht, deren Wärmestrahlung steuerbar ist und somit zu jeder Zeit an das Wärmebild des Hintergrundes ange­ passt werden kann.

Eine Vorrichtung dieser Art ist in der DE-OS 32 17 977 be­ schrieben. Nach dieser Erfindung wird die dem Beobachter zu­ gewandte Seite des Objektes mit einer geometrischen Struktur von heizbaren Flächen versehen, welche die Erzeugung einer beliebigen Temperaturverteilung ermöglicht.

Zur Aufrechterhaltung eines Temperaturprofils ist die stän­ dige Zufuhr von Energie zur Heizung der Oberflächenelemente in der Grössenordnung von 100 W/m² erforderlich. Diese Energie wird bei grösseren Flächen oder bei beweglichen Ob­ jekten oft nicht zur Verfügung stehen. In vielen Fällen, bei denen das Objekt bereits wärmer als die Umgebung ist, wird sich durch das Heizen der Temperaturkontrast noch verstärken. Man könnte entsprechend an die Anwendung von Kühlelementen (z. B. Peltierelemente oder Verdunstungsflächen) denken, diese Lösung würde sich jedoch in der technischen Ausführung sehr aufwendig gestalten, einen noch höheren Energiebedarf be­ sitzen und darüber hinaus Probleme aufgrund von Kondensations­ und Vereisungseffekten aufwerfen.

Die Wärmeabstrahlung eines Körpers wird nicht nur von seiner Temperatur, sondern auch vom Emissionsgrad ε seiner Ober­ fläche bestimmt. Ein niedriger ε-Wert verleiht erwärmten Körpern eine niedrige, scheinbare Temperatur, wodurch unter bestimmten Umständen eine Minderung der Entdeckbarkeit ent­ stehen kann. Der Einsatz niedrigemittierender (nicht variab­ ler) Oberflächenschichten für die Infrarot-Tarnung ist be­ kannt und z. B. in der DE-PS 30 43 381 beschrieben. Wie ein­ gangs dargestellt, ist nach diesem Stand der Technik eine universelle, wirksame Wärmebildtarnung ebenfalls nicht ge­ geben.

Gemeinsames Merkmal dieser infrarotaktiven Tarnmittel ist, dass die niedrigemittierende Wirkung durch Einlagerung von metallischen Schichten oder Partikeln erreicht wird. Niedrige Infrarot-Emissionsgrade unter etwa 70% treten an homogenen Materialien nur auf, wenn diese metallischen Charakter und eine gewisse metallische Leitfähigkeit besitzen. Herkömmliche metallhaltige IR-Tarnanstriche und IR-Tarnmittel besitzen einige typische Nachteile, welche ihre Verwendungs­ möglichkeiten und Wirksamkeit stark einschränken. Die Metallkomponente bewirkt, dass die Schichten für elektro­ magnetische Strahlung allgemein undurchlässig sind und eine starke Reflexionswirkung zeigen. Im sichtoptischen Bereich wird die unerwünschte Reflexion üblicherweise mit Hilfe von Farbpigmenten unterdrückt, dies ist jedoch im Mikrowellen- und Radiowellenbereich nicht möglich, so dass diese IR-Tarn­ mittel gegenüber Radaraufklärung keine tarnende Wirkung zeigen oder die Entdeckbarkeit eher noch erhöht wird, wenn das Objekt selbst radarneutral ist. Aus dem gleichen Grund können herkömmliche niedrigemittierende Schichten nicht zur Tarnung von Kommunikationsanlagen, wie Sende- und Empfangs­ antennen, Radarkuppeln und anderen derartigen Anlagen ver­ wendet werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der das Wärmebild eines Objek­ tes gezielt beeinflussbar und insbesondere an das Wärmebild seines Hintergrundes angleichbar ist, wobei diese Beeinflus­ sung nicht wesentlich mit einer Temperatursteuerung des Ob­ jektes oder der Vorrichtung verbunden ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch Steuerung des Wärmeemissionsgrades gelöst. Dazu wird der zu tarnende Körper mit einer flächenhaften Anordnung von Zellen überzogen. Jede Zelle besteht aus zwei übereinanderliegenden, infrarottrans­ parenten Folien, welche auf der Innenseite je eine Inter­ ferenzschicht tragen. Durch Abstandsveränderung der Folien wird unter Ausnutzung von Interferenzbeziehungen ein Schalt­ vorgang zwischen zwei Zuständen mit unterschiedlichem IR- Reflexionsgrad erreicht. Die erfindungsgemässe ε-Steuerung bietet gegenüber der bekannten Temperatursteuerung entschei­ dende Vorteile, wie geringer Energiebedarf, selbständiges Halten eines optischen Zustandes, einfache, leichte Ausfüh­ rungsform.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 die Wirkungsweise des vorgeschlagenen Tarnsystems mit pneumatischer Steuerung in zwei Zuständen,

Fig. 2 die Darstellung einer Kuppel und die Möglichkeit der Simulation nicht vorhandener Strukturen auf der Kuppel.

In Fig. 1 bestehen die Interferenzschichten 2 aus einem im Wärmestrahlungsbereich 8-12 µm (3. atmosphärisches Fenster) und 3-5 µm (2. atmosphärisches Fenster) durchlässigen Mate­ rial. Die Trägerfolien 4, beispielsweise aus Polyethylen, be­ sitzen geringere Brechungsindizes als die Schichten 2. Die Schichtdicke wird auf maximale Reflexion (d = λ/(4×n)) an der Einzelschicht abgestimmt, wobei n den Brechungsindex der Schicht und λ die Wellenlänge der Abstrahlung bedeutet.

Im Ausgangszustand sollen sich beide Flächen leicht vonein­ ander lösen, so dass ein Luftspalt 6 von einigen Mikrometern oder mehr entsteht. In diesem Zustand besitzt die Anordnung einen hohen Reflexionsgrad (Zustand A). Werden nun die beiden Folien zusammengebracht, z. B. durch Erzeugen eines leichten Unterdrucks im Zwischenraum 6, so entsteht aus den beiden reflektierenden λ/4-Schichten eine λ/2-Schicht mit hoher Durchlässigkeit (Zustand B).

Der Emissionsgrad im Zustand B wird bei der Verwendung von IR-transparenten Folien 4 durch den Emissionsgrad des da­ hinterliegenden Objektes 8 bestimmt, ist also in der Regel (keine metallisch blanke Oberflächen!) hoch.

Als mögliches Schichtmaterial kommt eine grössere Anzahl von Substanzen in Betracht. Die Auswahl richtet sich nach dem geforderten Transmissionsbereich im infraroten und im sicht­ optischen Spektrum, sowie nach praktischen, technischen Ge­ sichtspunkten, wie Herstellbarkeit, Haltbarkeit und Kosten. Breitbandige Tarnwirkung und gute Stabilität bietet die Gruppe der Halbleiter, wie Silizium, Germanium, Graphit, sowie Metallsulfide, Metallselenide und Metalltelluride, die auch als Rohstoff für kompakte IR-Fenster herangezogen Bereich gewünscht, sind oxidische Materialien wie beispiels­ weise SiO₂, Al₂O₃, SnO₂, In₂O₃, TiO₂, CeO₂, MgO, Fluoride wie MgF₂, PbF₂, BaF₂ und andere Verbin­ dungen mit ähnlichen Eigenschaften einsetzbar.

Statt flexibler Folien können ein oder zwei plattenartige Träger eingesetzt werden; stets muss jedoch mindestens das dem Wärmebildgerät zugewandte Element IR-transparent sein, um die gewünschte Wirkung zu erzeugen. Wahlweise kann die Folie oder Platte mit einer Schutzschicht überzogen sein, sie muss aber ebenfalls in jedem Fall im IR-Frequenzbereich der Anwendung transparent sein.

Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit - insbesondere bei der Ausführung mittels flexibler Folien 4 - wird zweckmässi­ gerweise ein die Zellen umgebender stabiler Rahmen 10 aus Kunststoff oder anderen Materialien verwendet. Der Rahmen 10 muss so dicht mit den Folien oder Platten abschliessen, dass ein Unterdruck aufgebaut werden kann. Werden plattenartige, selbsttragende Elemente eingesetzt, können die Zellen einfach durch Aufkleben oder Aufschweissen von Folien in Form luft­ dichter Blasen hergestellt werden. An einer Stelle in jeder Zelle muss die Zuführung einer Unterdruckleitung vorgesehen sein 12.

Anstelle der pneumatischen Steuerung können auch andere Bewegungsmechanismen mit elektromagnetischem, elektro­ statischem, elektrostriktivem, elektromotorischem oder an­ derem Antrieb eingesetzt werden. Besonders interessant an der pneumatischen Steuerung ist jedoch, dass sie völlig aus Kunststoff und nichtleitenden Komponenten aufgebaut werden kann und damit die Durchlässigkeit gegenüber anderen Spek­ tralbereichen - Radiowellen, Mikrowellen, Licht - erhalten bleibt.

Weitere Merkmale und Vorzüge der Erfindung sollen anhand typischer Anwendungen beschrieben werden, für die bisher keine Lösungen existieren.

Die erfindungsgemässe Tarnfolie kann sehr vorteilhaft zur Verkleidung von Radarkuppeln (Radome) eingesetzt werden. Die heutige Bauweise von Radomen hat sich im Hinblick auf die Detektierbarkeit im IR-Bereich als ausgesprochen ungünstig erwiesen. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit und Wärme­ kapazität der Radomaussenhaut (Kunststoff-Schaummaterial oder -Folien) ist die Oberflächentemperatur starken witterungs­ bedingten Schwankungen unterworfen, was diesen Objekten eine ungewöhnlich gut ausgeprägte Wärmebildsignatur verleiht. Gegenmaßnahmen mit herkömmlichen Tarnmitteln ohne Beein­ trächtigung der Radartransmission sind nicht bekannt.

Die Fig. 2 zeigt symbolisiert diesen Anwendungsfall. In Fig. 2a ist eine typische Signatur eines Radoms bei Sonnen­ einstrahlung gezeigt. Die obere Hälfte der Kugel ist stark erwärmt und hebt sich charakteristisch gegen den viel dunk­ leren Hintergrund ab. Bei Nacht sind die Hell-Dunkel-Ver­ hältnisse wegen der niedrigen Himmelstemperatur gerade umge­ kehrt, aber ebenso gut erkennbar. Mit Hilfe der erfindungs­ gemässen, an der Aussenfläche des Radoms angebrachten Vor­ richtung wird eine wirkungsvolle Konturenzerlegung hervor­ gerufen, indem typische Strukturen der Umgebung wie z. B. rechteckige Flächen bei landwirtschaftlichen Feldern (Fig. 2b, ohne Hintergrund) oder Siedlungen, Gebäudestrukturen (Fig. 2c) oder sonstige Landschaftformationen (Horizont­ linien, Hügelketten, Waldflächen, Flußläufe) simuliert werden.

Eine ähnliche Situation liegt vor bei der Tarnung von ande­ ren Anlagen und Komponenten der Übertragungstechnik, also Rundfunksendern, Fernmeldestationen, Satellitenempfangs­ antennen, Funkleitsystemen, Peil- und Aufklärungssystemen und anderen Anlagen. Alle diese im Verteidigungsfall unentbehr­ lichen Anlagen, die bisher als leicht erkennbar und verwund­ bar gelten, können mit Hilfe der Erfindung wirksam gegen Wärmebildaufklärung getarnt werden ohne jede Beeinträchtigung ihrer Funktion.

Weitere Anwendungen liegen bei der IR-Tarnung von Gebäuden, Strassen, Brücken etc.; ebenfalls strategisch sehr wichtige Objekte, die bisher gegenüber der Wärmebildbeobachtung nicht oder nur auf Kosten erhöhter Radarerkennbarkeit zu schützen sind. Vorteilhaft hierbei ist auch, dass die erfindungs­ gemässe Tarnvorrichtung nicht ständig - wie ein Anstrich - vorhanden sein muss.

Eine Anwendung, bei der die Durchlässigkeit im Mikrowellen­ bereich ebenfalls als entscheidende Voraussetzung eingeht, sind radarabsorbierende Materialien und Strukturen. Diese heute bekannten Tarnmittel gegen Radaraufklärung sind aus­ nahmslos gute IR-Emitter und deshalb im Wärmebild leicht detektierbar, andererseits aber mit niedrigemittierenden Anstrichen auf Metallbasis nicht zu behandeln, da dann die Radarabsorberwirkung verlorengeht.

Die obenerwähnten Varianten zur Konturenzerlegung und Sig­ natursimulation können natürlich auch hier vorteilhaft ein­ gesetzt werden.

Bei der denkbaren Anwendung der erfindungsgemässen Tarnvor­ richtung auf Fahrzeuge, Schiffe, Flugzeuge, Stahlbrücken, Stahlmasten und anderen Einrichtungen kommt ein besonderer Aspekt hinzu. Diese Objekte weisen aufgrund ihrer vorwiegend aus Metall bestehenden Struktur eine deutliche und charak­ teristische Radarsignatur auf. Dieses Problem kann grund­ sätzlich durch Anwendung von Radarabsorbern und multispek­ traler Tarnvorrichtung, wie oben beschrieben, gelöst werden. Sind jedoch Radarabsorber aus irgendwelchen Gründen (Gewicht, Kosten, Verfügbarkeit) nicht erwünscht oder nicht möglich, dann kann mit Hilfe der erfindungsgemässen Tarnvorrichtung ein kombinierter IR-Radareffekt dadurch erzielt werden, dass die Zellen der Tarnvorrichtung objektseitig ganzflächig oder teilweise metallisiert werden. Bestimmte charakteristische Radarsignaturen des Objektes können auf diese Weise aufge­ hoben oder verfälscht werden.

Eine zusätzliche Tarnwirkung im sichtbaren oder nahen Infra­ rot ist durch Anwendung eingefärbter Kunststoff-Folien mög­ lich. Werden Folien oder Platten mit guter optischer Transpa­ renz eingesetzt, dann kann die visuelle Tarnwirkung durch hinterlegte und damit leicht veränderbare Farbanstriche er­ reicht werden oder sie ist durch den vorhandenen Tarnanstrich des Objektes bereits gegeben.

Nachfolgend werden einige weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung erwähnt:

Bei Verwendung von Interferenzschichten mit hohem Brechungs­ index wird die erzielte Wirkung weitgehend unabhängig vom Beobachtungswinkel. Die mit der einfachen Anordnung von Fig. 1 entstehenden Interferenzeffekte sind so breitbandig, dass bei entsprechender Schichtdickenabstimmung der gesamte Fre­ quenzbereich des Detektors im 3-5-µm- oder 8-12-µm-Band erfasst wird. Es können auf diese Weise Schalthübe im Emis­ sionsgrad von 60% erzeugt werden (Zustand A: ε = 20%; Zu­ stand B: ε = 80%). Es ist auch ein Simultaneffekt in beiden IR-Fenstern möglich, dann muss der Brechungsindex der Inter­ ferenzschichten jedoch auf einen bestimmten, berechenbaren Wert festgelegt werden, oder es müssen mehrlagige Interfe­ renzfilme eingesetzt werden.

Die Methode ist nicht auf die Schaltung von zwei Extrem­ zuständen beschränkt. Es können auch Zwischenwerte des Emis­ sionsgrades eingestellt werden, wenn eine Zellfläche in wei­ tere Einheiten unterteilt wird, deren Dimension nicht mehr vom beobachtenden Wärmebildgerät aufgelöst wird. Dann ent­ spricht die Anzahl der Unterelemente, die sich in einem Zu­ stand befinden, einer bestimmten ε-Abstufung.

Aus der Optik der Interferenzschichten ist bekannt oder kann sofort abgeleitet werden, dass die hier vorgeschlagene Lö­ sung über Abstandsveränderung verschiedene Extremwerte der Interferenz einzustellen, durch eine Vielzahl von Schicht­ anordnungen verwirklicht werden kann. Diese grundsätzlich vorhandenen Kenntnisse können nutzbringend zur technischen Ausgestaltung der Erfindung herangezogen werden. Stellver­ tretend für die vielen möglichen Varianten, sollen hier einige Beispiele genannt werden:

• - Statt der symmetrischen Anordnung von λ/4-Schichten (Fig. 1) kann auch nur eine λ/4-Schicht zum Einsatz kommen. Hat die korrespondierende Oberfläche (zu der der Abstand variiert wird) einen höheren Brechungsindex als die Interferenzschicht selbst, kann der Phasensprung an der Grenzfläche Interferenzschicht/Luftspalt verändert werden.
• Aus einem Reflexionsmaximum im Zustand mit Luftspalt wird ebenfalls ein Reflexionsminimum im Zustand ohne Luftspalt.
• - Dieses Prinzip kann auch verwendet werden für eine Antireflex-Schicht auf Metall (Zustand: Minimum der Reflexion). Wird die Schicht vom Metall getrennt, ergänzen sich die Reflexionsanteile an der Schicht und an der Metalloberfläche zu sehr hohen Werten. Wegen des Imaginäranteils des Brechungsindex des Metalls ergibt sich in diesem Fall für die Inter­ ferenzschichtdicke keine reine λ/4-Beziehung.
• - Eine weitere Variante besteht darin, dass die Inter­ ferenzschichten nicht aus homogenem Material bestehen, sondern aus zwei halbdurchlässigen Metallfilmen, welche durch eine Abstandsschicht ( g/4, λ/2) getrennt sind.

Die beiden letztgenannten Versionen würden wegen der Metall­ flächen den Vorteil der multispektralen Anwendung nicht oder nicht in vollem Maße vermitteln.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Tarnung von Objekten gegen eine Aufklä­ rung, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt mit einer flächenhaften Anordnung von Zellen überzogen ist und der Emissionsgrad der Zellen unabhängig voneinander steuerbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen aus mindestens zwei Folien (4) bestehen, von denen mindestens eine infrarottransparent ist und minde­ stens eine auf der Innenseite eine Infrarot-Interferenz­ schicht (2) trägt, und dass der Luftspalt zwischen den Folien mit einem Mechanismus aufbaubar und abbaubar ist.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass, unter Ausnutzung von Interferenzbeziehun­ gen, der IR-Reflexionsgrad und Emissionsgrad des Folien­ systems zwischen zwei Zuständen schaltbar ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Folien (4) nach den Ansprüchen 1 bis 3 durch plattenartige Elemente ersetzt sind.

5. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, dass das Zusammenpressen und Lösen der Elemente pneu­ matisch, beispielsweise durch einen geringen Unterdruck und Überdruck, steuerbar ist.

6. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, dass die Bewegung der Elemente mittels eines elektro­ magnetischen, elektrostatischen, elektrostriktiven oder elektromotorischen Antriebs steuerbar ist.

7. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, dass die Form und Anordnung der Zellen in beliebiger geometrischer Form gestaltet ist.

8. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, dass die Ausdehnung der Zellen kleiner gewählt ist als die laterale Auflösung der Wärmebildkamera des Beob­ achters und dadurch Grauwertabstufungen und weiche Kontu­ ren hervorrufbar sind.

9. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 5 und 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Wärmebildtarnung von Radomen und anderen Antennenanlagen und Übertragungsstationen einsetzbar ist.

10. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, dass sie zur Wärmebildtarnung von Gebäuden, Brücken, Strassen, Flugplätzen und ähnlichen Einrichtungen ein­ setzbar ist.

11. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 8 und 10, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Zellen objektseitig ganz oder fleckenweise metallisiert sind und zur multispektralen Tarnung von vorwiegend metallischen Objekten einsetzbar sind.