DE102006037209B4

DE102006037209B4 - Device for detecting high power microwave pulses

Info

Publication number: DE102006037209B4
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: 2010-08-12
Anticipated expiration: 2026-08-10
Also published as: DE102006037209A1

Abstract

An einem zu schützenden Objekt betriebene Detektionseinrichtung zum Detektieren eines gegen das Objekt gerichteten Angriffes mit einem kurzzeitigen Hochleistungs-Mikrowellenpuls,
welche eine Empfangsantenne in Form eines unabgestimmten Dipols aufweist, der nur schwach auf permanente Umfeldstrahlung von einer Mobiltelefoninfrastruktur oder von Fernwirkeinrichtungen reagiert,
wobei der unabgestimmte Dipol eine HF-Diode speist, deren Ansprechschwelle zumindest so hoch ist, dass die HF-Diode, bezogen auf ein Kurzzeitintegral über einige Nanosekunden, erst oberhalb der Empfangsfeldstärke der permanenten Umfeldstrahlung durchschaltet, und
wobei die Detektionseinrichtung eingerichtet ist, bei Durchschalten der HF-Diode einen gegen das Objekt gerichteten Angriff mit einem kurzzeitigen Hochleistungs-Mikrowellenpuls zu detektieren.On a protected object operated detection device for detecting an object-directed attack with a short-term high-power microwave pulse,
which has a receiving antenna in the form of an uncoordinated dipole which reacts only weakly to permanent ambient radiation from a mobile telephone infrastructure or from telecontrol equipment,
wherein the uncoordinated dipole feeds an RF diode whose threshold is at least so high that the RF diode, based on a short-time integral over a few nanoseconds, only turns on above the received field strength of the permanent ambient radiation, and
wherein the detection device is set up to detect an attack against the object with a short-term high-power microwave pulse when the RF diode is switched on.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Detektieren von kurzzeitigen Hochleistungs-Mikrowellenpulsen.The The invention relates to a device for detecting short-term High power microwave pulses.

Aus der US 4,876,551 ist eine Vorrichtung zur Detektion eines plötzlich auftretenden elektromagnetischen Pulses bekannt, welche insbesondere zur Detektion eines elektromagnetischen Pulses aufgrund einer nuklearen Explosion geeignet ist. In dieser Patentschrift wird darauf abgezielt, eine genaue Unterscheidung zwischen der Detektion eines elektromagnetischen Pulses aufgrund einer nuklearen Explosion einerseits und der Detektion eines elektromagnetischen Pulses aufgrund eines natürlichen Phänomens (z. B. Blitzschlag) andererseits zu gewährleisten. Es wird also angestrebt, elektromagnetische Signale mit ähnlicher zeitlicher Intensitätsentwicklung voneinander zu unterscheiden, nämlich kurzzeitige Pulse, wie sie z. B. bei Nuklearexplosionen und Blitzen auftreten.From the US 4,876,551 is a device for detecting a sudden electromagnetic pulse is known, which is particularly suitable for the detection of an electromagnetic pulse due to a nuclear explosion. This patent is intended to ensure a precise distinction between the detection of an electromagnetic pulse due to a nuclear explosion on the one hand and the detection of an electromagnetic pulse due to a natural phenomenon (eg lightning strike) on the other hand. It is therefore desirable to distinguish electromagnetic signals with similar temporal intensity development from each other, namely short-term pulses, as z. B. occur in nuclear explosions and lightning.

Aus der US 5,856,803 ist ein Verfahren zur Detektion eines Angriffs mit einer Radiowellenwaffe bekannt. Die Antenne der zu diesem Verfahren verwendeten Detektionseinrichtung ist so ausgelegt, dass sie möglichst alle eintreffenden Radiosignale empfängt. Die Antenne ist also auf einen hohen Antennengewinn ausgelegt.From the US 5,856,803 is a method for detecting an attack with a radio wave weapon known. The antenna of the detection device used for this method is designed so that it receives as possible all incoming radio signals. The antenna is thus designed for a high antenna gain.

Aus der US 5,561,364 ist eine Antenne bekannt, welche eine Diode speist.From the US 5,561,364 For example, an antenna is known which feeds a diode.

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.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 disturb electronic circuits in particular on 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, 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 to z. B. timely protection and defensive measures to activate.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die technische Aufgabenstellung zugrunde, unter möglichst weitgehender Verwendung preiswerter, da kommerziell verfügbarer Komponenten eine derartige HPM-Detektion durchzuführen.In Recognition of these facts is the invention of the technical Task based, as far as possible use cheaper, since commercially available Components perform such an HPM detection.

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 recorded 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 Detektionseinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Diese Lösung beruht auf der 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 the detection device according to claim 1 solved. This solution based on the consideration 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.Likewise, the detection of the HPM pulse radiation in the quasi-continuously but weakly radiating environment is followed by an RF diode connected downstream of the antenna dipole as a receiver (demodulator) with a response which only starts above a certain minimum level of the reception field strength. This also makes reacting the detection device already quasi continuous surface radiation is suppressed.

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 HF-Diode 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 radiates the dipole antenna is followed by an RF diode, which only switches through at a certain reception field strength. With growing Distance remains this minimum switching level of the received field strength only reached and exceeded, when the power effectively radiated by the HPM pulse source is above the increasing detection distance rises quadratically. Such high radiation power comes in conventional Spotlights but not before, not even by their field overlays - the response of RF diode stands 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 operated on the two offset against each other Detection devices meets. This from a short-term measuring device detected time difference is proportional to the path difference of 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, d. H. 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 vector as vector in a display vehicle-oriented or nested 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 concerns of practice particularly interesting, because then z. B. from an endangered vehicle from a tracked to the 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 determined according to the invention by means of at least one operated at the object detection device in which a non-tuned antenna dipole omnidirectional characteristic fed an RF diode with pronounced response at a minimum field strength, at least in the upper region of the field strength quasi continuous field radiator. At least two such different distances to attack the HPM radiator detection means, the time difference of their response as a measure of the direction and the level difference after the response is evaluated as a measure of the distance to the HPM radiator.

Claims

On a protected object operated detection device for detecting an attack directed against the object a short-term high-power microwave pulse, which one Receiving antenna in the form of an uncoordinated dipole, the only weak on permanent ambient radiation from a mobile phone infrastructure or from telecontrol equipment, being the uncoordinated one Dipole feeds an RF diode whose threshold is at least as high is that the RF diode, based on a short-time integral over some Nanoseconds, above the reception field strength of the permanent ambient radiation turns on, and wherein the detection device is set up is, by switching the RF diode a directed against the object Attack with a short-term high-power microwave pulse too detect.

Device with at least two on against each other staggered locations operated detection devices according to claim 1, each in pairs a short-term measuring device for measuring the time differences of the switching times of the respective RF diodes drive.

Apparatus according to claim 2, wherein the device adjusted, from the measured time differences the direction to determine from which the attack comes.

Apparatus according to claim 3, wherein a display for a graphical Presentation of the detected attack direction is provided.

Device according to one of claims 2 to 4, wherein one of the threshold certain maximum distance indication is provided.

Device according to one of claims 2 to 5, wherein one of the difference between two reception levels controlled distance display is provided.