Niewidzialność. Radary i nie tylko.

Transkrypt

1 Niewidzialność Radary i nie tylko.

2 Kamuflaż naturalny Jak kameleony zmieniają barwę? 2 warstwy wyspecjalizowanych komórek leżących poniżej przezroczystej zewnętrznej skóry jaszczurki: *Chromatofory w górnej warstwie, zawierają żółty i czerwony pigment. *Guanofory w dolnej warstwie, zawierają bezbarwne kryształki guaniny, odbijające niebieską część padającego światła.

3 Kamuflaż naturalny Jak to działa: jeśli chromatofory są żółte to światło odbite staje się zielone żółty + niebieski zielony (mieszanie substraktywne) Jeszcze głębiej umieszczona jest warstwa ciemnej melaniny zawierająca melenofory wpływające na jasność i nasycenie odbijanego światła.

4 Skąd wynika potrzeba niewidzialności? W technikach zbrojeniowych: przyczyny są dość oczywiste. Nie tylko samoloty i pociski. Coraz więcej urządzeń elektronicznych znajduje się wszędzie. Wszystkie emitują promieniowanie elektromagnetyczne interferujące ze sobą. Może to zakłócać pracę wielu układów.

5 Niewidzialność: nie tylko radar Inne czynniki, nie mniej ważne to: dźwięk widok ciepło sygnały wysyłane przez urządzenia elektroniczne.

6 Zaczniemy jednak od ukrycia obiektu przed radarem Samoloty, samochody, statki,..

7 Zakresy częstotliwości Visible Thermal IR Radar

8 Zakresy częstotliwości Widzialne nm ( um) Bliska podczerwień (NIR) nm ( um) Podczerwień (TIR) um 3-5 um and 8-14 um are the bands of interest for thermal missile and surveillance Fale mm Battlefield Surveillance radars Mikrofale 1 to 30 cm, Fire Control radars to Early Warning radars

9 Historia Wbrew pozorom, prace nad poszukiwaniem sposobów ukrycia okrętów podwodnych przed radarem nie są nowe. Początki sięgają II wojny światowej. Stosowano wówczas 2 rodzaje materiałów absorbujących promieniowanie.

10 Historia 1 to warstwa gumy z cząstkami magnetycznymi (kompozyt), absorbująca promieniowanie 3 GHz;

11 Historia 2 to gruby (7.5 cm) wielowarstwowy materiał złożony z warstw oporowych przedzielonych plastikiem o małej stałej dielektrycznej. Przewodnictwo warstw oporowych rosło od wierzchu w głąb materiału, co powodowało duże tłumienie padającego promieniowania. Zakres częstotliwości: 2-18 GHz.

12 Jak działa radar Antena wysyła silny impuls fal radiowych; Impuls natrafia na samolot i odbija się; Odbity sygnał jest rejestrowany przez tę samą antenę; Położenie i prędkość samolotu wyznacza się na podstawie efektu Dopplera.

13 Jak działa radar Howstuffworks.com

14 Jak można oszukać radar Można rozproszyć energię promieniowania emitowanego przez antenę; Można zaabsorbować energię a następnie wyemitować ją w postaci ciepła.

15 Jak obliczyć widzialność : przekrój czynny. Moc promieniowania rozproszonego przez obiekt na jednostkę kąta bryłowego (steradian) w kierunku radaru podzielona przez gęstość mocy promieniowania padającego na obiekt. Wielkość ta (Radar Cross Section, RCS) ma wymiar powierzchni.

16 Jak zależy odległość detekcji od RCS: RCS Reduction 0%, 0 db 90%, 10 db Detection Range 100 (arbitrary) 56 RCS Reduction / db %, 20 db 99.9%, 30 db % Detection Range %, 40 db 10

17 RCS ptaka w tzw. paśmie S (2-4GHz) krzyżówka mewa gawron gołąb szpak

18 RCS-y różnych obiektów

19 B 52 B-1A B-1B F-117A B ,1 0,01 technologia stealth sprawia, że echo radarowe takich samolotów można wykryć dopiero z odległości <20km Typowy RCS - Skuteczna powierzchnia odbicia (m 2 ) Ciężarówka 200 Liniowiec Jumbo jet 100 Duży bombowiec 40 Duży samolot myśliwski 5-6 Dorosły mężczyzna 1 Konwencjonalne pociski 0.5 Ptaki 0.01 Insekty Źródło: Skolnick, Introduction to Radar Systems

20 Jak osiągnąć niewidzialność Rozproszenie promieniowania odbitego; Absorpcja promieniowania padającego; Wygaszenie promieniowania odbitego;

21 Jak osiągnąć niewidzialność Kształt obiektu Bierne wygaszenie promieniowania odbitego (poprzez odpowiednią konstrukcję powierzchni samolotu); Czynne wygaszenie promieniowania odbitego; Materiały absorbujące promieniowanie.

22 Kształt Piotr Ufimtsev w 1966 roku opublikował Method of Edge Waves in the Physical Theory of Diffraction Obliczył przekroje czynne różnych obiektów 2D; Echo 1 program komputerowy do obliczania optymalnych kątów dla samolotów F-117A Samolot powinien składać się z wielu płaskich powierzchni.

23 Kształt Łatwo to zrozumieć patrząc na bieg promienia światła po przejściu np. przez taki żyrandol jak na rysunku obok.

24 Kształt Gdy kształt samolotu jest zaokrąglony, wówczas zawsze część promieniowa nia odbitego dotrze do detektora.

25 Kształt: gdy jest wiele, różnie nachylonych płaskich powierzchni: jest jeszcze lepiej

26 Struktura powierzchni samolotu Specjalne absorbujące struktury pod wierzchnią powłoką samolotu F- 117A Przechwytywały promieniowanie padające i odbijały je w różnych kierunkach (rozpraszając w ten sposób energię). Pierwszy: SR-71 Blackbird

27 Struktura powierzchni samolotu RADAR beam

28 przestrzenie wewnętrzne są wypełnione materiałami syntetycznymi absorbującymi mikrofale układ konstrukcyjny niewidzialnego samolotu Lockheed F-117A Struktury osłabiające echo radarowe Samolotu Lockheed SR-71 Blackbird

29 Struktura powierzchni samolotu Inny sposób: padające promieniowanie się odbija, ale tak, że fala padająca i odbita wygaszają się. ¼ λ

30 Struktura powierzchni samolotu Inny sposób: padające promieniowan ie się odbija, ale tak, że fala padająca i odbita wygaszają się.

31 Struktura powierzchni samolotu Również efekty dyfrakcyjne mogą być wykorzystane w tzw. powierzchniach selektywnych (frequency-selective surfaces), zbudowanych w postaci równomiernie rozłożonych struktur pełniących funkcję anten.

32 Struktura powierzchni samolotu

33 Materiały absorbujące promieniowanie Materiały Kompozyty z włóknami węglowymi Materiały węglowe zawierające ferryt RAM powoduje zmniejszenie przekroju czynnego: obiekty wydają się mniejsze

34 Materiały absorbujące promieniowanie B-2 I samolot o konstrukcji całkowicie kompozytowej: KOMPOZYTY Epoksygrafitowe Aramidowe FARBY iron ball paint carbonyl iron ferrite C 5 FeO 5 / Fe(CO) 5 (karbonyl żelaza) Samolot rozpoznawczy Lockheed SR-71 Blackbird pokryty farbą tłumiącą fale radarowe

35 Jak materiał absorbuje promieniowanie: Materiały magnetyczne: Gdy promieniowanie elektromagnetyczne pada na powierzchnię samolotu, oddziałuje ono z materiałem magnetycznym: przemagnesowanie, ruch domen magnetycznych itd. Powoduje to rozpraszanie promieniowania padającego, a w dodatku znaczna część energii zamieniana jest na ciepło.

36 Jak materiał absorbuje promieniowanie Materiały przewodzące Pole elektryczne indukuje prąd w materiale.materiał ma opór, pojemność, indukcyjność, z przepływem prądu wiążą się straty energii, tzn. energia fali elektromagnetycznej zamienia się w ten sposób na ciepło.

37 Materiały absorbujące promieniowanie Obecność fazy magnetycznej (lub przewodzącej)powoduje silne oddziaływanie promieniowania z materiałem. Obecność fazy niemetalicznej powoduje, że promieniowanie wnika do wnętrza materiału.

38 Materiały absorbujące promieniowanie

39 Typy materiałów absorbujących promieniowanie Dallenbach Layer Absorber Metal Impedance Matching Resonant Absorbers Graded Interface Tuned Layer Magnetic Material Salisbury Screen Jaumann Layers

40 Materiały absorbujące promieniowanie Dobrymi materiałami absorbującymi promieniowanie są pianki.

41 Materiały absorbujące promieniowanie Problemy Materiały nie powinny mieć defektów szczególnie są zagrożone w czasie tankowania; Duże koszty $14.5 millionów (F-117) Wpływ warunków atmosferycznych, pogody itp..

42 Materiały absorbujące promieniowanie: przyszłość F-22 Raptor Stopy absorbujące promieniowanie (chwilowo tajne) Szkło absorbujące promieniowanie (zawierające stop miedzi) Absorbujące farby.

43 Materiały absorbujące promieniowanie FARBY iron ball paint karbonylżelaza C 5 FeO 5 / Fe(CO) 5 Samolot rozpoznawczy Lockheed SR-71 Blackbird pokryty farbą tłumiącą fale radarowe

44 Technologia anty-antyradarowa Radar pracujący przy długościach fali większych niż rozmiar samolotu. Bi- i multistatyczne radary Radary szerokopasmowe (trudniej zrobić materiał RAM)

45 Bi- i multistatyczne radary Radary najczęściej pracują impulsowo: emitują silny impuls promieniowania i następnie mierzą impuls odbity od przeszkody. W rezultacie, łatwo je wykryć. Obecne tendencje są takie, aby radar emitował promieniowanie ciągłe, odpowiednio modulowane, a detekcja odbywała się za pomocą innych anten.

46 Bi- i multistatyczne radary NOTABENE: Pierwsze radary emitowały falę ciągłą i były bistatyczne. Dużym problemem było tło i rozmaite zakłócenia z ziemi. Dlatego rozwinięto techniki impulsowe. Obecnie, wskutek rozwoju cyfrowych technik obróbki sygnału stał się możliwy rozwój technik nieimpulsowych. Pierwszy praktycznie stosowany radar ciągły (tylko Dopplerowski) to radar policyjny.

47 Bi- i multistatyczne radary Więcej niż jedna antena odbiorcza.

48 Bi- i multistatyczne radary

49 Bi- i multistatyczne radary Takie radary mają większą czułość, większy zasięg, a wyniki są bardziej jednoznaczne. Zasięg praktycznie zależy jedynie od ilości anten odbiorczych.

50 Bi- i multistatyczne radary Takie radary (anteny odbiorcze) mogą być przewożone.

51 Radar TV Przeprowadzono eksperymenty z zastosowaniem fal UHV do detekcji obiektów wojskowych. Pierwsze eksperymenty dały nie najlepszy rezultat (zasięg 10 km).

52 Technologia antyantyradarowa: inne metody Detekcja gazów wydechowych Wykorzystanie subtelnych efektów polegających na tym, że końcówki skrzydeł generują turbulencje, które zmieniają współczynnik załamania światła, co odbija sygnał radaru.

53 Kamuflaż termiczny

54 Kamuflaż termiczny Rozkład energii światła słonecznego 5% UV (mniej niż 400 nm) 45% zakres widzialny 50% podczerwień

55 Kamuflaż termiczny Światło padające na obiekt jest albo odbite, albo rozproszone, albo pochłonięte przez materiał Promieniowanie pochłonięte zamienia się w ciepło.

56 Kamuflaż termiczny Każdy człowiek, każdy obiekt, urządzenie, pojazd itd. emituje promieniowanie cieplne o intensywności i zakresie długości fali zależnym od temperatury powierzchni ciała i jej zdolności emisyjnej.

57 Kamuflaż termiczny Obiekty o temperaturze około 500 o C emitują promieniowanie o λ 1 2 µm; o C: λ 3 5 µm o C: λ 8 12 µm

58 Kamuflaż termiczny Czułość detektorów termicznych jest obecnie taka, że mogą one zmierzyć różnicę temperatur między obiektem a otoczeniem 0.1 o C i mniej. Ukrycie np. czołgu na tle otoczenia, które ma np. 20 o C jest ekstremalnie trudne. W dodatku temperatura otoczenia się zmienia.

59 Materiały Warstwy (np. farby) zmniejszające współczynnik odbicia promieniowania IR zawierają zazwyczaj drobiny metalu, które musza być tak przygotowane aby nie odbijały zbyt silnie promieniowania widzialnego. Może to być też materiał warstwowy (tkanina, folia metalowa, tkanina). % Reflectivity Wavelength (nm)

60 Porównanie Statek pokryty warstwą ochronną (lewy) i bez warstwy. Czołg pokryty warstwą ochronną (lewy) i bez warstwy.

61 Kamuflaż adaptacyjny

62 Kamuflaż adaptacyjny Optoelektroniczne układy, sensory i ekrany zbudowane tak, aby niektóre obiekty wydawały się wręcz przezroczyste. Jest to kamuflaż, który dostosowuje się do warunków otoczenia.

63 Kamuflaż adaptacyjny Jak to działa: Układ składa się z elastycznych, płaskich wyświetlaczy tworzących płaszczyznę (coś w rodzaju tkaniny) osłaniającą wszystkie powierzchnie ukrywanego obiektu. Każdy ekran jest wyposażony w układ sensorów, które rejestrują obraz przed sobą. Obraz ten, ze pomocą światłowodów jest przekazywany do wyświetlacza z drugiej strony obiektu i tam wyświetlany (każdy ekran wyświetla to, co jest ZA NIM).

64 Kamuflaż adaptacyjny W Star Treku cloaking device został użyty po raz pierwszy przez Romulan. Ich niewidzialność była całkowitym zaskoczeniem dla załogi USS Enterprise, która rozważała niewidzialność jedynie jako teoretycznie istniejącą możliwość.

65 Kamuflaż adaptacyjny Wybrane przykłady Żołnierze (kamuflaż fotochromatyczny) Czołgi (chłodzenie Peltier, ciekłe kryształy) Samoloty(fotochromatyczny lub elektrochromatyczny)

66 Kamuflaż adaptacyjny 18. II. 2003: Z tyłu znajduje się kamera. Obraz kamery jest przekazywany na powierzchnię płaszcza.

67 Kamuflaż adaptacyjny: materiały Ten rodzaj kamuflażu bazuje na organicznych elementach optoelektronicznych Oraz:

68 Kamuflaż adaptacyjny Materiał peleryny niewidki jest pokryty tysiącami kuleczek, które odbijają światło idealnie do tyłu. Taki materiał jest idealnie nieprzezroczysty - pełni funkcję ekranu.

69 Kamuflaż adaptacyjny Cały system:

70 Kamuflaż adaptacyjny Nie jest to, niestety, prawdziwy i idealny kamuflaż Jest właściwie jednokierunkowy; Wymaga wyposażenia technicznego; Nie likwiduje cienia.

71 Materiały elektrochromatyczne Glass Electrochromic film Transparent conductor Glass Electrolyte Transparent conductor Counter electrode + - WO 3 + xm + + xe - M x WO 3 Bezbarwne Niebieskie

72 Ciekłe kryształy V + Protective Topcoat Polymer Dispersed Liquid Crystal Transparent Top Electrode Conductive Mesh Base Electrode Fabric Coloured /Patterned Layer

73 Najnowsza generacja materiałów Kamuflaż "plazmonowy". Gdy światło padające na metal ma częstotliwość równą częstotliwości plazmonów (drgania gazu elektronowego), metal jest przezroczysty. Naukowcy badają "materiały" zbudowane z dielektrycznych kuleczek pokrytych materiałem o odpowiedniej częstości drgań plazmy oddziałują ze światłem.

74 Najnowszy sposób kamuflażu Ugięcie światła (światło biegnie wokół obiektu pokrytego tzw. metamateriałem).

75 Zwyczajne załamanie światła λ 1 λ 2

76 Czy takie załamanie jest możliwe?

77 Załamanie NORMALNE UJEMNE Przezroczysty materiał

78 Możliwe rozwiązania n =± εµ n =± ( ε)( µ ) ABSORPCJA +ε, -µ +ε, +µ Dodatnie n Ujemne n!! -ε, -µ -ε, +µ ABSORPCJA

79 Czy istnieją takie materiały?

80 LHM (Left-handed materials) Potrzebne są sztuczne materiały o -ε, -µ Są to tzw. metamateriały.

81 Umieszczenie w dielektryku metalowych pierścieni (przeciętych) i metalowych prętów tworzy odpowiednie właściwości I SRR E y H x I ROD Rezonans magnetyczny (ujemne µ) y x Rezonans elektryczny (ujemne ε) z

82 Rozmiar Pręty metalowe (ε < 0 pt. E II z); (b) przecięte pierścienie (µ < 0 pt. H II y). Ważny jest rozmiar! p << λ

83 Pierścień jest układem LCR AC current H(ω) INDUCED E.M.F. L ~ V R C I di V = L + IR + dt Q C µ(ω)

84 Krótkie druty prowadzą do zależności ε(ω) d << λ Conducting Wire a z y a 2r x Sieć periodyczna przewodzących drutów

85 Wynki doświadczalne ( ) Pierwsze wyniki ( ) mikrofale (5 GHz -20 GHz) Później ( ) podczerwień GHz, THz, sute THz Obecnie promieniowanie widzialne

86 Mikrofale: pierwsze wyniki Metamateriał z n < 0 w zakresie mikrofal (a) Rezonator: inele întrerupte şi tije metalice (b) Właściwości dielektryczne i magnetyczne ε r < 0 şi µ r < 0 (c) Spectrul de putere transmisă: numai tije metalice: verde; numai inele întrerupte: albastru; ambele: roşu transmisie = propagare.

87 Mikrofale: pierwsze wyniki Ujemny współczynnik załamania w zakresie mikrofal (J. B. Pendry, D. R. Smith, Phys. Today, June 2004, p. 37) (a) Symulacja pryzmatu z n < 0, (b) Symulacja pryzmatu z n > 0 (teflon), (c) Doświadczenie, pryzmat z metamateriału o n < 0 (d) Doświadczenie, teflon.

88 Mikrofale: rozwój

89 Od mikrofal do światła widzialnego

90 Od mikrofal do światła widzialnego Średnia podczerwień (λ 4.6 µm) (S. Zhang et al, PRL 94, (2005)

91 Od mikrofal do światła widzialnego Dist. orificii: 838 nm; diametru orificii: 360 nm (S. Zhang et al, PRL 95, (2005)) Grosimi Au/Al 2 O 3 /Au: 30/60/30 nm n < 0 pentru λ = 2 µm

92 Światło widzialne n < 0; λ 0.47 µm

93 Jak to się robi? TRANSPARENT ELECTRODE PHOTO-RESIST ELECTRONS GLASS SPIN COATING E- BEAM WRITING GOLD LIFT OFF GOLD EVAPORATION DEVELOPMENT

94 Kamuflaż

95 Literatura Paul Saville, DRDC Atlantic / Dockyard Laboratory Pacific Davin E. Leinenbach Krzysztof Kulpa, Uniwersytet Warszawski Continuous wave radars-monostatic, multistatic and networks Wiedza i życie Atak z powietrza 3/99, (9/89) H.D. Griffiths, University College London, Bistatic and multistatic radar