Математическая морфология.

Электронный математический и медико-биологический журнал. - Т. 10. -

Вып. 3. - 2011. - URL:

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-31-html/TITL-31.htm

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-31-html/cont.htm

УДК 621.391.161

ПРОБЛЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ

АППАРАТОВ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫМИ УСТРОЙСТВАМИ

Ó 2011 г. Соловьев В. А., Купреев А. В., Жендарев М. В., Якименко И. В.

(solovjov.doc)

В статье рассмотрены методика эксперимента и модели излучения беспилотного летательного аппарата, которые могут быть использованы в дальнейшем для оценки ожидаемой дальности ОЭУ, работающего в инфракрасном диапазоне волн.

Ключевые слова: оптико-электронные устройства, беспилотные летательные аппараты.

Основу любой информационной системы наблюдения за воздушным движением составляют радиолокационные станции, обеспечивающие обнаружение и измерение координат воздушных целей. Однако радиолокационные станции представляют собой достаточно сложные и громоздкие устройства, работа которых небезопасна для обслуживающего персонала и окружающего населения.

В качестве альтернативы радиолокационным станциям или пока в качестве дублирующих средств в настоящее время используются приборы оптического диапазона, в том числе и оптико-электронные устройства (ОЭУ) инфракрасного диапазона волн, работающие в пассивном режиме, т. е. без излучения электромагнитной энергии в пространство. По дальности действия такие устройства уступают радиолокационным, зато позволяют получить выигрыш в стоимости и скрытности работы и безопасности.

Последнее десятилетие наряду с традиционными пилотируемыми летательными аппаратами широко внедряются в практику беспилотные летательные аппараты (БПЛА), которые могут привлекаться как для ведения воздушной разведки местности, наблюдения за объектами, дистанционного мониторинга природных ресурсов, так и в военных целях. Их характерными особенностями являются: малые размеры, малая мощность двигательной установки, применение при их изготовлении композитных материалов. Это делает обнаружение БПЛА с помощью радиолокационных станций практически невозможным. Оценить возможности обнаружения БПЛА с помощью ОЭУ инфракрасного диапазона волн пока не возможно по причине отсутствия каких либо сведений о характеристиках собственного излучения таких воздушных целей. В связи с этим возникает необходимость в проведении работ, связанных с экспериментальным определением силы излучения беспилотных летательных аппаратов в полете и оценка возможности их обнаружения с помощью ОЭУ инфракрасного диапазона волн.

Одним из возможных путей решения задачи обнаружения воздушных целей с помощью ОЭУ является использование тепловизоров. Их принцип действия основан на том, что лучистый поток, создаваемый наблюдаемыми объектами, фокусируется с помощью оптической системы (объектива) на светочувствительную матрицу приемников лучистой энергии (либо линейную, либо прямоугольную).

Сигналы с выходов элементов светочувствительной матрицы подвергаются соответствующей обработке, переводятся в цифровую форму и отображаются на экране монитора в виде яркостных отметок. В результате удается получить на экране монитора видимое изображение наблюдаемых объектов на фоне местности.

Имеющиеся в настоящее время тепловизоры выпускаются, в основном, зарубежными производителями. Их основные характеристики приведены в таблице 1 [1], а внешний вид некоторых из них на рисунке 1.

К характерным особенностям современных тепловизоров относится то, что почти все они работают в диапазоне длин волн 8–14 мкм, имеют малые габариты и массу (1,3–3 кг), высокое пространственное разрешение, составляющее 0,33–2,5 миллирадиан (1,1–8,25 угловых минут), просты и удобны в использовании. По данным, приведенным в [1], дальность обнаружения с помощью современных тепловизоров составляет: человека – 1,9 км; автомобиля – 3 км; самолета – 7,7 км.

а б в

Рисунок 1 – Тепловизоры: а – IR913; б – IR510; в – ТН5102

В то же время все они имеют малое поле зрения, что приводит к необходимости ручного сканирования пространства при поиске воздушных целей (так же как и при использовании бинокля) вместо регулярного обзора пространства.

Одной из отечественных разработок инфракрасных средств обнаружения является оптико-электронная станция «Феникс» [2]. Она позволяет осуществлять круговой обзор пространства и обнаруживать самолеты на дальностях до 15 км. В то же время это устройство достаточно громоздко (может перевозиться на бронетранспортере либо на грузовом автомобиле), что затрудняет его размещение на боевых машинах ЗРК малой дальности.

Таким образом, в складывающейся ситуации возникает необходимость разработки альтернативных ОЭУ инфракрасного диапазона волн, способных осуществлять в пассивном режиме регулярный обзор пространства и производить своевременное обнаружение воздушных целей.

При проектировании оптико-электронных обнаружителей возникает потребность в информации о количественных характеристиках излучения типовых воздушных целей в инфракрасном диапазоне волн при различных условиях полета, а также о характеристиках излучения облачного неба, на фоне которого цели наблюдаются. Если характеристики излучения неба уже ранее исследовались как теоретически, так и экспериментально [3], то характеристики излучения целей в полете пока не достаточно изучены. В работе [4] сделана попытка получения данных об излучении двух типов самолетов: Як-52 и Ил-76.

В последнее время широкое применение находят беспилотные летательные аппараты (БПЛА), которые несут на себе, в зависимости от назначения, либо разведывательную аппаратуру, либо ретранслятор, либо аппаратуру постановки помех [5]. По существу они представляют собой радиоуправляемые аэромодели с геометрическими размерами в несколько метров (1–5 м), выполненные из композитных материалов. По этой причине их эффективная поверхность рассеяния чрезвычайно мала, что вызывает затруднения в их обнаружении с помощью радиолокационных средств. Вместе с тем они могут быть обнаружены с помощью ОЭУ инфракрасного диапазона.

Для выполнения исследований, указанных выше, основные усилия были сосредоточены на решении следующих задач:

изучении разработанных ранее методик проведения экспериментальных исследований энергетической яркости излучения и силы излучения самолетов;

изучении методики обработки результатов натурных измерений и при необходимости внесении в неё доработок;

проведении натурных измерений яркостей излучения БПЛА в полете;

проведении моделирования процесса обнаружения нового типа воздушной цели – беспилотного летательного аппарата и построении ожидаемой зоны её обнаружения инфракрасным обнаружителем с заданными параметрами.

Для решения задач разработки перспективных оптико-электронных обнаружителей инфракрасного диапазона волн, работающих в пассивном режиме, необходимо обосновывать выбор: оптической системы, приёмника лучистой энергии, способа обработки сигналов и т. д. При этом следует учитывать ожидаемые типы воздушных целей, их траектории полетов, поскольку от этих факторов зависит энергетическая яркость собственных излучений летательных аппаратов. Кроме того, необходимо учитывать и характеристики излучения облачного неба, на фоне которого воздушные цели будут наблюдаться, т. е. оптические помехи естественного происхождения.

Поскольку факторов, влияющих на процесс обнаружения целей в пассивном режиме, много, целесообразно в ходе проектирования провести имитационное математическое моделирование процесса обнаружения БПЛА разрабатываемым обнаружителем при различных условиях полёта цели и метеорологических ситуациях.

Для проведения имитационного моделирования процесса обнаружения воздушной цели необходимо иметь в распоряжении, наряду с пространственным распределением фоновых излучений неба, зависимость энергетической яркости летательного аппарата в полете от углов его визирования относительно точки наблюдения, т. е. математическую модель излучения.

Математические модели излучения фонов облачного неба ранее были получены при проведении экспериментальных исследований [7]. В то же время данные об излучении воздушных целей пока ограничены. В ряде доступных литературных источников такая информация имеется. В частности, в работах [6, 7, 8] приводятся данные об излучении самолетов: “Боинг-707”, “Дуглас В-66”, “F-104” в диапазоне длин волн 3,2–4,8 мкм, обусловленном излучением двигательной установки, которые получены расчетным путем на основании информации о распределении температур на выходе из сопла реактивного двигателя и в прилегающем пространстве.

Приводятся также данные об излучении обшивки самолетов “Х-15”, “ХВ-70А”, “Конкорд”, “Боинг-737” за счет аэродинамического нагрева (в диапазоне 8–13 мкм) [7, 9]. При этом указываются расчетные данные и отдельные результаты натурных измерений яркостей, но отсутствуют сведения о пространственном распределении излучения, что не позволяет построить индикатрисы излучения самолетов.

В [9] приводятся расчетные индикатрисы излучения самолета “С-47” с двумя поршневыми двигателями в диапазоне 4,2–4,8 мкм, из которых следует, что энергетическая яркость таких самолетов существенно меньше, чем у реактивных и турбореактивных.

Из анализа информации, приведенной в доступных литературных источниках, можно судить о том, что в настоящее время имеются сведения об излучении самолетов в инфракрасном участке спектра, но они ограничены и представляют собой интегральные оценки по соответствующим участкам спектра, что затрудняет их использование при рассмотрении конкретного ОЭУ, работающего в ограниченном диапазоне длин волн. К тому же каждый тип самолета имеет свои характеристики излучения. В силу перечисленных выше причин имеющаяся в настоящее время информация об излучении самолетов не может быть использована для проведения математического моделирования излучения цели в полете с требуемой достоверностью, что, в свою очередь, не позволяет получить достоверные характеристики обнаружения. Она может быть использована в качестве оценочной. По этой причине возникает необходимость в проведении экспериментальных исследований собственных излучений типовых целей в интересах построения математических моделей, описывающих поведение энергетических яркостей самолета в зависимости от дальности, метеорологических условий и ориентации самолета относительно точки наблюдения. Для выполнения таких исследований потребовалось разработать методику проведения натурных измерений и соответствующие аппаратные средства.

Таблица 1.1 – Технические характеристики современных тепловизоров

Параметр	Образцы тепловизоров
	IR913	IR920	IR510, IR512	ТН5102	ТН7102	ТН3	ТН-4604МП-100
Спектральный диапазон, мкм	8–14	8–14	8–14	8–12	7,5–14	8–13	8–14
Поле зрения, град	17×12	40×30	9×6,8 8×6	21,5×21,5	29×22	–	9×7
Пространственное разрешение, милирад.	1	2,25	0,5–0,6	1,5	0,33	–	1
Габаритные размеры, мм	164×90×98	146×84×82	220×108×103	198×98×235	97×110×169	110×116×430	290×150×130
Вес, кг	1,5	1,5	1,8 2,0	3,8	1,69	3,5	2,7
Приемник лучистой энергии	320×240 не охлажд.	320×240 не охлажд	320×240 не охлажд	HgCdTe охлажд.	320×240 не охлажд	–	320×240 не охлажд
Дальность обнаружения, м	–	человека - 250 машины- 1000	человека -1200	–	–	–	самолета - 7700
Температурное разрешение, ^оС	0,08	–	0,1	0,03	0,08	0,15	0,1

В качестве аппаратных средств использован мобильный измерительно-вычислительный комплекс (рисунок 2), обладающий следующими характеристиками:

· ширина поля зрения радиометра: 2525 минут дуги;

· рабочие спектральные диапазоны: 2,6–4,2 и 8–13 мкм;

· пороговая чувствительность по энергетической яркости:

для диапазона 2,6–4,2 мкм: 1,98·10-6 Вт·см^-2·ср^-1;

для диапазона 8–13 мкм: 9,09·10-6 Вт·см^-2·ср^-1;

· погрешность измерения энергетических яркостей:

для диапазона 2,6–4,2 мкм; 8,4 %;

для диапазона 8–13 мкм: 9,2 %;

· сектор сканирования:

по азимуту: ±350º; по углу места: 0–70º;

· диапазон измеряемых расстояний: от 150 до 10 000 м.

Рисунок 2 – Мобильный измерительно-вычислительный комплекс:

1 – штатив, 2 – вертикальный шток, 3 – горизонтальная платформа, 4 – вертикальная опора, 5 – качающаяся часть, 6 – радиометр, 7 – датчик азимута, 8 – датчик угла места, 9 – ЭВМ, 10 – блок усилителей, 11 – оптический визир, 12 – юстировочное устройство, 13 – лазерный бинокль-дальномер ЛДИ-3-1, 14 – модуль АЦП/ЦАП Е14-440

Рисунок 3 – Внешний вид мобильного измерительно-вычислительного комплекса

В процессе проведения измерений излучения самолета оператор в ручном режиме сопровождает воздушную цель, совмещая перекрестие оптического визира комплекса с целью. При этом в поле зрения радиометра попадает как сама воздушная цель, так и участок облачного неба (фон), ограниченный диаметром пятна (рисунок 4). По этой причине на каждом выходе радиометра будет регистрироваться сигнал, соответствующий как излучению самолета, так и излучению фона, т. е. энергетическая яркость смеси излучения фона и цели . Для выделения полезного сигнала, т. е. сигнала цели, необходимо из суммарного сигнала произвести вычитание сигнала, соответствующего энергетической яркости фона.

Рисунок 4 – Перекрытие целью поля зрения радиометра

Параметры текущего фонового излучения неба определяются сразу же после проведения измерений яркости цели по методике, изложенной в [3], с помощью того же мобильного ИВК, поэтому фоновое излучение можно рассчитать с учетом коэффициента перекрытия целью поля зрения радиометра

, (1)

где – площадь пятна, образуемого полем зрения радиометра на дальности

– площадь проекции самолета на картинную плоскость, перпендикулярную направлению визирования цели.

В этом случае энергетическая яркость фона в поле зрения радиометра рассчитывается по формуле

, (2)

где – энергетическая яркость текущего фона (при отсутствии цели) при заданном виде облачности и угловых координатах и , определяемая с помощью математической модели излучения фона, полученной на основании результатов измерений сразу же после пролета цели.

Теперь при известной фоновой составляющей излучения можно по результатам измерений определить энергетическую яркость цели

. (3)

По найденной величине энергетической яркости исследуемой цели затем вычисляется её сила излучения по формуле

. (4)

Для того чтобы реализовать процедуру вычислений по формулам (1 – 4), необходимо определить коэффициент перекрытия фона целью при различных углах ее визирования, что в свою очередь требует нахождения площади проекции воздушной цели на картинную плоскость , перпендикулярную линии визирования цели как функции угловых координат и . Решение этой задачи применительно к БПЛА осуществлялось путем фотографирования летательного аппарата при различных ракурсах (рисунок 5) и вычисления его площади проекции после обработки снимка (рисунок 6).

Рисунок 5 – Беспилотный летательный аппарат на поворотном устройстве

Рисунок 6 – Обработанный снимок БПЛА, подготовленный для вычисления

площади его проекции на картинную плоскость

Натурные измерения характеристик излучения беспилотного летательного аппарата «Сэмэль-006» проводились 27 октября 2010 года в районе аэродрома «Южный» (г. Смоленск). Объектом исследований был БПЛА «Сэмэль-006», который совершали полеты по «коробочке» вдоль взлетно-посадочной полосы, как на встречных, так и на догонных курсах относительно точки наблюдения. В ряде залетов полеты выполнялись на постоянной высоте (150–1600 м) и несколько пролетов проводились с набором высоты и со снижением, что позволяло проводить измерения при полетах на курсовых углах, близких к 0 или 180º. Измерения проводились с помощью мобильного измерительно-вычислительного комплекса, описанного выше.

При каждом пролете БПЛА мимо измерительно-вычислительного комплекса производилось его сопровождение осью радиометра в течение 40 секунд, а регистрация измеряемых энергетических яркостей в диапазонах 2,6–4,2 и 8–13 мкм, азимута и угла места осуществлялась автоматически с помощью ЭВМ с дискретностью 0,0009 с, что позволяло проводить наблюдение на всем участке прямолинейного полета. Одновременно производилось измерение горизонтальной дальности до БПЛА с помощью аппаратуры GPS, установленной на аппарате и на пункте управления, в фиксированные моменты времени с помощью лазерного дальномера определялась наклонная дальность.

Всего было проведено 11 залетов БПЛА.

После проведения измерений в каждых 5 залетах БПЛА проводилось определение яркости фона облачного неба в секторе, где наблюдались пролеты с помощью радиометра комплекса. Для этого выполнялось сканирование пространства осью радиометра в секторе 100º по азимуту при углах места: 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40º. Все измерения проводились при слоистой облачности 7–9 баллов, когда небо затянуто практически сплошной серой пеленой, т. е. фон облачности был равномерным. В процессе исследований регистрировались также температура воздуха, атмосферное давление, относительная влажность с помощью портативной метеостанции.

Зарегистрированные результаты натурных измерений в дальнейшем были подвергнуты обработке в соответствии с процедурами (1–4). В результате были получены модели излучения БПЛА, как функции зависимостей силы излучения от углов визирования летательного аппарата (рисунки 7 и 8).

Рисунок 7 – Модель пространственного распределения силы излучения

БПЛА «Сэмэль-006»в диапазоне волн 8–13 мкм

Рисунок 8 – Модель пространственного распределения силы излучения

БПЛА «Сэмэль-006» в диапазоне волн 2,6–4,2 мкм

Числовые значения на графиках приведены в Вт·ср^-1·10⁴.

Полученные на основании экспериментальных данных модели излучения беспилотного летательного аппарата могут быть использованы в дальнейшем для оценки ожидаемой дальности обнаружения такой воздушной цели ОЭУ, работающего в инфракрасном диапазоне волн. Погрешность моделей не превышает 10 % от оцениваемой величины силы излучения БПЛА. Наибольшие погрешности наблюдаются при визировании цели на встречном и догонном курсе при курсовом параметре, близком к 0 и малых углах места (1–2°). В остальных случаях среднеквадратическая ошибка в определении силы излучения оказывается меньше 10 %.

литература

1. Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. М.; «Логос», 2004, 452 с.

2. Сайт: http://www.diagnost.ru/index.htm

3. Алленов А. М. и др. Стохастическая структура излучения облачности. С-Пб, Гидрометеоиздат, 2000, 178 с.

4. Соловьев В. А. и др. Экспериментальное исследование характеристик инфракрасного излучения самолетов в полете. Смоленск, ВА ВПВО ВС РФ, 2009, 86 с.

5. Сайт: http://www.zala.aero/ru/news/1297768565.htp.

6. Хадсон Р. Инфракрасные системы. М., Мир, 1972, – 534 с.

7. Криксунов Л. З. Справочник по основам инфракрасной техники. Изд. Сов. радио, 1978. – 300 с.

8. Сафронов Ю. П., Эльман Р. И. Инфракрасные распознающие устройства. М.; Воениздат, 1964. – 464 с.

9. Лазарев Л. П. Инфракрасные и световые приборы самонаведения и наведения летательных аппаратов. М.; Машиностроение, 1966. – 388 с.

DETECTION PROBLEMS PILOTLESS FLYING MACHINES

OPTIKO-ELECTRONIC DEVICES

Solovjov V.A., Kypreev A.V., Zhendarev M.V., Yakimenko I.V.

In article the technique of experiment and model of radiation of a pilotless flying machine which can be used further for an estimation of the expected range.

Key words: Optiko-electronic devices, pilotless flying machines.

Военная академия войсковой ПВО Вооруженных Сил Российской Федерации имени Маршала Советского Союза А.М. Василевского

(ВА ВПВО ВС РФ)

Поступила в редакцию 20.09.2011.