Обнаружение и распознавание воздушных объектов с помощью многоканальных оптико-электронных систем
ВОЕННАЯ МЫСЛЬ № 4/2011, стр. 55-64
Обнаружение и распознавание воздушных объектов с помощью многоканальных оптико-электронных систем
Полковник в отставке В. К. ЗОЛОТУХИН, доктор технических наук
Полковник запаса Ю.В. КРИНИЦКИЙ, кандидат военных наук
Подполковник ВС Сирии А.А. ДАЙУБ
ЗОЛОТУХИН Валерий Константинович родился в 1941 году в Ленинграде. В 1971 году окончил Военную инженерную радиотехническую академию имени Маршала Советского Союза Л.А. Говорова. С 1971 года на научной и преподавательской работе во 2 ЦНИИ МО РФ и ВА ВКО имени Маршала Советского Союза Г.К. Жукова. Доктор технических наук, старший научный сотрудник, заслуженный изобретатель Министерства оборонной промышленности РФ.
КРИНИЦКИЙ Юрий Владимирович родился 2 сентября 1959 года в городе Ахтырка Украинской ССР. Выпускник Минского СВУ и Минского ВИЗРУ. С 1981 по 1988 год проходил службу на Урале в частях ЗРВ. Закончил Военную командную академию ПВО в Твери и адъюнктуру при академии. С 1994 по 2010 год прошел путь от преподавателя до профессора кафедры оперативного искусства. В 2010 году уволен в запас. Продолжает научно-педагогическую деятельность. Автор более 110 научных трудов. Кандидат военных наук, профессор.
ДАЙУБ Абдель Хамид Али родился 23 февраля 1970 года в городе Латтакия (Сирийская Арабская Республика). В 1994 году окончил Одесское высшее военное объединенное командно-инженерное училище ПВО, в 2000 году - Военную академию имени Аласад в городе Халеб, Сирия. С 2008 года - адъюнкт Военной академии воздушно-космической обороны имени Маршала Советского Союза Г.К. Жукова.
|
АННОТАЦИЯ. Предлагается новый метод обнаружения и распознавания летательных аппаратов по их конденсационным следам с помощью многоканальных оптико-электронных систем. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: контроль воздушного пространства, летательный аппарат, обнаружение и распознавание, конденсационный след, оптико-электронная система, инфракрасный диапазон излучения. SUMMARY. The article proposes a new method for detection and identification of aircraft through their condensation trails using multichannel optoelectronic systems. KEYWORDS: control of airspace, aircraft, detection and identification, condensation trails, optoelectronic system, infrared range of radiation. |
ВАЖНЕЙШЕЙ ЗАДАЧЕЙ контроля использования воздушного пространства является выявление степени опасности наблюдаемых летательных аппаратов (ЛА) и их распределение по соответствующим группам: самолет, терпящий бедствие, нарушитель государственной границы, неопознанный воздушный объект и др. В условиях войны обнаружение и распознавание средств воздушного нападения (СВН) необходимо для их ранжирования по приоритету, последующего целера-спределения средствам ПВО и уничтожения.
Для обнаружения ЛА, а тем более их идентификации (определения принадлежности к определенному классу или типу) создаются и совершенствуются информационные системы, работающие в радиолокационном и оптическом диапазонах волн.
В этих целях наиболее широко применяются радиолокационные средства. Однако их эффективность снижается при постановке помех. В таких условиях для обнаружения и распознавания воздушных объектов необходимо использовать другие способы или средства, например многоканальные оптико-электронные системы (МОЭС) видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазона.
Один из способов повышения достоверности обнаружения ЛА в сложных радиолокационных условиях - комплексная обработка совокупности сигналов пассивных телевизионных и тепловизионных (инфракрасных) каналов МОЭС, обнаруживающих и сопровождающих ЛА по их собственному тепловому излучению и по отраженному от них солнечному излучению.
Но есть и другие демаскирующие признаки. Каждый ЛА с работающим двигателем оставляет за собой возмущенную область атмосферы, которая выглядит как белые полосы. Данные полосы образуются в тропопаузе в результате конденсации паров воды, содержащихся в воздухе и в продуктах сгорания углеводородного топлива. Наблюдения за следом пролетевшего самолета (рис. 1) позволяют утверждать, что его возникновение происходит примерно на расстоянии от 40 до 120 м от двигателя самолета. В последующем след изменяется под действием развивающегося вихревого потока и ветра. Появление видимых следов от ЛА может происходить только при определенных атмосферных условиях: высота полета от 8 км и выше, температура окружающего воздуха ниже минус 40°С, влажность окружающего воздуха 70 %.
Высокая концентрация в единице объема микроскопических капелек и кристалликов льда создает преломление и рассеивание солнечного света и делает конденсационный след от самолета видимым на некоторое время. Экспериментальные исследования параметров конденсационного следа и условий его возникновения проводились с целью разработки модели его наблюдаемости для оценки качества обнаружения летательных аппаратов в различных погодных условиях. В ходе эксперимента были получены новые научные результаты.
Рис. 1. Разновидности конденсационных следов летательных аппаратов
Во-первых, в зависимости от положения летательного аппарата относительно солнца и точки наблюдения были зафиксированы характерные ситуации: когда контрастная характеристика ЛА относительно фона (неба) близка к нулю, самолет неразличим на фоне неба (рис 1 а б), когда контраст значителен, ЛА представляет собой сильно отражающий свет объект (рис. 1 в, г); при определенном расположении наблюдателя, солнца и ЛА на последнем появляются блестящие точки которые засвечивают сам объект (рис.1 д); когда самолет находится в облаках незначительной интенсивности, конденсационный след демаскирует его местоположение (рис. I е).
Для более полного охвата условий обстановки и сравнения контрастных характеристик различных СВН, на рисунке 1 ж показан конденсационный след аэродинамического ЛА, а на рисунке I з - след от ракеты.
След аэродинамического ЛА состоит в основном из двух частей: «факела» и конденсационной (видимой) части. Для «факела» характерным свойством является тепловое излучение (температура выхлопных газов находится в пределах 500 - 600" С), а для конденсационной части - рассеяние светового потока от центров конденсации, которое делает след видимым.
Во-вторых, конденсационный след видим независимо от взаиморасположения ЛА, солнца и наблюдателя, но его длина и яркость существенно чувствительны к этим точкам. Такая связь объясняется тем, что световой луч с длинной волны λ рассеивается неоднородно на частицах следа во всех направлениях. Наибольшее количество света рассеивается вперед (как если бы свет проходит через частицу насквозь) и в обратном направлении (к солнцу), а в направлении, перпендикулярном солнечному лучу, света рассеивается вдвое меньше.
Рис. 2. Рассеяние светового потока от частиц различного размера:
а - при молекулярном рассеянии; б - для частиц диаметром 1/3 λ ;
в - для частиц диаметром λ; г - для частиц диаметром 3 λ
д - для частиц диаметром 40 λ
Методика обнаружения конденсационного следа предполагает выполнение двух этапов: первый - определение факта наличия облаков на фоне безоблачного неба в любое время суток; второй - распознавание природы происхождения облаков и при необходимости селекция конденсационных следов ЛА на фоне облаков верхнего яруса.
На первом этапе определяется значение альбедо исследуемой области пространства в видимом и в ближнем инфракрасном диапазонах. Альбедо (от лат. albus - белый) - характеристика отражающей способности поверхности объекта. Значение альбедо для определенной длины волны или диапазона длин волн зависит от спектральных критериев отражающей поверхности, поэтому альбедо измеряется для различных спектральных диапазонов (оптическое, ультрафиолетовое, инфракрасное альбедо). Истинное, или плоское, альбедо (А)- коэффициент диффузного отражения, т. е. отношение светового потока, рассеянного плоским элементом поверхности во всех направлениях, к потоку, падающему на этот элемент. По значению альбедо определяется наличие или отсутствие облаклов. При наличии облаков осуществляется переход на следующий этап.
На втором этапе производится расчет яркостной температуры поверхности облаков в инфракрасных диапазонах 10,3 - 11,3 мкм и 11,5 - 12,5 мкм.
В спектральном канале 10,3 - 11,3 мкм конденсационный след двигателя ЛА имеет более высокие значения яркостной температуры по сравнению с величинами яркостной температуры облаков верхнего яруса. В спектральном диапазоне 11,5- 12,5 мкм след ЛА обладает более низкими значениями яркостной температуры по сравнению с величинами яркостных температур облаков верхнего яруса.
Полученное телевизионным каналом МОЭС изображение поступает на вход устройства построчного сканирования матрицы оптического изображения (МхМ). В данном устройстве происходит сканирование каждого пикселя матрицы для преобразования оптического изображения в электрические сигналы (принцип работы цифровой фотокамеры).
Недостаток данной системы заключается в том, что время, необходимое для построчного сканирования всех элементов матрицы, прямо пропорционально размерам сканированной матрицы (МхМ), т. е. с увеличением размера матрицы увеличивается время ее сканирования (Тс - время обработки и анализа), что графически показано на рисунке 3.
Рис. 3. Зависимость времени обнаружения ЛА от размеров матрицы
С увеличением количества элементов в матрице оптического изображения (N3) возрастает время обнаружения летательного аппарата (Тобн), что в свою очередь замедляет процесс принятия решения и, как следствие, отрицательно влияет эффективность контроля воздушного пространства.
Для повышения эффективности контроля воздушного пространства, обнаружения и распознавания летательного аппарата в реальном масштабе времени определяется место нахождения ЛА или конденсационного следа на фоне облаков или на фоне неба по анализу спектрально-яркостных характеристик всех элементов изображения (ЛА, конденсационный след, небо, облака).
Выполнение сканирования изображений происходит в два этапа.
На предварительном этапе оптическое изображение (матрица МхМ) разделяется на секторы, каждый из которых соответствует матрице тхт, где т много меньше М. Определение сектора с ЛА осуществляется по спектрально-яркостному распределению пикселей в каждом секторе изображения поля зрения оптической системы. Для обнаружения ЛА устанавливается количество пикселей летательного аппарата, яркость которых превышает яркость фона неба и облачности. Физическая суть предлагаемого решения заключается в том, что интенсивность рассеянного света, отраженного от фюзеляжа ЛА и от конденсационного следа, всегда выше света, рассеянного атмосферой и облачностью. В первом случае это зеркальное отражение от поверхности самолета или от составляющих кристаллов конденсационного следа (в основном он состоит из пластинок), во втором - это диффузное рассеяние от облаков и фона неба.
На заключительном этапе спектрально-яркостного анализа полученных изображений из матрицы приемного устройства формируется область нахождения обнаруживаемого объекта, которая может состоять из одного сектора и как максимум включает четыре сектора. Определенная таким образом область в дальнейшем сканируется построчно по каждому пикселю для обнаружения в ней ЛА с высокой разрешающей способностью.
Путем многократных экспериментов установлено, что при оптимальном выборе количества секторов и размера матрицы (тхт) в соответствии с быстродействием использование предложенной модели позволяет уменьшить время, необходимое для обнаружения летательного аппарата, в несколько раз (рис. 4). Таким образом, предлагаемая методика позволяет существенно сократить время обнаружения летательного аппарата в поле зрения приемной матрицы.
Рис. 4. Временя обнаружения ЛА по принципу спектрально-яркостного анализа изображения в зависимости от количества секторов в матрице
Отличия в спектрально-яркостных характеристиках всех элементов изображения можно показать с помощью гистограмм спектрально- яркостного распределения данных элементов (рис 5 - 11).
Из анализа представленных гистограмм следует, что спектрально-яркостные характеристики различны не только для одного и того же участка неба в различных погодных условиях, но и для разных воздушных объектов на фоне одного и того же участка неба в одних и тех же погодных условиях. Это делает возможным получение своего рода спектральных «портретов» ЛА любого класса (стратегический бомбардировщик, тактический истребитель, крылатая ракета и т. д.) и даже конкретных типов внутри одного класса. Появляется возможность отличить А-320 от Боинга-747, аналогично F-16 от F-22, Су-27 от МиГ-31 и т. д. А это путь к решению задачи распознавания СВН, столь важной при организации ПВО.
Таким образом, при создании МОЭС в ее состав предполагается включить: телевизионный канал, работающий в видимом и ближнем ИК-диапазоне спектра (0,4 - 0,9 мкм); тепловизионный канал, работающий в ближнем ИК-диапазоне спектра (0,77...0,91 мкм), обеспечивающем максимально возможную контрастную чувствительность и наибольшее разрешение; тепловизионный канал, функционирующий в коротковолновых ИК диапазонах спектра 3 - 4 мкм и 4,5 - 5мкм (основным дешифровочным признаком «факела» авиадвигателя ЛА является его ИК-излучение, максимум которого приходится на участок спектра 3,1 - 3,7 мкм, кроме того, при работе в условиях влажной атмосферы на больших дальностях до слабоизлучающих целей предпочтительнее может оказаться диапазон 3 - 5 мкм); два тепловизионных канала, работающих в длинноволновом ИК-диапазоне спектра 10,3 - 11,3 мкм и 11,5 - 12,5 мкм. Это обеспечивает максимально возможную дальность действия и снимает проблему борьбы с вредным рассеянным или отраженным солнечным излучением, которое велико в видимом и ближнем ИК-диапазонах и еще заметно в диапазоне 3 - 5мкм).
Подытоживая рассмотрение технической стороны затронутой нами проблемы и предложенного метода ее решения, сделаем ряд заключений.
Первое. Разного типа (класса) ЛА оставляют в пространстве разные конденсационные следы, которые могут быть обнаружены МОЭС в видимом или в ИК-диапазоне волн.
Второе. Конденсационный след демаскирует полет ЛА даже тогда, когда его контраст относительно фона близок к нулю. Также он может демаскировать ЛА, созданный по технологи «Стеле» и невидимый для радиолокаторов.
Третье. Задача обнаружения и распознавания летательных аппаратов в реальном масштабе времени и в сложных радиолокационных условиях может быть эффективно решена на основе применения многоканальных оптико-электронных систем.
Есть достаточно оснований полагать, что предложенный нами подход к распознаванию воздушных объектов будет практически реализован в тактике и обогатит способы действий войск, сил, штабов и учреждений, ответственных за организацию борьбы с воздушным противником и за безопасную организацию полетов воздушных судов.
В мирное время обнаружение, непрерывное сопровождение и распознавание образа ЛА позволит:
своевременно пресекать попытки совершения террористических актов и иных противоправных действий с использованием воздушного пространства;
осуществлять более надежный контроль воздушного движения на территории страны;
снизить риск авиакатастроф в различных форсмажорных ситуациях;
более эффективно организовать поисково-спасательные мероприятия в случае потери связи с воздушным судном или при его падении (вынужденной посадке) вне зон видимости радиолокационных средств органов управления воздушным движением и дежурных подразделений ПВО.
В ходе войны использование многоканальных оптико-электронных систем позволит:
своевременно вскрыть начало воздушного удара противника с направлений, где радиолокационная разведка не организована или РЛС подавлены помехами;
объективно установить приоритет воздушных целей по степени их опасности для обороняемых объектов и установить СВН, подлежащие первоочередному уничтожению;
снизить демаскирующие признаки собственных средств разведки (МОЭС не излучают в эфир энергию, а потому являются невидимыми для бортовых РЛС СВН);
повысить эффективность взаимодействия сил ПВО и снизить потери истребителей от собственных средств ПВО ввиду высокой достоверности распознавания «своих» ЛА в сложной воздушной обстановке;
лучше организовать поисково-спасательное обеспечение боевых действий.
При установке МОЭС на аэростатах, стратосферных летательных аппаратах или искусственных спутниках Земли военного назначения обзор, обнаружение и распознавание воздушных объектов будет осуществляться «сверху вниз» («снизу вверх») на фоне облаков или земной поверхности. Это не меняет сути самого предложенного метода и даже дает ряд дополнительных преимуществ. Например, самолет, разработанный по технологии «Стеле», будет наблюдаться «в проекции», наиболее невыгодной для противника: верхняя часть такого ЛА обладает минимальными защитными свойствами, характеризующими его как «невидимку» во всех диапазонах работы средств разведки, в том числе оптическом и инфракрасном диапазонах волн.
Задача обнаружения и распознавания ЛА требует комплексного решения: чем больше привлекается средств и применяется способов и физических принципов для обнаружения и распознавания ЛА, тем эффективнее она решается. Предложенный авторами метод следует рассматривать не вместо, а наряду с другими, в том числе традиционными способами контроля воздушного пространства и организации разведки воздушного противника.
