Активные средства обнаружения маловысотных целей

Процедуры, аналогичные процедурам выполняемым с электронными изображениями {СпИТПВ}, реализуются и с электронными изображениями {СпИТВ}, генерируемыми КОЭ-ВД.



Кроме этого, часть (не более трех) последовательностей электронных изображений {СпИТВ}, следующих от КОЭ-ТВ, в поле зрения которых находятся репера (либо объекты естественного происхождения с известными абсолютными географическими координатами, либо специально установленные в местах также с известными координатами оптические маяки) через коммутатор сигналов попадают в соответствующие вычислители мгновенного положения оси визирования. В вычислителях происходит определение координат (в приборной системе) реперов. Найденные координаты реперов в случае выявления признаков целей через интерфейсное устройство передаются в БЦВМ.

В БЦВМ осуществляется пересчет координат обнаруженных целей из приборной системы в географическую систему с учетом мгновенного положения оси визирования.

Вся обработка информации (специальной) выполняется в реальном масштабе времени, т.е. в темпе ее поступления.

Рассмотрим более детально основные компоненты ТПА и их назначение. Выносной ОЭМ предназначен для приема электромагнитного излучения (видимого и инфракрасного диапазонов), исходящего от объектов, находящихся в секторе ведения разведки, преобразования его в электрические сигналы, их предварительной и первичной обработки и передачи полученной информации по кабельной сети на автоматизированное рабочее место оператора ТПА. Электромагнитное излучение ИК - диапазона исходящее от объекта преобразуется в электрические сигналы фотоприемное устройство (ФПУ).

В настоящее время рядом фирм США, Франции, Великобритании, Израиля, России и некоторых других стран ведутся работы по созданию многоэлементных (матричных) фотоприемников, чувствительных в ближнем и среднем диапазонах ИК - спектра.

Все ведущиеся разработки многоэлементных фотоприемников, обладающих чувствительностью в ближней и средней областях ИК спектра, можно условно разбить на несколько групп и представить в виде таблицы.

Таблица 3.1.1 Технические характеристики основных разработок многоэлементных фотоприёмников

Принцип действия/основа	Диапазон волн	Рабочая температура	Реализованные образцы	Интегральная удельная обнаружительная способность	Принцип охлаждения
I. Собственное поглощение в полупроводнике
1. Фотодиодное устройство /In,Sb	2 - 5,5 мкм	до 800К	Серийное устройство НПО «Орион»	2,1*1010 Вт-1* *см*Гц 7,7*1010 Вт-1* *см*Гц
2. Фотопроводящая пленка/халькогениды SePb, PbSO3	0,8 - 6,5 мкм	до 1950К	Эксп. образец ЦНИИ «Электрон», НПО «ЭЛАС», «Позитрон»		Термоэлектрические охлаждающее устройства.
3.Поликристаллические фотопроводящее пленки/CdTe - HgTe, SiHgTe	8 - 12 мкм		В России не производиться
II. Примесное погашение в полупроводнике
1. Гибридные фоточувствительные микросхемы/SiGa	2 - 16 мкм	200К	ОКР в ФГУП НПП «Пульсар»
2. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью/Si Se	средний диапазон 5*10-13 Вт/эл	830К	НИИ «Восток»
III. Разработка фотоприемников на квантовых ямах и барьерах Шоттки для использования в специальной аппаратуре считается не перспективным так как значение квантового выхода уменьшается при увеличении длинны волны принимаемого электромагнитного излучения и при длине волны в 4 мкм падает до 0,5%
IV.Терморезисторные блотметры/Cb Mn

Необходимо отметить то, что в представленной таблице не рассматривались фотоприемники (и работы по их разработке), имеющие длинноволновую границу спектрального диапазона чувствительности короче 3,0 мкм, а также фотоприемники, использование которых в теплопеленгационной аппаратуре практически невозможно (например, термоэлементы, оптико-акустические приемники излучения и т.д.).

Проведенный анализ позволяет утверждать, что наиболее предпочтительным (из всех возможных направлений) созданных для использования в ТПА - матричные фоточувствительные микросхемы на основе фотодиодных структур из InSb.

Конкретный выбор типа ФЧМ и определение требований к их основным характеристикам может быть произведен при более детальной проработке алгоритмов и методов решения целевой задачи.

Для оценки технического состояния ТПА приняты следующее характеристики: состав передаваемой информации (время приема сигналов, пеленги по азимуту и углу места), временя приведения ТПА в рабочее состояние, время непрерывной работы, масса и габаритные размеры ТПА, масса выносного оптико-электронного модуля, плоский угол поля зрения ТПА (по азимуту, по углу места), угловой размер одного элемента разложения изображения (фоточувствительного элемента) инфракрасного канала.

Пороговая чувствительность инфракрасного канала ТПА должна быть не ниже и определяется по стандартному источнику излучения, имеющему цветовую температуру тела свечения равную (2856±100) К (источник излучения типа «А», ГОСТ8.023-86) при времени экспозиции 8,5 10-3 с).

При этом ТПА должен обеспечивать пеленгование целей при средних условиях ведения разведки с вероятностью не хуже 0,8 и достоверностью не менее 0,9



3.1.2 Анализ особенностей функционирования теплопеленгаторов

Известно [79,80,91], что теплопеленгационная аппаратура (ТПА) может быть использована для определение пеленгов (азимута и угла места) на ВО по тепловому состоянию двигателя и аэродинамическому нагреву корпуса.

Уровень современных достижений в инфракрасной технике (ИК) позволяет обеспечить - высокую чувствительность и точность при приемлемых массах, габаритах, надежности.

В настоящее время при построении оптико-электронного информационного канала ИК - диапазона используются несколько многоэлементных матричных фотоприемных устройств (ФПУ) с соответствующей организацией детектирования и считывания сигналов. Точностные характеристики ТПА обеспечиваются за счет определения мгновенного положения осей визирования, обработка информации проводится комбинированным (цифроаналоговым) способом. В состав типовой ТПА чаше всего входят выносной оптико-электронный модуль (ОЭМ), автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора, комплект вспомогательной аппаратуры.

Электромагнитное излучение инфракрасного и видимого спектральных диапазонов, исходящее от объектов составляющих наблюдаемую сцену, синхронно в КОЭ-ИК и КОЭ-ВД (ОЭМ) преобразуется в соответствующие последовательности электронных изображений.

При этом в КОЭ-ИК происходит предварительная и первичная обработка информации, результатом которой является генерация электронных изображений двух типов ({СпИТПВ} и {СпИТПП}). Первый тип изображений {СпИТПВ} представляет собой термограмму (тепловой снимок) наблюдаемой сцены. Изображения второй последовательности {СпИТПП} содержат информацию только об объектах либо движущихся, либо имеющих быстро меняющуюся яркость.

Далее, все полученные электронные изображения через буферное запоминающее устройство и приемо-передающее устройство по высокоскоростной оптоволоконной линии связи передаются на АРМ оператора ТПА.

В АРМ оператора ТПА электронные изображения {СпИТПВ} попадают на кадровый формирователь видовой информации. Там в зависимости от выбранного режима происходит их форматирование либо в панорамный тепловой снимок всего сектора ведения разведки, либо в тепловой снимок его отдельного фрагмента. Полученные снимки передаются на устройство отображения видовой информации, где происходит их визуализация.

Последовательности электронных изображений {СпИТПП}, следующих от каждой КОЭ-ИК и содержащих информацию либо о подвижных объектах, либо об объектах с переменной яркостью, в АРМ оператора ТПА обрабатываются параллельно, независимо друг от друга, каждая в своем канале. Первоначально они попадают в устройства временной задержки и накопления. Там, происходит их покадровое суммирование и последующая выдача (в темпе поступления информации) в вычислитель координат целей. В вычислителе координат целей производится анализ поступившей информации на наличие признаков целей и, в случае их выявления, определение координат целей (в приборной системе координат) и фиксация времени их обнаружения. После этого координаты обнаруженных целей (временные и пространственные, в приборной системе) через интерфейсное устройство передаются в бортовую цифровую вычислительную машину.

Процедуры, аналогичные процедурам выполняемым с электронными изображениями {СпИТПВ}, реализуются и с электронными изображениями {СпИТВ}, генерируемыми КОЭ-ВД.



Кроме этого, часть (не более трех) последовательностей электронных изображений {СпИТВ}, следующих от КОЭ-ТВ, в поле зрения которых находятся репера (либо объекты естественного происхождения с известными абсолютными географическими координатами, либо специально установленные в местах также с известными координатами оптические маяки) через коммутатор сигналов попадают в соответствующие вычислители мгновенного положения оси визирования. В вычислителях происходит определение координат (в приборной системе) реперов. Найденные координаты реперов в случае выявления признаков целей через интерфейсное устройство передаются в БЦВМ.

В БЦВМ осуществляется пересчет координат обнаруженных целей из приборной системы в географическую систему с учетом мгновенного положения оси визирования.

Вся обработка информации (специальной) выполняется в реальном масштабе времени, т.е. в темпе ее поступления.

Рассмотрим более детально основные компоненты ТПА и их назначение. Выносной ОЭМ предназначен для приема электромагнитного излучения (видимого и инфракрасного диапазонов), исходящего от объектов, находящихся в секторе ведения разведки, преобразования его в электрические сигналы, их предварительной и первичной обработки и передачи полученной информации по кабельной сети на автоматизированное рабочее место оператора ТПА. Электромагнитное излучение ИК - диапазона исходящее от объекта преобразуется в электрические сигналы фотоприемное устройство (ФПУ).

В настоящее время рядом фирм США, Франции, Великобритании, Израиля, России и некоторых других стран ведутся работы по созданию многоэлементных (матричных) фотоприемников, чувствительных в ближнем и среднем диапазонах ИК - спектра[].

Все ведущиеся разработки многоэлементных фотоприемников, обладающих чувствительностью в ближней и средней областях ИК спектра, можно условно разбить на несколько групп [] и представить в виде таблицы.

Таблица 3.1 Технические характеристики основных разработок многоэлементных фотоприёмников

Принцип действия/основа	Диапазон волн	Рабочая температура	Реализованные образцы	Интегральная удельная обнаружительная способность	Принцип охлаждения
I. Собственное поглощение в полупроводнике
1. Фотодиодное устройство /In,Sb	2 - 5,5 мкм	до 800К	Серийное устройство НПО «Орион»	2,1*1010 Вт-1* *см*Гц 7,7*1010 Вт-1* *см*Гц
2. Фотопроводящая пленка/халькогениды SePb, PbSO3	0,8 - 6,5 мкм	до 1950К	Эксп. образец ЦНИИ «Электрон», НПО «ЭЛАС», «Позитрон»		Термоэлектрические охлаждающее устройства.
3.Поликристаллические фотопроводящее пленки/CdTe - HgTe, SiHgTe	8 - 12 мкм		В России не производиться
II. Примесное погашение в полупроводнике
1. Гибридные фоточувствительные микросхемы/SiGa	2 - 16 мкм	200К	ОКР в ФГУП НПП «Пульсар»
2. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью/Si Se	средний диапазон 5*10-13 Вт/эл	830К	НИИ «Восток»
III. Разработка фотоприемников на квантовых ямах и барьерах Шоттки для использования в специальной аппаратуре считается не перспективным так как значение квантового выхода уменьшается при увеличении длинны волны принимаемого электромагнитного излучения и при длине волны в 4 мкм падает до 0,5%
IV.Терморезисторные блотметры/Cb Mn

Необходимо отметить то, что в представленной таблице не рассматривались фотоприемники (и работы по их разработке), имеющие длинноволновую границу спектрального диапазона чувствительности короче 3,0 мкм, а также фотоприемники, использование которых в теплопеленгационной аппаратуре практически невозможно (например, термоэлементы, оптико-акустические приемники излучения и т.д.).

Проведенный анализ позволяет утверждать, что наиболее предпочтительным (из всех возможных направлений) созданных для использования в ТПА - матричные фоточувствительные микросхемы на основе фотодиодных структур из InSb.

Конкретный выбор типа ФЧМ и определение требований к их основным характеристикам может быть произведен при более детальной проработке алгоритмов и методов решения целевой задачи.

Для оценки технического состояния ТПА приняты следующее характеристики: состав передаваемой информации (время приема сигналов, пеленги по азимуту и углу места), временя приведения ТПА в рабочее состояние, время непрерывной работы, масса и габаритные размеры ТПА, масса выносного оптико-электронного модуля, плоский угол поля зрения ТПА (по азимуту, по углу места), угловой размер одного элемента разложения изображения (фоточувствительного элемента) инфракрасного канала.

Пороговая чувствительность инфракрасного канала ТПА должна быть не ниже и определяется по стандартному источнику излучения, имеющему цветовую температуру тела свечения равную (2856±100) К (источник излучения типа «А», ГОСТ8.023-86) при времени экспозиции 8,5 10-3 с).

При этом ТПА должен обеспечивать пеленгование целей при средних условиях ведения разведки с вероятностью не хуже 0,8 и достоверностью не менее 0,9

3.1.3 Методика совместного применения ТПА и РЛС РТВ

Одним из вариантов комплексирования средств обнаружения воздушных целей практически реализуемым без существенных финансовых затрат, является вариант совместного применения двух трех координатных РЛС.

При воздействии помех обе станции переводят в пеленгационный режим, который по выполняемым функциям можно назвать режимом радиотехнической разведки. В этом режиме каждая станция определяет азимут и угол места источника помехи при условии правильного отождествления объекта наблюдения. Прямоугольные координаты определяются пеленгационным методом.

На самом деле, поверхностью положения азимута является вертикальная плоскость, аналитическое описание которой совпадает с таковыми линиями положения азимута и не включает высоту.

Если принять, что координаты станции определенные при занятии позиции б (Xи , Yи), то уравнение отрезков запишутся в виде:

(3.31)

Решение системы (15) приводит к выражениям:

(3.32)

В полученном решении углы б1 б2 отсчитываются от основного направления от оси OY по часовой стрелке до линии положения азимутов.

Координаты Xu Yu позволяют рассчитать горизонтальную дальность до источника

.

Высота рассчитывается по горизонтальной дальности до цели от одной из РЛС Д1(Д2) и углу места е1, измеренному этим пунктом:

, (3.33)

где - эквивалентный радиус Земли.

Вероятность обнаружения Робн сигнала радиолокационной станцией в пеленгационном режиме (работающей в режиме радиотехнической разведки). рассчитывается по зависимости:

где Ф (Х) - табулированный интеграл вероятности,

(3.34)

Х - функциональный пороговый параметр,

(3.35)

q - отношение сигнал шум на входе приёмного устройства;

?f - ширина спектра помехового радиосигнала по уровню половины мощности, мГц;



Отношение сигнала помехи к собственным шумам на входе порогового устройства при ?f50 мГц

, (3.36)

где Gц - коэффициент усиления помеховой антенны в направлении на РЛС, дБ;

Gр - коэффициент усиления антенны РЛС, дБ,

Р - мощность помехового сигнала, Вт.

Достаточно сложной процедурой является расчет коэффициента усиления антенны РЛС в направлении на постановщик помех .

Проведение вычислений производиться по известным параметрам РЛС:

f - несущая частота РЛС;

Gm - коэффициент усиления антенны в направлении главного лепестка. Пространственным характеристикам угла места ва и азимута ба направления главного лепестка диаграммы направленности РЛС определяемые условиями функционирования и угла места вм и азимута бм направления на постановщик помехи из центра антенны РЛС определяемые пространственными условиями.

Коэффициент усиления антенны определяется из паспорта или технической документации. Если данные отсутствуют то рассчитывается по формуле:



(3.37)

Угол направления на постановщик помех относительно центра апертуры ц рассчитывается по формуле:

(3.38)

Если выполняется условие тогда коэффициент усиления антенны в направление на постановщик помех Gц рассчитывается по формуле:

(3.39)

где - параметрический коэффициент антенны, рассчитываемый по формуле ,

G1-коэфициент усиления антенны в направлении первого бокового лепестка ДН ,

- угловые параметры рассчитываемые по формулам (3.41),(3.42), соответственно:



(3.41)

. (3.42)

Если выполняется условие - по формуле

, (3.43)

где цs - угловой параметр, рассчитываемый по формуле

. (3.44)

Вероятность обнаружения средства воздушного нападения хотя бы одним из двух средств Р(2)можно определить по зависимости [39,40,41, , ]:

(3.45)

где р1(р2)-вероятность обнаружения источника помехи 1-м(2-м) средством радиотехнической разведки.

График в соответствии с зависимостью (3.31) представлен на рисунке 3.1.



Рисунок 3.1 График зависимости вероятности обнаружения СВН двумя средствами при различных вероятностях обнаружения отдельными средствами

Выражение (3.45) позволяет вычислить вероятность обнаружения для любой комбинации двух средств , активных и пассивных или только

Максимальное значение вероятности обнаружения будет говорить о предпочтительности данного варианта .

Для первого варианта рассмотрим, две активные РЛС переведены в режим радиотехнической разведки, по зависимостям (3.18), (3.19), (3.20) рассчитаем значения р1 , р2 для РЛС 19Ж6, имеющей следующие характеристики и параметры.

Период следования зондирующих импульсов Тс=сек,

коэффициент усиления антенны .

Вероятность обнаружения одной станцией составляет р1=0,99, второй р2=0,77, вероятность обнаружения хотя бы одной для первого случая составит 0,99.

Второй вариант комлексирования - комплекс из РЛС 19Ж6 в пеленгационным режиме и тепловизора.

Предположим, что РЛС и тепловизор разнесены по фронту в пределах позиции радиолокационной роты (РЛР). Постановщик помех в режиме самоприкрытия двигается под углом 400 к фронту рисунок 3.10.

При таком варианте комплексирования РЛС и тепловизором определяются азимут и угол места источника помехи. Высота рассчитывается по выражению (3.17).

Рассчитаем значение р1 для РЛС в пеленгационном режиме и р2 для тепловизора.

Вероятность р1 считаем равной р1=0, 99 (первый вариант комплексирования), р2 рассчитываем по выражению (3.14) с использованием рисунка 3.8, р2=0,6. Вероятность обнаружения средства воздушного нападения хотя бы одним из двух средств для второго варианта Р(2)=0,96.

В третьем варианте комплексирования для обнаружения постановщика помех используются два тепловизора.

В таком случае две координаты являются расчетными величинами: азимут и дальность вычисляются по выражениям (3.3) и (3.6) соответственно, значение угла места получаем из принципа работы тепловизора



Рисунок 3.32 Вариант расположения средств и объектов наблюдения

Вероятность обнаружения постановщика помех хотя бы одним из двух тепловизоров, рассчитаем исходя из предположения, что местоположение средств обнаружения и объектов наблюдения соответствует второму варианту комплексирования, то есть плоскость визирования первого тепловизора практически совпадает с направлением движения постановщика помехи, второго отклонена на 600.

Рассчитаем р1и р2 по выражению (3.14), тогда в третьем варианте Р(2) =0,64.

Четвертым вариантом комплексирования рассмотрим комплекс радиотехнической разведки (РТР) типа «Tamara».

Комплекс состоит из трех пеленгационных постов (П1 ,П2 ,П3) с n количеством эталонов на посту, вероятности правильного обнаружения цели отдельным постом Р1п(Рiп) рассчитаем по выражению (3.45), где р1 - вероятности обнаружения цели пеленгационным методом (3.18), р2 - вероятность того, что сигнал совпадет хотя бы с одним эталоном поста

.



Вероятность обнаружения хотя бы одним постом

. (3.46)

Аппаратура, установленная на постах комплексов РТР, предполагает обнаружение воздушной цели по любым сигналам исходящим с её борта (радиостанции, аппаратура наведения и постановки помех, и.т.п.), следовательно для всех постов комплекса р1 =0,9.

Применение аппаратуры постановки активных помех обусловлено использованием всеракурсных антенн это позволяет предположить, что хотя бы два из трех постов комплекса РТР принимают сигнал аппаратуры постановки помех. Третий пост определяет пеленг этой же цели, но по другим сигналам с её борта. Для расчета р2 примем n=4, остальные параметры используем из рассмотренного в 2.3 примера, тогда для постов принимающих сигнал аппаратуры постановщика помехи р2=0,775. Вероятность совпадения сигнала от цели с эталоном базы на третьем посту р2=0,203.

Вероятность обнаружения хотя бы одним постом по выражению (3.46) Р (общ)=0,99.

Проведенные вычисления позволяют сделать вывод, что наиболее предпочтительным являются первый и четвертый варианты.



Заключение

1. В настоящее время наибольшее распространение в РТВ получили активные и активно - запросные системы. Используемые в них методы защиты от активных шумовых помех, в определённой мере могут расширить боевые возможности системы, но ни один из них сам по себе не обеспечивает необходимой степени индивидуальной защищенности.

В условиях локальных конфликтов, когда противником создаётся сложная помеховая обстановка и применяются противорадиолокационные ракеты, сохранение боевых возможностей средств обнаружения представляется сложной, а порой неразрешимой задачей.

В качестве интегрального показателя помехозащищенности в работе предложено значение дальности обнаружения в условиях помех. Для её определения разработана методика, позволяющая определять факт выполнения задачи активным средством обнаружения. Для оценки отдельных величин, влияющих на минимальную дальность обнаружения, получены коэффициенты чувствительности.

Для апробации методики создана работоспособная и чувствительная к изменению параметров модель. Полученные результаты объяснимы и хорошо согласуются с физическим смыслом процессов, проходящих в исследуемой системе.

При выбранных условиях, когда результаты моделирования приобрели статистическую устойчивость, вероятность пропуска цели для малоскоростных целей составила - 0,558, для сверхзвуковых - 0,963.

2. Классификация, приведенная во второй главе, позволила предложить пеленгационный и разностно - дальномерный методы позиционирования как возможные к применению в наиболее перспективной трехпозиционной трехбазовой системе.

Выбор комбинации методов, обеспечивающей потенциальную точность для такой системы, выполнен на основе имитационного моделирования согласно критерию минимального значения среднеквадратического отклонения определения координат источника излучения.

Полученные числовые значения позволяют рекомендовать для позиционирования комбинации на базах двух разностно - дальномерных и одного пеленгационного методов.

Новый подход к построению базы данных для пассивных средств обнаружения, предполагает разделение позиционируемых объектов на виды, классы, подклассы, типы и упорядочение их по ряду признаков, что позволило обеспечить более высокий уровень распознавания.

Использование полученных в работе методик позволило разработать устройство, которое обеспечит определение координат источника сигнала любой физической природы.

Способ определения координат источника сигнала, основан на дистанционной установки в районе возможного появления источника сигнала трех сигнализационных датчиков с последующим определением их координат разностно - дальномерным методом.

С появлением источника сигнала определяются временные параметры сигнала относительно датчиков, координаты которых вычисляют решением системы нелинейных уравнений.

Полученные значения вероятности пропуска цели позволили оценить влияние количества эталонов в базе комплекса и сделать следующее выводы:

- количество эталонов значительно влияет на качество обнаружения (с увеличением числа эталонов понижается вероятность обнаружения);

- при числе эталонов 2, количестве баз 3 вероятность правильного обнаружения Рпр , а при увеличении числа эталонов до 8, а баз до 3 Рпр .

3. Проведение анализа построения оптико-электронных информационных каналов ИК - диапазона позволило утверждать, что в настоящее время используются несколько основных типов многоэлементных матричных фотоприемных устройств (ФПУ). Наиболее предпочтительными являются матричные фоточувствительные микросхемы на основе фотодиодных структур из InSb.

Разработанная методика завязки сопровождения траекторий и определения координат объекта позволила:

- используя многопозиционную систему из трех тепловизоров измерять азимут и угол места цели;

- рассчитывать горизонтальную и наклонную дальность до цели;

- определять и усреднять координаты целей.

Предположение, что тепловое состояние маловысотной цели распределено по ее поверхности от 300 К до 2000 К., позволило получить зависимость вероятности обнаружения цели от температуры на разных ракурсах. Проведено моделирование, которое позволяет утверждать, что обнаружение маловысотной цели тепловизором с вероятностью Роб ?0,5 достигается, при отклонении цели от плоскости визирования на 30,1840.

Проведена вероятностная оценка вариантов комплексирования, двух РЛС в пеленгационном режиме, РЛС в пеленгационном режиме и тепловизора, двух тепловизоров и отдельных постов комплекса РТР, которая позволила сделать вывод о том, что наиболее предпочтительной комбинацией средств, становится объединение двух РЛС, работающих в пеленгационном режиме, или использование постов комплекса РТР.

Размещено на Allbest.ru