Главная страница
Навигация по странице:

  • Ключевые слова

  • ПРОБЛЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ. ПРОБЛЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ. Проблемы обнаружения беспилотных летательных


    Скачать 207.5 Kb.
    НазваниеПроблемы обнаружения беспилотных летательных
    АнкорПРОБЛЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
    Дата11.11.2021
    Размер207.5 Kb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаПРОБЛЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ.doc
    ТипДокументы
    #269130

    ПРОБЛЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ


    АППАРАТОВ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫМИ УСТРОЙСТВАМИ

     

     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: 25 25 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.


    написать администратору сайта