АРМЕЙСКИЙ СБОРНИК №11 2022 Г

 

Н. ШАХОВ,
доктор технических наук,
полковник,
В. БУРЛАКИН, капитан,
Б. ПАРШИКОВ,
кандидат технических наук

 

Применение панорамных оптико-электронных станций в комплексах средств защиты стационарных объектов РВСН

 

В данной публикации  военными специалистами-исследователями из 4 ЦНИИ Минобороны России и ученым  из Московского научно-исследовательского телевизионного института (ЗАО «МНИТИ») рассматриваются актуальные вопросы применения панорамных оптико-электронных станций в комплексах вооружения.

 

Изменения стратегии и тактики ведения боевых действий под влиянием стремительного развития военных технологий привели к тому, что в последние десятилетия вооруженные силы большинства развитых стран мира перешли от концепции «платформо-центрической войны» к концепции «сетецентрической войны».

Если в первом случае основной акцент делался на количестве и боевой мощи вооружения и военной техники, то при реализации концепции ведения боевых действий в едином информационно-управляющем пространстве особое место отводится созданию взаимоувязанных сетей управления средствами поражения и разведки на всех этапах подготовки и ведения боевых действий. При этом  обеспечивается заблаговременное планирование, быстрое изменение конфигурации единой разведывательно-ударной системы и доведение информации и команд управления  исполнителям, находящимся в боевых порядках в  зависимости от реально складывающейся обстановки.

Сегодня происходит постоянное совершенствование средств поражения и наращивание их боевого потенциала, что влечет за собой изменения в формах и способах вооруженной борьбы.

Современным боевым действиям присущи следующие характерные черты:

— скоротечность, резкие изменения обстановки и способов действий, обусловленные высокой мобильностью войск и эффективностью огневого поражения;

— увеличение пространственного размаха одновременно ведущихся боевых действий с применением всех средств поражения;

— возрастание роли защиты вой­ск­ и техники от существующих и перспективных средств поражения.

В этих условиях одним из решающих факторов победы на поле боя становится возможность первым обнаружить противника и поразить его огневыми средствами.

Существенным элементом современных видов вооружения, обеспечивающих реализацию концепции «сетецентрической войны», которые определяют их потенциальные возможности, являются оптико-электронные системы (ОЭС).

В настоящее время потенциальные возможности и резервы традиционных оптико-электронных систем, построенных на базе одиночных объективов, практически исчерпаны.

Существующие панорамные сканирующие ОЭС хотя и обладают широким результирующим полем зрения, однако в условиях низкой естественной освещенности имеют недостаточную скорость реакции (обзора) и низкую эффективную чувствительность (обнаружительную способность).

Панорамные многоканальные системы фасеточного типа или системы секторного обзора лишены указанных выше недостатков. Эти системы обладают наивысшей скоростью реакции и возможностью держать под постоянным контролем значительные области пространства, близкие к полусфере. Важной особенностью фасеточных (секторных) систем является возможность реализовать (без сканирования) важное для ОЭС сочетание параметров: требуемое поле зрения, высокое пространственное разрешение, минимально возможное время реакции и максимальную чувствительность, присущую «смотрящим» системам.

Одним из важных направлений практического применения оптико-электронных систем является информационное обеспечение боевой работы комплексов вооружения при решении ими боевых задач.

Существующие комплексы оснащены как радиолокационными, так и оптическими (оптико-электронными) информационными каналами, предназначенными для обнаружения и сопровождения воздушных целей в различных условиях обстановки. Использование (применение) ОЭС для обнаружения, сопровождения воздушных целей и наведения средств поражения комплексов вооружения, например, зенитных управляемых ракет, зенитных артиллерийских комплексов обеспечивает расширение диапазона условий боевого применения комплексов вооружения, а также повышает их живучесть и боевую устойчивость.

В современных комплексах реализован вариант встраивания ОЭС в боевой модуль комплекса в качестве пассивных средств локации воздушных объектов дополнительно к активным радиолокационным системам. Этот вариант применения ОЭС в составе ЗРК войсковой и корабельной противовоздушной обороны является основным.

Анализ конструктивно-схемного исполнения (встраивания) ОЭС в составе отечественных и зарубежных ЗРК позволил выделить (определить) два варианта реализации, которые отличаются по составу и массогабаритным характеристикам [1, 2, 3]. При этом в каждом из вариантов аппаратура конструктивно расположена во вращающемся боевом отделении (модуле), что обеспечивает круговой обзор пространства.

В первом варианте ОЭС размещается на подвижной гироплатформе и включает: дневной телевизионный канал, тепловизионный канал, канал лазерного дальнометрирования и обнаружения.

Второй вариант — различные модификации ОЭС, которые отличаются условиями применения и, как следствие, составом необходимой аппаратуры.

Исходя из конструктивных особенностей, а также основных задач, решаемых ОЭС, панорамные оптико-электронные системы (ПОЭС) могут быть внедрены в перспективный комплекс средств защиты (КСЗ) объектов Ракетных войск стратегического назначения (РВСН) и автоматизированную систему охраны (АСО) объектов РВСН, которая в общем случае предполагает рассмотрение следующих аспектов [4, 5]:

во-первых, технические (технологические, организационные) особенности интегрирования ПОЭС в КСЗ и АСО объектов РВСН;

во-вторых, методические вопросы интегрирования (внедрения) ПОЭС, являющейся автономным средством освещения воздушной обстановки, в систему вооружения существующих комплексов и систем.

Технические (технологические) аспекты, обеспечивающие взаимодействие ПОЭС с комплексами, являются основой для разработки предложений интегрирования ОЭС в огневой контур поражения целей, находящихся в зоне ответственности.

В настоящее время в оптико-эл­е­ктронных системах для обнаружения целей используются следующие основные схемы построения [6–11]:

1) по типу обеспечения сканирования и стабилизации:

—     объектив с приемником объединены жесткой конструкцией, сканирование и стабилизация осуществляются поворотом всего прибора (системы);

—     в оптической схеме есть подвижные оптические элементы, обеспечивающие возможность сканирования воздушного пространства в ограниченной зоне (возможно неограниченное вращение оптического элемента типа зеркала или куб-призмы по одной координате);

—     комбинированные устройства, когда наряду с подвижными оптическими элементами применяется разворот всего прибора.

2) по формату применяемых чувствительных приборов:

—     линейки;

—     субматрицы;

—     субматрицы с реализацией режима накопления с временной задержкой;

—     матрицы.

3) по числу спектральных каналов:

—     односпектральные;

—     многоспектральные.

Односпектральные системы наиболее просты, но в станциях (системах) обнаружения их применение имеет существенное ограничение. Данные системы не обеспечивают избирательное обнаружение цели и помехи в дальней зоне по их изображению. Телевизионные системы, несмотря на их компактность, имеют ограниченные возможности по обнаружению целей в ночное время и обладают практически равными возможностями с ИК-системами по дальности обнаружения только в условиях высокой освещенности.

Увеличение числа ОЭС, работающих в различных спектральных диапазонах, не только приводит к увеличению массо-габаритных характеристик (параметров) образца, но и влечет за собой ряд проблемных вопросов по взаимной юстировке информационных каналов, сопряжению полей зрения, учету нелинейных искажений. Обработка каждого дополнительного видеосигнала требует соответствующих вычислительных мощностей и реализации в вычислительных системах современных (в том числе перспективных) технологий для обработки информации (рис. 1) [12–18].

Рис. 1. Технологии, используемые для обработки информации в ОЭС

В общем случае применение ОЭС заключается в максимальной реализации информационных возможностей системы в интересах эффективного поражения широкого спектра воздушных целей и выдачи высокоточных данных целеуказания внешним потребителям, привлекаемым для решения задач обороны.

 Задача взаимодействия состоит в том, чтобы возможности ОЭС по количеству обнаруживаемых (обрабатываемых) воздушных целей, по дальности и угловым координатам их обнаружения, по времени обработки данных и времени их передачи были достаточными для реализации максимальных пространственно-временных характеристик. Это предполагает: дальность и высоту поражения, время реакции, количество одновременно обстреливаемых целей, находящихся в зоне поражения комплекса.

В настоящее время осмотр пространства в широком поле обзора в реальном масштабе времени может осуществляться панорамными оптико-электронными системами, которые можно разбить на три основных группы [4, 11, 15, 16].

Первая группа включает ОЭС с механическим и оптико-механическим сканированием, которые осуществляют последовательный просмотр всего поля обзора по заданной траектории и закону сканирования. Недостатки этой группы ОЭС известны.

Вторая группа основана на использовании специальной панорамной оптической системы — панорамного объектива. Такие объективы позволяют одновременно наблюдать картину по азимуту в угловом поле 360° и по углу места, доходящему до 60°–100° (нижняя граница угла места может иметь отрицательные значения, т.е. обзор «ниже» горизонтальной плоскости). Основными недостатками панорамных объективов до недавнего времени являлись: сложность их оптической схемы; наличие асферических преломляющих поверхностей оптических элементов и технологические трудности, не позволявшие обеспечить высокую разрешающую способность по всему полю обзора. Хотя в литературе схемы панорамных объективов описаны достаточно давно, масштабные разработки таких устройств практически не велись.

Необходимость получения панорамных изображений в различных спектральных диапазонах (в том числе и дальнем ИК) и успехи в технологии современного оптического производства позволили вновь обратиться к панорамным объективам. Использование новых оптических схем панорамных объективов хотя и позволяют решать многие частные задачи кругового обзора, однако значительные аберрации (аберрация — отклонение от нормы; ошибки, нарушения, погрешности (лат. Aberratio), таких устройств не позволяют получить необходимое качество изображения и не обеспечивают постоянство информационного содержания получаемых изображений при изменении угла места.

Третья группа [4, 15, 16] включает в себя смотрящие ОЭС с составными угловыми полями, т.е. секторами зрения (фасеточный тип зрительной системы). Каждый из секторов формирует свое поле, используя свой собственный оптический канал и фотоприемник. Полное поле обзора обеспечивается стыковкой изображений смежных секторов обзора. При таком принципе организации ОЭС каждый сектор зрения представляет собой независимый информационный канал. Многоканальный принцип построения ОЭС имеет явные преимущества по пространственным и временным характеристикам. До недавнего времени многоканальные системы находили лишь ограниченное применение из-за своих неприемлемых габаритов и сложности системы корректного совмещения изображений элементарных полей зрения при сведении их в единое изображение.

Для реализации потенциальных и, в частности, интеллектуальных возможностей многоканальных ОЭС необходимы мощные видеопроцессорные средства реального времени, высокочувствительные (и сверхвысокочувствительные) мегапиксельные матричные фотоприемники, а также дисплеи высокого и сверхвысокого разрешений. Эти средства до недавнего времени либо были уникальны, либо имели неприемлемые массогабаритные параметры.

Использование новейших сверхвысокочувствительных мегапиксельных приборов с зарядовой связью (ПЗС), фотоприемных матриц с внутренним электронным умножением, а также тепловизионных микроболометрических матриц в сочетании с новым поколением мощных микропроцессорных средств реального времени позволяет перевести в практическую плоскость вопрос о создании интеллектуальных панорамных ОЭС кругового обзора нового поколения, способных осуществлять круглосуточную работу при любых уровнях естественной освещенности, включая и условия сверхнизких освещенностей — порядка 10⁻⁴ люкса.

Кроме телевизионных ОЭС, сегодня становится реальностью реализация тепловизионных панорамных ОЭС [4, 15, 16]. Появление тепловизионных пироэлектрических и микроболометрических модулей с массогабаритными и весовыми показателями, близкими к телевизионным ПЗС камерам, позволяет ставить вопрос о создании панорамных тепловизионных ОЭС, а также о возможности комплексирования ОЭС и построения двухзональных панорамных ОЭС кругового обзора высокого пространственного разрешения.

Важно отметить, что в отличие от активного радиолокационного принципа пассивный характер ОЭС мгновенного кругового обзора делает ее «невидимой» для ракет и других средств поражения, работающих по электромагнитному излучению радиолокационных средств. Следует добавить, что ОЭС малочувствительна к средствам активного и пассивного радиопротиводействия. Малое время реакции ОЭС позволяет радикально повысить эффективность работы и живучесть комплексов вооружения в случае вывода из строя радиолокационной части. Это обстоятельство является чрезвычайно важным в условиях, когда требуется гарантированная защита объекта.

Адекватной концепцией построения современных ОЭС кругового обзора является использование множества самостоятельных смотрящих каналов, организованных и построенных по принципу корректного (согласованного) «сшивания» всей совокупности отдельных независимых секторных видеосигналов изображений, поступающих по соответствующим каналам от матричных фоточувствительных ТВ и ТПВ сенсоров. При этом результаты цифровой обработки всей совокупности видеоданных должны отображаться на мониторе как единое целостное неискаженное изображение осматриваемого пространства, а сама обработка должна обеспечивать возможность оперативного выбора и детального просмотра наиболее интересных фрагментов окружающей обстановки.

На рисунке 2 представлена схема, иллюстрирующая принцип построения многоканальной ОЭС кругового обзора по типу «ромашки». Существенным недостатком этой схемы является наличие областей перекрытия между смежными секторами и присутствие «слепых» областей в ближней зоне осматриваемого пространства. Взаимное перекрытие смежных полей приводит к появлению эффекта параллакса, препятствующего адекватному отображению информации об окружающей обстановке и однозначному определению угловых координат целей в зонах перекрытия.

Рис. 2. Схема построения восьмиканальной (восьмисекторной) ОЭС кругового обзора

Одним из способов устранения параллакса является введение в схему системы дополнительных поворотных зеркал, в которой каждая камера ОЭС «смотрит» на свое зеркало. Расстояние между камерами и соответствующими зеркалами определяется фокусным расстоянием объектива и выбирается с учетом сведения выходных зрачков используемых объективов в единый виртуальный центр, благодаря чему и обеспечивается беспараллаксный обзор.

На рисунке 3 в качестве примера, представлен внешний вид оптического звена 10-канальной беспараллаксной ОЭС. Такая схема построения оптического звена ОЭС позволяет обеспечить однородное угловое (пространственное) разрешение и чувствительность ОЭС по всему полю обзора. Отметим, что пространственная однородность углового разрешения является одной из важнейших характеристик, позволяющей использовать для ОЭС понятие угловой точности целеуказания.

Рис. 3. Внешний вид оптического звена 10-канальной беспараллаксной ОЭС кругового обзора

Важной особенностью схемы построения беспараллаксной ОЭС является возможность совместить ТВ- и ТПВ-каналы в каждом из секторов оптического звена. Схема совмещенной спектрозональной беспараллаксной ОЭС представлена на рисунке 4. Отметим, что реализация такой спектрозональной ОЭС не вносит принципиально новых особенностей построения оптического звена, кроме требования идентичности угловых полей зрения объективов ТВ- и ТПВ-каналов [4, 15, 16].

ОЭС кругового обзора позволяют своевременно обнаружить появление воздушных целей с любого направления и быстро, с высокой точностью определить их угловые координаты.

Рис. 4. Схема построения оптического звена совмещенной беспараллаксной спектрозональной ОЭС

Исходя из вышеизложенного, оснащений перспективного КСЗ РВСН ПОЭС, имеющее высокое пространственное разрешение и малое время реакции, позволит существенно повысить боевые возможности комплекса.

Для внедрения ПОЭС в комплексы вооружения необходимо разработать новые алгоритмы обработки информации, которые позволят существенно повысить точность и дальность определения координат воздушных целей и, как следствие, точность выдачи данных целеуказания огневым системам. Также необходимо разработать комплекс моделей, обосновывающих программное обеспечение, которое должно удовлетворять принципу универсальности (минимальное время передачи командных функций). Это позволит обеспечить устойчивость и гибкость управления боевыми действиями в зависимости от действий противоборствующей стороны в воздухе и на земле.

Использование спектра собственного теплового излучения цели как неотъемлемого, характерного и трудноустранимого признака цели, позволяет осуществить новый вид (способ) обнаружения, распознавания и селекции целей по спектру их собственного теплового излучения [19–23]. Характерные особенности спектра собственного излучения и температура цели выступают как ее самостоятельные признаки. Так, быстрое определение спектра собственного теплового излучения цели позволяет проводить ее селекцию головками самонаведения до и после пуска ракеты. Быстрое определение температуры по спектру оптического излучения цели позволяет проводить температурную селекцию при малых различиях в температуре цели и помехи.

Важной особенностью метода спектрально-температурных сигнатур собственного теплового излучения целей является возможность проводить распознавания целей на дальности, близкой к дальности обнаружения. При использования спектрально-температурных ОЭС описанной выше проблемы не существует, т.к. для получения спектра теплового излучения не требуется высокое пространственное разрешение. Наоборот, для получения более точной картины спектра желательно, чтобы цель представляла собой точечный источник излучения. Именно такой и является цель на предельных дальностях.

Панорамные ОЭС кругового обзора незаменимы в тех случаях, когда требуются постоянный контроль и анализ обстановки в окружающем пространстве. Из множества потенциальных применений ПОЭС кругового обзора выделим некоторые задачи.

Поскольку массогабаритные параметры панорамной ОЭС невелики, то это позволяет использовать ее как самостоятельное носимое устройство. По массогабаритным показателям «электронная» часть ОЭС близка к современному настольному персональному компьютеру, а оптическое звено вписывается в габариты цилиндра диаметром 250–300 мм и высотой 300–400 мм. Вес оптического звена — около 2–3  кг. Причем оптическое звено может быть удалено от электронной части (и, соответственно от оператора) на расстояние до нескольких десятков метров. Последнее обстоятельство позволяет делать оптическое звено выносным и устанавливать ОЭС, например, на автомобиле, снабженном выдвижной телескопической мачтой.

Оптическое звено такого средства является труднообнаруживаемым и практически неуязвимо в ночное время, что позволяет вести эффективное наблюдение, разведку и корректировку огня на значительных площадях в условиях холмистой, пересеченной и лесистой местностей.

Выводы:

1. Создание панорамной оптико-электронной станции кругового обзора позволит заблаговременно обнаруживать цели и повысит оперативность выдачи точного целеуказания своим огневым средствам поражения, не обнаруживая себя радиоизлучением в условиях применения противником технических средств разведки и огневого подавления. Это повысит живучесть ракетных комплексов, а также и их боевую устойчивость в условиях радиолокационного противодействия. Существенными преимуществами оптико-электронных систем перед радиолокационными системами обнаружения являются более высокая точность определения координат цели, меньшие масса и габариты, значительно большие возможности при работе по целям, летящим на малых и сверхмалых высотах.

2. В настоящее время задача по защите объектов РВСН от воздействия высокоточного оружия и беспилотных летатательных аппаратов различного класса очень актуальна. Многоканальные ОЭС позволят определять в реальном масштабе времени с высокой точностью угловые координаты всей совокупности наблюдаемых малоразмерных, высокоманевренных низколетящих целей и осуществлять их автоматическое сопровождение. В основу построения многоканальных ОЭС положен модульный принцип, позволяющий реализовать требуемые угловые поля обзора при максимально высоком быстродействии.

 

ЛИТЕРАТУРА:

1. Соломатин В.А., Иванова Н.В. Современные направления развития панорамных оптических и оптико-электронных систем. — Труды межд. конференции Прикладная оптика — 2012. — СПб, 2012. С.141–144.
2. Тарасов В.В., Якушенков Г.Ю., Инфракрасные системы смотрящего типа. — М.: Логос, 2004. — 444 с. + 8 с. с цв. вкл.
3. Жуков А.Г., Горюнов А.Н., Кальфа А.А. Тепловизионные приборы и их применение. — М.: Радио и связь, 1983. — 168 с.
4. Беляков Г.Ф., Багдасаров А.А., Ган М.А.. Панорамные системы кругового обзора. — Труды межд. конференции Прикладная оптика — 2010. СПб, 2010. — с. 231–237.
5. Интернет ресурс http://www.army-technology.com/ projects/pd100black-hornet-nano/
6. Богомолов П.А. и др. Приемные устройства ИК-систем / Под ред. В.И. Сидорова. — М: Радио и связь, 1987. — 208 с.
7. Борисов Ю., Грошев А., «Модуль цифровой обработки ИК-изображений с матричных фотоприемных устройств». Компоненты и технологии, №2, 2002.
8. Козелкин В.В., Усольцев И.Ф. Основы инфракрасной техники. — М.: Машиностроение, 1985. — 264 с.
9. Криксунов Л.З., Усольцев И.Ф. Инфракрасные системы обнаружения, пеленгации и автоматического сопровождения движущихся объектов. — М.: Советское радио, 1968. — 320 с.
10. Лазарев Л.П. Оптико-электронные приборы наведения. — М.: Машиностроение, 1989. — 512 с.
11. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. -Л.: Машиностроение, 1983. — 696 с.
12. Макарецкий Е., Овчинников А., Хоа Ф.Ч.Д. Выделение и сопровождение движущихся объектов на полусферических изображениях — «Компоненты и технологии», №1, 2011.
13. Обухова Н.А., Тимофеев Б.С. Сегментация и сопровождение объектов в сложных условиях видеонаблюдения — «Информационно-управляющие системы», № 6, 2008.
14. Паршиков Б.Ю., Прудников Н.В. Несканирующие ОЭС кругового и секторного обзора для высокоэффективного противодействия малоразмерным воздушным целям на малых и предельно малых высотах. Оборонная техника// НТЦ «Информатика». — 2017. — №4–5. — С. 42–49.
15. Соломатин В.А., Иванова Н.В. Современные направления развития панорамных оптических и оптико-электронных систем. — Труды межд. конференции Прикладная оптика. — СПб, 2012. — С.141–144.
16. Тарасов В. В., Якушенков Г. Ю., Инфракрасные системы смотрящего типа. — М.: Логос, 2004. — 444 с. + 8 с. с цв. вкл.
17. Титов И.О., Емельянов Г.М. Моделирование процесса выделения и классификации изображений для систем автоматического сопровождения движущихся воздушных объектов — Вестник НГУ, № 65, 2011.
18. Фаворская М.Н., Пахирка А.И., Шилов А.С., Дамов М.В. Методы поиска движения в видеопоследовательностях — Вестник СГАУ им. акад. М.Ф. Решетнева, 2012.
19. Бодров В.Н., Лебедев С.В. // Определение температуры по спектру излучения при монотонной характеристике излучательной способности //журнал «Приборы», №11, 2011. — С. 51–55.
20. Бодров В.Н. // Спектр теплового излучения и температура// журнал «Теплофизика высоких температур», том 44, № 4, 2010.
21. Паршиков Б.Ю. Метод распознавания объекта по спектру собственного  оптического излучения. Технологии и материалы для экстремальных условий (прогнозные исследования и инновационные разработки): матер. 13-й всерос. конф. (Звенигород, 10–14 декабря 2018). — М: МЦАИ РАН, 2018.
22. Паршиков Б.Ю., Прудников Н.В. Распознавание и идентификация воздушных целей по спектру собственного излучения. Оборонная техника// НТЦ «Информатика». — 2018. — №4–5. — С. 42–49.
23. Рассел М.М. //Оптико-электронное устройство дистанционного определения температуры// Диссертационная работа на соискание степени кандидата технических наук по специальности 05.11.07. Москва, 2012 г.