СПОСОБ МАСКИРОВКИ ОБЪЕКТА
OBJECT MASKING METHOD

Изобретение относится к технике защиты объектов от обнаружения с помощью радиолокационных станций и может быть использовано в наземной, надводной, авиационной и космической технике.
Известны способы маскировки объектов с помощью создания имитационных импульсных помех, излучаемых в ответ на принятый сигнал радиолокационной станции (Вакин С.А., Шустов Л.Н. Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки. - М.: Советское радио, 1968. - С. 448). Особенно эффективны хаотические импульсные помехи, которые получают путем управления работой импульсного модулятора с помощью напряжения флюктуационных шумов. Шумовое напряжение вырабатывается электронным источником шума (тиратрон, шумовой диод), ограничивается и усиливается в широкополосном усилителе, на выходе которого образуется последовательность импульсов с постоянной амплитудой и случайными периодом следования и длительностью. Эти импульсы запускают передатчик помех. В результате образуются радиоимпульсы со случайной длительностью и периодом следования. В эфир импульсы излучаются антенной.
Способ имеет следующие недостатки.
п
рл
1. Между средним периодом следования импульсов помехи Т и полосой пропускания приемника подавляемой РЛС (радиолокационной станцией) Δf, должно выполнятся условие:
п
Т < 1/Δfрл.
рл
и
Поэтому при создании помехи РЛС с высоким разрешением по дальности, имеющим большую величину Δf, а также импульсно-доплеровским РЛС, имеющим малый период следования импульсов, потребуется создавать хаотическую последовательность импульсов с малым средним периодом следования импульсов Т. Это приведет к увеличению энергозатрат на создание помехи.
2. Для реализации способа требуется достаточно сложная и дорогостоящая аппаратура: приемник сигналов РЛС, система обработки сигналов, генератор и усилитель помехи, антенна. Обычно эти приборы имеют относительно узкий диапазон рабочих частот, поэтому для создания помех в широком диапазоне необходимо иметь несколько комплектов аппаратуры.
Известны способы маскировки летательных аппаратов, основанные на создании вблизи аппаратов плазменного образования, поглощающего электромагнитные колебания. Известен способ снижения радиолокационной заметности летательного аппарата, заключающийся в снижении мощности излучения РЛС, отраженного от реактивного двигателя в задней полусфере, т.е. со стороны сопла (патент №2311707, 07.06.2006 г.). Снижение мощности обеспечивается плазменным образованием, создаваемым пучком электронов в газовом потоке, проходящем через выходной канал двигателя. Плазменное образование создается за счет ионизации продуктов сгорания топлива. Эффективность способа можно повышать путем принятия мер по снижению содержания молекул кислорода в плазменном объеме, по поддержанию температуры газа выше 500 К и путем добавления в плазменный объем или в топливо веществ, образующих положительные атомарные ионы.
Способ имеет ряд ограничений по применению, а именно:
1. Способ применим только к реактивным двигателям и только для снижения мощности излучения РЛС, отраженного со стороны выходного капала двигателя.
2. Необходимо в объеме, где создастся плазма, обеспечить содержание молекул кислорода не более 10%, а также температуру газа, превышающую 500 К.
3. Инжектор, создающий пучок электронов, должен иметь достаточно большую мощность.
Наиболее близким по технической сущности является способ снижения радиолокационной заметности объекта, заключающийся в том, что перед объектом или перед элементом объекта, вносящим большой вклад в мощность отраженного излучения, создают плазменное образование, поглощающее или рассеивающее зондирующее излучение радиолокационной станции (Патент РФ №2621461, дата приоритета 03.11.2015 г.). Плазменное образование создают с помощью высоковольтного коронного лавинно-стримерного импульсного разряда и осуществляют синхронизацию зондирующих импульсов РЛС и импульсов разряда путем приема зондирующих импульсов РЛС и изменения времени начала генерирования и периода следования импульсов разряда до момента совпадения во времени импульсов РЛС и импульсов разряда.
В прототипе с помощью высоковольтного разряда формируется плазма, время существования которой должно быть не меньше длительности зондирующего импульса РЛС. Кроме того, плазма должна обеспечивать как можно более полное поглощение энергии импульса. Недостатком прототипа является ограниченная дальность действия. Так, если объект попадает в зону действия РЛС на дальности 1000 километров, а плазма снижает мощность отраженного излучения в 100 раз, то объект все-таки будет обнаружен на дальности  раз меньшей, т.е. ≈ 300 километров.
Задача предлагаемого изобретения - повышение эффективности маскировки объекта на разных дальностях, особенно на малых.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является преобразование регулярной последовательности зондирующего излучения РЛС в хаотическую последовательность отраженных от объекта импульсов, имеющих амплитуду, длительность и период следования, которые изменяются по случайному закону.
и
и
и
Поставленная задача решается тем, что в способе маскировки объекта, заключающемся в том, что перед объектом или перед элементом объекта, вносящим большой вклад в мощность отраженного излучения, создают с помощью высоковольтного коронного лавинно-стримерного импульсного разряда электромагнитное излучение и плазменное образование, поглощающее или рассеивающее зондирующее излучение радиолокационной станции, запуск высоковольтного коронного лавинно-стримерного импульсного разряда осуществляют с помощью хаотической последовательности импульсов, полученной путем приема зондирующих импульсов РЛС, измерения длительности tи импульсов и временного интервала Т между ними, формирования последовательности импульсов с периодом следования меньше наименьшей из величин t и Т и модулирования периода следования полученной последовательности импульсов хаотическим сигналом, причем запуск разряда осуществляют раньше, чем отраженный от объекта импульс появится на индикаторе РЛС.
Запуск разряда с помощью хаотической последовательности импульсов обеспечивает то, что время создания импульса высоковольтного разряда, амплитуда и длительность импульсов излучения разряда; а также степень поглощения и рассеяния плазмой зондирующего излучения, а также время существования плазмы имеют случайный характер. Поэтому последовательность отраженных от объекта импульсов также приобретает хаотический характер. При этом необходимо выполнить следующее условие. Во-первых, запуск импульсного разряда нужно начинать раньше, чем отраженные от объекта импульсы появятся на индикаторе приемника РЛС.
Покажем, что это условие абсолютно выполнимо.
Дальность приема радиолокационной станцией сигнала, отраженного от объекта локации, определяется по формуле [Современная радиолокация/Под редакцией Ю.Б. Кобзарева. «Советское радио», 1969 г., стр. 14]:
рл
где: Р - мощность сигнала, излучаемого РЛС;
рл
G - коэффициент усиления антенны РЛС;
λ - длина волны излучаемого РЛС сигнала;
σ - эффективная поверхность рассеяния объекта локации;
рл
S - мощность сигнала на входе приемника РЛС, необходимая для его обнаружения.
Дальность приема на объекте локации сигнала, излучаемого радиолокационной станцией, равна:
ол
где: G - коэффициент усиления приемной антенны на объекте локации,
ол
S - мощность сигнала на входе приемной антенны объекта локации, необходимая для его обнаружения.
рл
рл
ол
рл
ол
ол
3
2
-15
-10
Примем для расчета дальности приема радиолокационной станцией отраженного сигнала следующие величины: P = 103 Ватт, G = 10, λ = 0,1 метра, σ = 100 м, S = 10 Ватт. Подставив эти величины в формулу (1), получим R = 149 километров. Для приема на объекте локации сигнала, излучаемого РЛС, могут быть применены приемник с относительно малой чувствительностью и антенна с малым коэффициентом усиления. В частности, в качестве антенны может быть использован корпус объекта локации. Поэтому для расчета дальности приема сигнала, излучаемого РЛС, здесь можно взять G = 10 и S = 10 Ватт. При этом получим = 2500 километров. Следовательно, зондирующий сигнал РЛС может быть обнаружен на объекте локации значительно раньше, чем отраженный от объекта сигнал будет обнаружен на выходе приемника РЛС.
Во-вторых, максимальный период следования импульсов, искажающих зондирующие импульсы РЛС, должен иметь следующую величину:
и
и
и
- если длительность импульсов РЛС t меньше их периода следования Т, то максимальный период искажающих импульсов должен быть меньше величины t;
и
и
и
- если T < t, то максимальный период искажающих импульсов должен быть меньше величины Т.
Таким образом, регулярная последовательность зондирующего излучения РЛС преобразуется в хаотическую последовательность отраженных от объекта импульсов, имеющих амплитуду, длительность и период следования, которые изменяются по случайному закону. При этом на экране РЛС эти хаотические импульсы создают ложные отметки, искажающие информацию о характеристиках объектов. По сравнению с прототипом повышается эффективность маскировки, т.к. зондирующие импульсы не только поглощаются, но и искажаются и не отражают реальные характеристики объектов.
Предложенный способ поясняется чертежами и фотографиями.
На фиг. 1 показана блок-схема устройства формирования импульсов высоковольтного разряда, создающего плазму и электромагнитное излучение. На фиг. 2 представлена блок-схема установки, с помощью которой выполнен эксперимент. На фиг. 3 и фиг. 4 представлены фотографии, снятые с экрана высокоскоростного осциллографа, иллюстрирующие воздействие плазмы и излучения, создаваемых разрядом, на непрерывный высокочастотный сигнал. На фиг. 5 и фиг. 6 приведены осциллограммы неискаженных и искаженных разрядом импульсов, отраженных от объекта локации.
На фиг. 1 показаны: 1 - РЛС; 2 - зона действия высоковольтного разряда; 3 - объект локации; 4 - приемник зондирующих импульсов РЛС; 5 - устройство измерения периода следования и длительности импульсов РЛС и вычисления периода запуска импульсов высоковольтного разряда; 6 -модулятор периода запуска разряда; 7 - генератор хаотического сигнала; 8 - генератор импульсов запуска генератора разряда; 9 - генератор высоковольтного разряда.
Способ маскировки объекта от излучения РЛС осуществляется следующим образом. С помощью устройства 4 выполняется прием зондирующих импульсов РЛС 1. С выхода устройства приема 4 импульсы подаются на устройство 5. Устройство 5 измеряет длительность и период следования импульсов РЛС и выдаст их величины на модулятор 6. Кроме того, на модулятор 6 подается хаотический сигнал с устройства 7. В результате модулятор 6 формирует импульсный сигнал, имеющий случайные период следования и длительность. Этот сигнал запускает генератор 8. формирующий импульсы запуска генератора разряда 9. Генератор 9 создает в зоне 2 разряд, который формирует плазму и создает собственное излучение.
Для создания плазмы и импульса излучения может быть использован генератор разряда, описанный в статье «Модулированный коронный наносекундный разряд в воздухе атмосферного давления» (Письма в ЖТФ, 2015 г. том 41, вып. 7, авторы Лепехин Н.М., Присеко Ю.С., Филиппов В.Г., Булатов М.У., Сухаревский Д.И., Сысоев B.C.). Для создания лавинно-стримерного разряда в источнике высокого напряжения, входящем в состав генератора, производят модуляцию разрядного тока с помощью специальной схемы, в которой катод отделен от отрицательного полюса высоковольтного источника искровым инициирующим разрядником, а в разрядную цепь введен со стороны анода дроссель с большой индуктивностью. Дроссель не позволяет лавинно-стримерному разряду переходить в искровой разряд. Это позволяет накопить в промежутке между электродами большой положительный заряд. Затем, при принудительной коммутации катода на землю, между катодом и положительным зарядом возникает высокая напряженность электрического поля, приводящая к образованию плазмы. При этом значительно увеличивается ток разряда, повышающий концентрацию электронов в плазме. Кроме того, ток разряда создает упомянутое выше электромагнитное излучение. Разряд и создаваемые им эффекты имеют место при любом атмосферном давлении, в том числе на земной поверхности.
В предлагаемом изобретении маскировка объекта осуществляется за счет преобразования зондирующих импульсов РЛС в хаотический поток импульсов, искажающих информацию, путем частичного или полного поглощения зондирующих объект импульсов РЛС плазменным образованием, создаваемым высоковольтным разрядом, а также электромагнитным излучением разряда.
Предлагаемый способ исследован в эксперименте. Блок-схема установки, с помощью которой выполнен эксперимент, показана на фиг. 2. На фиг. 2 показаны: 1 - передатчик, состоящий из генератора СВЧ электромагнитных колебаний и импульсного модулятора, 2 - зона формирования высоковольтного разряда, 3 - металлический параллелепипед, имитирующий объект радиолокации, 4 - приемник излучения, отраженного от имитатора 1,7- генератор шумоподобного сигнала, 9 - высоковольтный генератор разряда, 10 - антенна, излучающая и принимающая электромагнитные колебания, 11 - направленный ответвитель колебаний, 12 - устройство регистрации и обработки принятых сигналов, 13 - синхронизатор работы передатчика, приемника и генератора разряда.
Установка работает следующим образом. Синхронизатор 13 запускает с определенными интервалами времени передатчик 1, приемник 4 и генератор разряда 9. При этом время запуска генератора разряда 9 колеблется под действием шумоподобного сигнала генератора 7. Электромагнитные колебания с выхода передатчика 1 проходят через направленный ответвитель 11 на антенну 10 и излучаются в сторону объекта 3. Направленный ответвитель 11 разделяет излучение передатчика и излучение, отраженное от объекта 3. Отраженное излучение направляется на вход приемника 4. С выхода приемника 4 сигнал, несущий информацию об объекте 3, поступает на вход устройства регистрации и обработки 12.
Воздействие плазмы и излучения, создаваемых разрядом, на зондирующее излучение показано на фиг. 3 и 4, снятых с экрана высокоскоростного осциллографа. Измерения выполнялись на земной поверхности при давлении 730-740 мм рт. ст. и температуре 23-25 градусов. На фиг. 3 и 4 показаны изменения амплитуды непрерывного высокочастотного сигнала (синяя линия) при включении разряда, формирующего плазму. Ток в цепи генератора разряда показан зеленой линией. Видно, что после включения разряда амплитуда высокочастотного сигнала резко изменяется и приобретает колебательный характер, что является следствием воздействия излучения разряда. Через определенный интервал времени амплитуда сигнала заметно уменьшается, что связано с образованием плазмы. Затем, после исчезновения плазмы, амплитуда восстанавливается.
Исследования выполнены при следующих временных параметрах импульсов:
и
- период следования зондирующих импульсов РЛС Т = 30 мкс;
и
- длительность зондирующих импульсов t = 10 мкс;
р
- временной интервал запуска импульсов высоковольтного разряда Т изменяется хаотически в пределах от 3 мкс до 9 мкс.
На фиг. 5 и фиг. 6 приведены осциллограммы неискаженных и искаженных разрядом импульсов, отраженных от объекта локации. Осциллограммы зарегистрированы на выходе измерительного приемника (объект 4 на фиг. 2). Провалы амплитуды в средине импульсов и искажение фронтов импульсов вызваны поглощающим действием плазмы. Пикообразные импульсы на отраженных импульсах РЛС и между ними созданы излучением разряда.
Сравнение предлагаемого способа с прототипом показывает следующее.
1. В прототипе с помощью высоковольтного разряда формируется плазма, время существования которой должно быть не меньше длительности зондирующего импульса РЛС. Кроме того, плазма должна обеспечивать как можно более полное поглощение энергии импульса. При предлагаемом способе, в отличие от прототипа, плазма частично поглощает зондирующее излучение, причем время и степень поглощения носят случайный характер. Кроме того, при предлагаемом способе используется электромагнитное излучение, создаваемое разрядом. Время запуска разряда изменяется по случайному закону.
2. Прототип эффективно действует в зоне с ограниченной дальностью. Так, если объект попадает в зону действия РЛС на дальности 1000 километров, а плазма снижает мощность отраженного излучения в 100 раз, то объект все-таки будет обнаружен на дальности 300 километров. В то же время при предлагаемом способе маскировка будет действовать во всей зоне, где происходит зондирование объекта излучением РЛС, в том числе и на малых дальностях.
Техническая реализация предлагаемого способа может быть выполнена с использованием существующих устройств и элементов техники.
1. В качестве активного элемента генератора разряда, выполняющего модуляцию разрядного тока, может быть применен тиратрон или электроннолучевой вентиль [Переводчиков В.И., Матвеев Н.В., Стученков В.М., Шапенко В.М. Особенности высоковольтных коммутирующих устройств на основе электронно-лучевых вентилей].
2. Для приема зондирующих импульсов РЛС можно использовать приемный канал одного из радиотехнических устройств объекта локации. Например, это может быть канал разведки станции, предназначенной для создания помех РЛС. Кроме того, это могут быть приемные каналы станций связи, навигации, телеуправления и т.п. Зондирующее излучение РЛС имеет относительно большую мощность, поэтому оно может быть принято каналами других систем, несмотря на то, что они работают на частотах, отличных от частоты РЛС. В частности, прием может быть выполнен на частотах гармоник и субгармоник излучения РЛС.
3. Вели использование приемных каналов, отмеченных в п. 2, проблематично, то можно применить специально разработанный приемник, построенный на базе серийных твердотельных приборов. Приемник может быть подключен к антенне одного из устройств, перечисленных в п. 2, или к собственной антенне. В частности, в качестве антенны может быть использован металлический корпус объекта локации.
4. СВЧ усилители в каналах приема излучения РЛС и генераторы импульсов в устройствах запуска разряда могут быть выполнены на базе серийных твердотельных приборов.