СПОСОБ И СИСТЕМА ДАЛЬНЕЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ РАЗВЕДКИ ПО ПРИЗНАКАМ "СЛЕДА В АТМОСФЕРЕ" ЛЕТЯЩЕГО В СТРАТОСФЕРЕ С ГИПЕРЗВУКОВОЙ СКОРОСТЬЮ "РАДИОНЕЗАМЕТНОГО" ОБЪЕКТА
METHOD AND SYSTEM FOR LONG-RANGE RADIO-ELECTRONIC RECONNAISSANCE BASED ON "TRACK IN ATMOSPHERE" "RADIO-INSIGHT" OBJECT FLYING IN STRATOSPHERE WITH HYPERSONIC SPEED

Техническое решение относится к области регистрации на удалении 1045 км от органа управления формирования Воздушно-космических Сил летящего в стратосфере на гиперзвуке - "радионезаметного" - объекта и определения его местонахождения, параметров движения по критериям называемого "следом в атмосфере" поля возмущенной плотной околоземной воздушной среды - с требуемой на практике точностью. Для систем радиолокационного контроля и радиотехнической разведки Воздушно-космических Сил аэродинамическая гиперзвуковая цель является "радионевидимой" ("радионезаметной"), так как в полете физического тела в слоях плотной атмосферы со скоростью, в пять и более раз превышающей число Маха, его окружает ионизированная оболочка перешедшего в состояние плазмы воздуха, экранирующая все радиосигналы. Своевременность разведки гиперзвуковой цели устанавливает расстояние ее обнаружения 1200 -1500 км (в зависимости от скорости) - для уничтожения с вероятностью 0,95 управляемыми ракетами зенитно-ракетной системы С-400 [Купцов И. М. Борьба с гиперзвуковыми летательными аппаратами (ГЗЛА): новая задача и требования к системе воздушно-космической обороны (ВКО)// Военная мысль. 2011. №1. С. 10-17] и 1045 км (при скорости цели 4500 м/с) для успешного поражения на удалении 350 км зенитными ракетами зенитно-ракетной системы С-300 В4 [Смирнов Д.В., Шувертков В.В. Задача трудная, но решаемая//Воздушно-космическая оборона. 2015. №1. С. 32-39].
Из описания зарегистрированного 26.06.1957 под №1 в Госреестре открытий СССР научного открытия "Эффект Кабанова" с приоритетом от 15.03.1947 г. известен способ дальнего загоризонтного обнаружения целей в диапазоне 10 - 100 м коротких радиоволн на удалении до 3000 км. Автор этого открытия научный сотрудник Новосибирского электротехнического института НИИ-16 профессор, доктор технических наук Н.И. Кабанов обнаружил явление (ранее неизвестное) дальнего рассеянного отражения Землей радиосигналов спектра декаметровых электромагнитных колебаний с их возвратом, после отражения от ионосферы, к источнику излучения. В основе идеи лежало использование эффекта отражения радиоволн от ионизированных слоев атмосферы - высота от 70 до 300 км-ионосферы для загоризонтного обнаружения цели; то есть, с учетом кривизны земного шара при возвратно-наклонном зондировании, луч радара достигнет ландшафта Земли на дальности до 3000 км. Построенные в расчете на такой процесс радиолокаторы называют односкачковыми. Если же требуется большее расстояние обзора, то следует применять многоскачковые ионосферные радары (двух-, трехскачковые). Излучаемые радиопередающим устройством радиолокатора под некоторым углом к горизонту радиоволны от ионосферы отражаются и возвращаются назад. Доля их энергии рассеивается неоднородностями поверхности Земли и распространяется в разные стороны. Рассеянные радисигналы вновь отражаются от ионосферы и идут обратно, к Земле, причем некоторая их часть достигает и позиции радиопередатчика. Работы по загоризонтной радиолокации в СССР возобновил в 1958 г. лауреат Государственной премии СССР Е.С. Штырен. Не зная о научном открытии Н.И. Кабанова, он предложил метод ионосферного обнаружения на удалении одного скачка самолетов по отражающим поверхностям, на расстоянии двух скачков (6000 км) стартующих баллистических ракет по их высотным следам, плазменным тренам. В способе предусматривалась после обнаружения цели и слежения с достигаемой декаметровым радаром точностью, выдача сведений радиолокатору диапазона менее длинных волн с более высокой разрешающей способностью при достижении объектом его поля разведки. Функции обзора и наблюдения разделяются между работающими в разных зонах радарами. Однако, действительность функционирования радара загоризонтного обзора связана с трудностями из-за неизученности ионосферы в области Северного полюса (Полярной шапки). Структура ионосферы и максимумы плотностей в мезосфере, мезопаузе и термосфере сильно зависят от фазы цикла активности Солнца, времени года, периода суток, географического положения (полярная зона и "авроральный овал" Арктики, экваториальная и среднеширотная зоны) и вызванных солнечной активностью возмущений (в том числе северное или полярное сияние - англ. "aurora borealis"). Обусловленная радиацией Солнца в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазоне электромагнитного спектра и корпускулярным солнечным потоком основная часть ионизации возрастает на освещенной стороне земного шара и убывает на теневой. Для априорных оценок состояния трассы прохождения декаметровых сигналов ионосферного радиолокатора требуются специальные космические (орбитальные) аппараты и океанские (морские) корабли, дающие рекомендации о назначении режима работы загоризонтного радиолокатора, длительности и частоте излучений. К тому же негативное влияние на функционирование радаров загоризонтного обзора будет оказывать американский комплекс энергетической электронной накачки приземной газовой среды ("разогрева" атмосферной плазмы) научно-исследовательского проекта под названием "изучение ионосферы и полярных сияний" с помощью высокочастотных радиоэлектронных излучателей. Такие системы ионосферных исследований, антенных полей и специальных радаров размещены на архипелаге Шпицберген "SPEAR" (Space Plasma Exploration by Active Radar) в Северном Ледовитом океане, в Норвегии "EISCAT" (European Incoherent Scatter Radar site), на островах Гренландия, Бермудских и Пуэрто-Рико, на Аляске "HAARP" (High Frequency Active Auroral Research Program) и "HIPAS" (High Power Auroral Stimulation), в Австралии, в Перу, на "Sea-Based X-Band Radar" плавучих платформах. Комплекс энергетической электронной накачки атмосферы своим сверхмощным излучением нагревает заполненный ионизованными атомами или электрическими частицами ионами приземный газовый слой (ионосферу) до 1600°С и более, что приводит к формированию искусственного ионного облака (размером в десятки километров в диаметре плазмоидного образования мощнее северных сияний в миллион раз) с высоко энергетичным состоянием атомов. Высокочастотные "разогревы" ионосферы могут производиться одновременно из образующих контур накачки над всей Евразией (в том числе и над Россией) трех позиции (Аляска - Гренландия - Норвегия), что означает способность такого комплекса формировать в любом районе над Северным полушарием Земли искусственные ионные образования и целенаправленно их перемещать, создавая преднамеренные помехи в ходе обнаружения целей загоризонтными (ионосферными) радиолокаторами. Известен способ разведки аэродинамических летательных аппаратов с низкой радиолокационной заметностью (в том числе высотных), запатентованный в США как "Method of detecting a moving target using background radiation" или "Радар нового поколения" А.Н. Ануашвили, с фоновым принципом получения данных. Авторы сделанного в Институте проблем управления РАН научного открытия "Закономерность проявления подвижности объекта" (Диплом №55 от 30.05.1997 г. на основании постановления отделения ММПУ РАН №10 от 22.02.1992 г. ) доктора технических наук Ануашвили А.Н. и Маклаков В.В., и академик Прангишвили И.В. утверждают, что в полете объект-"невидимка" неизбежно оставляет "след в атмосфере", и именно его способен обнаружить радиолокатор. Сущность изобретения А.Н. Ануашвили заключена в том, что если зондирующие радиоволны генератора направить на фон (ионосферу), то отраженные от него вторичные волны создают согласованные с первичными сигналами колебания. Когерентное протекание колебательных процессов или гармония нарушается при появлении летательного "стелтс"-аппарата в поле прохождения радиоволн, что и служит сигналом обнаружения. Колебания от вторичного генератора (фона) в фазовом смесителе устройства обнаружения приемника смешиваются с излучениями первичного генератора, и выделяется когерентная компонента, обозначающая степень гармонии (согласованности) колебательных процессов первичного и вторичного генераторов. Если в поле зрения нет подвижных объектов, то когерентность является максимальной. В случае появления подвижного объекта в поле прохождения радиоволн, падает (нарушается) по определенному закону гармония. Нарушение когерентности (согласованности) не зависит от степени "радиовидимости" подвижной цели. Невидимый объект не меняет амплитуду сигналов, но изменяет их фазу при движении, поэтому возможно обнаружение цели с низкой радиолокационной заметностью ("радиопрозрачной") и так называемого "фазового" объекта (см. патент США №6,707,488, от 08.03.2004 г., приоритет от 04.05.1999 г. ). Недостатком способа является "стационарность" радиолокатора и требование применения демаскирующего его позицию своими сигналами зондирования первичного генератора радиоволн. Это позволяет противостоящей стороне на этапе планирования удара произвести разведку и организовать помеховое или огневое подавление таких активных радаров.
Наиболее близким аналогом предлагаемому способу и системе разведки цели, "радионезаметной" из-за ионизованной плазменной оболочки на гиперзвуке, принят изложенный в патенте РФ 10.10.2012 г. №2536769 "Способ и система дальнего оптического обнаружения и определения местоположения летящего в стратосфере или на большой высоте со сверхзвуковой скоростью объекта по критериям конденсационного следа его силовой установки в атмосфере" МПК G01S 5/00. В основе идеи лежит закономерность образования из паров влаги околоземной газовой среды и выбросов из двигателя летящего на высоте над уровнем моря более 7…9 км самолета протяженного и контрастного на фоне безоблачного небосвода конденсационного шлейфа, выделяемого с помощью мультиспектрального оптического радиометра на дальности 350 км. При этом местонахождение летательного аппарата определяют координаты переднего среза его "следа в атмосфере", а средство "технического" зрения размещается на борту беспилотного вертолета, патрулирующего выше земного ландшафта на 3…3,5 км. Критериями обнаружения конденсационного шлейфа силовой установки летящего в стратосфере, либо на большой высоте со сверхзвуковой скоростью объекта являются: величина коэффициента отражения солнечного излучения поверхностью цели - альбедо; форма в виде прожилки или полосы (ленты) на фоне безоблачного небосвода; превышающая число Маха в 1,2 раза и более скорость перемещения фронта искусственного облака верхнего яруса типа перисто-кучевое "дорожное" (конденсационного шлейфа). Сама система дальней оптической регистрации и определения местоположения летящего в стратосфере или на большой высоте со сверхзвуковой скоростью объекта по признакам конденсационного следа его двигательной установки в атмосфере - мобильный угломерный комплекс из совокупности связанных между собой радиолиниями обмена данными наземного пункта наведения и трех-четырех обзорно-прицельных постов воздушного базирования с расположенными по вершинам прямоугольного равнобедренного треугольника позициями и базой (гипотенузой), ориентируемой перпендикулярно линии визирования цели. То есть боевое применение системы разведки ограничивают метеорологические условия и продолжительность патрулирования роботизированных вертолетов. К недостаткам прототипа относится зависимость расстояния обнаружения от дистанции прямого видения в сегменте длин волн от 12 нм до 1,0 мм спектра электромагнитного излучения. Например, если объект разведки движется над уровнем моря на высоте 40 км, то, согласно формуле дальности оптического горизонта [Зверева С.В. В мире солнечного света. Л.: Гидрометеоиздат, 1988]:
ОГ
ОР
КШ
ОР
КШ
0,5
0,5
D[км]=3,82×{(Н[м])+(Н[м])}, где Н=3500 м и Н=40000 м;
рубеж регистрации цели известного типа не превысит 990 км, когда не менее 1045 км потребное расстояние. При этом отраженные от поверхности объекта разведки фотонные потоки будут проходить к средству "технического" зрения непосредственно над земной поверхностью в "непрозрачных" слоях "нижней" тропосферы, где доминирует явление поглощения и рассеяния компонентами атмосферы, естественными метеообразованиями и частицами искусственных аэрозолей энергии квантов световой солнечной радиации.
Задачей предлагаемого технического решения является реализация дальней - на дистанции не менее 1045 км - радиоэлектронной разведки "точечного" (на этом удалении) объекта, летящего на высотах стратосферы от 50-55 км до 25-30 км с гиперзвуковой скоростью, большей числа Маха в пять и более раз, - "радионезаметного", в оболочке плазмы - "радионевидимого" средства воздушно-космического нападения, например, крылатая ракета (беспилотная авиамашина однократного запуска), управляемый планирующий боевой блок (глайдер) типа "HGB", - обнаружения и измерения угловых координат цели тепловизором и телекамерами, дальнометрии - активным радаром метровых радиоволн и определения параметров ее движения с требуемой на практике точностью - для обеспечения информацией огневых воздействий на высотах 25…35 км зенитно-ракетных систем с противоракетами с газодинамическим управлением вектором тяги двигателя и 350 км зоной поражения.
В разделе II "Военные опасности и военные угрозы Российской Федерации" редакции «Военной доктрины Российской Федерации», одобренной Советом безопасности РФ 19 декабря 2014 г. и утвержденной президентом Российской Федерации 25 декабря 2014 г., указаны основными - намерения ВВС США по размещению систем стратегического неядерного оружия высокой точности в космосе и реализации концепции "Обычного незамедлительного глобального удара", представляющие эту угрозу системы вооружения перечислены в п. 15 "Характерные черты и особенности современных военных конфликтов"- это: применение сравнимых по эффективности с ядерными боеприпасами оружия на новых физических принципах, высокоточного гиперзвукового в массовом масштабе, комплексов радиоэлектронной борьбы, управляемых беспилотных летательных и автономных морских аппаратов, роботизированных образцов вооружения и военной техники и информационно-управляющих систем.
Прототипом орбитальной системы стратегического высокоточного обычного оружия является роботизированная воздушно-космическая машина "Х-37 В", маневрирующая в эшелоне высот от 100 до 70 км с гиперзвуковой скоростью при пикировании из космической среды в атмосферу Земли. На посвященной 100-летию Войск ПВО России конференции (8 декабря 2014 г.) Генеральный конструктор Концерна «Алмаз-Антей» П. Созинов отметил, что уже сегодня межсредный, способный с низкой орбиты совершать маневр в гомосферу для применения бортового оружия, - беспилотный орбитальный самолет "Х-37В" позволяет вывести в космос и, после прохождения систем предупреждения о ракетном нападении и других средств разведки по орбитальным параметрам, доставить к цели до трех управляемых планирующих блоков [Душенов К.Ю. Россия - США: противостояние усиливается//Русский Вестник. 2014. №26 от 29.12]. Современные отечественные стрельбовые зенитно-ракетные системы и создаваемые перспективные не имеют возможность успешно перехватывать маневрирующие с более 7500 м/с скоростью в коридоре высот от 100 до 70 км над земной поверхностью воздушно-космические платформы типа"Х-37В". Гиперзвуковой летательный аппарат, в соответствии с понятием из Военного энциклопедического словаря, это способный осуществлять полет в космосе и атмосфере с большей в пять раз числа Маха-Маевского скоростью и быстрее и маневрировать с использованием аэродинамических сил самолет (ракета). К тому же устойчивое движение на гиперзвуке в плотной околоземной газовой среде возможно только с шестикратным превышением числа Маха скоростью летательного аппарата, а полет с использованием аэродинамических сил, при способности маневрировать, - в безопасном высотном коридоре над уровнем моря, верхний и нижний пороги которого ограничивает плотность атмосферы (максимальный-требование обеспечения подъемной силы планера - ниже 55…70 км; наименьший - условие недопущения перегрева конструкции - на 20…25 км выше земной поверхности). Наибольшую границу безопасного, либо правильного диапазона высот для авиамашин с гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем (35…50 км) ограничивает необходимость наличия достаточного для его работы естественного окислителя - воздушного (кислородного) потока. При прорыве околоземной плотной газовой среды на гиперзвуке физическим объектом интенсивность аэродинамического нагрева его корпуса, из-за трения об ее компоненты, пропорциональна произведению плотности атмосферы и возведенной в третью степень величины скорости. То есть аэродинамический летательный аппарат, движущийся быстрее скорости звука в пять и более раз в плотных слоях приземной атмосферы, представляет собой не рукотворную авиационную машину, а искусственный метеорит. На сегодняшний момент времени серийных образцов боевых гиперзвуковых летательных аппаратов нет, и их разработка в США ведется в трех основных направлениях: безмоторные маневрирующие головные части баллистических ракет подводных лодок или морского базирования; гиперзвуковые крылатые ракеты воздушного базирования; ракетно-планирующие системы наземного и морского базирования. Оснащение баллистических ракет маневрирующими, управляемыми планирующими блоками обычного типа - это самый дешевый и простой способ создания гиперзвукового оружия. Группировка способных находиться в течение нескольких лет на орбите роботизированных воздушно-космических самолетов (прообраз "Х-37В"), вооруженных планирующими на гиперзвуке более 3500 км управляемыми безмоторными снарядами (прототип "HGB"), представляет собой крайне эффективное абсолютное наступательное вооружение решения в кратчайший срок стратегических задач, предоставляет возможность американским Военно-воздушным силам первыми нанести удар и победить в глобальном вооруженном конфликте.
Маневрирующая безмоторная бомба "HGB" (сокращение от "Hypersonic Glide Body", англ. "гиперзвуковой глайдер"), "внутриатмосферная" по определению Национального исследовательского комитета США, как компонент ракетно-планирующей комбинированной системы «"Flight-1A" AHW» (сокращение от "Advanced Hypersonic Weapon", англ. "прогрессивное гиперзвуковое оружие"), это управляемый планирующий боевой блок, запускаемый носителем выше земной поверхности на 130 км (в "ближний" космос), откуда затем пикирует, для получения дополнительной кинетической энергии, в атмосферу Земли до высоты около 45 км над уровнем моря, после чего выполняет кабрирование с подъемом в безопасный (до 50…55 км) высотный коридор и далее в течение порядка 35 минут плавно снижается (между вектором его скорости и местной горизонталью угол θ<<0,1 рад.) к объекту атаки со средней скоростью 2600-2900 м/с, и непосредственно перед ним с высоты 30-35 км над ландшафтом Земли почти вертикально падает на него с до 10 м точностью поражения. При этом на удалении от точки запуска около 2500 км - через 7,5 минут с момента старта, на скорости порядка 3200 м/с - устанавливается режим равновесного стабильного движения на гиперзвуке глайдера "HGB" и, после преодоления в 3800 км пути, его скорость снижается до 1000 м/с [James М. Acton. Hypersonic Boost-Glide Weapons/Science and Global Security. 2015. Volume 23]. Положения проекта «AHW "Flight-1А"» и характеристики аппарата "HGB" засекречены, и информацию о реальном профиле его полета можно взять из [Alan R. Shaffer. Science and Technology Priorities And Hypersonics / AIAA Speakers Day Space Transportation TC. 2012. March 8] и [Graham Warwick. Hypersonic X-Plane (HP) - DARPA Tries Again/Aviation Week & Space Technology. 2012. August 26].
Планируется к 2018…2020 г. принятие на вооружение армии США ракетно-планирующих систем «AHW "Flight-1А"», 2019…2020 г. - роботизированных воздушно-космических самолетов типа "Х-37В" и к 2023…2025 г. (в связи со сложностями разработки надежного гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя) - боевых авиационных машин однократного запуска. Движение в плотной атмосфере аэродинамического летательного аппарата на гиперзвуке вызывает явление "обтекания плазмы" (так как превышающая не менее, чем в пять раз число Маха его скорость - это граница, в районе которой меняются физические свойства воздушного потока: в пограничном слое возле его поверхности молекулы ионизируются и получают электрический заряд), и экстремальные значения температур наблюдаются в носовой (около 2200 К) и донной областях течения (порядка 1500 К). Возникает нагретый до 1000 К, значительный по размеру в пространстве след (раскаленный вихревой поток). Также образуется и постепенно расширяется отражающий метровые (области "очень высоких частот") и декаметровые (диапазон 30-70 МГц) радиоволны, имеющий форму "цилиндрической трубки" ионно-электронный трен. Эффект гиперзвукового движения объекта в плазменной оболочке в плотной газовой приземной среде вызовет формирование протяженного контрастного на фоне небосвода конденсационного шлейфа с верхней границей образования 54-56 тыс. м выше уровня моря [Метеорит Челябинск - год на Земле. Материалы Всероссийской научной конференции / [редкол.: Н.А. Антипин и др.; состав. Н.А. Антипин]. Челябинск.: Каменный пояс, 2014].
То есть "след в атмосфере" летящего на гиперзвуке в плотной околоземной воздушной среде аэродинамического объекта - совокупность из образования плазмы, раскаленного вихревого потока, конденсационного шлейфа и ионно-электронного
трена или решающих технических демаскирующих признаков выделения вместе с континуумом критериев: геометрического (форма в виде полосы - ленты), динамического (скорость перемещения фронта - переднего среза пятикратно и более превышающая число Маха) и траекторного (между вектором его скорости и местной горизонталью угол θ<<0,1 рад.).
Поставленная задача радиоэлектронной разведки движущегося в стратосфере с гиперзвуковой скоростью "радионезаметного" объекта на рубеже 1045 км по признакам его "следа в атмосфере" в предлагаемой технической реализации решается благодаря тому, что предусматривается комплексное использование наибольших возможных в реальных условиях числовых величин компонент видения материального тела в пространстве: его освещенности, собственной тепловой и яркостной светимости и фона, его размера и цвета (первичного яркостного контраста с небосводом), его температуры (истинной термальной контрастности с окружающим фоном), оптической прозрачности слоя среды газов на пути фотонных потоков между системой наблюдения и целью (над пятикилометровой "нижней" областью тропосферы, где отсутствует явление аэрозольного рассеяния энергии фотонов компонентами атмосферы), а также характеристик чувствительности средств "технического" зрения (показателей полезного действия - квантовой эффективности, минимальной разрешаемой разности температур фотодетектора фотоприемника телекамеры, тепловизора соответственно). Идея оптимального решения задачи заключена в выделении тепловизором средневолнового инфракрасного (3,0…5,0 мкм), телекамерами видимого (0,38…0,76 мкм) и ближнего инфракрасного (0,76…1,1 мкм) спектральных каналов оптического радиометра, с фотоприемниками на базе крупноформатных "массивов в фокальной плоскости" объектива (англ. FPA - "focal plane array") высокой чувствительности, не "точечного" на расстоянии 1045 км корпуса окруженного слоями плазмы "радионезаметного" объекта, а видимого на большом удалении системами радиоэлектронной (телевизионно-радиотепловой, радиолокационной) разведки формируемого им контрастного на фоне небосвода, протяженного "следа в атмосфере" и организации путем  установки тепловизора, телекамер и измеряющего дальность до цели радара на принципах радиофотоники на бортах беспилотных воздухоплавательных аппаратов, дирижаблей - близких к идеальным условий регистрации объекта. Критериями обнаружения "следа в атмосфере" движущегося на гиперзвуке в сплошной атмосфере объекта являются: тепловой контраст небосвода (фона) с плазменным образованием и раскаленным вихревым потоком (разность их радиационных температур), яркостный контраст плазменного образования и конденсационного шлейфа с фоном (разность их интенсивностей свечений -яркостных светимостей и параметров отражения радиации Солнца - альбедо, соответственно); форма в виде полосы - ленты; превышающая число Маха в пять и более раз скорость перемещения фронта, переднего среза; θ<<0,1 рад. угол наклона ее вектора к местной горизонтали. С учетом 10% - показателя теплопереноса, тепловое поле спутной оболочки около поверхности объекта, летящего на гиперзвуке в сплошной атмосфере, на порядок горячее нагрева корпуса и возле носовой части может превышать 10000ºС [Тамбовцев В.И., Шевяков И.А., Литвинов А.А. Радиопрозрачность ионизованной оболочки, образующейся вокруг гиперзвукового объекта в мезосфере. Вестник ЮрГУ. Челябинск: ЮрГУ, 2015. Т. 15, №3]. Естественные электромагнитные волны, непрерывно поглощаемые и испускаемые любым телом с выше абсолютного нуля - минус 273,16ºС - температурой - тепловое излучение, общая энергия которого (пропорциональна возведенной в четвертую степень температуре) с ростом нагрева этого тела повышается с перемещением максимума в полосу спектра коротких инфракрасных волн. Температуре поверхности Солнца, при сравнении его лучеиспускательной способности с абсолютно черным телом, соответствует 5900 К температура абсолютно черной материи. Нагретое до 2500 К физическое тело излучает оптические волны длиной 0,56-0,76 мкм, или световую радиацию красного, оранжевого, желтого оттенков. Движение образования плазмы и раскаленного до 1000 К вихревого потока в приземной среде воздуха вызовет разогрев ее газовых компонент, в том числе водяных паров, и атмосферная влага, не успевая испариться, будет охлаждаться (из-за теплового излучения и турбулентности-до температуры окружающей среды. При ее температуре ниже минус 30…минус 40°С (согласно ГОСТ 4401-81 "Атмосфера стандартная. Параметры", в диапазоне высот от 25 до 37 км над уровнем моря) атмосферная влага и водяные пары сублимируются - минуя жидкую фазу, переходят в ледяные микрокристаллы; если эта температура в диапазоне от минус 10 до минус 30°С (в настоящей задаче - в эшелоне высот от 37 до 55 км), - то конденсируются или превращаются в микроскопические водяные капли. Концентрация в единице атмосферного объема этих ледяных микрокристаллов и микроскопических водяных капель создает преломление солнечной радиации (света) и делает видимым на фоне небосвода в течение некоторого времени конденсационный шлейф (англ. "contrail", "condensation trail") "следа в атмосфере" летящего на гиперзвуке объекта. Гиперзвуковая - это скорость, пятикратно и более превышающая число Маха - безразмерное, равное отношению скорости движущейся материи к местной (изменяющейся с высотой) скорости звука, численное значение. Скорость распространения в атмосфере звука определяет произведение числа 20,046 и корня квадратного из температуры - в градусах по шкале Кельвина - околоземной газовой среды на заданной высоте. В высотном диапазоне от 25…30 км до 50…55 км над уровнем моря варьирование температуры стандартной атмосферы выглядит следующим образом: 221,65 К и 226,51 К - на высотах соответственно 25 км и 30 км, затем возрастает до 270,65°К - выше земной поверхности на 47 км и до 51,4 км остается неизменной, после чего снижается, и составляет 260,77 К выше на 55 км земного ландшафта. Поэтому число Маха будет изменяться: с 298,5 м/с и 301,7 м/с - ускорение до порядка 329,8 м/с значения, и к 323,7 м/с последующее снижение соответственно, либо величины порогов устойчивого гиперзвукового полета: 1791 м/с и 1810 м/с, с возрастанием до около 1979 м/с и дальнейшее снижение к 1942 м/с соответственно. Эти величины дают право вводить динамический решающий критерий выделения "следа в атмосфере" летящего на гиперзвуке объекта - скорость перемещения фронта образования плазмы и переднего среза конденсационного шлейфа быстрее 1700 м/с. При этом ошибки средства "технического" зрения измерения угловых координат фронта "следа в атмосфере" зависят от разрешающей способности двумерной матрицы фотодетектора фотоприемника излучений оптических волн, которую ограничивает ее топология дискретности (размеры и количество элементов). Тепловизор и телекамеры оптического радиометра обладают способностью к высокоточной координатометрии углов передних срезов образования плазмы и конденсационного шлейфа соответственно, но не могут измерить дальность до них. Поэтому оптический радиометр беспилотного воздухоплавательного аппарата, определив спектральными каналами азимут и угол места объекта разведки, формирует и выдает целеуказание в бортовой радар на принципах радиофотоники с от 4 до 6 м длиной волны радиоколебаний для измерения с достаточной (при управлении противоракетой с активной радиолокационной головкой самонаведения) точностью дальности до ионно-электронного трена. Следовательно, предлагаемая система дальней радиоэлектронной разведки в эшелоне высот 25…55 км над ландшафтом Земли (стратосфере) летящего на гиперзвуке "радионевидимого" объекта по признакам его "следа в атмосфере" является поисково-следящим комплексом в составе связанных между собой радиолиниями обмена данными трех - четырех наземных пунктов обработки информации и управления (один из которых опорный) и обеспечивающих их разведсведениями трех-четырех расположенных над ними геостационарных обзорно-прицельных постов (беспилотных воздухоплавательных аппаратов -моторизованных дирижаблей) стратосферного базирования. Техническое решение позволяет реализовать обнаружение и измерение углов местонахождения "следа в атмосфере" летящего с гиперзвуковой скоростью в стратосфере "радионезаметного" объекта в пассивном режиме, без излучений и определение дальности до него с помощью активной радиолокации,-таким образом осуществляя с требуемой на практике точностью пространственную координатометрию и траекторное сопровождение визируемой цели. Способ и система дальней радиоэлектронной разведки летящего на гиперзвуке в слоях плотной газовой среды "радионевидимого" объекта по признакам его "следа в атмосфере" заключаются в приеме тремя (или более) бортовыми оптическими радиометрами беспилотных воздухоплавательных аппаратов (дирижаблей), с разнесенными на заданное (до 200 км) расстояние в пространстве позициями, испускаемых плазменным образованием и раскаленным вихревым потоком - тепловых волн, излучаемой плазменным образованием - световой радиации, и солнечных лучей, отраженных поверхностью конденсационного шлейфа. При этом уровень яркостной светимости и радиационная температура плазменной оболочки вокруг гиперзвукового объекта и показатель отражения солнечных лучей (или альбедо) конденсационного шлейфа и радиационная температура раскаленного вихревого потока, технические критерии "следа в атмосфере", - в континууме с геометрическим (форма в виде полосы - ленты), траекторным (между местной горизонталью и вектором скорости переднего среза "следа в атмосфере" угол θ<<0,1 рад.), динамическим (скорость перемещения фронта образования плазмы и конденсационного шлейфа, превышающая число Маха в пять и более раз) решающими признаками, намного повышают вероятность регистрации разведываемой цели. Термальный (яркостный) контраст "следа в атмосфере" на фоне небосвода используется для определения и вычисления угловых координат объекта и параметров его движения. Радар на принципах радиофотоники измеряет наклонную дальность до ионно-электронного трена цели. По числовой величине расстояния и численным значениям угла места и азимута фронта "следа в атмосфере", определенным спектральными каналами оптического радиометра - с фотоприемниками с детальным разрешением - на основе укомплектованных крупноформатными массивами фотодетекторов, - находят пространственные координаты местоположения объекта разведки - с помощью алгоритмических процедур. Высоту полета цели над уровнем моря вычисляют как функцию наклонной дальности до "следа в атмосфере", угла места его переднего среза и радиуса Земли, скорость цели принимают равной расчетной скорости перемещения фронта образования плазмы в околоземной газовой среде. Вектор движения - значение курса - объекта разведки считают равным средней величине векторов перемещения фронтов конденсационного  шлейфа и переднего среза раскаленного вихревого потока. Для пояснения технического решения представлены графические документы. На фиг. 1 изображена структурная схема системы дальней радиоэлектронной разведки "радионезаметного" объекта, летящего с гиперзвуковой скоростью в стратосфере, по признакам "следа в атмосфере"; на фиг. 2 - функциональная схема трехканального оптического радиометра выделения светоизлучающего плазменного образования ("кокона") и светоотражающего конденсационного шлейфа (КШ), а также теплоизлучающих плазменного облака и раскаленного вихревого потока (РВП); на фиг. 3 - характеристики массивов фотодетекторов МФПУ-С, ELCM 1075, ELCM 1077 фотоприемников тепловизора и телекамер S3C/075 и S3C/077 соответственно; на фиг. 4 - зависимость от длины волны солнечного света квантовой эффективности матриц ELCM 1075 и ELCM 1077. Техническое решение способ и система дальней радиоэлектронной разведки по признакам "следа в атмосфере" летящего в стратосфере с гиперзвуковой скоростью "радионезаметного" объекта осуществляется следующим образом. Излучаемые плазменной оболочкой визируемого объекта и его раскаленным вихревым потоком инфракрасные сигналы регистрируются формирующими двумерные снимки термального изображения массивами МФПУ-С (диапазон чувствительности 3…5 мкм; формат 512×640 пикселов размера 25×25 мкм; эквивалентная шуму разрешаемая разность температур до 25 мК) - приборами Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (г. Новосибирск) цифровых фотоприемников тепловизоров, испускаемая плазменным образованием световая радиация и солнечные лучи, отраженные конденсационным шлейфом, принимаются совокупностью создающих кадры визуальных панорам матриц ELCM 1075 (рабочий диапазон 0,145…1,0 мкм; формат 1225×1300 элементов размера 14×14 мкм; квантовая эффективность 0,57 в отрезке 400…750 нм оптического спектра) цифровых фотоприемников S3C (S3C/075) и ELCM 1077 (рабочий диапазон 0,145…1,0 мкм; размерность 1040×1160 пикселов площадью 16×16 мкм; квантовая эффективность 0,4 в участке 750…900 нм оптических волн) фотоприемников типа S3C (S3C/077) - блоками группы компаний «СИЛАР-ЭЛАР» (г. Санкт-Петербург) телекамер (см. фиг. 3 и 4), которые размещаются в качестве целевой нагрузки на бортах "дрейфующих" над уровнем моря в диапазоне высот "ветро- (вело-) паузы" (в геостационарном режиме) беспилотных воздухоплавательных аппаратов или моторизованных стратостатов - дирижаблей типа «Беркут» (1000 кг полезная нагрузка; крейсерский эшелон высот "парения" над ландшафтом Земли 20…22 км с сохранением постоянного географического положения; до 120 суток - временная продолжительность "висения"; оболочка размером: диаметр - 51 м; длина - 250 м и объем - 320 тыс. куб. м) корпорации «Авгуръ - аэростатные системы» (г. Москва), при этом беспилотные воздухоплавательные аппараты патрулируют над наземными пунктами обработки информации и управления. Совокупность взаимосвязанных исполнителей (операторов обнаружения цели и измерения дальности) и средств автоматизации наземного пункта обработки информации и управления (станциями радиоэлектронной разведки) в составе модулей обмена данными полезной нагрузки моторизованного стратостата с системным центральным компьютером, устройств приема-передачи сведений с соседними и вышестоящим органами управления, формирователя программ отображения и эргономичных рабочих мест, взаимодействующая с бортовой аппаратурой дирижабля типа «Беркут», которая осуществляет преобразование в битовые сигналы принятой аналоговой радиации оптических изображений, накопление и выдачу потребителю по радиолиниям обмена данными панорам обзора (в цифровом виде) и кодограмм сообщений - это автоматизированная система управления боевым применением в поисково-следящем комплексе отряда обзорно-прицельных постов (ОПП) радиоэлектронной разведки. Структурная схема системы дальней радиоэлектронной разведки летящего в стратосфере на гиперзвуке воздушно-космического объекта по признакам его "следа в атмосфере", как поисково-следящего комплекса в составе: наземных пунктов обработки информации и управления (ПОИ и У) и геостационарных моторизованных стратостатов, беспилотных воздухоплавательных аппаратов в качестве обзорно-прицельных постов (ОПП), - изображена на фиг. 1.
v
n
атм
ЭМИ
осл
ЭМИ
v
Выбор в качестве объекта разведки светящегося образования плазмы основан на следующем. Для вычисления дальности видения огней используется закон Алларда (квадратов расстояний) - выражение, связывающее освещенность E, создаваемую на расположенной на удалении S плоскости, перпендикулярной линии визирования, в атмосфере с прозрачностью τ.(λ) или ослаблением σ.(λ) "точечным" источником света с I интенсивностью, - в формульном виде [Руководство по определению дальности видимости на ВПП (RVR). РД 52.21.680-2006. М.: АНО «Метеоагентство Росгидромета», 2006]:
;
v
ЭМИ
-
где E- выраженная в фотометрических величинах измерения освещенность;  - представленная в энергетических единицах измерения облученность на срезе объектива телекамеры;  - угол между направлением потока света и нормалью к облучаемой поверхности; λ средняя длина волны излучения.
27
7
12
8
Сила света раскаленного до 5780…5900°К абсолютно черного тела (Солнца) составляет 3×10 кд; интенсивность свечения нагретой до 2000°С абсолютно черной материи (осветительной авиабомбы САБ-250-200) около 1,02×10кд; учитывая принятое на XXVI Генеральной Конференции по Мерам и Весам в 1979 г. определение: кандела - сила света в данном направлении от имеющего в нем равную в 1/683 Вт интенсивность излучения с частотой 540×10 Гц в телесном угле один стерадиан источника монохроматической радиации, силу света образования плазмы с температурой 2500°К с достаточной для расчетов точностью можно полагать равной 2×10Вт.
атм
ЭМИ
Имеет смысл рассмотреть порядок определения коэффициентов пропускания оптического излучения атмосферы τ.(λ) более подробно. Применение "дрейфующего" в коридоре высот "велопаузы" атмосферы (выше ландшафта Земли на 21,33 км скорость ветра не более 10 км/ч) беспилотного воздухоплавательного аппарата - носителем средств поста радиоэлектронной разведки наряду с наиболее реализуемым режимом геостационарного полета, обеспечивает также исключение влияния кривизны Земли на заданный рубеж обнаружения движущейся на высоте 40 км над уровнем моря цели (согласно формуле дальности оптического горизонта, дистанция прямого видения около 1322 км) и воздействия аэрозольного рассеяния энергии фотонов в "нижнем" пятикилометровом слое тропосферы на процесс регистрации разведываемого объекта (воздушная среда максимально близка к идеальной - беспыльной, но содержащей водяной пар на высотах более 5 км над земной поверхностью). В случае регистрации поднятым в высотный коридор "велопаузы" стратосферы средством радиоэлектронной разведки на рубеже 1045 км объекта, летящего на высоте 40 км над уровнем моря, путь потоков фотонов между его "следом в атмосфере" и оптическим радиометром будет проходить, согласно теореме косинусов - при 6371 км усредненном радиусе Земли, выше ее ландшафта на 8,288 км. В настоящем примере слой оптически неоднородной атмосферы на наклонной трассе протяженностью 1045 км представляют двумя прослойками длиной 636,8723 км между целью и точкой наибольшего приближения пути фотонного потока к поверхности Земли и 408,1277 км - между этой точкой и средством разведки, и при распространении над пятикилометровой "нижней" областью тропосферы фотонов ослабление их энергии компонентами газовой околоземной среды осуществляется за счет только молекулярного рассеяния, так как явление аэрозольного рассеивания отсутствует. На высотах 21,33 км размещения средств наблюдения, 40 км нахождения разведываемого объекта и 8,288 км точки наибольшего приближения трассы потока фотонов к земной поверхности среднее значение показателя молекулярного рассеяния, согласно соотношению [Рек. МСЭ-R Р. 1817 Рекомендация МСЭ-R Р.1817* "Данные о распространении радиоволн, требуемые для разработки наземных оптических линий для связи в свободном пространстве" (Вопрос МСЭ-R 228/3), 2007]:
мол
ЭМИ
ЭМИ
А
0
А
А
А
-4
-1
-5
-1
-3
-1
-5
-1
-6
-1
-4
-1
-7
-1
-8
-1
-6
-1
-4
-4
-4
где σ. (h,λ) - показатель молекулярного рассеивания электромагнитных с длиной волны λ колебаний на h высоте над уровнем моря; =1013 мбар; Р-атмосферное давление на высоте h над ландшафтом Земли; Т=273,15 К; Т- атмосферная температура на высоте h над земной поверхностью; λ [мкм] -длина волны радиации; ГОСТ 4401-81 «Атмосфера стандартная. Параметры» приводит: на высоте 21,35 км Т=217,929 К и Р=44,7788 мбар; выше на 40 км Т=250,35 К и Р=2,87143 мбар; на 8,3 км - Т=234,27 К и Р=341,355 мбар; составит в видимом сегменте оптических волн соответственно 5,72×10км; 3,193×10 км и 4,057×10 км; в ближнем инфракрасном участке спектра 8,0743×10 км и 4,505×10 км и 5,725×10 км соответственно; а также в средневолновом инфракрасном диапазоне - 2,36×10 км и 1,3×10 км и 1,673×10 км. Это означает, что оптические толщи прослоек околоземной газовой среды /„ геометрической толщиной (636,8723 км и 408,1277 км) равны ; соответственно 1,302 и 0,9448 в отрезке 0,38… 0,76 мкм оптических волн; соответственно 0,18375 и 0,1333 в интервале 0,76…1,1 мкм спектра; соответственно 5,37×10и 3,9×10 в участке 3,0…5,0 мкм. Способ сложения слоев теории переноса радиации физической оптики предоставляет право определить оптическую толщину всего атмосферного слоя на трассе от объекта разведки до средства наблюдения и коэффициент пропускания такого отрезка околоземной газовой среды. В результате оптическая толща и коэффициент пропускания слоя атмосферы на наклонном пути размером 1045 км в видимой, ближней инфракрасной и средневолновой инфракрасной областях спектра соответственно 2,2467 и 0,10575; около 0,317 и 0,7283; порядка 9,27×10 и 0,99907.
8
-5
2
-4
2
-6
2
2
-5
2
-6
2
-5
2
ос
ос
oс
ос
oс
oс
H
e
Тогда светимость образования плазмы с интенсивностью 2×10 Вт создаст на срезах объективов телекамер интегральную облученность 1,9368×10 Вт/м в видимом и 1,334×10 Вт/м в ближнем инфракрасном сегментах оптических волн, учитывая закон Алларда (квадратов расстояний). Освещенность массива фотодетектора фотоприемника телевизионных камер существенно зависит от характеристик их объективов - коэффициент пропускания и F - апертура - диафрагменное число - оптической системы. К примеру, τ равно 0,95 у опытного сверхсветосильного объектива с мультипросветлением «Волна-8 50/1,2» дальномерных телекамер; у оптической сверхсветосильной системы с мультипросветлением «Зенитар 0,95/50 Е» F составляет 0,95. Эти цифры констатируют об интегральной облученности матрицы фотодетектора 5,097×10 Вт/м в области 0,38…0,76 мкм оптических волн, если численная величина 0,263 характеристики объектива τ/(4×F). В полосе спектра 0,76 …1,1 мкм не реализуется мультипросветление оптических систем, поэтому в расчетах применяют стандартное значение τ=0,85 объектива. Интегральная освещенность массива фотодетектора фотоприемника телекамеры в ближнем инфракрасном сегменте оптического спектра 3,141×10 Вт/м в этом случае. Величины энергетических облученностей 5,097×10Вт/ми 3,141×10Вт/мна двумерных матрицах ELCM 1075 и ELCM 1077 фотоприемников S3C/075 и S3C/077 телекамер с объективами «Зенитар 0,95/50 Е» (ПАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева») означают, что в пикселах массивов за период времени экспонирования t будет накоплен пакет зарядов в N электронов [Уваров Н.Е. Секреты высокой чувствительности ТВ камер // Алгоритм безопасности. 2002.
;
2
2
2
8
-34
-19
-19
ЭМИ
ф
ЭМИ
Ф
Ф
H
где  [Bт/м] - облученность на кристалле массива; а[м] - площадь пиксела матрицы; η(λ) - квантовая эффективность массива; W(λ) [Дж] - энергия фотона; ; с - скорость света в вакууме (с=2,9979×10 м/с); -константа Планка (=6,6262×10 Дж/Гц); W(0,57 мкм)=3,485×10 Дж; W(0,93 мкм)=2,257×10 Дж; t=0,125 с (с целью временной синхронизации функционирования телекамер и тепловизора, так как в нем циклы накоплений фотонов полей кадров длятся 0,125 секунд).
Σ
При условии задействования фотоприемников: S3C/077 в видимом и S3C/075 в ближнем инфракрасном диапазоне оптического спектра, - элементы матриц их фотодетекторов в своих потенциальных ямах накопят 267 электронов  и . В этих зарядовых пакетах количество  - электроны фотонного шума, к которым добавляется число электронов шума считывания величиной, как правило, не более 10…20 электронов [Неизвестный С.И., Никулин О.Ю. Приборы с зарядовой связью - основа современной телевизионной техники. Основные характеристики ПЗС//Специальная техника. 1999. №5. С. 30-38]. В таком случае превышения амплитуд полезных сигналов над уровнем шума на выходах фотоприемников достигнут 7,4 и 24 раза соответственно. Процедура алгоритмического сложения цифровых кадров фотоприемников типа S3C/077 и S3 С/075 способствует реализации суммарного значения отношения размаха полезного колебания к шумовой дорожке ψ [Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы "смотрящего" типа. М.: Логос, 2004]:
Σ
где  - величина превышения амплитуды полезного сигнала над уровнем шума на выходе фотоприемника соответственно видимого отрезка и ближнего инфракрасного участка оптического спектра; около 25 раз. Согласно графическим представлениям ("кривым обнаружения" излучений с неизвестной амплитудой и фазой статистики Неймана-Пирсона) достоверности регистрации цели, равенство в 25 раз величины ψ равнозначно близкой к единице вероятности правильного обнаружения. Основан выбор в качестве объекта разведки совокупности теплоизлучающих образования плазмы и раскаленного вихревого потока на следующем. В ходе определения расстояния до источника инфракрасных излучений оптического спектра используются закономерности теории критериев Джонсона, которые позволяют с определенной степенью достоверности утверждать об успешном решении оператором задач наблюдения панорам (восприятия его зрительным анализатором и интерпретации изображения). Правильное обнаружение цели оператором, согласно модели функционирования "смотрящего" тепловизора, адекватно разрешению им соответствующей штриховой миры тест-объекта с показателями: радиационный контраст, пространственная частота, размеры и количество штрихов миры, - определяющими рубежи ее выделения и степень сложности задач разведки. Размер тест-объекта принимают в виде квадрата с равной поверхности визируемой цели площадью и HT-O сторонами. Число NP - заполняющих квадрат штрихов миры устанавливает вероятность правильного обнаружения теплоизлучающего объекта. Дальность выделения цели находят из равенства ее радиационного контраста с имеющимся фоном, приведенного расчетом к входному зрачку фотоприемника тепловизора, - чувствительности его фото детектора - минимальной разрешаемой разности температур (МРРТ) [Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы "смотрящего" типа. М.: Логос, 2004]: ; где ΔTЦ-Ф - тепловая контрастность объекта на окружающем фоне. Диапазон температур цели 1000…2500°К при температуре слоев атмосферы 250,35° К на высоте 40 км над уровнем моря, а также равенство 0,99907 коэффициента τатм.(3,0…5,0 мкм) свидетельствуют о необходимости применения тепловизора с МРРТ≤748,953°К показателем. Даже в самых благоприятных условиях дальность обнаружения тепловизором объекта разведки  ограничивают его размер и технические показатели (фокусное расстояние объектива, формат и площадь пикселов фотодетектора) инфракрасной камеры [Никитин В.В., Цыцулин А.К. Телевидение в системах физической защиты. СПб.: СП6ТЭТУ "ЛЭТИ", 2001]:
;
M
отн
отн
строк
строк
Т-О
эл
эл
м
т-о
P
P
=
2
2
-3
2
-5
2
-3
2
-4
2
где  - фокусное расстояние объектива; h- высота матрицы фотодетектора; Δ.- размер цели в пересчете на высоту растра массива; для ее обнаружения в поле зрения тепловизора теория критериев Джонсона предписывает в кадре иметь в пределах проекции его высоты не менее двух строк разложения, либо Δ.[%](2/N)×100%; здесь N- число строк матрицы фотодетектора. Это означает, что обнаружение тепловизором с 50 мм фокусным расстоянием объектива и фотоприемником с фотодетектором МФПУ-С формата 512×640 пикселов площадью 25×25 мкм визируемого объекта возможно при равенстве не менее 1045 м его h геометрического размера. Такую протяженность могут иметь только плазменное образование и раскаленный вихревой поток "следа в атмосфере" гиперзвуковой цели. Аппроксимацию показателей тепловизора в моделях ослабления термальной радиации объекта атмосферой представляют следующими соотношениями [Трестман М.М. Обнаружение крылатой ракеты прибором ночного видения / Материалы Научной конференции "Актуальные проблемы в прикладных научных исследованиях". Арад, Реховот (Израиль): ИПИ, декабрь 2012. С.233-239]:; где  с в экспоненциальной аппроксимации МРРТ; РТЭШ=25 мК характеристика эквивалентная шуму разность температур прибора МФПУ-С; здесь δ - элементарное поле зрения тепловизора; при =50 мм и 25 мкм - длине грани пиксела - δ=0,5 мрад.; ω- пространственная частота миры; ; откуда следует: ;где  - это требуемая дальность обнаружения физического тела h размером; достигнет 1,826 значения. В теории критериев Джонсона численные величины N=3;2 и 1,75 означают вероятности правильного обнаружения соответственно 1,0; 0,95 и 0,9 [Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы "смотрящего" типа. М.: Логос, 2004], следовательно N=1,826 равнозначно вероятности 0,93 (и более) правильного обнаружения совокупности плазменного образования с раскаленным вихревым потоком "следа в атмосфере" гиперзвукового объекта. Выбор отражающего радиацию Солнца конденсационного шлейфа в качестве объекта разведки основан на следующем. Формирующийся за движущимся на гиперзвуке в плотном воздухе летательным аппаратом конденсационный или "паровой"шлейф (англ. "vapour trail) это облачный, из сконденсировавшихся на метеоритной пыли (ее попадает в приземную газовую среду около 100 тыс.тонн ежегодно) мелких частиц (типового размера от 50 до 200 нм) в основном атмосферной влаги и в меньшей степени водяных паров выхлопов, выбросов из двигателя, след - результат их мгновенной кристаллизации и сублимации -искусственное, из микрокристаллов льда и микроскопических капелек влаги, перисто-кучевое облако верхнего яруса класса "Cirrocumulus tracft - "Сi trac", "Cirrus tract'' (с новолатин. "дорожное"), ледяные микрокристаллы в котором по структуре подобны снежинкам свежевыпавшего снега. Числовые величины альбедо свежевыпавшего снега в зависимости от длин волн света, падающего на него [Рек. МСЭ-R RS.1804 Рекомендация МСЭ-R RS.1804* "Технические и эксплуатационные характеристики систем спутниковой службы исследования Земли, работающих на частотах выше 3000 ГГц" (Вопрос МСЭ-R 235/7), 2007], равны 0,98 и 0,87 в видимом и ближнем инфракрасном участках оптического спектра соответственно. Тогда с достаточной для расчетов точностью альбедо поверхности конденсационного шлейфа можно учитывать 0,95 и 0,85 в полосе 0,38…0,76 мкм и в сегменте 0,76…1,1 мкм соответственно. Облученность на массиве фотоприемника телекамеры зависит от освещенности на объекте, ряд типовых значений которой приводится в [Неизвестный С.И., Никулин О.Ю. Приборы с зарядовой связью - основа современной телевизионной техники. Основные характеристики ПЗС//Специальная техника. 1999. №5. С. 30-38], к примеру, при средней прозрачности атмосферы находящаяся в зените полная Луна освещает плоскость по нормали к ее лучам с 0,25 лк интенсивностью; во время безлунной ночи 0,02 лк степень облучения площадки. Интенсивность в 1 Вт=1 Дж/с солнечного излучения в спектре кривой видимости зрительного анализатора соответствует световому потоку в 220 лм; то есть энергетическая облученность 1 Вт/м=220 лк световой освещенности в видимом диапазоне и интегральная облученность 1 Вт/м≡181 лк световой освещенности в 0,76… 1,1 мкм области оптических волн. Это означает, что ночью при полной Луне и в ночной безлунный период суток энергетическая облученность на плоскости составляет 1,1363×10 Вт/м и 9,09×10 Вт/мв диапазоне 0,38…0,76 мкм оптического спектра соответственно и 1,3812×10 Вт/м и 1,104×10 Вт/м в ближнем инфракрасном участке оптических излучений соответственно. Тогда интегральная освещенность на матрице фотодетектора фотоприемника:
е
ОС
ОС
ОС
ОС
2
2
-5
2
-6
2
-4
2
-5
2
-4
здесь Е - энергетическая облученность на объекте; характеристика объектива {τ/(4×F)}=0,263 (сверхсветосильного с мультипросветлением) в 0,38…0,76 мкм интервале длин волн; {τ/(4×F)}=0,235457 (сверхсветосильного) в ближнем инфракрасном отрезке оптических волн; будет равна ночью в полнолуние и в ночной безлунный период 3×10 Вт/м и 2,4×10 Вт/м соответственно в видимой полосе оптического спектра, а также 2×10 Вт/м и 1,516×10 Вт/мсоответственно в 0,76…1,1 мкм участке длин волн. При равенстве 0,125 с цикла экспонирования и задействовании S3С/077 фотоприемника в видимом и S3C/075 - в ближнем инфракрасном диапазонах оптического спектра, - в их фотодетекторах пикселы матриц накопят в своих потенциальных ямах зарядовые пакеты  в области оптических излучений 0,38…0,76 мкм, и  в интервале электромагнитных волн 0,76…1,1 мкм соответственно ночью при Луне в зените и в безлунный ночной период суток. Эти пакеты зарядов сформируют на выходах цифровых фотоприемников радиации 6,38…0,76 мкм и 0,76…1,1 мкм оптических волн превышение амплитуды полезного сигнала над уровнем шума в 26 и 76,85 раз в ночной период суток при нахождении в зените полной Луны, а также четыре и 14,3 раза во время темной безлунной ночи. Последнее вызывает потребность применения алгоритмического сложения цифровых снимков фотоприемников S3C/077 и S3C/075, которое создаст суммарную величину отношения размаха полезного колебания к шумовой дорожке 14,85 раз. Численное значение 14,85-кратного превышения амплитуды полезного сигнала над размахом шумов на выходе сумматора реализует вероятность правильного обнаружения 0,95 при 10 темпе ложных тревог. В этом случае геометрический размер визируемого объекта должен быть не менее 669 метров.
ПО
Выбор в качестве критерия выделения объекта решающих геометрического и динамического, а также траекторного демаскирующих признаков его "следа в атмосфере" предполагает объединение образа теплоизлучающих плазменного образования и раскаленного вихревого потока с образами светоиспускающего образования плазмы, светоотражающего конденсационного шлейфа в единое изображение (см. фиг. 2). В обеспечении согласованной работы тепловизора и телекамер, которые генерируют собственные серии синхросигналов,- одна из основных проблем - синхронизация их функционирования. В связи с тем, что средневолновый инфракрасный спектральный канал оптического радиометра предоставляет приоритетные признаки "следа в атмосфере" объекта разведки (полет физического тела на гиперзвуке в околоземной газовой среде означает образование вокруг него слоев плазмы и раскаленного вихревого потока; в 3,0…5,0 мкм отрезке длин волн меньше ослабление оптического излучения), то используется схема жесткой синхронизации системы пассивного наблюдения синхросигналами средневолнового инфракрасного тепловизора (см. фиг. 2). В такой схеме для (так называемых "ведомых") телекамер видимого и ближнего инфракрасного диапазонов оптических волн применяется синхронизирующая кадры съемки с точностью в полпиксела версия "цифровой привязки". В итоге системный центральный компьютер сформирует "оптический портрет" цели, что, при условии наличия "альманаха" изображений типовых объектов, будет способствовать решению задачи распознавания летательного аппарата. Далее с целью нахождения динамического, траекторного отличительных критериев измеренные углы переднего среза образования плазмы "следа в атмосфере" в виде целеуказания системный центральный компьютер выдает в активный, на принципах радиофотоники, радар метрового диапазона радиоволн. При длине волны радиоизлучения 4…6 м для формирования диаграмм направленности с расходимостью 0,1 угл. град, требуются антенные устройства размером, в 100 раз превышающим длину волны радиосигналов. Возможно размещение такой антенны на значительного объема оболочке моторизованного дирижабля или беспилотного воздухоплавательного аппарата. На принципах радиофотоники низкочастотные радары для беспилотных воздухоплавательных аппаратов, на вооружение ВКС России которые планируется принять в 2020-25 г. г., создает московское АО «Концерн Радиоэлектронные технологии». Новая технология сочетает излучатели и приемники радиоэлектронных средств с оптическими элементами, в которых из радиоколебаний радиофотонные аналого-цифровые преобразователи формируют оптические сигналы и наоборот, что позволяет применять оптико-волоконные линии связи - вместо коаксиальных кабелей и волноводов - вдвое снизить вес и собственные шумы, в десятки раз улучшить разрешение и гальванически развязать металлические каскады усилителей и антенн, проводить полностью цифровую обработку радиоволн. Радар с длиной волны радиоизлучения 4…6 м применяется только для измерения дальности до обнаруженного оптическим радиометром объекта с целью определения его параметров движения, первым из которых вычисляется путевая скорость. Так как в поле зрения тепловизора и телекамер могут попадать факелы выбросов из работающих в форсажном режиме (с температурой более 2000°К) силовых установок, раскаленные вихревые потоки, конденсационные шлейфы боевых сверхзвуковых самолетов, в частных случаях возможно ложное срабатывание схем регистрации. Поэтому в процессе обнаружения летящего на гиперзвуке объекта по его "следу в атмосфере" оптическим радиометром выделение цели по динамическому решающему критерию - обязательная процедура. Вслед за ней выполняется проверка параметров движения по траекторному признаку - для исключения из дальнейшего анализа целей типа "метеорит" ("болид"). Комплексное использование в техническом решении в качестве контрастного с имеющимся фоном объекта разведки - протяженного "следа в атмосфере", в роли спектральных каналов бортового оптического радиометра беспилотного воздухоплавательного аппарата - оснащенных фотоприемниками теплового и светового излучения МФПУ-С, S3C/075 и S3C/077 с фотодетекторами на базе двумерных матриц - прецизионных тепловизора и телекамер, размещенных в пространстве с учетом прохождения над пятикилометровым "нижним" слоем тропосферы линии визирования средством наблюдения цели, - предоставляет возможность реализовать дальность ее регистрации в 1045 км с вероятностью правильного обнаружения Р=1-(1-0,999)×(1-0,93)×(1-0,95)=0,999997 в период темной безлунной ночи.
Построение беспилотных воздухоплавательных аппаратов в боевой порядок с дистанцией между ними 150…200 км, применение тепловизоров и телекамер с 45 угл. град, секторами обзора (с фокусным расстоянием оптических систем 50 мм) с фотоприемниками МФПУ-С, S3C/077 и S3C/075 (элементарное поле зрения соответственно 1,72 угл. мин.; 1,1 угл. мин. и 0,923 угл. мин.) в расчете на 1045 км заданную дальность поиска сформируют поле разведки, имеющее следующие характеристики: зона контролируемого воздушного пространства 820,74×820,74 км с возможностью измерений углов визируемого объекта с максимальной погрешностью соответственно: 0,86 угл. мин. и 0,55 угл. мин. и 0,462 угл. мин. - цифровая обработка видеопроцессором сигналов матричного фотодетектора реализует определение координат излучателя с точностью до десятых и сотых долей элемента (пиксела) фоточувствительного массива. Обнаружение траектории движения - автозахват на сопровождение - объекта, построение трассы его полета - наблюдение - и вычисление с 0,125 с циклом обновления данных, в интересах потребителя, путевых параметров изменения местонахождения цели в пространстве осуществляет системный центральный компьютер оптического радиометра (после получения сведений о расстоянии до объекта разведки - от активного радара) в процессе функционирования его алгоритмов первичного анализа снимков и вторичной обработки оптической информации (изображений). Проведенные в США исследования показали, что применительно к образам типовых образцов вооружения и военной техники в диапазоне 0,95…1,0 находится вероятность их обнаружения, распознавания и идентификации, если на кадре количество укладываемых вдоль критического размера цели пикселов - число Джонсона - равно соответственно 2…3; от 6…9 до 8…12 и 12…18 [Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы "смотрящего" типа. М.: Логос, 2004]. В режиме "слежение - прицеливание", по сравнению с этапом "поиск - обнаружение", следует фокусное расстояние объектива тепловизора и телекамеры увеличить не менее, чем в четыре раза, то есть до 200 мм и более.
Система дальней радиоэлектронной разведки "радионезаметного", летящего с гиперзвуковой скоростью в стратосфере, объекта по признакам его "следа в атмосфере" выполняет функции предназначения следующим образом. Сектор обзора каждому бортовому оптическому радиометру "парящих" в диапазоне высот "ветропаузы" беспилотных воздухоплавательных аппаратов назначает, на основе данных о техническом состоянии их полезной нагрузки и внешней метеорологической ситуации, цифровой вычислительный комплекс опорного наземного пункта обработки информации и управления. В ответственном или заданном секторе 45×45 угл. град, обзорно-прицельные спектральные каналы оптического радиометра пассивно ведут обнаружение целей (при этом общая зона контролируемого поисково-следящим комплексом на удалении 1045 км воздушного пространства может достигать 820,7×2450 км); при регистрации "следа в атмосфере" вероятного объекта разведки они захватывают передние срезы образования плазмы и конденсационного шлейфа объекта разведки на сопровождение. Системный центральный компьютер бортового оптического радиометра беспилотного воздухоплавательного аппарата передает команды спектральным каналам на переход их в режим "слежение - прицеливание", то есть переключение 50 мм короткофокусных объективов на длиннофокусные, 200 мм, оптические системы тепловизора и телекамер. У них сужается в этом случае сектор обзора до 8,5 угл. град, с сокращением до 27,78 угл.с; 16,5 угл.с и 14,44 угл.с элементарных полей зрения - при применении в них МФПУ-С, S3C/077 и S3C/075 фотоприемников соответственно. В виде целеуказания эти данные координатометрии углов передних срезов плазменного образования и конденсационного шлейфа выдаются в активный радар метровых радиоволн на принципах радиофотоники для определения удаления ионно-электронного трена. После расчета параметров движения цели, изображения в видимой и ближней инфракрасной, средневолновой инфракрасной полосах оптического спектра текущих панорам наблюдения, координаты местоположения и образ "портрета", путевые показатели изменения местонахождения передаются по радиолиниям обмена данными на наземный пункт обработки информации и управления. Эти сведения автоматически транслируются на опорный ПОИ и У (с целью последующих оценки качества изображений, выбора приоритетного обзорно-прицельного поста, распознавания образа объекта разведки), а также пространственные координаты, параметры движения выдаются в командный пункт зенитно-ракетной системы (КП ЗРС) для подготовки данных стрельбы. Элементарные поля зрения телекамер 14,44 угл.с и 16,5 угл.с и тепловизора 27,78 угл.с реализуют местоопределение фронта образования плазмы с 73,2 м и 83,6 м и 130,625 м геометрической точностью. В совокупности с ошибками измерения дальности до обстреливаемой цели (~400 м) радаром метровых радиоволн, погрешности в ~ 100 м координатометрии углов - приемлемы на маршевом интервале траектории при управлении противоракетой с активной радиолокационной головкой самонаведения, так как к моменту приближения ее к атакуемому объекту на дальность включения бортового излучателя - до сверхзвуковой, около 1200 м/с - снизится гиперзвуковая скорость такой цели (см. стр. 9), и исчезнет делающая ее "радионезаметной" плазменная оболочка. В оптическом радиометре каналы обнаружения светоизлучающего "кокона" плазмы-1, регистрации светоотражающего КШ-2 состоят из: 4-оптических систем, блоков преобразователей (фотоэлектрических и аналого-цифровых) - 5, буферных запоминающих устройств (хранения битовых изображений) - 6, видеопроцессоров (континуума модуля попиксельной обработки сигналов - 7 и 8 - модуля выделения контура изображения - на фиг. 2). Образ визируемой панорамы пространства проецируется объективами 4 на фоточувствительные плоскости кристаллов фотоэлектрических преобразователей (или матричных фотодетекторов), которые превращают световые волны, падающие на них, в электрические колебания и передают последние в преобразователи аналого-цифровые. С их выходов цифровые сигналы, в виде параллельных двоичных кодов, приходят в буферные запоминающие устройства 6 хранения битовых изображений визируемой области пространства, - их емкость задает формат матрицы фотодетектора. Каждый цифровой снимок, записанный в буферную память, проходит "просмотр" в модуле попиксельной обработки сигналов 7 видеопроцессора фотоприемника. Регистрация "точечных" объектов разведки не требует выделения их контуров или форм, поэтому в канале обнаружения светоизлучающего "кокона" плазмы 1 из 7 - модуля попиксельной обработки сигналов цифровые данные параллельно поступают в 8 - модуль выделения контура изображения видеопроцессора - для выполнения сложения сигналов соседних ячеек массива (на основании распределения облученности в образе "точечной" цели - гаусоидой вращения, и если этот образ занимает несколько элементов, то оптическую энергию, приходящуюся на такой пиксел, находят решением системы уравнений по числу облученных ячеек матрицы методом "наименьших квадратов") - "бинирования" кадров и системный центральный компьютер 11 оптического радиометра. Цифровой код из модуля выделения контура изображения 8 выдается в 10 - устройство смешивания изображений и из него - в системный центральный компьютер 11 оптического радиометра. Канал наблюдения теплоизлучающих облака плазмы и РВП - 3 состоит из 4 - оптической системы, блока преобразователей (фотоэлектрического, аналого-цифрового) 5, буферного запоминающего устройства - 6 - хранения битового изображения, видеопроцессора (сборки модулей 7 - попиксельной обработки сигналов и 9 - коррекции изображения). От структуры каналов обнаружения светоизлучающего плазменного "кокона" 1 и регистрации светоотражающего КШ 2 его схема отличается тем, что цифровое изображение сцены с выхода буферного запоминающего устройства 6 в виде параллельного битового кода одновременно выдается в видеопроцессор (модули попиксельной обработки сигналов 7 и коррекции изображения 9, где программа находит для "горячей" ячейки матрицы соседние облученные элементы и объединяет в группу, если они удалены друг от друга не более, чем на один пиксел) и в 11 - системный центральный компьютер - так как тепловизор средней полосы инфракрасных волн измеряет приоритетные параметры объектов разведки. Видеопроцессор, выполнив первичную обработку кадров изображения, передает их, для более сложных преобразований, в системный центральный компьютер 11. С выхода модуля коррекции изображения 9 цифровые данные передаются в устройство смешивания изображений 10, из которого цифровые интегрированные кадры поступают в системный центральный компьютер 11 оптического радиометра. Такая структура оптического радиометра создает алгоритмическую привязку к совокупности теплоизлучающих облака плазмы и РВП - светоизлучающего "кокона" плазмы, к которым "присоединяет" образ светоотражающего КШ, - системный центральный компьютер формирует отвечающее динамическому, траекторному, геометрическим критериям двумерное цифровое изображение "следа в атмосфере" гиперзвукового "радионезаметного" объекта, летящего в стратосфере, - в масштабе реального времени.
Предлагаемое техническое решение позволяет получить ряд указанных ниже технических результатов. Круглосуточный рубеж радиоэлектронной разведки по признакам "следа в атмосфере" движущегося в стратосфере на гиперзвуке "радионезаметного" аэродинамического летательного аппарата более 1045 км с не менее 0,999997 вероятностью. Трассовое сопровождение контрастного с фоном небосвода протяженного объекта разведки и определение координат фронта "следа в атмосфере" в режиме "поиск - обнаружение" с погрешностью 0,923 угл. мин. в секторе 45 угл. град, в совокупности с точностью измерения дальности 400 м радаром, и на этапе "слежение - прицеливание" - с ошибкой 14,44 угл. с в секторе 8,5 угл. град. По критерию "эффективность - стоимость" оценку производят следующим образом: на приоритет применения в качестве стратосферного базирования, геостационарного - с сохранением постоянного географического положения - обзорно-прицельного поста радиоэлектронной
разведки оснащенного активным радаром метровых радиоволн и оптическим радиометром беспилотного воздухоплавательного аппарата типа «Беркут» - указывает его способность на протяжении 15…20 лет вести непрерывный, с чередованием 120 суток боевого дежурства, 15 суток планового технического обслуживания, контроль сектора ответственности, при меньших финансовых затратах, которые для периодически контролирующего область одноразового космического корабля (со сроком службы 5…7 лет) составляют численную величину, включая расходы на запуск, 4…5 раз; для самолета и вертолета - значение соответственно 8…10 и 15…20 раз, так как у них больше удельный расход топлива соответственно в 3…4 и в 14…15 раз, а также значительно короче продолжительность патрулирования.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет:
1) организовать круглосуточный рубеж в 1045 км радиоэлектронной разведки по признакам "следа в атмосфере" движущихся с гиперзвуковой скоростью в стратосфере "радионезаметных" аэродинамических летательных аппаратов с не менее 0,999997 вероятностью обнаружения - в группировке перспективных стрельбовых огневых зенитно-ракетных систем Воздушно-космических Сил;
2) реализовать с необходимыми для практики погрешностями сопровождение целей в пространстве, расчет в интересах потребителей параметров движения объектов разведки с равным циклу экспонирования 0,125 с - периоду времени накопления кадра съемки - обновлением информации;
3) обеспечить задаваемые показатели живучести функционирования системы дальней радиоэлектронной разведки "радионезаметных" объектов, летящих в стратосфере на гиперзвуке, по признакам их "следов в атмосфере" с помощью пассивного режима круглосуточного оптического обнаружения и выделения целей, и эксплуатационной надежности за счет возможного использования в качестве "горячего резерва" отдельных компонент средств контроля и самой системы: в ее составе 3…4 беспилотных воздухоплавательных аппарата и от 3-х до 4-х наземных пунктов обработки информации и управления; в каждом из них комплект универсальных автоматизированных рабочих мест в составе трех - четырех единиц; два двухдиапазонных спектральных канала (ближний инфракрасный с видимым)-телевизионные камеры в оптическом радиометре стратосферного геостационарного поста радиоэлектронной разведки;
4) организовать качественное плановое техническое обслуживание и текущий ремонт средств радиоэлектронной разведки и их носителей, благодаря одному из преимущественных свойств беспилотного воздухоплавательного аппарата: не требующих взлетно-посадочных полос подъема к точке геостационарного "дрейфа" и приземления в место проведения регламентных работ;
5) реализовать потребные величины показателей эффективности применения (боевой, технической и экономической) системы радиоэлектронной разведки воздупшо-космических гиперзвуковых "радионезаметых" ударных средств за счет прироста действительности регистрации целей комплексом оптического наблюдения - путем повышения информативности двумерных изображений с помощью использования в качестве объекта обнаружения (выделения) образа контрастного "следа в атмосфере" аэродинамического летательного аппарата.