Способ противодействия много- и гиперспектральной разведке
METHOD OF COUNTERACTING MULTI- AND HYPERSPECTRAL RECONNAISSANCE

Способ относится к области военного дела, а именно, к маскировке военных объектов и противодействию много- и гиперспектральной разведке путем исключения у объекта разведки единого спектрального образа (или набора спектральных признаков) [1] используемого для его обнаружения космическими аппаратами много- и гиперспектральной разведки [2, 3]. Может быть использован для маскировки объемных и площадных военных объектов, вооружения и военной техники.
Много- и гиперспектральная разведка относится к оптико-электронной разведке. Известны способы противодействия оптико-электронной разведке путем маскировки объекта разведки, путем:
нанесения на него набора пятен неправильной формы, представляющих собой полутоновый растр, частота которого выбрана так, чтобы элементы растра воспринимались при наблюдении с малых расстояний как отдельные пятна, а при наблюдении с больших расстояний группировались в крупные блоки [4, 5, 6, 7];
нанесения на него рисунка, который сочетается с окружающей средой (подстилающей поверхностью) как вблизи, так и при просмотре на расстоянии, и имеющего такие размеры, что при просмотре с расстояния одноцветные фигуры образуют группы, которые кажутся большими крупными фигурами, а не слитными одноцветными или однородными узорами [8];
нанесения на одну или несколько поверхностей камуфляжного рисунка с наиболее характерными пятнами, полученными непосредственно из двух и более типовых фотоизображений фона подстилающей поверхности. Рисунок состоит из некоторого количества хорошо различимых пятен, при этом более мелкие пятна не воспринимаются как самостоятельные элементы, а более крупные воспринимаются как группа отдельных пятен [9];
окраса маскирующих элементов таким образом, что форма каждого маскирующего элемента образована, по меньшей мере, одним квадратом одинакового размера, а маскирующие элементы выполнены с возможностью подгонки друг к другу без промежутков, по заданному узору, стыкуясь под прямым углом своими ровными краями, причем каждый из маскирующих элементов выполнен одноцветным, причем предусмотрены элементы, по меньшей мере, двух различных цветов [10];
окраса основным цветом с нанесением на него пятен дополнительного цвета с заданием взаимного расположения дополнительных цветов [11].
Общим существенным недостатком реализации данных способов является то, что, несмотря на камуфлируемое окрашивание (как и без такового), объект разведки будет иметь неизменные с любого угла визирования свой спектральный образ (или спектральные признаки), по которому объект разведки будет обнаруживаться [2, 3] средствами много- и гиперспектральной разведки. Неизменность спектральных признаков подразумевает нахождение спектральных демаскирующих признаков [12] объекта разведки в определенных доверительных границах [3] способа программной обработки [2, 3] получаемых цифровых изображений от технических средств много- и гиперспектральной разведки. Вышеперечисленные способы маскировки объектов разведки оказываются эффективны только в видимом диапазоне электромагнитного спектра и не эффективны против средств много- и гиперспектральной разведки.
Известен способ маскировки объекта разведки [13] - аналог, посредством применения маскировочного покрытия, включающего закрепленные на сетчатой основе полосы светоотражающей пленки, которые могут иметь правильную или неправильную геометрическую форму, а светоотражающая пленка окрашивается в цвет, преобладающий в маскируемом объекте.
Недостатком реализации данного способа маскировки является то, что изменения падающего излучения будут в границах электромагнитного спектра, определяемых цветом окраски светоотражающей пленки (соответствующего цвету маскируемого объекта [13]) и толщиной самой пленки, что позволит выделять характерные спектральные признаки объекта разведки и составлять спектральный образ для его обнаружения [2, 3] техническими средствами много- и гиперспектральной разведки.
Известен способ маскировки объекта разведки [14] - аналог, заключающийся в том, что основная часть объекта разведки имеет покрытие, которое содержит, по меньшей мере, один материал, имеющий по своей природе селективный коэффициент излучения.
Недостатками реализации данного способа маскировки является то, что применение материалов с селективным коэффициентом излучения обуславливает появление собственного излучения, несоответствующего закону Планка [14], что само по себе можно считать неуправляемым процессом (зависит от температуры объекта разведки), и, в целом, может привести к появлению аномалий [15] в отраженном излучении при дешифрировании много- и гиперспектральных данных, следовательно, привести к обнаружению объекта разведки [3]. Заявленное ослабление отраженного излучения от объекта разведки в полной мере не позволит исключить выделение характерных спектральных признаков объекта разведки и составление спектрального образа, а следовательно, исключить его обнаружение [2, 3]. Кроме того, не предусмотрено формирование деформирующих пятен, не определены их размерность, порядок и их цвет [14].
Известен способ маскировки объекта разведки [16] - аналог, заключающийся в том, что на объекте разведки располагается маскировочное покрытие, причем покрытие содержит частично прозрачный, для длин волн близких к инфракрасному, слой, имеющий спектральные характеристики которые имитируют спектральные характеристики окружающей среды.
Недостатками реализации данного способа маскировки является то, что создание спектральных характеристик, которые бы имитировали спектральные характеристики подстилающей поверхности с учетом их погодно-сезонных изменений [15] в настоящее время труднореализуемый и высокозатратный процесс, требующий особых условий эксплуатации. Разработки подобного рода покрытий осуществляются на протяжении более чем 70-ти лет [17, 18, 19] и в основном направлены на имитацию отраженного излучения от хлорофилла. Тем не менее, успешная имитация спектральных характеристик подстилающей поверхности, характерная для одного типа подстилающей поверхности, не исключает возможности создания единого спектрального образа объекта разведки, что позволит осуществлять его обнаружение [2, 3] техническими средствами много- и гиперспектральной разведки.
Наиболее близким к заявленному способу является способ маскировки объектов посредством маскировочной сети [20, 21] - прототип, которая содержит несущую сетевую основу из расположенных в поперечном и продольном направлениях нитей, размещенных со свободными промежутками относительно друг друга, включающую электропроводные, с одной стороны полимерные ленты с металлическим покрытием, обеспечивающих отражение лоцирующего (отраженного) излучения, с нанесением на поверхность полимерных лент маскировочного цветонесущего слоя.
Недостатками реализации данного способа маскировки является то, что технический результат обеспечивается, в том числе, созданием слоя, повторяющего с обеих сторон форму распределенных по поверхности объекта разведки углублений и (или) выступов [20], следовательно, универсальность применения такого средства снижена, а техническая реализация возможна только для конкретного образца (объекта разведки) и его габаритных характеристик. Не предусмотрено формирование деформирующих пятен, не определены их размерность и порядок расположения. Маскировочный цветонесущий слой на полимерных лентах [20] будет иметь одинаковые спектральные характеристики для любого угла визирования, а изменение характеристик падающего (лоцирующего) излучения только ослабит отраженное излучение от объекта разведки [20], что в целом позволит выделять характерные спектральные признаки объекта разведки и составлять спектральный образ [3], а, следовательно, и обнаруживать его. Кроме того, наличие отражающего покрытия на металлических лентах может создать хаотичное появление световых бликов на маскируемом объекте разведки. Подобные световые блики на фоне подстилающей поверхности без таковых будут являться дополнительным демаскирующим признаком для объекта разведки.
Общим существенным признаком известного и заявляемого способа маскировки является скрытие объекта разведки от средств много- и гиперспектральной разведки на основе изменений характеристик падающего (лоцирующего) излучения.
Требуемым техническим результатом заявляемого способа является повышение качества маскировки объектов разведки от средств много- и гиперспектральной разведки, как следствие - снижение вероятности обнаружения и распознавания объекта разведки.
Достижение технического результата заявляемого способа обеспечивается маскировочным покрытием, которое включает закрепленные на сетчатой основе полосы полимерной ленты с металлическим покрытием, окрас которых осуществляется формированием одномерного фотонного кристалла с фотонной запрещенной зоной в видимом диапазоне путем анодирования [22], а расположение самих элементов - с учетом выбранного цветового набора и размеров деформирующих пятен. Технический результат достигается исключением наличия только единственного спектрального образа объекта разведки за счет окраса элементов маскировочного покрытия формированием одномерного фотонного кристалла с фотонной запрещенной зоной в видимом диапазоне путем анодирования, взаимного расположения элементов маскировочного покрытия с формированием деформирующих пятен.
I. Определение набора, размеров и расположения полутонового растра:
а) цвет деформирующих пятен выбирается исходя из фона подстилающей поверхности, а именно, характерных (типовых) спектральных данных участка местности, на котором располагается объект разведки. Выбираются основной (основные) цвета и дополнительный (дополнительные);
б) размер деформирующего пятна определяется таким образом, чтобы элементы растра воспринимались при наблюдении с малых расстояний как отдельные пятна, а при наблюдении с больших расстояний группировались в крупные блоки. Исходя из того, что противодействие осуществляется техническим средствам разведки, расположенных на космических аппаратах, размер деформирующего пятна зависит от разрешающей способности технического средства разведки и должен удовлетворять соотношению:
2
где  - площадь одного деформирующего пятна, м;
λ - разрешающая способность оптической системы технического средства разведки, м;
в) расположение цветов деформирующих пятен осуществляется с учетом особенности цветового окраса формированием одномерного фотонного кристалла с фотонной запрещенной зоной в видимом диапазоне путем анодирования. Покрытие слоем одномерного фотонного кристалла с фотонной запрещенной зоной в видимом диапазоне обеспечивает изменение цвета при изменении угла визирования. Цветность покрытия и необходимый переход цветов может быть получен в зависимости от требуемого технического задания и определяется пористостью структуры оксидной пленки на поверхности металла, обладающей свойствами одномерного фотонного кристалла, полученной в результате анодирования [22].
Для определения порядка расположения цветов деформирующих пятен рассчитывают минимальный угол визирования объекта разведки, когда он наблюдаем, определяемый выражением:
где Н - высота ведения разведки, км;
α - угол отклонения оптической системы технического средства разведки, град;
з
R - среднее значение радиуса Земли, км.
Угол визирования объекта разведки, когда будет осуществляться переход между цветами деформирующих пятен, определяется выражением:
где β - минимальный угол визирования объекта разведки, когда он наблюдаем, град;
n - количество используемых цветов при формировании деформирующих пятен.
Исходя из количества используемых цветов и учитывая количество переходов между ними, общая площадь, формируемая деформирующими пятнами основного цвета, определяется выражением:
где h - высота объекта разведки, м;
d - ширина объекта разведки, м;
- длина объекта разведки, м;
ϕ - угол визирования объекта разведки, когда осуществляется переход между цветами деформирующих пятен, град.
Площадь деформируемых пятен дополнительного цвета рассчитывается исходя их общей площади маскировочного покрытия, количества используемых цветов и определяется выражением:
г) расположение цветов должно обеспечивать достижение расчетных значений площадей деформирующих пятен в соответствии с выбранной их цветностью. Распределение деформирующих пятен в соответствии с одним из способов, указанных в [4, 5, 6, 7], рассчитанных в соответствии с (1, 4) значений площади деформирующих пятен с обязательным учетом исключения взаимного расположения деформирующих пятен одного цвета для каждого угла визирования вдоль линии визирования. Количество деформирующих пятен определяется исходя из выражений (1, 4, 5). На фиг. 1. представлен пример расположения трех цветов деформирующих пятен, обеспечивающий достижение расчетных значений площадей деформирующих пятен в соответствии с выбранной их цветностью, где:
2
1 - площадь деформирующих пятен цвета «а», м;
2
2 - площадь деформирующих пятен цвета «б», м;
2
3 - площадь деформирующих пятен цвета «в», м;
2
4 - деформирующее пятно цвета «а» (основной), м;
2
5 - деформирующее пятно цвета «б» (основной), м;
2
6 - деформирующее пятно цвета «в» (дополнительный), м;
7 - последовательность перехода цветности деформирующих пятен;
8 - угол визирования объекта разведки;
9 - угол визирования объекта разведки, когда осуществляется переход между цветами деформирующих пятен;
10 - минимальный угол визирования объекта разведки;
11 - трасса пролета космического аппарата с техническим средством разведки;
д) размер маскировочного покрытия определяется исходя из габаритных характеристик объекта разведки (класса объектов) с учетом возможности размещения маскировочного покрытия на объекте разведки;
е) в случае, когда объект разведки не разрешается оптической системой технического средства разведки, размер деформирующего пятна и размер растра могут быть определены одним из способов, указанных в [4, 5, 6, 7].
II. Окрас полимерных лент и их соединение в маскировочное покрытие:
а) на основе расчетов площадей деформирующих пятен, их количества, выбранных размеров полимерных лент - элементов маскировочного покрытия, осуществляется их окрашивание способом анодирования. Данный способ известен, приведен в [22] и заключается в электрохимическом окислении (анодировании) металлической поверхности (например, металлической фольги или подложки), при котором происходит формирование одномерного фотонного кристалла, характеризующегося наличием пористой структуры с множеством слоев с чередующимися размерами пор. Данная технология обеспечивает осуществление выбора цветности, его переходов, насыщенности и интенсивности [22], что позволяет реализовывать множество вариантов формирования деформирующих пятен. Также возможно формирование покрытия, содержащего дополнительные слои, сформированные на поверхности пористого слоя фотонного кристалла, например, выполняющие вспомогательные функции, включающие защитную, и/или укрепляющую, и/или антибликовую, и/или поглощающую [22]. Требуемый уровень интенсивности получаемого покрытия обеспечивается наличием поглощающего слоя, расположенного под фотонным кристаллом [22]. Окрас полимерных лент осуществляется либо с обоих сторон в один цвет, либо в соответствии с выбранными цветами для другой подстилающей поверхности в целях использования маскировочного покрытия для разных сезонов;
б) после окраса полимерных лент осуществляется их закрепление на сетчатой основе в соответствии с замыслом формирования деформирующих пятен. На фиг. 2. представлен пример закрепленных на сетчатой основе полимерных полос в маскировочное покрытие, где:
12 - сетчатая основа маскировочного покрытия;
13 - полимерная полоса покрытая цветом «а»;
14 - полимерная полоса покрытая цветом «б»;
15 - полимерная полоса покрытая цветом «в»;
16 - расположение окрашенных полимерных полос в соответствии с замыслом формирования деформирующих пятен;
17 - замысел формирования деформирующих пятен.
Способ противодействия много- и гиперспектральной разведке посредством маскировочного покрытия реализуется следующим образом. Выбирается средство много- (или гипер-) спектральной разведки с наилучшей разрешающей способностью. Определяются размеры используемых полимерных полос, габаритные характеристики маскируемого объекта (выбранного класса объектов), наиболее характерные спектральные характеристики подстилающей поверхности. Определяются цветность, размеры и расположение деформирующих пятен в соответствии с п. 1. Осуществляется окрас полимерных полос и их закрепление на сетчатой основе в соответствии с замыслом формирования деформирующих пятен. Противодействие много и гиперспектральной разведке осуществляется при размещении маскировочного покрытия на маскируемом объекте.
Достижение технического результата заявляемого способа и эффективность его применения подтверждается следующим:
обнаружение объекта разведки, замаскированного заявленным способом, космическими аппаратами много- и гиперспектральной разведки возможно только при соответствии имеющегося (или полученного в результате разведки) спектрального образа [1, 2] и полученных спектральных данных об объекте разведки под одним и тем же углом визирования;
исходя из периодичности пролетов космических аппаратов (1-2 дня) над одним и тем же участком разведываемой местности с одним и тем же углом визирования объекта разведки время необходимое для обнаружения увеличивается минимум на период обращения;
различное расположение маскировочного покрытия на объектах разведки одного класса относительно подспутникового следа предотвращает создание единого спектрального образа для всего класса объектов и обуславливает ведение разведки по каждому объекту разведки в отдельности во всем районе разведки, что в целом увеличит время обнаружения всей группировки объектов разведки одного класса;
применение деформирующих пятен с использованием цветов видимого участка электромагнитного спектра, соответствующих подстилающей поверхности, обеспечивает реализацию существующих подходов противодействия оптико-электронной разведке и обосновывает многофункциональность заявленного способа.
Для подтверждения возможности осуществления заявленного технического результата приведены расчетные значения элементов маскировочного покрытия с использованием трех цветов.
Данные по техническому средству разведки: разрешающая способность 0,5 м, высота ведения разведки 600 км, угол отклонения оптической системы 60°. Данные по объекту разведки: высота 3 м, ширина 2 м, длина 20 м.
Результаты расчетов:
угол перехода цветов 28°;
2
2
общая площадь деформирующего пятна первого цвета 94 м, площадь деформирующего пятна второго (третьего) цвета 40 м;
2
размер деформирующих пятен 0,25 м;
количество деформирующих пятен первого цвета 187 шт., деформирующих пятен второго (третьего) цвета 79 шт.
Источники
1. Малышева Н.В. Автоматизированное дешифрирование аэрокосмических изображений лесных насаждений. - М.: МГУЛ, 2012. С. 84-103.
2. Manolakis D., Marden D., Shaw G.A., Hyperspectral Image Processing for Automatic Target Detection Applications // Lincoln Laboratory Journal Vol. 14, №1,2003. p. 79-116.
3. Журавель Ю.Н., Федосеев А. А., Обработка изображений, распознавание образов. Особенности обработки гиперспектральных данных дистанционного зондирования при решении задач мониторинга окружающей среды // Компьютерная оптика Т. 37, №4, 2013. С. 471-476.
4. Патент RU 2150658 от 26.05.1999 г.
5. Патент RU 2204789 от 01.08.2000 г.
6. Патент RU 2000120630 от 10.08.2002 г.
7. Патент RU 2632271 от 17.02.2016 г.
8. Патент US 20090233060 А1 от 17.09.2009 г.
9. Патент RU 2007148693 от 10.07.2009 г.
10. Патент RU 2546446 от 04.07.2011 г.
11. Патент RU 97100931 от 10.01.1999 г.
12. Труханов С.В., Алгоритмы идентификации объектов по данным гиперспектральной съемки Земли с использованием нечеткой линейной регрессии // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета Т. 15, №2, 2016. С. 200-207.
13. Патент RU 2338993 от 19.06.2006 г.
14. Патент FRWO1997006400A1 от 20.02.1997 г.
15. Хорев А.А. Теоретические основы оценки возможностей технических средств разведки. - М. МО РФ, 2000. С. 102-110.
16. Патент US 20060222827 A1 от 05.10.2005 г.
17. Патент US 2402786 A от 25.06.1946 г.
18. Патент US 2795511 А от 09.09.1952 г.
19. Патент US 2796357 A от 07.10.1953 г.
20. Патент RU 2546470 от 03.03.2014 г.
21. Патент RU 2118785С1 от 10.07.1997 г.
22. Патент RU 2620801 от 28.12.2015 г.