СПОСОБ АДАПТИВНОЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ СЕЛЕКЦИИ ЦЕЛЕЙ
METHOD FOR ADAPTIVE SPECTRAL SELECTION OF TARGETS

Предлагаемое изобретение относится к области вращающихся управляемых ракет, снарядов и боевых элементов (БЭ) с пассивным инфракрасным (ИК) самонаведением на воздушные (ВЦ), наземные цели (НЦ) и другие объекты военной техники и вооружений, излучающие в оптическом диапазоне длин волн. Изобретение касается средств помехофонозащиты от пассивных излучателей и организованного оптического противодействия (ООП), например ложных оптических целей (ЛОЦ) различного класса для обозначенных выше объектов с ИК-самонаведением (ОС).
Проектирование ОС, стабилизированных вращением и снабженных оптическими головками самонаведения (ОГС), представляет собой сложную задачу. ОГС таких ОС содержит несколько взаимозависимых систем автоматического регулирования и управления (САУР) с прямыми, обратными и перекрестными связями. Например, оптико-электронный следящий координатор (ОЭСК), систему электрического арретирования (СЭА), оптико-электронную следящую систему (ОЭСС), разгонное устройство и систему стабилизации угловой скорости вращения ротора гироскопа ОЭСК, систему самонаведения (ОЭСС + автопилот) и, при необходимости, систему сканирования.
Внешними воздействиями и возмущениями для таких ОС являются все источники оптического излучения (ИОИ), находящиеся в поле зрения ОГС. Это могут быть ИОИ как от объектов, предназначенных для поражения (ВЦ, НЦ и другие цели), так и ИОИ от всех других объектов, не предназначенных для поражения, от пассивных помех, от ЛОЦ различного типа, от фонов неба или подстилающей поверхности земли. Фоны также могут быть различного характера: протяженные, пестрые, с различными яркостью, энергией излучения и контраста, как правило, их характер зависит от времени суток и погоды. ВЦ и НЦ также отличаются по типу, характеру и составу спектра своего ОИ. Конкретные сочетания всего перечисленного в реальной обстановке боевого применения принято называть помехофоноцелевой обстановкой или ансамблем.
-16
2
3
5
Все эти ИОИ, а главное ВЦ И НЦ, могут изменять свои размеры и формы, от точечных в дальней зоне до размерных в средней и до перекрывающих поле зрение ОГС в ближней зоне. При этом яркость и энергия ОИ ВЦ и НЦ могут изменяться от пороговой величины 1,5·10 Вт/см до значений, превосходящих ее в 10÷10 раз. И самое основное, ЛОЦ постоянно совершенствуются и постепенно приближаются по спектру своего излучения к спектру ВЦ и НЦ.
Все выше перечисленные обстоятельства должны быть учтены при разработке ОГС и спектрального селектора цели (ССЦ), что очень сложно и трудно сделать, а во многих случаях вовсе невозможно полностью учесть ввиду априорной неопределенности помехофоноцелевой обстановки, которая может возникнуть в реальных условиях боевого применения.
Теперь кратко рассмотрим известные способы ООП со стороны ВЦ и НЦ и известные типы ЛОЦ. Известные приемы ООП [1, 2, 3] основываются на сбросе, отстреле, буксировке или рассеивании ЛОЦ, или ослеплении фотоприемников ОГС мощным ОИ (магниевые пушки, цезиевые лампы или лазеры). Высокотемпературные ЛОЦ основаны на горении пиротехнических составов из топлива (Al, Mg), окислителей, цеметаторов, флегматизаторов и химических добавок, регулирующих скорость горения, или пироморфных веществ. Низкотемпературные и комбинированные ЛОЦ содержат пиротехнические составы и нагреваемые ими элементы.
Теперь приведем конкретные примеры трудностей и сложностей задач ССЦ.
1. Основной ИОИ ВЦ  - это сопло турбовинтового или турбореактивного двигателя (ТВД, ТРД) и факел реактивной струи раскаленных продуктов горения авиационного керосина (для самолетов), или горячий выхлоп газотурбинного двигателя (вертолеты). Таким образом, тип спектра ОИ, форма его спектральной (частотной) функциональной зависимости и ее максимум определяются в основном типом двигателей, для самолетов это может быть обычный ТРД духконтурный, с дожиганием топлива, либо с управляемым вектором тяги. В последнем случае сопло полностью открыто и спектр ОИ смещается в среднюю зону длин волн ИК- излучения
2. Не только яркость и энергия ОИ, но и спектр изменяются по мере сближения ракеты с целью. Например, при использовании высокотемпературных ЛОЦ (пиротехнических трассеров) отношения уровней ОИ ближней ИК-области к видимой от ВЦ и ЛОЦ по мере сближения ракеты с ВЦ до 200-300 м изменяется от 0,2÷0,3 до 0,8÷0,9. (Установлено при настройке ССЦ ОГС "Иглы" в натурных условиях).
3. Спектр ОИ ВЦ изменяется в зависимости от ракурса стрельбы. Например, при пуске ракеты "навстречу" сопло ТРД полностью, а факел частично экранируются фюзеляжем. При пуске "вдогон" и сопло самолета, и факел реактивной струи полностью открыты, а на боковых ракурсах они могут частично экранироваться.
4. Задачу ССЦ также усложняет неопределенность, какой тип ЛОЦ будет использован, если пилот или аппаратура ВЦ зафиксирует пуск ракеты.
5. Задача селекции НЦ еще сложнее, так как выхлоп дизеля или газотурбинного двигателя бронетанковой техники более экранирован по сравнению с ВЦ, что снижает тепловую заметность цели. А фоны подстилающей поверхности более пестрые, и любое горение на земле создаст помехи, близкие по спектру к НЦ.
С учетом всего выше изложенного перейдем к рассмотрению известных способов ССЦ.
Известен способ ССЦ, используемый в ОГС вращающейся зенитной управляемой ракеты (ВЗУР) "Игла" [5]. Известный способ основан на спектроделении ОИ, воспринимаемого ОГС, с помощью оптических фильтров на два спектральных канала: основной (ОК) с максимумом чувствительности в ближней ИК-области, и вспомогательный (ВК) с максимумом в видимой области спектра, преобразовании оптических сигналов ОК и ВК в электрические, однократном дифференцировании сигналов ОК и ВК, детектировании уровней сигналов ОК и ВК с помощью амплитудных (пиковых) детекторов, сравнении или вычислении отношений полученных уровней, и классификации ИОИ как ВЦ, если Uoк-Uвк>0, и как ЛОЦ, если Uoк-Uвк≤0, формировании "стробов" принадлежности к ВЦ и ЛОЦ с последующей режекцией в ОК канале импульсов от ЛОЦ. Известный способ позволяет достаточно эффективно селектировать только высокотемпературные ЛОЦ, и малоэффективен при использовании низкотемпературных и комбинированных ЛОЦ.
Наиболее близким является известный способ ССЦ на основе спектроделения ОИ на три канала (РФ, ВЗУР 9М336 зенитного комплекса 9К333 "Верба"), преобразования оптических сигналов трех каналов в электрические с однократным дифференцированием, детектирования их уровней, и сравнения уровней трех спектральных каналов. Использование трех каналов дает более богатые возможности селекции не только высокотемпературных ЛОЦ, но и низкотемпературных, но только в благоприятной помехофоноцелевой обстановке, так как в наиболее близком ССЦ маловероятно использование приспособления (адаптации) к сложной и изменяющейся обстановке и цифровой обработки сигналов ЦОС. Между тем, такие приборы как ОГС к ВЗУР проектировать с помощью расчетов практически нереально, в этих случаях лучший результат дает проектирование методами моделирования.
Таким образом, наиболее близкий известный способ ССЦ не обеспечивает эффективной селекции разнообразных типов целей в сложной и изменяющейся помехофоноцелевой обстановке. Выше показано [2], что спектры ОИ всех ИИ, которые могут попадать в поле зрения ОГС, могут изменяться в зависимости от типов целей, их ракурсов, типов ЛОЦ, времени суток, погоды и т.д., то есть существует нехватка априорных сведений и изначальная неопределенность информации ожидаемой обстановки. Все эти обстоятельства невозможно учесть при проектировании. Без введения адаптации (приспособляемости) нельзя заранее установить оптимальную структуру, параметры и алгоритмы селекции даже при использовании трехканального спектроделения. В каждом конкретном случае помехофоноцелевой обстановки будут свои информационные потери.
Целью изобретения является повышение уровня помехофонозащиты ОС с ИК-самонаведением и эффективности селекции в сложной и изменяющейся помехофоноцелевой обстановке.
Указанная цель достигается тем, что в способе спектральной селекции, основанном на трехканальном спектроделении ОИ, преобразовании ОИ каждого канала в электрические сигналы, усилении с одновременным дифференцированием полученных сигналов, детектировании их амплитуд, и классификации принадлежности к цели или ЛОЦ сравнением полученных амплитудным детектированием напряжений с дополнительной коррекцией по значениям отношений, формировании "стробов" принадлежности с последующей селекцией (выделением сигнала от цели) и режекцией (удалением) мешающих сигналов от ЛОЦ, отличающемся тем, что производят двукратное дифференцирование сигналов каждого канала, адаптивное бинарное квантование двукратно дифференцированных сигналов, сравнивают полученные бинарные сигналы на компараторах напряжений, предварительно задавая переменные весовые коэффициенты аппаратными или программными средствами, и затем определяют принадлежность к цели, ЛОЦ и мешающим фоновым помехам анализом полученных логических переменных X1, Х2, Х3 пространства спектральных признаков, переменно задавая переключательные функции анализа для каждого конкретного помехофоноцелевого ансамбля с учетом наибольшей меры разделимости с последующим самообучением и коррекцией порогов адаптивного бинарного квантования и весовых коэффициентов по критерию минимизации ложных оценок принадлежности (иногда называют "ложных тревог").
Введенная в предложенный способ совокупность операций обеспечивает заявленный полезный технический эффект следующим образом. Во-первых, переходом на ЦОС, что в свою очередь обеспечивает возможность реализации адаптивной селекции с использование нелинейной фильтрации сигналов от целей, ЛОЦ и фонов. Во-вторых, введение новой операции двукратного дифференцирования сигналов спектральных каналов снижает информационные потери при бинарном квантовании (пояснение этому будет приведено позже в примере устройства для осуществления предложенного способа), эта операция ранее неизвестна. В-третьих, введенная совокупность операций обеспечивает возможность выбора для анализа спектральных признаков с наибольшей мерой разделимости, настройки весовых коэффициентов, а применение весовых коэффициентов снижает уровень сложности алгоритмов (не надо вычислять отношения напряжений). И наконец, введение контроллера адаптации дает гибкость, то есть возможность за счет перепрограммирования обеспечить селекцию при появлении новых типов целей и ЛОЦ, не меняя аппаратные средства, что невозможно при использовании аналоговой обработки сигналов. Таким образом, техническое решение способа обладает новизной и соответствует критерию изобретательского уровня. Реализация его не требует применения неизвестных материалов, механических, оптических и электронных компонентов, а технология изготовления 3-канальных ОЭСК также известна, что соответствует критерию промышленной применимости.
На Фиг. 1 представлены временные диаграммы аналоговой части обработки сигналов, иллюстрирующие преимущества двукратного дифференцирования, на Фиг. 2 - функциональная схема устройства для реализации способа с добавлением дополнительных устройств (имитатор сигналов и блок оценок), на Фиг. 3, 4 - пример программы самообучения представленного на Фиг. 2 устройства.
2
На Фиг. 1 показаны сигнал "а", образующийся при широтно-импульсной модуляции пятна аберрации от цели или помехи при вращении модулирующей полоски "г" с угловой скоростью ω вращения ротора следящего гироскопа гирокоординатора. Сигнал "а" имеет колокообразную форму (приближенно для расчетов можно заменить на элементарную функцию sinωt). Однократно дифференцированный биполярный сигнал "б" пересекает нулевой уровень в момент экстремума первичного сигнала колокообразной формы. Двукратно дифференцированный сигнал "в" пересекает нулевой уровень на краях пятна аберрации. Отсюда мы видим, что использование для бинарного квантования сигнала "в" дает несомненные преимущества: квантование упрощается и обеспечивается более точное выделение информационных параметров сигналов с широтно-импульсной модуляцией.
Представленное на Фиг. 2 устройство содержит 3-канальный ОЭСК 1, адаптивный цифровой спектральный селектор цели (ССЦ) 2 с контроллером адаптации 3 с модулями 3-1, 3-2 ввода и вывода, установленным в пусковой установке либо на борту ракеты (если предусмотрена адаптация в полете), а также имитатор 4 сигналов и блок 5 оценок селекции, то есть числа ложных тревог. Имитатор сигналов и блок оценок вместе с ОЭСК и ССЦ представляют собой по сути моделирующий комплекс для физического моделирования конкретных помехофоноцелевых ансамблей, который нужен для самонастройки ССЦ с последующей дополнительной проверкой его функционирования.
Для ОЭСК 1 показаны только те элементы, которые имеют электрические и оптические связи с ССЦ 2 и имитатором 4. Показаны фотоприемники 1-1, 1-2, 1-3 и предварительные импульсные усилители 1-4, 1-5, 1-6 с однократным дифференцированием.
ССЦ2 содержит дифференцирующие устройства 2-1 основного канала (ОК) и 2-2, 2-3 вспомогательных спектральных каналов (ВК1, ВК2), адаптивные бинарные квантователи 2-4, 2-5, 2-6, управляемые кодом делители 2-7, 2-8, 2-9 напряжений, компараторы 2-10, 2-11, 2-12, анализаторы и формирователи "стробов" 2-13, 2-14, 2-15 принадлежности сигналов цели, ЛОЦ и фону.
к
к
к -
Для самонастройки ССЦ сначала на имитаторе 4 сигналов имитируют эталонные помехофоноцелевые ансамбли, например имитируют ОИ вертолета, сброс пиротехнических трассеров и протяженные фоны слабого излучения, или ОИ самолета с ТРД, сброс низкотемпературных ЛОЦ и фоны темного ночного или дневного неба, и т.д. Затем вводят данные имитируемого ансамбля и контроллер рассчитывает для него оптимальные параметры (см. пример программы на Фиг. 3, 4), уставки которых с модуля вывода вводятся в ССЦ и устанавливают весовые коэффициенты на делителях напряжений, предварительные верхний и нижний пороги бинарного квантования на квантователях 2-4, 2-5, 2-6 (см. Фиг. 2), а на анализаторах 2-13, 2-14, 2-15 - расчетные переключательные функции. Далее программа производит пошаговую настройку параметров ССЦ по критерию минимизации ложных оценок (тревог), данные о количестве которых в каждом шаге поступают с блока 5 оценок эффективности селекции. Для этого могут быть использованы алгоритмы, реализующие методы простого перебора, и рекурсивные методы наименьших квадратов и другие. На имитаторе можно задавать и вариации ансамблей, например, имитируя изменения спектров ОИ при различных ракурсах цели, фонах и т.д. После самонастройки оптимизированные параметры ССЦ для каждых ансамблей записывают в ячейки памяти ПЗУ контроллера 3, чтобы использовать их в реальной обстановке боевого применения. Чтобы упростить структуру ССЦ и алгоритмы обработки сигналов, вместо вычисления отношений уровней напряжений выражаем отношения: Uoк : Uвк1, Uoк : Uвк1, и Uвк1 : Uвк2, где Uoк, Uвк1 и Uвк2 - уровни сигналов основного, первого и второго вспомогательных каналов, которые имеют максимумы спектральной чувствительности в средней, ближней ИК-области и видимой соответственно в виде: Ui>αUj и Uj<αUi, где Ui, Uj - значения взвешенных уровней сигналов сравниваемых зон областей спектра, а α соответствующий весовой коэффициент отношений взвешенных уровней сигналов. Это позволяет задавать весовые коэффициенты на управляемых кодом делителях напряжений.
После настройки ССЦ на имитаторе сигналов желательно провести дополнительную подстройку и проверку эффективности селекции в натурных условиях, так как имитаторы не обеспечивают полную идентичность ОИ реальных целей, ЛОЦ и фонов.
В реальных условиях боевого применения ССЦ работает следующим образом. На пункте целеуказания управления огнем распределяют цели и стрелку сообщают тип его ВЦ, ожидаемые ракурс подхода цели и тип ЛОЦ (фоновую обстановку стрелок видит сам). Стрелок вводит эти данные, а контроллер извлекает из соответствующей ячейки ПЗУ оптимальные параметры для данного ансамбля, вводит эти уставки в ССЦ, в котором устанавливаются оптимальные пороги бинарного квантования, весовые коэффициенты и переключательные функции анализаторов. Когда выделенная ему ВЦ входит в зону пуска, стрелок производит прицеливание, захват цели, перевод в режим слежения и пуск.
Объем притязаний данной заявки ограничивается способом, поэтому в соответствии с регламентом в материалах заявки не приведены конкретные схемотехнические решения, а примеры конкретной реализации способа и программа показаны укрупненно в рамках, достаточных для раскрытия способа и принципа его функционирования. Для ознакомления с более раскрытыми решениями адаптивного бинарного квантователя, управляемых делителей напряжений и каким образом весьма просто на основе использования мультиплексоров 3 на 8 можно задавать логику переключательных функций анализаторов, следует обратиться к материалам параллельной заявки "Адаптивный цифровой спектральный селектор цели". Как показано выше, предлагаемое изобретение соответствует критериям изобретательского уровня и промышленной применимости.
Источники информации
1. А.В. Розанов. Зарубежное военное обозрение: Авиационные средства противодействия ракетам с инфракрасными головками самонаведения, 1977.
2. Зарубежное военное обозрение, 2015, Средства борьбы с электронно-оптической аппаратурой.
3. Патент США №5030465, патент РФ №2403531, патенты Беларуси №№7524, 16509.
4. А.А. Красовский и др. Основы теории и проектирования управляемых одноканальных вращающихся ракет, ВВИА им. Жуковского, 1963.
5. Техническое описание изделия 9Э410 (ОГС "Игла"), техническое описание ПЗРК 9К38М ("Игла"). М., Оборонгиз, 1980. - аналог.
6. ВЗУР 9М336 "Верба" (примечание автора: "Верба" имеет гриф "с", поэтому автор использовал только данные, которые имеются в открытом доступе в интернете). - прототип.
7. А.с. СССР №№195839, 213317, 214409, 233041, 236968, 236947, 235948, 258598, 261198, 270481, 283003, 286187, 298492, 301547, 301265, 317301, 317759, 320963, 323213, 328661 и другие.