CC BY
51Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2018, 11(1), 6-15
УДК 621.391
Substantiation of Principles of Construction of Small-Sized Onboard Station of Formation of Anticipatory Hindrances to Laser Control Systems of Fire of an Antiaircraft-Artillery Complex
Yuri L. Koziratsky, Ruslan E. Merkulov and Nikita S. Koch*
Military Education and Research Centre of Military-Air Forces
"Military-Air Academy Named After Professor N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin" 54а Starykh Bolshevikov Str., Voronezh, 394064, Russia
Received 30.11.2016, received in revised form 07.02.2017, accepted 19.03.2017
In work researches and possibility of construction of a method ofprotection of the distantsionno-piloted flying machine from an antiaircraft-artillery complex of the potential opponent, by installation on the given flying machine of small-sized station of the active anticipatory hindrances are resulted, capable to find out pregenerational spontaneous radiation of the transferring channel of the laser range finder which is a part of a laser control system by fire of an antiaircraft-artillery complex and to execute statement to the given means aim imitation a hindrance. The carried out mathematical calculations have shown that the onboard station of hindrances is capable to find out pregeneration spontaneous radiation with probability not more low 0,9 at range to 8 km and to carry out optical-electronic suppression, systems of a laser range finder, an antiaircraft-artillery complex.
Keywords: the antiaircraft-artillery complex, the distend pilotedflying machine, a laser range finder, station of active anticipatory hindrances.
Citation: Koziratsky Yu.L., Merkulov R.E., Koch N.S. Substantiation of principles of construction of small-sized onboard station of formation of anticipatory hindrances to laser control systems of fire of an antiaircraft-artillery complex, J. Sib. Fed. Univ. Eng. technol., 2018, 11(1), 6-15. DOI: 10.17516/1999-494X-0001.
© Siberian Federal University. All rights reserved Corresponding author E-mail address: urleo@bk.ru
Обоснование принципов построения малогабаритной бортовой станции
формирования упреждающих помех лазерным системам управления огнем зенитно-артиллерийского комплекса
Ю.Л. Козирацкий, Р.Е. Меркулов, Н.С. Кох
Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил
«Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» Россия, 394064, Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54а
В работе приведены исследования и возможность построения метода защиты дистанционно-пилотируемого летательного аппарата от зенитно-артиллерийского комплекса потенциального противника путем установки на данный летательный аппарат малогабаритной станции активных упреждающих помех, способной обнаружить предгенерационное спонтанное излучение передающего канала лазерного дальномера, входящего в состав лазерной системы управления огнем зенитно-артиллерийского комплекса и выполнить постановку данному средству прицельную имитационную помеху. Проведенные математические расчеты показали, что бортовая станция помех способна обнаружить предгенерационное спонтанное излучение с вероятностью не ниже 0,9 на дальности до 8 км и осуществить оптико-электронное подавление системы лазерного дальномера, зенитно-артиллерийского комплекса.
Ключевые слова: зенитно-артиллерийский комплекс, дистанционно-пилотируемый летательный аппарат, лазерный дальномер, станция активных упреждающих помех.
Введение
В настоящее время активно ведутся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию роботизированных средств вооружения и разработке рациональных форм и способов их боевого применения в войнах и вооруженных конфликтах различного масштаба и интенсивности. Достаточно значимые успехи достигнуты в области создания и применения дистанционно-пилотируемых летательных аппаратов (ДПЛА) в интересах повышения эффективности радиоэлектронной разведки, радиоэлектронной борьбы, поражения стационарных и малоподвижных объектов, радиоэлектронных объектов телекоммуникационной сети, контроля эффективности различных действий.
Бурное использование ДПЛА вызвало во многих странах мира ответную реакцию, направленную на уничтожение таких летательных аппаратов.
Совершенствование систем поражения ДПЛА идет по пути использования комплек-сированных средств разведки, прицеливания (координатометрии) и управления. Все это помогает противнику преодолевать трудности, связанные с обнаружением ДПЛА, выполненных из композитных материалов, и с использованием радиопоглощающей «обмазки» внутренних металлических элементов конструкции. Как показывает практика, при применении таких лазерных систем управления огнем (ЛСУО) в составе зенитно-артиллерийского комплекса (ЗАК) вероятность поражения боеприпасом цели составляет
порядка Рпор = 0,65 ± 0,07. При исключении из состава системы лазерного дальномера величина ошибок в прицеливании увеличивается, а вероятность поражения цели снижается, становится равной Рпор = 0,07 [1].
Целью данной работы является разработка методического подхода и обоснования малогабаритной бортовой станции формирования упреждающих помех для защиты ДПЛА от огня ЗАК с лазерными системами прицеливан ия.
Постановка задач
Подавление оптико-электронных средств связано с преодолением некоторых трудностей: у зкополосность поля нрения приёмника ЛД (лазерный дальномер) ЗАК, малая расходимость его зондирующего излучения, небольшая длительнос ть зондирующих импульсов, отсутствие достоверной априорной информоции об орие нттции лазерного средства. Эти трудности усложняются ещё и тем, что некоторые лазерные средства могут работать в режиме нерегулярной посылки зондирующих импульсов, а также использовать кодирование лазерного излучения, затрудняющее разведку. По этому при организоци и оптики-электронного подавления лазерных среднтв о сновные сложнисти возникают не из-аа отсутствия эффективных способав по станов-ки помех, а из-за отсутствия добротных способов информационного обеспечения. Разработка вакиокоэффективвых способов рвзведки, как показано в [2], может базироваться на основе приема и анализа споооанных излечений передающего канила аазерного средствв. Пр оведен-ный анализ результатва раОот [3] поктзал, что в состоящих на вооружении прорабатываемых лазерных устройствах не предусматривается такая мера помехозащиты, как перекрытие передающего канала на время нарастания импульса индуцированного излучения, что позволяет ибесоечите обниружение предгеаерационуого спонтанного излучения переднющего канала ЛД, а такжетостанквку упруоэд;нощикпомох допивнтда зондиноющткаизвкченияеозерного средсувопротивнита.
Анализируя современные ЗАК потенциального противника, можно сделать вывод, что наибольшее распространение в данной технике получили импульсные ЛД, в качестве актив-кушсрады кв торыиит пооьз^тсо алюоо-иоериевыйеи анат, легированный ионами неодима, из-локзющнйт режимекодулированноо добротности [3].
На основании данных сведений требуется определить интенсивность предгенерационного спонтанного излучения.
Определение интенсивности IIHeтзсыeнокит[шуртcпoнтaннoгз излучениялазнооого иакзктмера
Для оценки интенсивности предгенерационного спонтанного излучения ЛД необходимо оценить изменения плотности инверсной населенности во времени в течение импульса накачки. Для лазеров, работающих по четырехуровневой схеме генерации n3(t) ~ A(t), изменения плотности иноерсной напкоенности вовремнни мзжнoтннcывтть с помтщтю диффенонциаль-нооо оааарения
^dr = Wun0 -(W14 + WH2 + —)д, (1)
at тн2
гдеД())- плотностьинверсной населенностив единицеобъема к моменту времени ^ -интенсивность наначев (вевнхьдоктдвных частицеьсостояния 1 в состояние 4 под действ ием системыеатическиНнакечки); — -плотность активных частиц; V32 - среднее зна-че ник интенсивносви индуцирунмыхпереходов тз с осикяяие 3 всостояиие 2 тоддежтвием З^едкСнногт еа интервал дреме ни накачти и по длине оптксеекогокезонатораоптическо-гоиьиуиееия (Деммьркого); т32 -среднее времяжвеникктивной частицы в возбужденном состоянии.
Решение дг>тенения (1)ала с^чая прямоугонспвев имщунсанадхвет^когдв/ < т„, (где т„ -дннеелнностьо птичетлаввимквсьсанвктиви)можевбый ьпредставленонвидц
Ж
Д(е 0 = п0-—-
ЖИ4+Ж 32 +—
Т32
Значения параметров, входящих в выражение (2), на основе обобщения данных [4] пред-ставнкды втабл. 1.
0 исеовльтеание выражения (2) и данных табл. 1 получена зависимость изменения плот-ностиинверсной населенностиво времени в течение импульса накачки (рис. 1).
Таблица! Выбранные исходные данные для расчета A(t) Table И The Chasen millal datafor calculation A(t)
Параметр f)) Г32 Т32 no
Единица с-1 С-1 см-3
измерения
Величина 0,15 ... 1,5 0,07 2,5х10-4 5х1019
lxlO17 lxlO16'
(Ошр5
1x10"
lxlO14' lxlO13
1x10й -►
1x10s 1*10"7 lxlO"6 lxlO"5 lxlO4 t,c
Рис. 1. График изменения плотности инверсной населённости во времени Fig. 1. The schedule of change of density of inverse density of population in time
-9-
1-e
- (W, +W 32 + —)t
(2)
Таблица 2. Выбранные исходные данные для расчета Sc Table 2. The Chosen initial data for calculation Sc
Параметр d e П Тн в l T 1 a DP
Единицы измерения мм мм - см1 м-1 мм - см
Величина 5 50 0,5 10-8 2,7х10-1 50 0,7 5
Таким образом, с помощью уравнения, описывающего изменение плотности инверсной населённости, была определена пороговая плотность инверсной населённости. Теперь необходимо оценить интенсивность спонтанного излучения.
Известно, что не все активные частицы, находящиеся на верхнем энергетическом уровне активного элемента ЛД вследствие тас называемой оптической накачки, будут излучены в процессе индуцированного иолучения, так как имеет место кроцеас свмопроизвильного перехода активных частиц в состояние с меньшей энергией, называемый спонтанным переходом. Сопровождающее его излучение называется соответственно спонтанным излучением. Поскольку разиичные активные чвстицы изкучают при этом независимо друг от др°еа, спонтанное из-луненик является некогерентным и среднее значение числа сигнальных фотоэлектронов в разведывательном приемнике может быть определено с помощью выражения
^(0 _ 64} [) _в] ^' (3)
гда А32 - коэффициент Эйнштейна; d - диаметр активного энемента; Г)р - диаметр входной апертуры; Та - потери при распространении излучения через атмосферу; п - квантовая эффективность; тн - время наблюдения приемника; п() - количество частиц на верхнем энергетическом уровне; г1 - кдэффициент отражения выходного зеркала резонатора; L - расстояние от выходного торца активного элемента до регистрирующего приёмника; с - поперечное сечение вынужденного перехода рабочих уровней; Д(/) - плотность инверсий населённости к моменту времени в в - потери в кристалле; 1 -длинаактивногоэлемента.
Для нахождения величины сигнальных фотоэлектронов воспользуемся данными [4], приведенными в табл. 2.
На рис. 2 изображен график зависимости величины спонтанного излучения в виде числа фотоэлектронов за время накачки (тн) от дальности L=3 км для различных моментов времеНа рис. 3 приведены графики зависимостей числа фотоэлектронов от времени для дальности L1=1 км, L2=3 км, L3=5 км, L4=10 км.
Анализируя полученные графики можно сделать вывод, что спонтанное излучение на выходе передающего канала имеет достаточно большую интенсивность в пределах от 1 до 3 км.
Выбор оптимальной схемы приемника
В качестве оптимального приёмника, установленного на ДПЛА, был рассмотрен приёмник, работающий по правилу Неймана-Пирсона (с квантовым счётчиком в качестве чувстви-
Рис. 2. График зависимости величины интенсивности спонтанного излучения от времени для дальности 3 км
Fig. 2. The schedule of dependence of size of intensity of spontaneous radiation from time for range of 3 km
Рис. 3. График зависимости величины интенсивности спонтанного излучения от времени для различных дальностей: Lt=1 км, 1^=3 км, Ьз=5 км, 1^4=10 км
Fig. 3. The schedule of dependence of size of intensity of spontaneous radiation from time for various ranges: Li=1 km, L2=3 km, L3=5 km, L4=10 km
тельного элемента). Такого типа приёмник наиболее целесообразно использовать именно при решении задач обнаружения, когда неизвестны априорные вероятности посылки сигналов и цены о шибок при приёме [5] .
Критерий Неймана-Пирсона обеспечивает максимум вероятности обнаружения сигнала данной интенсивности при фиксированной вероятности ложного обнаружения [6]. При использовании этого критерия, имеющего на входе приёмнииа выиорку из реализации, пь П2,.. .п^ ото-жесевляется с наличием сигнала в том случае, если выполняется неравенство
ЖП!, «2,...П ^ ) = ^ ) >Ж , (4)
Р0(п19 П2,...ПN)
УюСЛ. Когнййку^икап Е. Мегки1с«... Sи-СапйаОюп ВРпп«рЛй оПСкшСисСоп (У Рта11-81ре и ОпЬоard Station.
или отождествляется с наличием шума, если Я < И0, оде гг>1 - совмоетная вероятность для совоклпности вувборолных знапсний п1ч 1с^,...пкК при услолии, что сигнал присутствует; Р0 -совместная версятно сть для той же совокупности выборисных значештй при у слови и,что сигнчла нет. Оыношение пртвдонодобиы при обиару—ыаии п^ссоно в атово сыгна л а в пуассо--олскоми^ме
^Шд0^^' (5)
^ ш
гдо 1<о - среднее число сигнальных фотоэлектронеы (образивания влреходов) за время нако. пления; 5б - среднее число шумовых (помиховых) фотоэлектронов (образования переходшв)
за врммя иагопчения; НС д Е <! —1> - целочислунное тнаненив отношения, СУ - энергчя, Т - время
набоюдеоия, то - время накоилннся пинем-ншс.
Решении р наличии полезного сисноло будет приниманься при условен, что ¡П > 1 в противном случае принимнется решение об отсутствии поленного сигнола [66]. Лог-рифмирня (5) с р-четом изложенного правила принятия решения, находим, что при вынолнении условия
Е^ф+^ЕЖР- (6)
^ ш
принимается решение, что принятое колебание является поле зн ым сиг налом, в противном случае на вход воздействует шумоваясоставляющая.
Используя (6), структурную схему преемника (^аэлонк обработки сигналов)можно предста-витьтатим образом (рис.Ь).
Вероятность обнаружения предгенерационного спонтанного излучения может быть оценена из с=едуюнтего раве нств а:
<н
где ф(С) = .— Г е 2 а1х - интеграл вероятности; Бы = ; 5" ==Д-; ф- = х [4].
л12тг с™ 5ш
£0=4
Рис.4. Оптимальная схема приёмника Fig.4. ТЪеорйтит schemeofthereceiver
Используя зависимость интенсивности спонтанного излучения от времени, для случая, когда накопление спонтанного излучения начинается с момента времени tH = 10-5 c и завершается в момент времени tK = 5*10-5 c (T = 4т = tK - tH = 4*10-5 с), получены графики зависимости вероятности обнаружения предгенерационного спонтанного излучения (рис. 5). Для дальностей 3, 5, 10 км осуществляется наиболее уверенный приём предгенерационного спонтанного излучения с вероятностями обнаружения, (Ро6н), равными 0,8; 0,9; ~ 1.
Выбор схемы устройства создания помех
Общая структурная схема устройства создания активных упреждающих помех изображена на рис. 6. Средство формирования помех представляет собой некогерентный источник излучения - полупроводниковый инжекционный лазер (ли нейка полупроводниковых лазеров, включенных параллельно), из лу чающий на длине волны Х=1,06 мкм, со временем развития разряда 10-9 - 10-6 с. Мощность на выходе лазера аддитивна и может составлять величину до 1,5 - 2 МВт [7].
Вероятность оптико-электронного подавления лазерного дальномера СУО ЗАК оценим как произведеипо пероятнозтиобнаружепия споптанного излучения навероотнпсть срабатывания лазерно го даньномера пот пометовпму (омитондонному) импулесу, с формированному бортовойстанцизй помоа:
P = р х р
л оэп л обн л ср•
13 5 7 9 11 13 15 17 19 21 Ь,км Рис. 5. График зависимости вероятности обнаружения при различных значениях времени Fig. 5. ТЪе рсИесШео£ с!ерепеепсео£реоЬаЫН1у об сСйесЮоп е1;паг1оируа1ире оейте
формирующая —i фото приемник —i блок обработки -3 блок
оптика сигналов управления
средство формирования
Рис. 6. Структурная схема устройства создания активных упреждающих помех Fig. 6. The Block diagramme of the device of creation of active anticipatory hindrances
-13-
1
0. 0.6 0.4 0.2 0
IH = 270 Вт/ср IH = 140 Вт/ср
IH = 70 Вт/ср IH = 35 Вт/ср
10 L,KM
Рис. 7. Графики зависимости вероятности оптико-электронного подавления от дальности при различных значениях интенсивности спонтанного излучения
Fig. 7. Schedules of dependence of probability of optiko-electronic suppression from range at various values of intensity of spontaneousrediation
Р
Вероятность Рср оценивается с использованием выражения (7), в котором в качестве полезного сигнала применяется помеховое(амиттциотное) иалучанвзе .
На рис. 7 приведены гртфикиаавиеимчетзйлсроатноссиоптикоеэлсчтрзннлсо подавления лазерного далеиоме°аетдальнос ти Ь для °чв личныоннтзнси вностей помсхаеого излучения в спектре чу вствительно сти приёмного канала.
Из анализагрофикев слевует, кто чвивнтедоивсосоях номехового нзлучения в спектре чувствительоости приёмного острайссвс 070, 77) и35Вт/срваеоятногоь срабатывания лазерного дальеаморол(шзгк кединицз не дистанцоях о,5,ри °км скотвзтственне .
Аналаллсфуерохучлннхге рекультаты, делаем оывед, чтт устройства ооздкния активных упреждающих помех можно будет уверенно обнаружить с вероятностью Робн = 0,9 ^ 1 и эффективно подавлять на расстоянии до 8 км с вероятностью срабатывания лазерного дальномера Рс = 0,7 ^ 1 при интенсивностях помехового излучения 1п = 140 ^ 270 Вт/ср.
Известно, что зенитно-артиллерийские комплексы противника, в состав которых входят лазервые сиетемыдальноретрирования, тодут сорольеу нарасстояние 5-К км. Исходя из анализа цанвых дкмолеосор, в тавжо харккоериетик го ускройства созда-
ния упреждкаещих ремах,межносдерать вывов, что вероятноете нермапьноек функционирования ЛСУО ЗАРС т рсловтяк поскаиованимитлщюнных помехДИЛАсостевит порядка Рф = 0,15 ± 0,07.
Заключение
Таким образом, проведённые исследования позволяют сделать вывод о возможности разведки работы ЛСУО по спонтанному излучению, предшествующему индуцированному излучению. Расчёты показали, что интервал времени от момента регистрации спонтанного излучения до момента начала индуцированного излучения порядка 10-4 - 10-3 с, что вполне достаточно для создания маскирующих и имитирующих помех, упреждающих основное излучение лазерных средств. Это открывает принципиально новые возможности для эффективной защиты ДПЛА, выполняющего боевую задачу в условиях применения противником ЗАК.
Список литературы
[1] Макаров С.А., Корнеев С.В. Военные акции США и Великобритании против Ирака.
Журнал МО РФ. Зарубежное военное обозрение, 1999, 6, 23-33 [Makarov S.A., Korneev S.V. Military action the US and UK against Iraq. The journal of the defense Ministry. Foreign military review, 1999, 6, 23-33 (in Russian)]
[2] Козирацкий Ю.Л. Обнаружение и координатометрии оптико-электронных средств, оценка их параметров. М.: Радиотехника, 2015. 456 с. [Kozirazki Y.L. Detection and coordinatefree opto-electronic means, estimation of their parameters. Moscow, Radio Engineering, 2015. 456 p. (in Russian)]
[3] Борисов Е.Г., Евдокимов В.И. Высокоточное оружие и борьба с ним. М.: Лань, 2013. 496 с. [Borisov E.G., Evdokimov V.I. Precision weapons and combating. Moscow, DOE, 2013. 496 p. (in Russian)]
[4] Зверев Г.М., Голлев Ю.Д., Шалаев Е.А., Исакин А.А. Лазеры на алюмоиттриевом гранате с неодимом. М.: Радио и связь, 1985. 144 с. [Zverev G.M., Golev Y.D., Shalaev E.A., Isakin A.A. Lasers alyumoittrievy a neodymium garnet. Moscow, Radio and communication, 1985. 144 p. (in Russian)]
[5] Козирацкий Ю.Л. Модели информационного конфликта средств поиска и обнаружения. М.: Радиотехника, 2013. 232 с. [Kozirazki Y.L. models of information conflict of means of search and discovery. Moscow, Radio Engineering, 2013. 232 p. (in Russian)]
[6] Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь, 1983. 320 с. [Tikhonov V.I. Optimal signal reception. Moscow, Radio and communication, 1983. 320 p. (in Russian)]
[7] Микаэлян А.Л., Тер-Микаэлян М.Л., Турков Ю.Г. Оптические генераторы на твердом теле. М.: Сов радио, 1967. 384 с. [Mikaelian A.L., Ter-Mikaelyan M.L., Turkov Y.G. Optical generators of the solid. Moscow, Soviet radio, 1967. 384 p. (in Russian)]
