CC BY
29
DOI 10.25987^Ш2019Л5.3.014 УДК 321.696
ОБОСНОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К КОМПЛЕКСУ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК РАДИОТЕПЛОВОЙ ЗАМЕТНОСТИ ОБЪЕКТОВ
М.Г. Калашников, В.Г. Керков, Г.Л. Тюрин
Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», г. Воронеж, Россия
Аннотация: статья посвящена исследованию характеристик радиотепловой заметности объектов для их защиты от боеприпасов с радиотепловыми (радиометрическими) системами наведения и прицеливания. Эти боеприпасы являются высокоточными средствами поражения наземной техники, эффективность которых зависит от радиотеплового контраста объекта поражения. Это определяет актуальность измерения характеристик радиотепловой заметности потенциальных объектов поражения с верхней полусферы. Рассматриваются принципы построения измерительно-моделирующего комплекса для исследования характеристик радиотепловой заметности объектов с верхней полусферы в миллиметровом диапазоне длин волн. Приводятся блок-схема измерительно-моделирующего комплекса, его основные характеристики и варианты размещения. Показано, что наиболее целесообразно размещать измерительный модуль в закрытом помещении с раздвижной крышей и перемещать его на продольной балке-сканнере или сканнере арочного типа. Измерительный модуль должен включать соосно соединенные радиометрические приемники 3-х и 8-ми миллиметровых диапазонов длин волн. Перемещение измерительного модуля по сканнеру должно обеспечиваться в диапазоне углов возможного наблюдения объекта боеприпасами с воздуха. Управление измерительным модулем, а также обработка информации осуществляются программно с пульта, размещаемого в том же помещении, где и измерительный модуль
Ключевые слова: высокоточное оружие, радиотепловая заметность объектов, измерительно-моделирующий комплекс, вариант размещения
Введение
Анализ состояния и перспектив развития систем высокоточного оружия (ВТО) показывает [1], что в настоящее время на различных стадиях разработки и внедрения находятся боеприпасы ВТО с радиотепловыми (радиометрическими) системами наведения и прицеливания миллиметрового диапазона длин волн.
Независимо от используемых средств доставки боеприпасов к объектам поражения, они могут быть разделены по способу управления на два класса: боевые элементы точного наведения (БЭТН) и боевые элементы точного прицеливания (БЭТП).
Ниже приводятся алгоритмы функционирования типовых представителей данных боеприпасов - БЭТН типа TGSM и БЭТП типа
sadarmJ
БЭТН TGSM могут быть доставлены в район размещения групповой цели оперативно-тактическими ракетами (ОТР) ATACMS, реактивными системами залпового огня MLRS и др. по баллистической траектории [1]. На заданной высоте (порядка 500-1000 м) БЭТН TGSM разбрасываются над районом сосредоточения групповой цели по определённому закону. При
© Калашников М.Г., Керков В.Г., Тюрин Г.Л., 2019
этом из хвостовой части каждого БЭТН вытягивается тормозной парашют, обеспечивающий его стабилизацию и ориентацию головной части вертикально вниз, а также уменьшение скорости снижения до 150 м/с и скорости вращения до 10 об/с. После этого тормозной парашют отбрасывается, а у БЭТН раскрываются хвостовые рули и аэродинамические поверхности крыла. Также путём подрыва пиропатрона приводится в рабочее состояние газоструйная система коррекции траектории, после чего радиометрическая головка самонаведения (РМГСН) начинает обзор земной поверхности. Ось антенны РМГСН в начале поиска отклонена от оси БЭТН на угол 5 град, и по мере снижения угол отклонения уменьшается до нуля. При этом за счёт вращения ракеты вокруг продольной оси осуществляется сканирование местности лучом РМГСН БЭТН по скучивающейся спирали.
При обнаружении цели РМГСН обеспечивает наведение БЭТН на цель. Поражение цели осуществляется за счёт подрыва кумулятивных зарядов тандемной боевой части.
БЭТП типа SADARM доставляются в район цели артиллерийским боеприпасом [1]. На высоте 800...600 м срабатывает взрыватель и БЭТП выбрасываются из кассетного боеприпа-са. С помощью специального тормозного
устройства замедляется вращение БЭТП, после чего на высоте около 150 м раскрывается ленточный парашют и БЭТП начинает спускаться со скоростью 9.. .15 м/с, вращаясь вокруг вертикали с частотой 4 об/с. Благодаря специальной подвеске ось БЭТП отклонена от вертикали спуска на угол ф=30 град (см. рис. 1). В силу этого обстоятельства система поиска цели, состоящая из радиометрического датчика (РМД), сканирует местность по скручивающейся спирали. При обнаружении цели датчиком БЭТП типа SADARM производится нацеленный отстрел боевой части «ударное ядро» в сторону обнаруженной цели.
Боеприпасы Т08М, 8АБАКМ и им подобные обладают высокой боевой эффективностью и способны поражать одиночную наземную цель с вероятностью 0,8.0,85 [1]. Защита объектов от таких боеприпасов может быть обеспечена путем снижения их радиотепловой замет-ности за счёт применения радиопоглощающих (радиорассеивающих) материалов и покрытий.
Рис. 1. Принцип обнаружения цели боевыми элементами ВТО
При этом для обеспечения эффективной защиты объектов, а также обоснования требований к радиопоглощающим материалам и покрытиям требуется измерение радиотепловых контрастов защищаемых объектов.
Целью статьи является обоснование требований к измерительно-моделирующему комплексу (ИМК) для исследования характеристик радиотепловой заметности объектов.
Обоснование требований
Исходя из особенностей применения БЭТН и БЭТП, описательные модели которых приведены в [1], требования по угловым и частотным
диапазонам измерения характеристик радиотепловой заметности следующие:
рабочая частота (длина волны) - 94 ГГц (3,2 мм); 35 ГГц (8,6 мм);
углы зондирования объектов: по азимуту - 0.360 град; по углу места - 30 град .90 град. Открытым остается вопрос предъявления требований к разрешающей способности и измеряемому диапазону температур измерительных комплексов в радиотепловом диапазоне длин волн.
При обосновании требований к разрешающей способности измерительного комплекса в радиотепловом диапазоне длин волн считается, что она определяется линейными размерами пятна, формируемого главным лучом диаграммы направленности антенны (ДНА) РМГСН БЭТН или РМД БЭТП на дальности обнаружения типовой цели.
В табл. 1 приведены основные тактико-технические характеристики (ТТХ) радиометрических систем управления (РМСУ) БЭТН TGSM и БЭТП SADARM [1], необходимые для обоснования требований к разрешающей способности измерительного комплекса в радиотепловом диапазоне длин волн.
Таблица 1
Основные ТТХ радиометрических систем управления типовых боеприпасов
Тип бое-припаса Длина волны, мм Дальность обнаружения, Бобн, м Максим. угол отклонения антенны при поиске ф, град Ширина ДНА, в, град Носитель бо- еприпаса (средство доставки)
ТОБМ 3,2 5001000 5 2,2 ОТР ATACMS, 240 мм реактивный снаряд РС30 MLRS
SADAR М 8,6 150 30 3,6.4, 3 Артиллерийский снаряд 203,2 мм
След главного луча ДНА РМГСН БЭТН и РМД БЭТП на поверхности Земли с учетом его наклона от нормали на угол ф представляет собой эллипс с осями размером:
Д^тах = °обн СОв^
Щ ^ + у I-
¿¿т,п = 2До
Исходя их вышеизложенного, с учетом данных, приведенных в табл. 1, можно считать, что разрешающая способность радиометрических систем ВТО на дальности обнаружения объектов военной техники составляет: на длине волны 3,2 мм - 19.38 м; на длине волны 8,6 мм - 30 м. Из приведенных в табл. 1 ТТХ следует, что угловое разрешение систем наведения ВТО в радиотепловом диапазоне длин волн составляет не более 2-3 град. В то же время технические характеристики существующей аппаратуры измерения радиотепловых характеристик объектов существенно выше. Поэтому целесообразно в качестве требований к угловому разрешению принять значение, обеспечиваемое существующей измерительной аппаратурой, равное 1 град.
Требования к диапазону измеряемых температур могут быть заданы из следующих соображений. Средний контраст для большинства объектов на фоне земной поверхности составляет 100.120 К [3].
Исследования, проведенные в работе [2], показали, что при контрасте объекта равном 5 К вероятность его обнаружения равна 0,2, а при контрасте в 3 К становится меньше 0,1. Поэтому целесообразно в качестве разрешающей способности по температуре задаться значением 1 К, что позволит рассчитать вероятность обнаружения объекта с точностью 0,05.0,1, а диапазон измеряемых температур задать от 1 до 200 К.
Наиболее близким прототипом, имеющим характеристики, соответствующие требуемым, является измерительный комплекс, описание которого приведено в [3].
Измерительный комплекс построен на базе высокочувствительных радиометрических приемников 8 мм и 3 мм диапазонов длин волн, набора измерительных антенн и прецизионного опорно-поворотного устройства. В его состав также входят тестовые генераторы для проведения измерения диаграмм направленности и юстировки антенн.
Радиометрические комплексы миллиметрового диапазона представляют собой модуляционные радиометры с цифровой обработкой данных на выходе квадратичного детектора. Применение развитой цифровой обработки данных позволяет в несколько раз повысить скорость сканирования без существенного ухудшения чувствительности и точности определения ра-диояркостного контраста.
Конструктивно приемная часть комплекса состоит из общего низкочастотного (НЧ) блока с источником питания и сменных модулей сверх-
высокой частоты (СВЧ) 8 мм и 3 мм диапазонов длин волн. Блок-схема изображена на рис. 2.
Особенностью СВЧ модуля 8 мм диапазона является наличие транзисторного СВЧ усилителя перед входом смесителя. Смеситель модуля 3 мм диапазона работает в субгармоническом режиме. Для повышения стабильности работы радиометров СВЧ блоки помещены в термостат с рабочей температурой 323 К.
Рис. 2. Блок-схема радиометра, где обозначено: а - антенна; м - модулятор; ф - ферритовая развязка; с - смеситель; г - гетеродин; п - предварительный усилитель промежуточной частоты; у - усилитель промежуточной частоты; к - квадратичный детектор;
н - усилитель низкой частоты; л - плата сбора и оцифровки данных; Синхро-устройство синхронизации;
ЭВМ - компьютер; д - обработанные данные;
О - опорно-поворотное устройство
Выходной НЧ сигнал радиометра и синхросигналы поступают на вход цифрового синхронного детектора. В качестве последнего используется плата аналогового ввода. В состав платы входит 12 разрядный аналого-цифровой преобразователь, работающий на частоте 500 кГц и цифровой сигнальный процессор ADSP 2105 с тактовой частотой 10 МГц.
Цифровое детектирование осуществляется в сигнальном процессоре путем умножения выходного оцифрованного сигнала радиометра с опорной цифровой последовательностью с последующим суммированием (накоплением) результата в 40 битном сумматоре. Длительность опорной последовательности - 10 мс. Результат суммирования считывается компьютером для дальнейшей обработки.
Опорно-поворотное устройство представляет собой механический двухкоординатный привод с высокоточными шаговыми двигателями. Угловое позиционирование обеспечивается управляющей программой.
Основные параметры радиометрического приемника, антенн и опорно-поворотного устройства, приведенного в работе [3], представлены в табл. 2.
Измерительный комплекс обеспечивает получение двумерного растрового радиоизображения на произвольной угловой сетке с темпом
0,6 с/точка. Например, при сетке 42^42 точки с шагом 0,2 град и временем накопления 0,45 с время измерения составит 19 минут.
Проведенный анализ ТТХ типовых боеприпасов с радиотепловыми (радиометрическими) системами наведения и прицеливания [1], а также характеристик практически реализованного измерительного комплекса [3] позволил обосновать основные требования к комплексу измерения характеристик радиотепловой заметности объектов с верхней полусферы с учетом особенностей решаемой задачи. Она состоит в том, что в боеприпасах с радиотепловыми (радиометрическими) системами наведения и прицеливания используются исключительно одноэлементные (однопиксельные) радиотепловые приемники, то есть поражаемая цель наблюдается как точечный объект и ее радиотепловой (радиояркост-ный) портрет в приемном устройстве не формируется. Это существенно снижает требования к измерительному радиотепловому модулю 3-х и 8-ми мм диапазонов длин волн.
Таблица 2
Основные параметры радиометрического приемника, антенн и опорно-поворотного устройства
Параметры радиометрического приемника
Флуктуационная чувствительность (время накопления 1 с.) 0,05 К
Диапазон измерения контраста 0.600 К
Минимальное время накопления циф- 10 мс
рового синхронного детектора
Параметры антенн
Параболическая антенна Кассегрена высокого разрешения
Диаметр 500 мм
Ширина основного лепестка диаграм- 0,45 град
мы направленности
Уровень боковых лепестков 18 дБ
Параболическая антенна низкого разрешения
Диаметр 140 мм
Ширина основного лепестка диа- 3 град
граммы направленности
Уровень боковых лепестков 20 дБ
Параметры опорно-поворотного устройства
Диапазон углов:
по азимуту +/- 80 град
по углу места +/- 15 град
Точность углового позиционирования 0,25 угл. мин
Угловая скорость перемещения 6 град/с
Очевидно, что исходя из обеспечения благоприятных условий эксплуатации измерительного комплекса и управления им, наиболее предпочтительным является его размещение в закрытом помещении, при этом должны быть обеспечены условия измерения близкие к реальным.
Из приведенных в табл. 1 ТТХ боеприпасов следует, что измерения необходимо произ-
водить в верхней полусфере в диапазоне углов до плюс-минус 30 градусов от нормали. При этом диаметр пятна, создаваемого главным лучом диаграммы направленности радиометрического приемника на местности, составляет на дальностях обнаружения цели для 3-х мм диапазона 19.38 м, а для 8-ми мм диапазона - 30 м. Такие условия могут быть обеспечены в помещении, позволяющем устанавливать измерительный модуль на высоте 10.12 метров от поверхности.
Исходя из того, что частота вращения боеприпасов при обнаружении цели составляет до 10 оборотов в секунду и учитывая ширину диаграмм направленности их антенн, время нахождения цели в пределах главного луча диаграммы направленности антенны радиометрического приемника будет от 0,7 мс до 2,5 мс. В [4] приведены экспериментальные данные по обнаружению самолетов на стоянках авиационной радиометрической системой 3-х мм диапазона длин волн с высоты 100 м. При этом для времени накопления всего 100 мкс флуктуаци-онная чувствительность приемника составила 1,8 К, а разрешающая способность по углу - 1 град. При этом отмечается «квазиоптическое проявление радиометрического свойства, которое позволяет получить хорошее качество обнаружения даже в плохих погодных условиях».
Выводы
Проведенный анализ позволяет сформировать предпочтительный технический облик измерительного модуля 3-х и 8-ми мм диапазонов длин волн и сделать следующие выводы.
1. Для проведения измерений радиотепловым модулем в требуемом диапазоне условий достаточно размещать его на минимальном удалении (порядка 10.12 м) от поверхности, что вполне достижимо в условиях ангара. При этом измерительный модуль может быть размещен на стационарно укрепленной балке -сканнере, возможные варианты размещения измерительных модулей в ангаре рассмотрены ниже (см. п.3 выводов). Для регистрации измерительной информации и управления измерительным модулем потребуется наземное автоматизированное рабочее место оператора.
2. Для имитации реальных средств обнаружения потребуются радиотепловые приемники 3-х и 8-ми мм диапазонов длин волн, со-осно зафиксированные между собой с отдельными антеннами низкого разрешения, имеющими для обеспечения на поверхности пятна
требуемого диаметра ширину диаграмм направленности антенн при размещении на высоте 10 м около 75.80 град. Наиболее простым вариантом реализации указанных значений ширины диаграмм направленности являются рупорные антенны миллиметрового диапазона. Для обеспечения измерений в требуемом диапазоне углов относительно нормали с высоты 10 м при применении продольной бал-ки-сканнера (выносной штанги) потребуется перемещение измерительного модуля на плюс-минус 5,8 м относительно объекта с шагом 20 см при дискретности углового измерения 1 град с одновременным доворотом антенн на 1 град. Исходя из достигнутых в [3] вышеприведенных характеристик измерительного комплекса (темп измерения 0,6 с/точка при времени накопления 0,45 с и скорости перемещения поворотного устройства 6 град/с с точностью углового позиционирования 0,25 угл. мин) с учетом необходимости фиксации измерительного модуля в дискретных точках, можно посчитать, что общее время измерения не превысит 2 мин.
3. Для проведения измерений ангар должен иметь раздвижную (съемную) крышу с окном не менее размеров измеряемого объекта для обеспечения радиояркостных характеристик объекта и фона, близких к реальным. При этом имитация различных типов фонов может быть обеспечена использованием в качестве подстилающей поверхности разнообразных покрытий с заданными характеристиками. Размещение измерительного модуля в ангаре позволит организовать внутри ангара автоматизированное рабочее место оператора и обеспечить проведение измерений в любое время года. Возможные варианты размещения радиотеплового измерительного модуля в ангаре представлены ниже на рис. 3 и 4. На рис. 3 представлен вариант размещения модуля на продольной балке-сканнере. На рис. 4 показан вариант размещения модуля на поперечно установленном относительно объекта измерения сканнере арочного типа.
Для получения наиболее полной измерительной информации с верхней полусферы возможна реализация комбинированного варианта с возможностью продольного перемещения сканнера арочного типа вдоль ангара по рельсам.
Рис. 3. Вариант размещения радиотеплового измерительного модуля на продольной балке-сканнере
Следует отметить, что ангар относится к легковозводимым строительным сооружениям. Современные технологии позволяют сооружать его в течение нескольких часов путем возведения каркаса нужной формы, обтягивания его материалом нужной прочности и покрытия сверху твердеющей пеной с требуемыми теплоизоляционными свойствами.
Рис. 4. Вариант размещения радиотеплового измерительного модуля на сканнере арочного типа
Литература
1. ВТО зарубежных стран. Т. 2: Танковые, артиллерийские, миномётные КУВ, самоприцеливающиеся и самонаводящиеся боевые элементы (обзорно-аналитический справочник). КБП. Тула: Власта, 2011. 304 с.
2. Калашников М.Г., Керков В.Г. Оценка возможностей обнаружения объектов в радиотепловом диапазоне длин волн // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8. № 5. С. 51-53.
3. Научный отчет «Измерение радиояркостных контрастов в миллиметровом диапазоне». М.: РУФИЛ, 2003. Кн. 1.
4. Peichl M., Dill S., Jirousek M. Microwave Radiom-etry - Imaging Technologies and Applications, http//archive.tu-chemnits.de/pub/2017/.
Поступила 01.04.2019; принята к публикации 31.05.2019
Информация об авторах
Калашников Михаил Григорьевич - канд. техн. наук, старший научный сотрудник, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (394064, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54 «А»), тел. 8(910)348-05-90, e-mail: camigr50@mail.ru
Керков Владимир Георгиевич - канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (394064, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54 «А»), тел. 8(980)556-19-71, e-mail: vkerkov@mail.ru
Тюрин Герман Леонидович - канд. техн. наук, начальник отдела, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (394064, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54 «А»), тел.8(908)139-57-58, e-mail: germtyr@yandex.ru
SUBSTANTIATION OF REQUIREMENTS TO THE COMPLEX OF MEASUREMENT OF THE CHARACTERISTICS OF RADIO THERMAL NOTICE OF OBJECTS
M.G. Kalashnikov, V.G. Kerkov, G.L. Tyurin
Military Scientific Educational Center of Military-Air Forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin
Military-Air Academy", Voronezh, Russia
Abstract: the article is devoted to the study of the characteristics of radiothermal visibility of objects for their protection against ammunition with radiothermal (radiometric) guidance and aiming systems. These munitions are high-precision means of destruction of ground equipment, the effectiveness of which depends on the radio-thermal contrast of the object of destruction. This determines the relevance of measuring the characteristics of radiothermal visibility of potential targets from the upper hemisphere. The principles of constructing a measuring-modeling complex are considered to study the characteristics of the radio-thermal visibility of objects from the upper hemisphere in the millimeter wavelength range. A block diagram of the measuring-modeling complex, its main characteristics and placement options are given. It is shown that it is most expedient to place the measuring module indoors with a retractable roof and move it on a longitudinal beam scanner or an arch-type scanner. The measuring module should include coaxially connected radiometric receivers of 3 and 8 mm wavelength ranges. The movement of the measuring module along the scanner should be provided in the range of angles of possible observation of the object with ammunition from the air. The control of the measuring module, as well as the processing of information, are carried out pro-grammatically from a console located in the same room as the measuring module
Key words: high precision weapons, site radio-thermal perceptibility, measurement and simulation system, layout option
References
1. "HPW of foreign countries: Tank, artillery, mortar KUV, self-aiming and self-induced combat elements (review and analytical reference)" ("VTO zarubezhnyh stran: Tankovue, artilleriyskie, minometnue KUV, samopritselivayushchiesya i samonavodyash-chiesya boevue elementy (obzorno-analiticheskiy spravochnik))", Tula, Vlasta, 2011, vol. 2, 304 p.
2. Kalashnikov M.G., Kerkov V.G. "Evaluation of the possibilities of detecting objects in the radio-thermal wavelength range", ^e Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta) ,2012, vol. 8, no. 5.
3. "Scientific report "Measurement of radio brightness contrast in the millimeter range"" ("Nauchnyy otchet «Izmerenie ra-dioyarkostnykh kontrastov v millimetrovom diapazone»"), Moscow, RUFIL, 2003, book 1.
4. Peichl M., Dill S., Jirousek M. "Microwave radiometry - imaging technologies and applications", available at: http//archive.tu-chemnits.de/pub/2017/.
Submitted 01.04.2019; revised 31.05.2019 Information about the authors
Mikhail G Kalashnikov, Cand. Sc. (Technical), Senior Scientist, Military Scientific Educational Center of Military-Air Forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin Military-Air Academy" (54 «А» Starykh Bolshevikov str., Voronezh 394064, Russia), e-mail: camigr50@mail.ru
Vladimir G. Kerkov, Cand.Sc. (Technical), Senior Researcher, Military Scientific Educational Center of Military-Air Forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin Military-Air Academy" (54 «А» Starykh Bolshevikov str., Voronezh 394064, Russia), e-mail: vkerkov@mail.ru
German L. Tyurin, Cand.Sc. (Technical), Head of department, Military Scientific Educational Center of Military-Air Forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin Military-Air Academy" (54 «А» Starykh Bolshevikov str., Voronezh 394064, Russia), e-mail: germtyr@yandex.ru
