CC BY
42УДК 623.62 ГРНТИ 78.25.41
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАДИОПОГЛОЩАЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ АКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
В.Д. ПОПЕЛО, доктор технических наук, старший научный сотрудник
ВУНЦВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) Д.К. ПРОСКУРИН, кандидат физико-математических наук, доцент ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) П.Е. КУЛЕШОВ, кандидат технических наук, доцент ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)
И.В. БУРЗАК
ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)
В статье представлены основные положения методики, состав измерительной аппаратуры и результаты экспериментального исследования оптических свойств образцов разнотипных радиопоглощающих материалов в условиях их лазерного зондирования на длинах волн 0,353; 0,532; 1,064 и 1,54 мкм, лежащих в основных спектральных диапазонах работы активных лазерных средств локации и дальнометрирования. Измерения проведены с использованием сертифицированного лазерно-локационного измерительного комплекса, внесенного в Государственный реестр средств измерений. В результате измерений определены количественные значения и зависимости от длины волны зондирующего излучения характеристики отражения исследуемых образцов материалов - коэффициента яркости. Установлено, что исследованные образцы радиопоглощающих материалов обладают сравнительно высокими отражающими свойствами в оптическом диапазоне и могут быть разделены на группы в зависимости от характера изменения этих свойств при увеличении длины волны. Показано, что практическое применение исследованных образцов радиопоглощающих материалов для снижения радиолокационной заметности вооружения и военной техники может стать причиной роста заметности в оптическом диапазоне.
Ключевые слова: радиопоглощающий материал, оптический диапазон длин волн, эффективная площадь рассеяния, коэффициент яркости, активное лазерное зондирование, лазерно-локационный измерительный комплекс, длина волны, оптическая заметность, радиолокационная заметность.
OPTICAL PROPERTIES OF RADAR ABSORBENT MATERIALS UNDER CONDITIONS OF ACTIVE LASER SENSING
V.D. POPELO, Doctor of Technical Sciences, Senior Researcher MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)
D.K. PROSKURIN, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor
MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)
P.E. KULESHOV, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)
I.V. BURZAK
MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)
The article presents the main provisions of the methodology, the composition of the measuring equipment, and the results of an experimental study of the radar absorbent materials different types samples optical properties under the conditions of their laser sensing at wavelengths of 0.353, 0.532,
1.064, and 1.54 microns, which lie in the main spectral ranges of active laser means of location and ranging. The measurements were carried out using a certified laser-location measuring system included in the State Register of Measuring Instruments. As a result of the measurements, the quantitative values and dependences on the wavelength of the materials studied samples reflection characteristic probing radiation (the brightness coefficient) were determined. It is established that the radar absorbent materials studied samples have relatively high reflecting properties in the optical range and can be divided into groups depending on the nature of changes in these properties with increasing wavelength. It is shown that the practical application of the radar absorbent materials studied samples to reduce the radar visibility of weapons and military equipment can cause an increase in visibility in the optical range.
Keywords: radar absorbent material, optical wavelength range, effective scattering area, brightness coefficient, active laser sensing, laser-location measuring complex, wavelength, optical visibility, radar visibility.
Введение. Одним из важнейших инструментов снижения радиолокационной заметности образцов вооружения и военной техники является применение радиопоглощающих материалов и покрытий [1-3]. В настоящее время создан целый ряд радиопоглощающих материалов, обеспечивающих заметное снижение заметности вооружения и военной техники в диапазонах работы современных радиолокационных средств разведки и наведения оружия. Номенклатура таких материалов и покрытий постоянно расширяется. При этом на выбор используемого материала может повлиять не только реализуемый в заданном техническим заданием уровень поглощения радиолокационного излучения, но и некоторые его «недекларируемые» свойства, в частности, отражающие свойства в оптическом диапазоне, лежащем далеко в стороне от диапазона радиолокационного излучения.
Актуальность. Необходимость дополнительных исследований свойств радиопоглощающих материалов в оптическом диапазоне длин волн связана с широким применением в военных целях оптико-электронных систем, в частности, использующих лазерное излучение для решения задач целеуказания, наведения, дальнометрии, управления боевыми средствами, обнаружения, сопровождения и визуализации целей, противодействия оптико-электронным средствам противника [4]. Комплексное применение для целей обнаружения, идентификации и последующего применения оружия радиолокационных и оптико-локационных средств приводит к необходимости существенного расширения спектрального диапазона нормирования свойств радиопоглощающих материалов и покрытий. Однако в настоящее время детальное исследование отражательных свойств радиопоглощающих материалов часто ограничивается рабочим диапазоном радиолокационного излучения, а данные об этих свойствах в оптическом диапазоне зачастую отсутствуют. Это обстоятельство может служить причиной нежелательного роста оптической заметности образцов вооружения и военной техники со сниженной радиолокационной заметностью.
Поэтому исследование оптических (отражающих) свойств радиопоглощающих материалов и измерение значений физических величин, характеризующих эти свойства, представляют собой актуальную задачу.
Цель работы - определение значений поверхностной плотности эффективной площади рассеяния или коэффициента яркости [5] семи разнотипных образцов радиопоглощающих материалов при их активном лазерном зондировании на длинах волн 0,353; 0,532; 1,064 и 1,54 мкм, соответствующих рабочим длинам волн большинства зарубежных лазерных средств военного назначения.
1. Объекты исследования. В качестве объекта исследования были выбраны семь типов радиопоглощающих материалов, внешний вид образцов которых представлен на рисунке 1. Радиопоглощающие материалы имеют ворсовую структуру. Размеры образцов составляли 450 х 450 мм. Три типа радиопоглощающих материалов предназначены для использования в зимних условиях, а остальные - в летних.
\1' Г"
Рисунок 1 - Внешний вид образцов семи типов радиопоглощающих материалов, выбранных в качестве объектов измерения
2. Методика и аппаратура измерений коэффициента яркости (эффективной площади рассеивания) радиопоглощающих материалов. Основной объем данных о количественных значениях характеристик отражения объектов различной природы в условиях активной оптической локации в настоящее время получают в ходе натурных измерений на открытых трассах, лежащих в приземном слое атмосферы, протяженность которых достаточна для формирования дальней зоны в пучках зондирующего и отраженного излучений. Измерения проводят методом сравнения отраженных сигналов от объекта и меры (эталонного отражателя), обеспечивающей воспроизведение и передачу единицы измеряемой физической величины. Обычно используют меры эффективной площади рассеяния: эталонные - сегменты сферических зеркальных поверхностей и рабочие - световозвращатели с изменяемым значением воспроизводимой величины [6]. Особенностью проведенных измерений отражательных свойств радиопоглощающих покрытий является разная геометрическая размерность объекта измерения и меры. Это обстоятельство было учтено при разработке их методики, суть которой заключалась в том, что объектом измерений являлись образцы радиопоглощающих покрытий, закрепленные на специальном устройстве позиционирования (штативе) и установленные таким образом, чтобы нормаль к поверхности образца лежала в горизонтальной плоскости (рисунок 2).
Рисунок 2 - Образец радиопоглощающего материала в процессе измерений
Образцы материалов, вследствие специфической структуры их поверхности, обладают низкой направленностью отражения, что также обуславливает формирование дальней зоны на расстоянии от нескольких сантиметров до нескольких метров.
В качестве меры сравнения был использован световозвращатель с перестраиваемыми значениями эффективной площади рассеяния, внешний вид которого представлен на рисунке 3.
Рисунок 3 - Внешний вид рабочей меры сравнения (эталонного отражателя)
В таблице 1 представлены характеристики этой меры сравнения на различных длинах волн зондирующего лазерного излучения.
Таблица 1 - Характеристики меры сравнения на различных длинах волн
Длина волны, мкм 0,339 0,532 1,064 1,54
Воспроизводимое значение эффективной площади рассеивания (а ), м2 0,52 0,67 1,0 1,02
Погрешность передачи эффективной площади рассеивания (8а), % 7,5 7,3 10,4 7,5
Для отражателя с указанными значениями эффективной площади рассеяния дальняя зона формируется уже на расстоянии в несколько десятков метров.
Измерения проведены с помощью мобильного лазерно-локационного измерительного комплекса «Картинка-2» (внесен в Государственный реестр средств измерений), предназначенного для измерений характеристик отражения объектов, экспериментальных исследований закономерностей процесса оптической локации объектов в натурных условиях, установления зависимостей параметров оптико-локационных полей и сигналов от характеристик источника зондирующего излучения, локационной трассы, объекта локации, приемного устройства, в том числе, и для измерений характеристик отражения радиопоглощающих материалов в оптическом диапазоне длин волн. Особенности конструкции комплекса обеспечивают возможность использования в его составе набора источников (лазеров) и соответствующих им приемников отраженного излучения, длины волн которого перекрывают оптический диапазон от ультрафиолетовой до ИК области спектра. Технические характеристики измерительной аппаратуры представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Основные технические характеристики измерительного комплекса
Наименование характеристики Значения характеристики
Рабочие длины волн, мкм 0,355; 0,532; 1,064; 1,54; 10,6
Диапазон измерения коэффициента яркости 0,01...100
Рабочие дистанции измерений, м 10...200
Основная погрешность измерения, % менее 40
Комплекс обеспечивает следующие основные функции в процессе проведения измерений:
- формирование пучков зондирующего излучения в диапазоне 0,2.. .12 мкм с возможностью регулировки и контроля размеров сечения, расходимости, модового состава, временных и поляризационных параметров;
- прием оптико-локационных сигналов и анализ структуры оптико-локационных полей на фиксированных длинах волн в пределах спектрального диапазона 0,2.12 мкм;
- облучение исследуемых объектов зондирующим излучением, в том числе, размещенных на реальных носителях;
- проведение измерений на трассах различной протяженности с осуществлением контроля параметров трассы и среды распространения;
- реализацию прямого метода измерения оптико-локационных характеристик оптико-электронных средств и других объектов с использованием системы «эталонных» отражателей;
- регистрацию, первичную и вторичную обработку информации, получаемой в ходе экспериментальных исследований и измерений, ее накопление, хранение и представление;
- управление пространственным положением и контроль взаимной ориентацией основных элементов полигонного комплекса и исследуемого объекта в ходе подготовки и проведения экспериментов;
- диагностику состояния элементов полигонного комплекса;
- обеспечение исследований и измерений оптико-локационных характеристик функционирующих оптико-электронных средств.
Для проведения измерений формировался коллимированный пучок излучения диаметром Db = 0,06 (площадью сечения Sb « 0,003 м2), который на расстоянии в несколько десятков метров обладает практически плоским фронтом, что обеспечивает воспроизведение дальней зоны и для зондирующего излучения.
Процесс измерений заключался в следующем. Исследуемый объект и мера сравнения размещались вблизи друг друга на расстоянии 10-50 метров от измерительного комплекса на поворотной платформе, которая устанавливается на штатив. Поверхность объекта измерений ориентировалась таким образом, чтобы ее нормаль была направлена на источник зондирующего излучения. Пучок зондирующего излучения наводился на объект таким образом, чтобы объект его полностью перекрывал. Визуальный контроль правильности наведения приемо-передающего модуля измерительного комплекса осуществлялся с помощью телевизионной камеры, изображение предъявлялось на телевизионный монитор оператора комплекса. Измерения проводились последовательно для каждого из 7 образцов радиопоглощающих материалов на пяти длинах волн. Осуществлялось облучение образца импульсным лазерным излучением на фиксированной длине волны. Частота следования импульсов составляла 1 кГц. Отраженное от объекта лазерное излучение регистрировалось фотоприемным устройством измерительного комплекса. Особенностью приемных устройств комплекса является линейная характеристика преобразования оптического излучения в электрический сигнал. Аналоговые сигналы фотоприемных устройств далее поступали на плату цифрового осциллографа, встроенную в компьютер. Осуществлялось преобразование в цифровой вид, регистрация на жестком диске компьютера из состава комплекса. Цифровая регистрация и компьютерная обработка в реальном масштабе времени обеспечивали формирование массива данных для последующей обработки. В процессе регистрации и измерений отраженных сигналов определялось временное положение каждого отраженного импульса относительно импульса запуска, что обеспечивало дополнительный контроль дистанции до исследуемого объекта. Длительность каждого цикла измерения составляла 1 с, что при частоте следования импульсов зондирующего излучения 1 кГц обеспечивало усреднение величины отраженного сигнала по 1000 импульсов.
Далее пучок лазерного излучения направлялся на меру сравнения, и операции по регистрации отраженного сигнала повторялись в изложенной выше последовательности.
Обработка результатов измерений и получение количественных значений измеряемой характеристики - коэффициента яркости образца на фиксированной длине волны лазерного излучения осуществлялась с использованием специального программного обеспечения.
При выбранных геометрических параметрах эксперимента исследуемый объект (образец радиопоглощающего материала) являлся распределенным объектом с площадью поверхности S0 > Sb, а мера - «точечным» объектом, площадь апертуры которого ^ < ^ . Поэтому расчет
величины коэффициента яркости образца радиопоглощающих материалов р. (Лш ), где ; = 1, 7, на
фиксированной длине волны Лш (ш = 1, 4 ) осуществлялся по формуле:
пс.1л а \и](Лш) 1
р (Л)=а-) то ^
(1)
где аэ (Лт) - эффективная площадь рассеяния меры на фиксированной длине волны Лш; Ц; (Лш), иэ (Л) - средние значения величин сигналов, отраженных от исследуемого образца и меры на длине волны Лш .
3. Условия измерений. Измерения значений коэффициента яркости образцов радиопоглощающих материалов проведены в летнее время при температуре окружающей среды +30 °С. Относительная влажность воздуха составляла 92 %, естественная освещенность местности изменялась от 40000 до 1000 лк, скорость ветра не превышала 5 м/с. Для проведения измерений комплекс «Картинка-2» размещался в кузове-фургоне автомобиля.
4. Результаты измерений коэффициента яркости радиопоглощающих материалов. Результаты измерений коэффициента яркости (эффективной площади рассеивания) радиопоглощающих материалов по образцам представлены в таблице 3.
Также по результатам измерений были построены условные графические зависимости коэффициентов яркости для каждого образца радиопоглощающего материала от длины волны зондирующего излучения, представленные на рисунке 4.
Таблица 3 - Результаты измерения коэффициентов яркости исследуемых образцов при их активном зондировании
Длина волны (Лш ), мкм Значения коэффициентов яркости (р.), м2/м2
Образец № 1 Образец № 2 Образец № 3 Образец № 4 Образец № 5 Образец № 6 Образец № 7
0,339 (ультрафиолетовый диапазон) 0,13 0,3 0,26 0,09 0,09 0,04 0,09
0,532 (видимый диапазон) 0,17 0,17 0,17 0,34 0,62 0,62 2,01
1,064 (ближний ИК диапазон) >0,17 0,33 >0,17 0,17 0,75 0,92 0,5
1,54 (ближний ИК диапазон) 0,26 0,42 0,87 0,87 0,26 0,60 1,53
Качественный анализ полученных зависимостей показывает, что они имеют достаточно сложный характер. Однако использование такого признака как «знак спектральной разности», под которым будем понимать знак разности значений коэффициента яркости для соседних длин
волн, то есть sign \fij (Лт+1) -fij (Лт)], позволяет разделить исследованные образцы
радиопоглощающих материалов на группы по их оптическим свойствам. В таблице 4 представлены значения указанного признака.
Таблица 4 - Значения признака «знак спектральной разности» для исследованных образцов материалов
Разность значений коэффициента яркости Значения признака «знак спектральной разности»
Образец № 1 Образец № 2 Образец № 3 Образец № 4 Образец № 5 Образец № 6 Образец № 7
sign \fij (0,532) -fij (0,339)] + - - + + + +
sign \fij(1,06) -fij (0,532)] 0 + 0 - + + -
sign [fij (1,54) -fij (1,06)] + + + + - - +
1,0
1 X
3% т— ---\
^
0 0,339 0,5 0,532 1,0 1,064 1,5 1,54
5 5
1 Л , мкм
Рисунок 4 - Зависимости коэффициентов яркости образцов радиопоглощающих материалов (№№ 1-7)
от длины волны зондирующего лазерного излучения
В первую группу входят образцы 2 и 3. Для этой группы характерны сравнительно высокий ( 3 « 0,3 ) уровень отражения в ультрафиолетовой области (Лт = 0,339 мкм), снижение уровня отражения до значений 3 « 0,17 в видимой области ( Лт = 0,532 мкм) и увеличение в ближней инфракрасной области. Во вторую группу входят образцы 5 и 6. Для этой группы характерен достаточно высокий (более 0,6) коэффициент яркости в видимой области спектра и примыкающей к нему области ближнего ИК диапазона. При дальнейшем увеличении длины волны ИК излучения (в области 1,5 мкм) коэффициент яркости заметно уменьшается. В третью группу входят образцы 1 и 4. Для этой группы также характерны сравнительно низкий уровень отражения (¡ = 0,09 - 0,13) в ультрафиолетовой области (Лт = 0,339 мкм), рост в видимой области ( 3 = 0,17 — 0,34 ), а затем снижение коэффициента яркости в ближней ИК области. К этой же группе условно может быть отнесен и образец 7. Отличие от образцов группы 3 заключается в выраженном «провале» спектральной зависимости в области длины волны 1 мкм и очень высоком значении коэффициента яркости на длине волны 0,532 мкм. Значения коэффициента яркости превышающие единицу ( ¡ = 0,09 — 0,13) свидетельствуют о выраженном направленном характере отражения излучения от этого образца.
Выводы. Представлены основные положения методики, состав средств измерений и результаты экспериментального исследования оптических свойств образцов разнотипных радиопоглощающих материалов в условиях их лазерного зондирования на длинах волн: 0,353; 0,532; 1,064 и 1,54 мкм, лежащих в спектральных диапазонах работы активных лазерных средств локации и дальнометрирования. Измерения проведены с использованием сертифицированного лазерно-локационного измерительного комплекса, внесенного в Государственный реестр средств измерений. В эксперименте исследовано семь типов радиопоглощающих материалов. Установлено, что оптические свойства исследуемых образцов радиопоглощающих материалов заметно различаются и могут быть разделены на три группы: с высоким уровнем отражения в ультрафиолетовой области диапазона длин волн, с высоким уровнем отражения в видимой области и ближней ИК области диапазона длин волн и средним уровнем отражения в видимой области и ближней ИК области диапазона длин волн. При этом все образцы радиопоглощающих материалов, исследованные в эксперименте, обладают сравнительно высокими значениями коэффициента яркости на всех основных длинах волн работы лазерных средств военного назначения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вождаев В.В., Теперин Л.Л. Характеристики радиолокационной заметности летательных аппаратов. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2018. 376 с.
2. Евдокимов В.И., Гумелюк Г.А., Андрющенко М.С. Неконтактная защита боевой техники. СПб.: Реноме, 2009. 176 с.
3. Никольский Б.А. Методы и средства радиоэлектронной защиты летательных аппаратов. Ч. 2. Самара: Издательство СГАКУ, 2007. 79 с.
4. Борейшо В.А., Клочков Д.В., Коняев М.А. и др. Военные применения лазеров. СПб.: Издательство Балт. гос. тех. ун-т, 2015. 103 с.
5. Попело В.Д., Фахурдинов И.Р. Оптико-локационные характеристики объектов различной размерности // Метрология. 2012. № 7. С. 9-18.
6. Козирацкий Ю.Л., Афанасьева А.И., Гревцев А.И. и др. Обнаружение и координатометрия оптико-электронных средств, оценка параметров их сигналов. М.: Радиотехника, 2015. 456 с.
REFERENCES
1. Vozhdaev V.V., Teperin L.L. Harakteristiki radiolokacionnoj zametnosti letatel'nyh apparatov. M.: FIZMATLIT, 2018. 376 p.
2. Evdokimov V.I., Gumelyuk G.A., Andryuschenko M.S. Nekontaktnaya zaschita boevoj tehniki. SPb.: Renome, 2009. 176 p.
3. Nikol'skij B.A. Metody i sredstva radio'el ektronnoj zaschity letatel'nyh apparatov. Ch. 2. Samara: Izdatel'stvo SGAKU, 2007. 79 p.
4. Borejsho V.A., Klochkov D.V., Konyaev M.A. i dr. Voennye primeneniya lazerov. SPb.: Izdatel'stvo Balt. gos. teh. un-t, 2015. 103 p.
5. Popelo V.D., Fahurdinov I.R. Optiko-lokacionnye harakteristiki ob ektov razlichnoj razmernosti // Metrologiya. 2012. № 7. pp. 9-18.
6. Kozirackij Yu.L., Afanas'eva A.I., Grevcev A.I. i dr. Obnaruzhenie i koordinatometriya optiko-'elektronnyh sredstv, ocenka parametrov ih signalov. M.: Radiotehnika, 2015. 456 p.
© Попело В.Д., Проскурин Д.К., Кулешов П.Е., Бурзак И.В., 2021
Попело Владимир Дмитриевич, доктор технических наук, старший научный сотрудник, старший научный сотрудник научно-исследовательского центра (проблем применения, обеспечения и управления авиацией ВВС),
g' и
Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А, [email protected].
Проскурин Дмитрий Константинович, кандидат физико-математических наук, доцент, научный сотрудник научно-исследовательского центра (проблем применения, обеспечения и управления авиацией ВВС), Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А, [email protected].
Кулешов Павел Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент, начальник научно-исследовательского отдела научно-исследовательского центра (проблем применения, обеспечения и управления авиацией ВВС), Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А, [email protected].
Бурзак Игорь Владимирович, начальник научно-исследовательского отдела научно-исследовательского испытательного института, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А.
