ВОЕННО-МОРСКИЕ СИЛЫ - ЗВО - 6/2000
ЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА КОМПЛЕКСОВ ПВО НАДВОДНЫХ КОРАБЛЕЙ ВМС ИНОСТРАННЫХ ГОСУДАРСТВ
В.ЛИНЬКОВ, А.МОРОЗОВ, В.СИДОРОВ
Впоследние годы командования ВМС иностранных государств большое значение стали уделять проблемам совершенствования ПВО надводных кораблей. В эпоху <холодной войны> иностранные военные эксперты предполагали, что военные флоты будут действовать на обширных океанских акваториях крупными соединениями кораблей, включающих, как правило, авианосцы. Основным способом решения проблемы ПВО при такой стратегии должно быть максимальное удаление рубежей борьбы с воздушными средствами противника, причем оптимальным считалось уничтожение авиационных средств на дальностях, превышающих рубежи пуска противокорабельных ракет (ПРК).
С изменением в 90-е годы геополитической ситуации существовавшая ранее концепция перестала быть состоятельной и с военно-технической точки зрения. В условиях локальных конфликтов либо проведения акций с целью оказания военно-политического давления в отдельных регионах операционным театром являются, как правило, прибрежные акватории, сложные в навигационном отношении и имеющие потенциальную угрозу со стороны берега. В такой ситуации возможности коллективной обороны соединения оказываются довольно ограниченными и большее значение приобретают индивидуальные средства защиты отдельных кораблей. В основных высокоразвитых странах в последние годы сложилась устойчивая тенденция оптимизации военно-политической деятельности по критерию <стоимость/эффективность>, следствием чего стали многочисленные военно-технические исследования, направленные на то, чтобы переложить часть задач с кораблей тяжелых классов на корабли средних и малых классов. Подобная переориентация неизбежно приводит к необходимости расширения возможностей технических средств таких кораблей при относительно небольшом увеличении стоимости их постройки и эксплуатации.
В двуединой задаче ПВО - обнаружить и поразить воздушную цель - первая часть считается в настоящее время наиболее трудновыполнимой. Если в 60 - 70-х годах основными воздушными целями для комплексов ПВО надводных кораблей были самолеты с эффективной площадью рассеяния (ЭПР) в десятки квадратных метров либо противокорабельные ракеты первого поколения с радиолокационной ЭПР более 1 м2 и высотами полета тех и других, равными нескольким десяткам метров, в 80-е годы главной угрозой стали малогабаритные низколетящие противокорабельные ракеты нового поколения с ЭПР около 0,1 м2 и высотами полета менее 10м. Кроме того, интенсивно проводимые во многих западных странах НИОКР по разработке технологий <стелт> и внедрение их при создании новых ракет должны способствовать тому, что ЭПР низколетящих ПКР может снизиться до 0,01-0,001 м2. Совершенствование возможностей ракет преодолевать зону ПВО послужило еще одной причиной усиленного внимания со стороны западных специалистов к проблеме разработки принципиально новых средств поиска и обнаружения воздушных целей.
Существуют и чисто физические проблемы. Малая высота полета современных ПКР приводит к тому, что почти вся трасса прохождения СВЧ энергии находится в приводной зоне. Возникающие в ней при определенных погодных условиях инверсные распределения влажности и температуры воздуха приводят к хорошо известному явлению аномального распространения радиоволн, нарушающему нормальное функционирование РЛС. Разумеется, работа в оптическом диапазоне также сопряжена с проблемами прохождения сигналов через приземную атмосферу. Снег, туман, дождь или низкая облачность могут привести к невозможности использования оптических средств. Однако неблагоприятные условия одновременно для систем оптического и радиодиапазона, как правило, возникнуть не могут. Именно поэтому совместная, взаимодополняющая работа таких систем признается зарубежными специалистами оптимальным способом решения проблемы поиска и обнаружения воздушных целей как на современном этапе, так и в обозримой перспективе. Кроме того, при такой совместной работе увеличивается канальность комплексов ПВО.
Число одновременно сопровождаемых целей всегда было важнейшим показателем эффективности РЛС. Дело в том, что при радиолокационном способе определение каждой цели требует затраты некоторой заданной энергии, а значит, возрастание количества обслуживаемых целей ведет к необходимости увеличения средней мощности излучения РЛС. Уровень средней излучаемой мощности - фундаментальная величина, определяющая массу, габариты, энергопотребление и в конечном счете, стоимость системы. Похожая ситуация складывается и в активных оптико-локационных системах, например, увеличение числа целей, обслуживаемых лазерным дальномером, требует пропорционального увеличения его средней мощности со всеми вытекающими отсюда проблемами.
Принципиально другая ситуация характерна для пассивных оптико-локационных систем. Здесь каждая новая цель несет с собой энергию, позволяющую ее обнаружить. Разумеется, канальность пассивных систем имеет пределы, но они обусловлены в основном вычислительной мощностью подсистемы обработки информационных потоков, идущих от фотоприемных устройств. Быстрый прогресс в области микропроцессорной техники позволяет наращивать эту мощность практически без увеличения массогабаритных характеристик и энергопотребления системы.
История развития локационных систем оптического диапазона как элементов общего комплекса ПВО надводных кораблей насчитывает около 30 лет. Большую часть этого времени отношение к подобным системам западных военных специалистов было как к дополняющим, вспомогательным.
17 мая 1987 года две ракеты <Экзосет> поразили фрегат УРО <Старк> ВМС США в Персидском заливе. Из-за низкой эффективности корабельного комплекса ПВО при отражении атак низколетящих противокорабельных ракет 37 членов его экипажа погибли, 21 бьш ранен.
Этот инцидент вызвал в американском обществе сильную реакцию. В результате в 1991 году Конгресс США утвердил национальную программу совершенствования средств ПВО надводных кораблей, конечной целью которой являлась разработка принципиально новых, более эффективных средств борьбы с воздушными целями. Важнейшим элементом этой программы было создание систем обнаружения целей в оптическом диапазоне, обеспечивающих надежное обнаружение и сопровождение низколетящих ПКР. В 1996 году такие системы уже проходили испытания. Примерно в это же время аналогичные государственные программы были начаты в Канаде, Нидерландах, Великобритании. Во Франции локационные системы оптического диапазона были приняты на вооружение ВМС уже в 1986 году В последнее десятилетие ситуация изменилась настолько, что на международной конференции по оптоэлектронике, проходившей в апреле 1997 года в г. Орландо (штат Флорида, США), западные военные эксперты рассматривали оптикоэлектронные системы поиска и слежения как ключевой элемент современного оружия. По их мнению, главная причина этого заключается в том, что за последнее время совершены технологические прорывы при разработке практически всех критических элементов, составляющих элементную базу таких систем.
Согласно принятой на Западе классификации все локационные системы оптического диапазона могут быть разбиты на два класса: пассивные, использующие для получения информации лишь собственное излучение целей в оптическом диапазоне, и активные, для работы которых требуется подсветка целей.
К первым многие годы относились системы, работающие исключительно в инфракрасном диапазоне спектра в <окнах> прозрачности атмосферы 3,5 - 5 мкн (С-окно) и 8 - 12 мкн (D-окно). Пока их лидирующее положение сохраняется, поэтому зарубежные аналитики уделяют им особое внимание. Их главным элементом является фотоприемное устройство (ФПУ), чувствительность которого определяется двумя факторами: уровнем внутренних шумов отдельного канала (фоточувствительной площадки) и количеством фоточувствительных каналов (так как общая чувствительность ФПУ'растет приблизительно пропорционально корню квадратному из их числа). Предельный уровень чувствительности единичного канала, при отсутствии каких либо собственных шумов ФПУ, ограничивается квантовыми флуктуациями потока ИК-излучения от наблюдаемых системой земных фонов - это так называемый BLIP-режим (Background Limited Infrared Photodetector).
Одноканальные ФПУ, достигшие ВЫР-режима, были созданы еще в 60-е годы, а в конце 70-х уже существовали ФПУ с линейками, содержащими несколько десятков фоточувствительных площадок. Поскольку BLIP-предел фиксирует чувствительность отдельного канала, дальнейший прогресс был возможен исключительно на пути увеличения канальности ИК ФПУ. В конце 80-х годов начался этап беспрецедентного роста этого параметра, вызванный технологическими достижениями в области создания как непосредственно фоточувствительных элементов, так и мультиплексорной техники считывания сигналов с таких многоканальных ФПУ. Во второй половине 90-х годов в разряд серийно изготавливаемых систем попали фотоприемные устройства, в которых насчитывалось от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч каналов, причем у зарубежных специалистов не вызывает сомнений возможность освоения уровня в сотни тысяч и даже миллионы BLIP-каналов в ближайшие три -1 пять лет. Расчетные оценки возможностей, обеспечиваемых ФПУ такого класса, будут приведены в приложении.
Появление ФПУ со сверхвысокой чувствительностью наряду с безграничными перспективами повлекло за собой и трудные проблемы. Одна из главных - распознавание целей на земных фонах. Пассивные оптические локационные системы лишены в отличие отРЛС таких важных составляющих информационного вектора, как дальность и скорость. Поэтому критерии, позволяющие отличить сигналы реальных целей от ложных, создаваемых фоновыми структурами, оказываются очень сложными и многоступенчатыми. В них используется информация о форме и угловых размерах объектов, спектральном составе их излучения в С- и D-окна, траекторная динамика их угловых координат и т. д. Только такие сложные, многоступенчатые процедуры обработки сигналов, использующие как непременную часть базы данных о <портретах> целей и изображениях фонов, обеспечивают удовлетворительный темп ложных тревог при заданной вероятности обнаружения. Бурное развитие в последние годы микропроцессорной техники значительно увеличило возможности реализации этих методов, но даже сейчас, при использовании самой суперсовременной элементной базы. Подсистема цифровой обработки остается одной из наиболее трудно реализуемых составных частей оптических локационных систем. Кроме сложности критериев и, как следствие, алгоритмов, проблема усугубляется огромной величиной информационных потоков, пoступающих с ФПУ. Типичная их величина, как показано в приложении, составляет единицы гигабит в секунду.
Еще одной технологической проблемой, успешно разрешенной в 90-е годы, является создание микрокриогенных систем охлаждения ФПУ с малым энергопотреблением и сверхбольшим ресурсом работы. Охлаждение ИК ФПУ до криогенных температур - обязательное условие их работы, но небольшой ресурс и значительное энергопотребление микрокриогенных систем делали невозможной круглосуточную многолетнюю эксплуатацию оптических локационных систем. Временной ресурс современных микрокриогенных систем, построенных, как правило, по термодинамической схеме сплит-Стирлинга достигает несколько десятков тысяч часов, а энергопотребление - несколько десятков ватт, что обеспечивает возможность их нахождения в постоянно работающем состоянии на протяжении нескольких лет.
Важнейшей составной частью оптических локационных систем является собственно оптический тракт, под которым понимаются все оптические элементы, начиная с входного окна и заканчивая плоскостью конечного изображения. Технические требования, предъявляемые к оптическим трактам оптических локационных систем С- и D-диапазонов, предельно высоки. Как правило, угловое разрешение должно достигать дифракционного предела, относительное отверстие с целью уменьшения площади фоточувствительных элементов ФПУ доходит до А = 1:1 и даже выше. В случае тракта, общего для С- и D-диапазонов, спектральная область ахроматизации достигает 9 мкн. Дополнительные проблемы привносит требование высокой прозрачности тракта и сохранения его характеристик в большом интервале эксплуатационных температур. Выполнение всей совокупности перечисленных требований возможно только при условии использования ряда новейших технологий, освоенных лишь в 90-е годы, в том числе прецизионного алмазного точения, позволяющего широко применять высокоточные асферические поверхности; нанесения алмазоподобных высокоэффективных просветляющих покрытий и изготовления диффрактивных оптических элементов, обеспечивающих радикальное улучшение хроматической коррекции и уменьшение влияния на изображение температурных перепадов.
Типичные зоны обзора современных зарубежных локационных систем оптического диапазона простираются на 360° по пеленгу и от +30 до - 40° по углу места. Время разворота в заданном направлении - не более 1 - 2 с, максимальные угловые скорости слежения 40 - 60 град./с. Такие динамические характеристики обеспечиваются либо применением высокомоментных электродвигателей с редкоземельными магнитами, либо гидравлическими приводами. Важнейшая характеристика локационных систем - угловая точность целеуказания. Эта величина складывается в основном из трех компонентов: точности определения координат цели относительно оси оптической системы: точности измерения положения оптической оси и точности задания угловой системы координат. Первый в типичных случаях находится на уровне десяти угловых секунд (при работе по квазиточечным целям); вторая, при использовании современных датчиков углов, составляет единицы угловых секунд.
Наибольшие трудности возникают при решении проблемы задания угловой системы координат. Общекорабельная система угловых координат, определяемая центральным гироскопическим постом корабля, может быть задана очень точно: в современных зарубежных навигационных комплексах погрешность ее задания - единицы угловых секунд. Но проблема усложняется тем, что измерение угловых координат оптической оси оптико-локационной системы осуществляется относительно ее собственных конструктивных посадочных мест, что делает необходимым непрерывный учет рассогласования <собственной> системы координат оптического поста с центральной корабельной системой, возникающего из-за динамических упругих деформаций корпуса корабля. По мнению зарубежных специалистов, лучшим решением в настоящее время является установка на посадочное место оптико-локационной системы лазерного трехосного гироскопа с волоконно-оптическими контурами. Высокая угловая точность, обеспечиваемая современными гироскопами, в сочетании с практически неограниченным ресурсом их работы позволяет сохранять <мгновенное> взаимное положение систем координат, которое достаточно лишь контролировать периодически при регламентных работах.
Как уже говорилось выше, традиционно под пассивными оптико-локационными системами понимались системы С- и D-диапазонов. Однако в последнее десятилетие значительно увеличился интерес к ультрафиолетовому (УФ) диапазону. В первую очередь это было связано с разработкой ФПУ УФ-диапазона нового типа: координата о-чувствительными фотоэлектронными умножителями с большим числом фотоприемных каналов (порядка 1 х Е5), работающих в режиме счета фотонов. Основные принципы, на которых основаны оптико-локационные системы ультрафиолетового диапазона, заключаются в следующем. Солнечное излучение спектрального диапазона короче 0,3 мкн практически полностью экранируется слоем атмосферного озона, находящимся на высоте около 20 км. Излучение с длиной волны короче 0,25 мкн уже сильно поглощается атмосферным кислородом. Таким образом, УФ-поддиапазон (0,25 -0,30 мкн) оказывается достаточно прозрачным и лишенным естественного солнечного фона, что создает исключительно благоприятную помеховую обстановку.
Механизм возникновения УФ-излучения аэродинамических целей иной, чем в ИК-диапазоне. О планковском УФ-излучении при аэродинамическом нагреве на скоростях, типичных для низколетящих ПКР, даже сверхзвуковых, говорить не приходится. Единственным УФ-источником является факел ракетного двигателя, а именно ионизированный газовый поток, содержащий так называемые свободные радикалы. В отличие от оценки величины аэродинамического нагрева, которая весьма проста, и как следствие, проста оценка мощности ИК-излучения обшивки ПКР, аналитическая оценка ультрафиолетового излучения радикалов представляет большие трудности. ПО данной причине экспериментальные этой мощности были содержанием ряда проведенных за рубежом научно-исследовательских разработок. В ряде открытых зарубежныx публикаций указывалось, что полученные данные позволяют рассчитывать на то, что оптико-локационные системы УФ-диапазона координатно-чувствительными ФПУ, работающими в режиме счета фотонов могут обеспечить даже большие, чем системы ИК-диапазона дальности обнаружения ПКР. Следствием этого было заключение министерством обороны США с промышленными фирмами ряда контрактов на разработку твердотельных УФ матричных ФПУ, работающих в режиме счета фотонов, с целью замены в перспекти ве УФ ФЭУ, недостаточно удобных для применения в жестких условиях, характерных для военной аппаратуры. И наконец, очень кратко об активных системах. Лазерные локаторы, определяющие все три координаты целей, несмотря на все разнообразие существующих их типов, как считают западные специалисты, не могут конкурировать с пассивными системами по дальности обнаружения, производительности обслуживания целей, массогабаритным характеристикам и энергопотреблению. Даже более простая задача - лазерное определение дальности на расстояниях, характерных для современных пассивных систем и со сравнимой с ними производительностью, оказывается малореальной в ближайшей перспективе. Наличие в ряде зарубежных локационных систем лазерных дальномеров обычно обусловлено тем, что они необходимы для решения ряда вспомогательных задач в зонах, значительно более близких, чем те, в которых работают пассивные каналы.
Рассмотрим теперь некоторые примеры зарубежных оптико-локационных систем, предназначенных для работы в комплексах ПВО надводных кораблей, демонстрирующие направления развития технической мысли западных специалистов в этой области.
Работы французской корпорации <Саджем> над оптико-локационными корабельными системами представляют собой хороший пример четко спланированной долгосрочной программы, в рамках которой поэтапно преодолевались технические трудности, использовалась научно-производственная кооперация, углублялось понимание тактических задач. Этапы реализации таковы:
- 1973-й - начало работ;
- 1977-й - создание первого образца берегового базирования;
- 1980 - 1986-й - разработка корабельной системы <Вампир> первого поколения;
- 1986-й - принятие ее на вооружение;
- 1993 - 1996-й - разработка системы второго поколения <Вампир MB>;
- 1996-й - начало поставок системы <Вампир MB> на фрегаты французских ВМС.
В системе <Вампир> первого поколения основная обработка сигналов осуществлялась аналоговыми фильтрами, что в основном, по оценке западных специалистов, оправдало себя при работе по точечным целям. Однако в отношении протяженных целей система показала себя не эффективной, особенно это проявлялось при подлете цели на малые расстояния. Еще ряд проблем возник при отслеживании нескольких целей. Для некоторых фоновых ситуаций, таких, как поверхность моря, освещенная солнцем, или береговые участки со сложным очертанием, уровень ложных тревог был недопустимо высок.
Одновременно с проверкой примененных в системе <Вампир> первого поколения простых алгоритмов обработки сигналов в ходе натурных испытаний была составлена огромная база данных по фоноцелевым ситуациям, которая позволила разработать более совершенные алгоритмы для системы второго поколения. Удалось получить несколько тысяч изображений фонов, самолетов, вертолетов, ракет и даже птиц, причем в различных метеоусловиях, а благодаря этому - выработать набор решающих критериев, гораздо более эффективных, чем первоначальные.
Если система первого поколения работала лишь в одном D-диапазоне, то <Вампир MB> (рис. 1) включает оба ИК диапазона (С и D), дневной и ночной телевизионные каналы, а также безопасный для зрения лазерный дальномер. Она имеет следующие тактико-технические характеристики: общая масса оптического поста 160 кг, сканирования по пеленгу до 720 град./с, точность стабилизации оптической оси менее 0,4 мрад, дальность обнаружения дозвуковой ПКР более 10 км, число одновременно отслеживаемых целей - превышает 50, время между обнаружением цели и выдачей ее координат менее 2 с, сектор обзора по углу места: от -10 до +60°, ширина полосы просмотра по углу места за один проход 6°, точность выдачи угловых координат менее 0,3 мрад, Массогабаритные характеристики: размер оптического поста 855 х 620 х 970 мм, масса 96 кг; габариты блока управления 1030 х 600 х 550 мм, масса 185 кг; размер приборной стойки - 1520 х 600 х 915 мм, масса 310 кг.
Продолжение следует
HTTP://ATTEND.TO/COMMI
