Инфракрасные системы «смотрящего» типа

СИСТЕМЫ МОРСКОГО БАЗИРОВАНИЯ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЕ ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ, ОБНАРУЖЕНИЯ И РАСПОЗНАВАНИЯ ЦЕЛЕЙ

Долгое время на кораблях ВМФ США явно доминировали радиолокационные сис­темы (РЛС) обнаружения, распознавания и слежения за целями. Однако появление низ­ко летящих над водной поверхностью ракет заметно ослабило эту монополию, по­скольку при низких углах возвышения, т. е. малых углах относительно видимого водно­го горизонта, эффективность РЛС резко снижается из-за большого числа помех, не по­зволяющих, в частности, четко определить линию горизонта. В такой ситуации гораздо проще и надежнее работать в ИК-области спектра, где контраст между водной и воз­душной средами достаточно высок, т. е. разрешение ИКС выше, чем РЛС. Оптималь­ным вариантом системы обнаружения, распознавания и слежения с борта надводных судов сегодня считается комбинация ИКС, определяющей положение линии горизонта, и РЛС. Подобное комплексирование заметно снижает стоимость и сложность системы определения горизонта, поскольку позволяет использовать простую и сравнительно дешевую РЛС [145].

Опыт военных операций типа «Буря в пустыне» показал необходимость иметь более эффективные, чем РЛС, средства для обнаружения и идентификации плавающих мин, малых судов и высокоскоростных воздушных малоразмерных целей, которые должны функционировать в условиях темноты или плохой видимости. Наиболее близкими к та­ким средствам были признаны малогабаритные ИКС и низкоуровневые телевизионные системы, работающие в сочетании с лазерными дальномерами, целеуказателями и сис­темой стабилизации пространственного положения платформы, на которой они уста­навливаются. В США в середине 90-х годов была создана система Thermal Imaging Sen­sor System (TISS), включающая тепловизионный и дневной телевизионный каналы, ла­зерный дальномер и комплексируемая с другими, в частности с радиолокационными, корабельными системами [145]. Эта система выполняет автоматическое слежение и со­провождение обнаруженных целей. Инфракрасный (тепловизионный) канал снабжен объективом с переключающимся угловым полем 6,3 x4,7е в режиме слежения и 2,1х 1,6° в режиме запроса. В качестве ФПУ используется матрица формата 512x484 с термо­электрическим охлаждением. Дневной телевизионный канал также работает в режиме широкого (6x4,5°) и узкого (1,6x1,2°) углового поля камеры высокого разрешения на ПЗС формата 1080x486 пикселов.

В последние годы отмечается увеличение числа ИКС «смотрящего» типа морского базирования, работающих в диапазоне 3...5и8...12 мкм. В очень влажных климатиче­ских условиях более предпочтителен рабочий диапазон 3...5 мкм, для которого из-за меньшего поглощения излучения во влажной атмосфере обеспечиваются большие дальности наблюдения. Однако, поскольку в диапазоне 8... 12 мкм ИКС менее подвер­жены влиянию солнечных прямых и отраженных засветок (бликов), лучшим решением оказалось комплексирование ИКС, работающих в обоих этих диапазонах (3...5 мкм но­чью и 8... 12 мкм днем).

Угловое поле ИКС по вертикали может быть выбрано небольшим - порядка 1 °, что позволяет при существующих форматах ФПУ достичь хорошего геометрооптического разрешения, которое определяется лишь условиями работы системы, например волне­нием моря или наличием солнечных бликов на водной поверхности. Учитывая очень большие градиенты влажности и температуры у поверхности моря, очень важно при оценке возможностей ИКС, работающих при низких углах возвышения, иметь в виду рефракцию и флуктуации показателя преломления воздуха на трассах распространения излучения.

Комплексирование с РЛС позволяет увеличить время, отводимое на обнаружение или распознавание с помощью ИКС, что заметно снижает вероятность ложных тревог.

К еще одной особенности ИКС морского базирования относится необходимость стабилизировать платформу, на которой устанавливается система. Но даже и при такой стабилизации в угловом поле ИКС в качестве фона могут наблюдаться весьма различ­ные по своим оптическим свойствам воздушное пространство и водная поверхность, причем весьма нестационарные во времени.

Совершенствование ИКС «смотрящего» типа привело к разработке ряда новых сис­тем для корабельных систем вооружения. В середине 80-х годов на кораблях ВМФ США появились сравнительно малогабаритные системы AN/KAS-1, предназначенные для дистанционного обнаружения некоторых химических веществ, а также для обычно­го наблюдения за окружающей обстановкой в ночных условиях. Их прообразом был стабилизированный вертолетный комплекс, состоящий из системы низкоуровневого телевидения и ИКС на базе МПИ из InSb, PtSi и KPT. Инфракрасная система работала в диапазоне 3...5 мкм и могла определять линию горизонта при отсутствии сильного ту­мана и дождя.

На базе ГМП, состоящего из ЭОП II и ПЗС-матрицы формата 756x581, фирмой «Jai Andersen Ingeniorfirma A/S» (Дания) для ВМС Норвегии создана малогабаритная теле­визионная система с разрешающей способностью 450 ТВЛ, имеющая габариты 250x80x65 мм и массу 900 г [160].

Военно-морские силы США и Великобритании стремятся снабдить большинство сво­их судов стационарными (а не переносимыми или выдвижными) оптико-электронными системами. Лишь на некоторых судах будут оставаться выдвижные ОЭС, в том числе и ИКС. Типичной ОЭС в ближайшем будущем будет, очевидно, двухканальная система, имеющая видео - и ИК-каналы с изменяемыми угловыми полями.

Система TISS II, выпускаемая компанией «DRS Technologies» (США), предназначена для ведения разведки и наблюдения с борта кораблей в двух спектральных диапазонах (3,8 мкм и 3,8.. .4,5 мкм). Она построена на базе охлаждаемого до 95+5 К КРТ-приемника формата 640x480. Приемник имеет хорошее температурное разрешение - от 25 до 100 мК. Система комплектуется сменными объективами с фокусными расстояниями 450; 700 и 1400 мм и соответствующими им угловыми полями от 1 х 1,5 до 6,6Х4,95°. Время выхода на рабочий режим системы охлаждения составляет не более 7 мин. Система TISS II кроме ИКС включает лазерный дальномер, ТВ-систему на базе ПЗС, систему слежения за целью, систему стабилизации линии визирования. Просматриваемое ею уг­ловое поле составляет +270° по азимуту и +85.. .-30° по углу возвышения.

Инфракрасная система кругового обзора Sea FLIR (компания «FLIR Systems») ском­понована совместно с дневным каналом на ПЗС (цветным и монохромным) и лазерным дальномером-целеуказателем. Рабочий спектральный диапазон ИКС 3...5 мкм обеспе­чивается с помощью InSb-МПИ формата 256*256, просматривающего угловое поле 17,6x1,76е с помощью объектива с переменным фокусным расстоянием (25...250 мм). Угловое разрешение ИКС составляет 0,12 мрад.

Фирма «Е1ор Electro-Optics Industries Ltd.» (Израиль) по заказу ВМС Израиля при­ступила к серийному производству многофункциональной системы MSIS (Multisensor Stabilized Integrated System), предназначенной для обнаружения с кораблей надводных, воздушных и наземных целей на дальностях до 18 км, их распознавания на дальностях до 11 км и круглосуточного слежения за ними [44, 241]. В состав системы входят теп - ловизионная ИКС переднего обзора, функционирующая в диапазоне 8... 12 мкм, теле­визионная камера на ПЗС и лазерный дальномер. Эти приборы помещены в шарообраз­ный корпус на гиростабилизированной платформе. Тепловизионная система имеет микрохолодильник, работающий по замкнутому циклу Стирлинга. Она может просмат­ривать одно из трех угловых полей: узкое (1,2е), среднее (7°) и широкое (24,5е). Матри­ца чувствительных элементов представляет собой, по сути дела, линейку формата 2x120. Углы обзора всей гиростабилизированной системы составляют от -35 до +85° по углу возвышения и от 0 до 360е по азимуту. Скорость вращения системы равна 60 и 90 угл. град/с.

Для систем контроля огня, применяемых на военных кораблях, фирма «Alenia Markoni Systems» предлагает ИКС двух типов. Система первого типа (формата 288х4) работает в диапазоне 8... 12 мкм и имеет узкое (3,3х2,4°) и широкое (8x6е) угловое по­ле, а система второго типа (формата 384x256) - в диапазоне 3...5 мкм. В обеих систе­мах угловое поле плавно изменяется от 1,3 до 2,7е. Системы объединены в единый комплекс с ТВ-камерой и лазерным дальномером-целеуказателем.

Для ВМФ ФРГ фирма «Zeiss Optronik GmbH» разработала систему наблюдения и контроля огня MSP 500, в которую наряду с визуальным каналом, твердотельным ТВ - датчиком и лазерным дальномером входит ИКС на базе КРТ-приемника формата 576х576, работающая в диапазоне 7,5... 10,5 мкм (или 3...5 мкм) в угловом поле, изме­няющемся от 1,5x2 до 5,2x7°.

По контракту с Агенством перспективных оборонных исследований (DARPA) фир­ма «Kollmorgen Electro-Optical» (США) выпускает систему обзора, обнаружения целей и наблюдения за ними Model 86 для подводных лодок класса «Мемфис» [160], которая включает визуальный и ИК-каналы, обеспечивающие круглосуточную работу. Угловое поле каждого канала переменное: у визуального - 16x12° и 4x3°, у ИК — 9Х6,75° и 4x3°. Наблюдаемые углы возвышения у системы, устанавливаемой на выдвижную периско­пическую мачту, составляют от -10 до +60° для визуального канала и -10 до +55° - для ИК-канала. Инфракрасный канал может иметь рабочий спектральный диапазон 3...5 или 8... 12 мкм. В системе используется монохромная (1035x1940 пикселов) и трех­цветная (480x640 пикселов) ТВ-камера на ПЗС.

Перископические системы аналогичного назначения, также работающие в видимом и двух ИК-диапазонах и создающие монохроматическое и цветное ТВ-изображения, выпускают компании «Sagem» (Франция) и «Zeiss Optronik GmbH» (ФРГ).

Работу перископов современных подводных лодок отличает то, что они часто долж­ны подниматься над водой на очень ограниченное время (несколько секунд), совершать панорамный обзор надводной обстановки и быстро опускаться. С учетом этого в со­временные перископы стали вводить ОЭС, просматривающие панорамное поле обзора и запоминающие изображение, которое анализируется после погружения перископа, т. е. не в реальном масштабе времени. Компания «Zeiss Optronik GmbH» сообщила о разработке такой системы, включающей видимый (телевизионный) и ИК-каналы, двух­осную систему стабилизации линии визирования, а также лазерный дальномер [178]. Входящая в нее ИКС ATTICA С320 О/З будет использовать ФПУ на базе КРТ формата 288x384 (или 240x320) или на базе InSb формата 256x384. Первые смогут работать в двух диапазонах: 3...5 мкм и 8... 11 мкм. Предполагается использовать холодильную машину, работающую по циклу Стирлинга. Оптическая система будет иметь два угло­вых поля: узкое - 3,6x4,8° и широкое - 11,2x15°. Аналоговый или цифровой выход обеспечат разрядность в 14...16 бит. Напряжение питания составит 18...32 В постоян­ного тока при потребляемой мощности 45 Вт.

Учитывая высокую скорость сканирования поля обзора вращающейся головкой, ус­тановленной на мачте перископа (порядка 120°/с), что соответствует перемещению ли­нии визирования на несколько пикселов ФПУ за 1 мс, в системе будет предусмотрена компенсация сдвига изображения, происходящего за время кадра. Такая компенсация осуществляется поворотом помещаемой перед МПИ плоскопараллельной пластинки, синхронизированным с вращением всей головки, т. е. просмотр поля обзора будет осу­ществляться «покадровым» способом, когда линия визирования скачкообразно пере­мещается от центра к центру следующих друг за другом кадров, просматриваемых ФПУ.

Научно-исследовательский центр ВФМ США («Office of Naval Research») сообщил

О разработке помехозащищенной ОЭС «смотрящего» типа (SPIRS), просматривающей угловое поле 360x1,8° с частотой кадров 30 Гц и построенной на базе одно - или двух­цветного МПИ формата 1024*1024 или 1500*500 производства компаний «Boe­ing/Rockwell» (США). Система позволяет обнаружить крылатую ракету противника за 18 с до ее подлета к защищаемому кораблю. За 12 с происходит распознавание ракеты и за 6 с - определение ее траектории. Она будет содержать анаморфотную оптическую систему для «сжатия» изображения по вертикали (углу места). Разрешение должно со­ставить 180 мкрад по вертикали, 360 мкрад по горизонтали. Двухцветовой приемник планировалось создать на базе HgCdTe/CdZnTe для спектрального диапазона 8... 12 мкм и на InSb для диапазона 3... 5 мкм.

Комплексы для кораблей ВМФ, включающие ИКС «смотрящего типа», разрабаты­ваются и другими фирмами («Northrop Grumman», «Raytheon Systems Company» (США), «ВАЕ Systems» (Великобритания) и др.). Несмотря на различия в их конструк­циях принципиальные особенности их структурных схем практически сохраняются. Сюда относятся комплексирование с другими датчиками и подсистемами, выбор рабо­чих диапазонов 3...5 и 8...12 мкм, переменное угловое поле объектива, использование унифицированных модулей.