Торокин А.А. Инженерно-техническая защита информации, 2005

©~ 0 -

- 4-5 кВ +

Рис. 16.5. Схема стакана Холста

Плоская поверхность стакана, обращенная к объекту наблюде­ ния, металлизируется и на ней наносится светочувствительный ма­ териал из окиси серебра с цезием — фотокатод. Противоположная поверхность стакана представляет собой металлизированный эк­ ран с люминофором. К металлизированным поверхностям подво­ дится достаточно высокое напряжение 4-5 кВ, в результате чего между ними возникает электрическое поле. На фотокатод объек­ тивом проецируется изображение в ИК-диапазоне. В каждой точ­ ке фотокатода под действием фотонов света возникают свобод­ ные электроны, количество которых пропорционально яркости со­ ответствующей точки изображения. Электрическое поле вырыва­ ет свободные электроны из фотокатода и, разгоняя, устремляет их к экрану с люминофором. В моменты столкновения электронов с люминофором возникают вспышки видимого света, яркость кото­ рых пропорциональна количеству электронов. Таким образом на экране с люминофором формируется видимое изображение, близ­ кое исходному в ИК-диапазоне.

Однако параметры (чувствительность, разрешение) рассмот­ ренного ЭОП невысокие и не обеспечивают наблюдение при низ­ кой освещенности и, следовательно, добывание демаскирующих признаков об объекте с мелкими деталями.

491

С момента создания в 1934 г. первого ЭОП в виде стакана Холста разработано несколько поколений этих приборов (от нуле­ вого до 4-го), отличающиеся конструкцией и используемыми све­ точувствительными материалами. ЭОП 2-го и 3-го поколений, ко­ торые применяются в настоящее время, имеют чувствительный фо­ токатод, а между пластинами камеры размещается так называемая микроканальная пластина. Пластина содержит приблизительно 5000 микроканалов на 1 мм2, внутри которых движутся электроны фотокатода. В результате устранения взаимного влияния электро­ нов от соседних точек фотокатода, движущихся по разным микро­ каналам, достигается повышение разрешающей способности при­ бора ночного видения с микроканальной пластиной. Кроме того, в процессе движения электронов внутри каналов происходит «раз­ множение» электронов в результате «выбивания» дополнительных электронов из стен каналов, покрытых специальными материала­ ми. Основные усредненные показатели приборов ночного видения различных поколений приведены в табл. 16.2.

На основе ЭОП 2-го и 3-го поколений созданы различные при­ боры ночного видения, включающие ночные бинокли и очки, ар­ тиллерийские приборы и прицелы для различных образцов воен­ ной техники. Самые малые по размерам ПНВ — очки на базе ЭОП 3-го поколения имеют угол зрения 40 град, дальность наблюдения (обнаружения) 500 м при естественном освещении около 10 3 лк, массу около 700 г.

492

Приборы ночного видения эффективно работают в условиях естественного ночного освещения, но не позволяют проводить на­ блюдения в полной темноте (при отсутствии внешнего источни­ ка света). Их чувствительность недостаточна для приема световых лучей в ИК-диапазоне, излучаемых телами.

Приборы ночного видения (ПНВ) разделяют на 3 группы:

•приборы малой дальности действия (ночные очки), позволяю­ щие видеть фигуру человека на расстоянии 100-200 м. Вес и га­ бариты этих приборов позволяют носить их в карманах, сумках, портфелях;

•приборы (ночные бинокли, трубы) средней дальности (человек виден до 300-400 м), наблюдение ведется с рук;

•приборы большой дальности действия (до 1000 м), устанавлива­ емые для наблюдения на треноге или подвижном носителе.

Например, прибор ночного видения — бинокль фирмы Noctron (США) имеет фокусное расстояние 135 мм, угол поля зрения — 10,6°, массу 1,98 кг, габариты. 320 х 80 х 210 мм, дальность наблю­ дения человека 300-400 м.

Стационарный прибор ночного видения НМ-10С оснащается длиннофокусным объективом (F = 250 мм) с 10-кратным увеличе­ нием и специальным окуляром с переходными кольцами для под­ соединения фото- и видеокамеры. Электронно-оптический преоб­ разователь обеспечивает усиление 30000 и разрешение в центре 28 лин/мм. Прибор имеет габариты 200 х 600 мм, вес 5,1 кг и уста­ навливается на треноге.

По способу подсветки приборы ночного видения условно раз­ деляют на три типа:

•объект наблюдения подсвечивается с помощью искусственно­ го источника ИК-излучения, размещенного на приборе ночного видения;

•с подсветкой от естественного освещений;

•принимающего собственное тепловое излучение объекта на­ блюдения.

Приборы ночного видения первого типа содержат ИК-фару в виде обычного источника света мощностью 25-100 Вт, закрытого спереди специальным фильтром. Например, прибор ночного виде­ ния с подсветкой «Аргус» позволяет вести наблюдение в полной

493

темноте объектов на удалении до 120 м. На этом удалении моч но различить силуэт человека и определить тип транспортнс; средства. Опознать человека по признакам внешности и лица мо> но на значительно меньшем расстоянии — 35-50 м. Приборы но ного видения при освещенности ночью в летнее время (прибли­ зительно 0,005 лк) позволяют видеть фигуру человека на расстоя­ нии до 300-400 м. Например, ПНВ отечественного производства «Ворон-3» имеет пороговый уровень освещенности для визуально­ го обнаружения объектов 0,001 лк, для регистрации — 0,01 лк. Его разрешающая способность не менее 28 лин/мм, диапазон автома­ тической регулировки 105 чувствительности, напряжение питания 5-9 В, масса — не более 1,2 кг.

Наблюдению объектов в полной темноте (при отсутствии вне­ шних источников ИК-света) на рассмотренных принципах мешают тепловые шумы светоэлектрических преобразователей. Снижение уровня шумов достигается применением малошумящих свето­ чувствительных материалов и охлаждением преобразователей. Для надежного обнаружения теплового излучения объекта наблю­ дения на фоне шумов светоэлектрического преобразователя (обес­ печения отношения сигнал/шум более 1) последний нуждается в охлаждении до весьма низких температур — (-70 ... - 200)°С.

Наблюдение объектов в свете собственных излучений (с точ­ ки зрения наблюдателя — в полной темное) обеспечивается в теп­ ловизорах с охлаждаемыми светоэлектрическими преобразова­ телями. Охлаждение производится с помощью термоэлектричес­ ких и микрокриогенных устройств до температуры порядка 70° К. В качестве светоэлектрических преобразователей применяют­ ся ИК-матрицы размером до 640 х 480 из пироэлектрических эле­ ментов и микроболометров, обеспечивающих опознавание челове­ ка на удалении до 1,5 км, а автомобиля — до 5 км. Масса совре­ менных тепловизоров составляет единицы кг. Например, японский тепловизор LATRO-S270 фирмы Nicon Corp. матрицей размером 537 х 505, охлаждаемой микрокриогенным устройством до темпе­ ратуры 77° К, имеет габариты 100 * 120 х 165 мм и массу 2,5 кг.

Основными характеристиками технических средств наблю­ дения в ИК-диапазоне, влияющими на их возможности, являют­ ся следующие:

• спектральный диапазон;

494

•пороговая чувствительность по температуре;

•фокусное расстояние объектива;

•диаметр входного отверстия объектива;

•угол поля зрения прибора;

•коэффициент преобразования (усиления) ЭОП;

•интегральная чувствительность.

16.3. Средства наблюдения в радиодиапазоне

Радиолокационное и радиотеплолокационное наблюдение осу­ ществляется в радиодиапазоне электромагнитных волн с помощью способов и средств радиолокации и радиотеплолокации.

Для получения радиолокационного изображения в радиолока­ торе формируется зондирующий узкий, сканирующий по горизон­ тали и вертикали, луч электромагнитной волны, которым облуча­ ется пространство с объектом наблюдения. Отраженный от повер­ хности объекта радиосигнал принимается радиолокатором и мо­ дулирует электронный луч электронно-лучевой трубки его инди­ катора, который, перемещаясь, синхронно с зондирующим лучом «рисует» на экране изображение объекта. Принципы радиолокаци­ онного наблюдения показаны на рис. 16.6.

Рис. 16.6. Принципы радиолокационного наблюдения

Так как в радиолокаторе для передачи и приема используется одна и та же антенна, то при излучении коммутатор подключает к антенне передатчик, а при приеме — приемник. Момент излуче­ ния фиксируется на индикаторе РЛС в качестве точки отсчета для измерения дальности нахождения объекта. Расстояние до объек­ та равно половине пути, который проходит электромагнитная вол­ на за время между моментами излучения зондирующего сигнала и приема отраженного от объекта сигнала.

495

Радиолокационное изображение существенно отличается от изображения в оптическом диапазоне. Различие обусловлено раз­ ными способами получения изображения и свойствами отражаю­ щей поверхности объектов в оптическом и радиодиапазонах.

Отражательная способность объекта в радиодиапазоне зави­ сит не только от его геометрических размеров, но и от электропро­ водности его поверхности и конфигурации поверхности по отно­ шению к направлению зондирующего луча радиолокатора. Если участок электропроводящей поверхности (металла, пленки воды) перпендикулярен направлению падающей на него электромагнит­ ной волны радиолокационной станции, то большая часть ее энер­ гии переотразится в сторону приемной антенны радиолокато­ ра и будет визуализирована на его экране в виде яркой («блестя­ щей») точки. При увеличении угла между зондирующим лучом и плоскостью участка поверхности объекта энергия поля у прием­ ной антенны локатора будет уменьшаться вплоть до ее отсутствия. Следовательно, изображения на экране радиолокатора одного и того же объекта будут различаться при наблюдении его под разны­ ми углами. Отражающая способность объекта со сложной конфи­ гурацией поверхности оценивается показателем, который называ­ ется эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР), измеряется в м2 и обозначается символом о.

Основными показателями радиолокационных средств наблю­ дения являются:

•дальность наблюдения;

•разрешающая способность на местности.

Дальность радиолокационного наблюдения зависит от из­ лучаемой радиолокатором энергии (мощности передатчика лока­ тора) и характеристик среды распространения электромагнитной волны. Ослабление электромагнитной волны зависит от дальности распространения и поглощения ее в среде. Чем короче длина вол­ ны, тем больше она затухает в атмосфере. Но одновременно тем выше может быть обеспечена разрешающая способность радиоло­ катора на местности.

Разрешение радиолокатора на местности определяется ве­ личиной пятна, которое создает луч радиолокационной станции на поверхности объекта или местности. Пятно тем меньше, чем

496

уже диаграмма направленности антенны радиолокатора. Ширина диаграммы направленности антенны, в свою очередь, обусловле­ на соотношением геометрических размеров конструкции антен­ ны и длины волны. Кроме того, следует иметь в виду, что электро­ магнитная волна отражается от объекта или его деталей, если их размеры превышают длину волны. Если размеры их значительно меньше, то волна эти объекты огибает. В связи с этими соображе­ ниями наиболее широко в радиолокации применяется сантиметро­ вый диапазон с тенденцией перехода в мм-диапазон.

Наземные радиолокаторы бывают малой, средней, большой дальности и сверхдальнего действия. РЛС малой дальности приме­ няют для обнаружения людей и транспортных средств на рассто­ янии в сотни метров, средней — единицы км, большой — десятки км. Точность определения координат наземных РЛС составляет по дальности 10-20% и около градуса по азимуту.

Сверхдальние (загоризонтные) РЛС используют эффект, от­ крытый в 60-е годы Н. И. Кабановым. Этот эффект состоит в рас­ пространении радиоволн в декаметровом диапазоне на большие расстояния не только в прямом, но и обратном направлениях. Отражаясь от объектов на земной поверхности на удалении 8004000 и более км от РЛС, электромагнитные волны, несущие инфор­ мацию о демаскирующих признаках объектов, принимаются и ре­ гистрируются приемником радиолокатора. Но из-за нестабильнос­ ти ионосферы разрешение таких РЛС значительно хуже, чем у надгоризонтных радиолокаторов.

Повышение разрешающей способности радиолокаторов без значительного увеличения размеров антенны, что особенно важ­ но для воздушного и космического радиолокационного наблюде­ ния, обеспечивается в радиолокационных станциях бокового об­ зора (РЛС БО). Они размещаются на самолетах и разведыватель­ ных КА.

В РЛС БО применяются два вида антенн: радиолокацион­ ные вдольфюзеляжные (РФА) и с синтезированной аппертурой

(РСА).

Элементы антенны первого вида размещают на фюзеляже са­ молета с обеих его сторон или в подвесном контейнере-обтекателе. Благодаря такому расположению длина антенны может достигать

10-15 м. Такая антенна создает узкую (в доли градусов) диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и широкую — в вер­ тикальной. Антенна формирует один или два (при обзоре двух сто­ рон) луча, направленных перпендикулярно линии полета самоле­ та V (см. рис. 16.7).

Рис. 16.7. Принципы работы радиолокатора бокового обзора

Излученный антенной РЛС БО радиоимпульс облучает учас­ ток местности шириной Дх и длиной Лу. При полете самолета по прямолинейной траектории луч PJIC перемещается вместе с само­ летом, а на индикаторе PJIC формируется изображение полосы мес­ тности, параллельной траектории полета самолета.

Особенностью бокового обзора является'невозможность про­ смотра полосы местности под самолетом и ухудшение линейного разрешения пропорционально увеличению боковой дальности от самолета.

Повышение угловой разрешающей способности PJIC с синте­ зированной апертурой антенны основано на формировании узкой диаграммы направленности по азимуту с помощью виртуальной антенной решетки. В PJIC применяется небольшая антенна, широ­ кая диаграмма направленности которой неподвижна относительно самолета и направлена на земную поверхность перпендикулярно линии полета. При полете самолета антенна PJIC последовательно занимает в пространстве положения на прямой траектории поле­ та самолета, эквивалентные положениям элементов гипотетичес­

498

кой антенной решетки. В результате запоминания сигналов, пос­ ледовательно принимаемых антенной в п точках траектории поле­ та самолета, и их когерентного суммирования достигается эффект, аналогичный приему п элементами физической антенной решетки. Размер решетки (синтезированной апертуры) соответствует длине участка траектории, на котором производится запоминание и коге­ рентное суммирование сигналов. Ширина диаграммы направлен­ ности в горизонтальной плоскости синтезированной антенны РЛС в п раз меньше ширины диаграммы физической антенны, установ­ ленной на самолете или КА. Используя этот метод, можно увели­ чить разрешающую способность РЛС по азимуту в 100 и более раз.

При наблюдении земной поверхности с помощью РЛС с РСА предъявляются жесткие требования к прямолинейности траекто­ рии полета самолета, к стабильности амплитудно-фазовых харак­ теристик приемно-передающего тракта РЛС и устройств обработ­ ки сигналов, параметров среды распространения и характеристик отражения радиоволн наблюдаемыми объектами. Для цифровой обработки сигналов требуется также высокая производительность и большой объем памяти бортового компьютера.

Наряду с тенденцией уменьшения длины волны радиолокатора для повышения его разрешающей способности применяются РЛС в дециметровом и метровом диапазонах волн. Главное преимущес­ тво волн с более низкими частотами — существенное увеличение их проникающей способности. Для сухой почвы она может дости­ гать нескольких метров. Это позволяет наблюдать сигналы, отра­ женные не только от поверхности Земли или объекта, но и различ­ ными неоднородностями в глубине. Появляются дополнительные демаскирующие признаки объектов и возможность их наблюдения при маскировке, например, естественной растительностью.

Эти свойства электромагнитной волны реализуются в радио­ локационной станции подповерхностной радиолокации, называе­ мой георадаром. Антенна георадара излучает сверхкороткие элек­ тромагнитные импульсы длительностью в доли и единицы наносе­ кунды. Центральная частота и длительность импульса определя­ ются исходя из необходимой глубины зондирования и разрешаю­ щей способности георадара. В диапазоне 0-500 МГц глубина зон­

дирования составляет единицы м, а разрешающая способность — десятки см. На более высоких частотах (около 1000 МГц) глубина зондирования уменьшается до долей м, но разрешающая способ­ ность увеличивается до единиц см. Георадары активно использу­ ются во многих сферах деятельности — в геологии, строительстве, экологии, оборонной промышленности и др., в том числе при поис­ ке тайников, захоронений, подкопов.

Прием слабых тепловых радиоизлучений материальных тел (объектов) обеспечивает пассивная радиолокация или радиотеплолокация. Мощность излучения объектов в радиодиапазоне с при­ емлемой погрешностью определяется по формуле Релея—Джинса, в соответствии с которой энергетическая плотность (мощность в Вт на м2) излучения пропорциональна температуре в °К и обратно пропорциональна квадрату длины волны.

Радиотеплолокационное наблюдение объектов осуществля­ ется с помощью специальных радиоприемных средств, называе­ мых радиометрами. В радиометре производится суммирование тепловых радиоизлучений элементов поверхности объекта наблю­ дения и усиление суммарного сигнала, его детектирование, уси­ ление видеосигнала и формирование радиотеплолокационного изображения на индикаторе (экране) аналогично формированию изображения на индикаторе радиолокационной станции. В свя­ зи с тем что параметры антенны радиометра оказывают более су­ щественное влияние на его дальность и разрешение, к антенне ра­ диометра предъявляются более жесткие требования к максимуму коэффициента усиления и минимуму уровня боковых лепестков. Применяются зеркальные параболические, линзовые и многоэле­ ментные антенны.

Для снижения собственных тепловых шумов во входных кас­ кадах радиометра используются слабошумящие квантомеханичес­ кие и параметрические усилители, различные способы компенса­ ции помех в цепях радиометра и др.

Учитывая невысокие по сравнению с активной радиолокацией дальность и разрешение радиометров, возможности радиотеплолокации по добыванию видовых демаскирующих признаков весьма ограничены.

500