СПОСОБ ИМИТАЦИИ ТЕПЛОВОГО КОНТРАСТА ОБЪЕКТА Российский патент 2016 года по МПК F41H3/00 

Изобретение относится к способам ввода в заблуждение и, следовательно, дезорганизации средств поражения высокоточным оружием, а также к способам обеспечения скрытности вооружения и военной техники от тепловизионных средств воздушно-космической разведки и может быть использовано для имитации объектов вооружения и военной техники в районах базирования или запасных районах рассредоточения, а также увода инфракрасных головок самонаведения высокоточного оружия от реальных целей.

Известны способы имитации теплового контраста объекта, заключающиеся в установке тепловыделяющих средств или нагревателей в макетах и ложных сооружениях в местах, соответствующих расположению нагретых частей техники и сооружений (см. заявку на изобретение РФ №94041730, кл. F41Н 13/00, опубл. 27.12.1996), и в размещении на полотнище из брезента тканных нагревателей (см. заявку на изобретение РФ №94010339, кл. F41H 3/00, опубл. 20.10.1996).

Основным недостатком указанных аналогов является низкая достоверность имитации, обусловленная несоответствием распределения по поверхности теплового контраста имитатора распределению теплового контраста имитируемого объекта. Это обусловлено отсутствием управления интенсивностью теплового излучения тепловыделяющих средств или нагревателей. Вместе с тем, в зависимости от режимов работы двигательной установки объекта, времени суток, фона наблюдения, температуры окружающей среды, теплоизлучательных характеристик объекта, его тепловой портрет и, следовательно, тепловой контраст подвержены значительным изменениям.

Известен также способ имитации теплового контраста объекта, заключающийся в размещении на тканевой оболочке термоэлектрических гибких панелей и регулировании их температуры в соответствии с реальным тепловым портретом объекта (см. патент РФ на полезную модель №131860, опубликованный 27.08.2013 г.). Основным недостатком данного способа является несоответствие распределения теплового контраста имитатора тепловому контрасту объекта с фоном. Это обусловлено тем, что регулирование температуры объекта осуществляется в соответствии с заранее известным его тепловым портретом независимо от теплового состояния объекта в данный момент времени (двигатели выключены или в рабочем состоянии, объект после пробега и др.), от фона и условий, в которых он наблюдается.

Известно, что тепловизионная аппаратура воспринимает в качестве входного сигнала тепловой контраст объекта с фоном наблюдения ATR, который с достаточной точностью описывается выражением (см. Иванов В.П., Курт В.И., Овсянников В.А., Филиппов В.Л. Моделирование и оценка современных тепловизионных приборов. - Казань: Изд-во ФНПЦ НПО ГИПО, 2006, с. 285)

где ΔT=Т_об-Т_ф - разность термодинамических температур объекта и фона; ε_об, ε_ф - коэффициенты излучения объекта и фона соответственно; η - параметр, зависящий от метеоусловий (безоблачно, легкая высокая облачность, низкая сплошная облачность и др.), характерного местоположения объекта (открытая местность, лесная поляна, среди деревьев и т.д.), и ориентации видимой поверхности объекта (горизонтальная, вертикальная). В свою очередь, вероятность вскрытия (обнаружения, распознавания, идентификации) объекта зависит от теплового контраста и определяется как (см. то же с. 152)

где ΔT_∑ - результирующая пороговая чувствительность тепловизионной аппаратуры.

Таким образом, из приведенных соотношений следует, что для имитации воспринимаемого тепловизионной аппаратурой теплового контраста объекта, а следовательно, и обеспечения равенства вероятностей вскрытия объекта и его имитатора воспроизведение распределения термодинамической температуры на поверхности объекта является недостаточным, а требуется обеспечить равенство тепловых контрастов имитируемого объекта и имитатора, то есть ΔT_Ro=ΔT_Ru.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявляемому изобретению является способ, основанный на имитации теплового контраста объекта, заключающийся в расположении на полотнище из брезентового материала нагревателей, выполненных в виде пластин размером, не превышающим линейное разрешение на местности тепловизионной аппаратуры разведки и управлении температурой каждого нагревателя в зависимости от теплового портрета имитируемого объекта (см. заявка на изобретение РФ №2278344, кл. F41H 3/00, опубл. 20.06.2006).

Основной недостаток данного способа, как и аналогов, заключается в низкой достоверности соответствия имитируемого объекта с его имитатором, а следовательно, и малой вероятностью принятия ИК-аппаратурой разведки и наведения ложного объекта за истинный. Это обусловлено тем, что регулирование температуры имитатора осуществляется в соответствии с заранее известным типовым тепловым портретом объекта наблюдения без учета изменяющихся тепловых состояний объекта, фона и условий наблюдения.

Технический результат данного изобретения заключается в повышении достоверности имитации и, следовательно, вероятности определения ложного объекта за истинный за счет воспроизведения на имитаторе теплового контраста объекта в соответствии с реальными условиями его формирования.

Указанный результат достигается за счет того, что в известном способе имитации теплового контраста объекта, заключающемся в применении имитатора, соответствующего по форме и линейным размерам форме и линейным размерам имитируемого объекта, с размещенными на поверхности имитатора объекта термоэлектрическими модулями, выполненными в виде пластин размером, не превышающим линейного разрешения на местности тепловизионной аппаратуры разведки, управлении температурой термоэлектрических модулей, регистрации теплового изображения имитируемого объекта на фоне местности, передачи зарегистрированного изображения на имитатор, регистрации теплового изображения имитатора с размещенными на нем термоэлектрическими модулями, определении разности теплового контраста между разрешаемыми тепловизионной аппаратурой элементами поверхности объекта и соответствующими им термоэлектрическими модулями и, в соответствии с полученными значениями, формировании управляющих сигналов и управлении температурой термоэлектрических модулей.

Существо предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Изменения тепловых состояний объекта, температурные перепады, обусловленные изменением температуры окружающей среды (ночь, день) и динамично меняющиеся условия наблюдения являются одним из основных демаскирующих признаков, и резко снижают степень схожести имитируемого объекта с реальным образцом ВВТ, а следовательно, и вероятность определения ложной цели как объекта поражения. Это связано с тем, что фон наблюдения может иметь тепловую неоднородность и, в зависимости от времени суток, интенсивность перепада температур и изменения метеоусловий, тепловой контраст объекта и его имитатора может быть как положительным, так и отрицательным (см. Иванов В.П., Курт В.И., Овсянников В.А., Филиппов В.Л. Моделирование и оценка современных тепловизионных приборов. - Казань: Изд-во ФНГЩ НПО ГИПО, 2006, с. 255). В последнем случае, потребуется охлаждение отдельно разрешаемых областей поверхности имитатора до той величины, которая будет соответствовать величине распределения тепловой контрастности объекта наблюдения с учетом динамично меняющихся тепловых состояний самого объекта, фона и условий наблюдения.

Поэтому предлагаемый способ заключается в устранении несоответствий тепловых контрастов имитируемого объекта и его имитатора, вызванных тем, что регулирование температуры имитатора (прототипа) осуществляется в соответствии с заранее известным тепловым портретом существующего образца ВВТ без учета изменяющихся тепловых состояний объекта, фона и условий наблюдения, а также отсутствием возможности управления температурой нагревателей, из которых выполнен имитатор, до значений более низких температур фона.

Отличительная особенность предлагаемого способа заключается в том, что в реальном масштабе времени регистрируют тепловые изображения отдельно разрешаемых элементов поверхности имитируемого объекта на фоне местности, на котором он расположен, и передают данные тепловые картины по цифровому радиоканалу на вычислительное устройство, расположенное на имитаторе. Далее производиться регистрация теплового изображения имитатора, с расположенными на нем термоэлектрическими модулями, размером, не превышающим линейное разрешение на местности тепловизионной аппаратуры разведки, на фоне местности, на котором он расположен, и так же данная тепловая картина передается на вычислительное устройство. В нем производится сравнение зарегистрированных тепловых изображений и вычисляется разница в тепловых контрастах отдельно разрешаемых элементах поверхности имитируемого объекта и его имитатора, и полученные значения передаются на устройство управления. Если из полученной разницы термодинамических температур отдельно разрешаемых элементов поверхности объекта и его имитатора с их фоновыми составляющими (см. формулу (1)) следует, что ΔT_Ro>ΔT_Ru, то на выходах устройства управления формируются управляющие команды для нагрева термоэлектрических модулей, расположенных на аналогичном отдельно разрешаемом элементе поверхности имитатора до значений величины, соответствующей равенству их тепловых контрастов. Если ΔT_Ro<ΔT_Ru, то процедура формирования управляющих сигналов аналогична, за исключением того, что в данном случае требуется охлаждение термоэлектрических модулей, расположенных на отдельно разрешаемом элементе поверхности имитатора до той величины, которая будет соответствовать распределению теплового контраста на элементе поверхности имитатора и аналогичного элемента поверхности имитируемого объекта.

Термоэлектрический модуль представляет собой систему термопар, имеющих керамическое влагонепроницаемое покрытие, состоящих из одного проводника (ветки) р-типа и одного проводника n-типа. Холодная сторона термоэлектрического элемента имеет естественную вентиляцию, горячая охлаждается методом принудительного обдува вентилятором.

При прохождении через ТЭМ постоянного электрического тока возникает разность температур (ΔT=T_h-T_c) между его сторонами: одна пластина (холодная) Т_с охлаждается, а другая (горячая) T_h нагревается. При этом количество этой теплоты пропорционально току, проходящему через ТЭМ, что дает возможность плавной регулировки температуры пластин модуля в зависимости от силы тока, приложенного к нему.

Поддерживая температуру горячей стороны модуля на уровне температуры окружающей среды с помощью вентилятора, на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на единицы или десятки градусов ниже, что обеспечивает плавное варьирование величины нагрева или охлаждения отдельно разрешаемых ИК-аппаратурой участков имитатора, с расположенными на нем ТЭМами в широком диапазоне значений, от отрицательных до положительных, с целью компенсации несоответствия теплового контраста имитируемого объекта с его имитатором, с учетом зарегистрированных динамично меняющихся условий их наблюдения.

На фигуре приведена структурная схема устройства, с помощью которого данный способ может быть реализован, и входящие в него блоки (устройства), а именно: 1 - первая тепловизионная камера с матричными фотоприемными устройствами, ориентированная в направлении на имитируемый объект и регистрирующая его изображение в инфракрасном диапазоне длин волн (например, 3-5 или 8-14 мкм) (см. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. М.: Логос, 2004, с. 413); 2 - имитируемый объект - существующий образец ВВТ; 3 - устройство передачи изображения - любой передатчик сигнала, имеющий достаточную мощность и пропускную способность (см. Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория. Справочник. Изд. 2-е, перераб. и доп. / Под ред. Я.Д. Ширмана. М.: Радиотехника, 2007, с. 148-154); 4 - приемник изображения - соответствующее радиоприемное устройство с требуемой чувствительностью (см. Банков В.Н., Барулин Л.Г., Жодзишский М.И. и др. Радиоприемные устройства. М.: Радио и связь, 1984, с. 8, 16); 5 - имитатор; 6 - вычислительное устройство - по типу персонального компьютера IBM PC Core 2 Duo; 7 - вторая выносная тепловизионная камера, ориентированная на имитатор и имеющая такое же разрешение и диапазон работы, как и камера 1; 8 - устройство управления (нагревания или охлаждения ТЭМ) может быть выполнено по типу электронного управления величиной силы тока, приложенному к ТЭМ по типу электрореостата или терморегулятора (см. Скаржепа В.А., Морозов А.А. Устройства автоматики на тиристорах, К.: Техника, 1974, с. 124); 9.1…9.N - термоэлектрические модули могут быть выполнены на основе стандартных модулей, работающих на основе эффекта Пельтье (см. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре М.: Высш. шк., 1984, с. 140-142), в которых единичным элементом является термопара. Холодная сторона элемента имеет естественную вентиляцию, горячая охлаждается методом принудительного обдува.

Первая тепловизионная камера (1) ориентирована в направлении на имитируемый объект (2) и предназначена для регистрации тепловых картина имитируемого объекта и его фоновой составляющей в ИК-диапазоне, подключена к устройству передачи изображения (3), которое предназначено для передачи цифрового изображения зарегистрированной тепловой картины по радиоканалу, выход которого ориентирован в направлении приемника изображения (4), расположенного на имитаторе (5), служащим для приема транслируемого сигнала с требуемым качеством, и подключен к первому входу вычислительного устройства (6), второй вход которого соединен со второй выносной тепловизионной камерой (7), ориентированной в направлении на имитатор (5), предназначенной для регистрации теплового изображения имитатора в том же диапазоне длин волн, что и камера (1), выход вычислительного устройства (6), в котором происходит сравнение отдельно разрешаемых элементов поверхности скрываемого объекта и имитатора, подключен ко входу устройства управления (8), предназначенного для вырабатывания индивидуальных команд управления температурой нагрева либо охлаждения термоэлектрических модулей на основе вычисленной разницы тепловых контрастов отдельно разрешаемых элементов имитируемого объекта и его имитатора, выходы 8.1…8.n, где $$n=\overline{\mathrm{1,}N}$$ которого соединены с соответствующими входами термоэлектрических модулей (9) 9.1…9.n, где $$n=\overline{\mathrm{1,}N}$$ , расположенными на имитаторе (5).

Устройство имитации теплового контраста объекта, реализующее предлагаемый способ, функционирует следующим образом.

Тепловизионной камерой 1, работающей в соответствующем ИК-диапазоне длин волн, регистрируют тепловое изображение имитируемого объекта 2, которое с помощью передающего устройства 3 в цифровом виде по радиоканалу передается на приемник изображения 4, расположенный на имитаторе 5. С приемника 4 изображение имитируемого объекта 2 передается в вычислительное устройство 6, в котором производится обработка изображения с целью определения тепловых контрастов отдельно разрешаемых элементов поверхности имитируемого объекта 2. Затем регистрируется тепловое изображение имитатора выносной тепловизионной камерой 7, имеющей такое же разрешение на местности, как и тепловизионная камера 1, и передается в вычислительное устройство 6, в котором проводится сравнение тепловых контрастов отдельно разрешаемых элементов поверхности объекта и имитатора, и если тепловой контраст отдельно разрешаемых элементов поверхности объекта выше теплового контраста аналогичных отдельно разрешаемых элементов поверхности имитатора, то для его выравнивания в устройстве 8 вырабатываются управляющие сигналы 8.1…8.n, где $$n=\overline{\mathrm{1,}N}$$ , для нагрева 9.1…9.n, где $$n=\overline{\mathrm{1,}N}$$ , термоэлектрических модулей, расположенных на данном участке поверхности имитатора, в противном случае - выравнивание теплового контраста имитатора и имитируемого объекта добиваются охлаждением ТЭМов до величины, соответствующей их равенство.

Оценку технического результата заявляемого способа имитации теплового контраста объекта (повышение достоверности имитации за счет воспроизведения на имитаторе теплового контраста объекта в соответствии с реальными условиями его формирования) по сравнению с прототипом можно провести на основе следующих данных.

Для определенности предположим, что имитируемый объект расположен на фоне растительного покрова с температурой Т_ф=288 K и коэффициентом излучения ε_ф=0,84; коэффициент излучения поверхности объекта ε_об=0,92 (эмаль зеленого цвета) (см. Л.З. Криксунов. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов. Радио, 1978, с. 42-43). Объект расположен на открытой местности в условиях безоблачной погоды. В соответствии с данными, приведенными в (см. В.А. Овсянников, Р.И. Ситдиков, Г.Н. Хитров. Влияние условий наблюдения наземных объектов на их эффективный тепловой контраст. // Оптико-механическая промышленность, 1991, №12, с. 24-25), параметр, характеризующий влияние на тепловой контраст условий наблюдения, для горизонтально ориентированной поверхности в диапазоне 3-5 мкм (диапазон работы тепловизионной аппаратуры) составляет величину, равную 24. Предположим также, что термодинамическая температура горизонтально расположенного разрешаемого тепловизионной аппаратурой элемента поверхности объекта составляет Т_об=306K.

Пусть имитатор прототипа в идеальном случае расположен тоже на растительном фоне в тех же условиях (открытая местность, безоблачно) и его поверхность имеет тот же коэффициент излучения, что и имитируемый объект. Предположим также, что нагревательный элемент имитатора имеет такую же термодинамическую температуру, как и аналогичный элемент поверхности объекта (на основании заранее зарегистрированного теплового портрета имитируемого объекта). Однако, в отличие от объекта, имитатор наблюдается в другое время суток, при котором температура фона снизилась до 282 K.

Тогда, для прототипа в предлагаемых условиях тепловой контраст нагревательного элемента имитатора по формуле (1) составит ΔT_Ru ~ 24 K, а для элемента поверхности реального объекта ΔT_Ro ~ 18,5 K, то есть разница в тепловом контрасте между имитируемым объектом и имитатором в прототипе составила 5,5 K. Это различие не позволит в прототипе с высокой степенью достоверности принять имитатор за реальный объект, учитывая, что температурная чувствительность современной тепловизионной разведывательной аппаратуры составляет доли градусов (см. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. М.: Логос, 2004, с. 352).Учитывая, что в реальных условиях обеспечить равенство коэффициентов излучения покрытий объекта и имитатора и условия их наблюдения является трудновыполнимой задачей, то на практике различие в тепловых контрастах объекта и имитатора в прототипе будет еще больше.

При реализации заявляемого способа имитации регистрация теплового изображения объекта происходит в то же время суток и для тех же условий, при которых осуществляется имитация.

На основании зарегистрированных изображений объекта и имитатора, вычислении их тепловых контрастов и управлении величиной температуры термоэлектрических модулей, тепловой контраст элемента поверхности объекта на наблюдаемом фоне становится равным тепловому контрасту термоэлектрического модуля, то есть происходит динамическое в реальном масштабе времени управление распределением теплового контраста имитатора, обеспечивающее такое же распределение теплового контраста, как на имитируемом объекте.

Таким образом, в предлагаемом способе, благодаря сравниванию зарегистрированных в реальном масштабе времени тепловых изображений объекта и имитатора, существующие различия в их тепловых контрастах, обусловленные изменением теплового состояния объекта, различием температур фона, условий наблюдения и освещения, коэффициентов излучения покрытий объекта и имитатора устраняются подбором температур термоэлектрических модулей до значений, обеспечивающих равенство распределений по поверхности их тепловых контрастов, чем обеспечивается повышение достоверности способа имитации и вероятности принятия ложного объекта за истинный.

Изобретение относится к средствам защиты от тепловизионных средств воздушно-космической разведки. При способе имитации теплового контраста объекта регистрируют тепловое изображение имитируемого объекта на фоне местности, передают зарегистрированное изображение на имитатор, регистрируют тепловое изображение имитатора с размещенными на нем термоэлектрическими модулями, определяют разность теплового контраста между разрешаемыми тепловизионной аппаратурой элементами поверхности объекта и соответствующими им термоэлектрическими модулями, формируют управляющие сигналы для изменения температуры термоэлектрических модулей в соответствии с полученными значениями. Имитатор соответствует по форме и линейным размерам объекту. Термоэлектрические модули выполнены в виде пластин размером, не превышающим линейное разрешение на местности тепловизионной аппаратуры разведки. Обеспечивается скрытность вооружения и военной техники от тепловизионных средств воздушно-космической разведки. 1 ил.

Способ имитации теплового контраста объекта, основанный на применении имитатора, соответствующего по форме и линейным размерам форме и линейным размерам имитируемого объекта, с размещенными на поверхности имитатора объекта термоэлектрическими модулями, выполненными в виде пластин размером, не превышающим линейное разрешение на местности тепловизионной аппаратуры разведки, управлении температурой термоэлектрических модулей, отличающийся тем, что регистрируют тепловое изображение имитируемого объекта на фоне местности, передают зарегистрированное изображение на имитатор, регистрируют тепловое изображение имитатора с размещенными на нем термоэлектрическими модулями, определяют разность теплового контраста между разрешаемыми тепловизионной аппаратурой элементами поверхности объекта и соответствующими им термоэлектрическими модулями и в соответствии с полученными значениями формируют управляющие сигналы и управляют температурой термоэлектрических модулей.