СПОСОБ СКРЫТИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ОТ ЛАЗЕРНЫХ ЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ Российский патент 2021 года по МПК G02B26/04 

Изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в системах оптико-электронного противодействия.

Известен способ снижения эффективной площади рассеивания (ЭПР) оптико-электронного прибора (ОЭП) (см. например [1]), основанный на нанесении светопоглощающего покрытия на отражающие поверхности формирующей оптики ОЭП и поглощении им части локационного оптического излучения, измерении значения крутизны К выходного сигнала фотоприемника ОЭП и сравнении с пороговым значением К_п, если К≥К_п, то произведении по значениям крутизны К выходного сигнала фотоприемника ОЭП и величины поглощения локационного оптического излучения за пределами периметра отражающей поверхности вычисления требуемого значение изменения освещенности отражающей поверхности, осуществлении изменения освещенности отражающей поверхности на требуемое значение и поглощении части локационного оптического излучения за пределами отражающей поверхности. Недостатками способа являются:

- снижение технических характеристик ОЭП, обусловленных ухудшением разрешающей способности при изменении параметров освещенности фотоприемника;

- возможность срыва процесса снижения ЭПР ОЭП, обусловленная инерционностью изменения параметров освещенности отражающей поверхности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ скрытия ОЭП от лазерных локационных средств (ЛЛС) (см. например [2]), основанный на приеме спонтанного излучения ЛЛС, предшествующего импульсу основного зондирующего лазерного излучения на время Δt = t₀ - t_C, где t₀ - момент времени прихода импульса основного лазерного излучения; t_C - момент времени превышения уровня принимаемого спонтайного излучения порога его обнаружения, симметричном деления за время Δt площади апертуры ОЭП на две части, поглощении с направления входа и выхода ОЭП падающего на одну часть основного оптического излучения передающего канала ЛЛС.

Недостатками способа являются:

- существенное (50%) снижение потока принимаемого ОЭП полезного сигнала во время осуществления экранирования половины приемной апертуры;

- существенное снижение эффекта скрытия при наклонном падении фронта зондирующего лазерного излучения на приемную апертуру, если точка расположения ЛЛС оказывается в секторе углового поля ОЭП, соответствующему закрытой экраном половине апертуры.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение является повышение эффективности скрытия ОЭП от ЛЛС за счет обеспечения всеракурсности защиты (при расположении ЛЛС в любой точке углового поля ОЭП) и уменьшение энергетических потерь полезного сигнала во время экранирования апертуры ОЭП.

Сущность изобретения заключается в экранировании не половины, а лишь части апертуры ОЭП, на которую опирается пучок излучения, оказывающий определяющее влияние на формирование принимаемого ЛЛС потока отраженного от ОЭП излучения с учетом пространственного положения областей отражения. Это обеспечивает всеракурсность защиты и незначительные энергетические потери при экранировании апертуры ОЭП.

Технический результат достигается тем, что в известном способе скрытия ОЭП от ЛЛС, основанном на приеме оптического излучения ОЭП, измерении параметров принимаемого оптического излучения, различении по их значениям параметров спонтанного излучения передающего канала ЛЛС, предшествующего основному, регистрации момента времени приема спонтанного излучения передающего канала ЛЛС t_C и определении момента времени прихода t_O основного излучения передающего канала ЛЛС, по значениям параметров спонтанного излучения определяют N локальных зон отражения от основной отражающей поверхности ОЭП и N координат их местоположения, выбирают из N координат локальных зон отражения от основной отражающей поверхности ОЭП координаты центральной локальной зоны и координаты М=2 периферийных соседних локальных зон, пересчитывают выбранные координаты локальных зон отражения от основной отражающей поверхности ОЭП в координаты установки М+1 поглощающих экранов на входной апертуре ОЭП, устанавливают за время Δt < t_C - t_O на входной апертуре ОЭП М+1 поглощающих экранов каждый площадью S в свои координаты установки, при этом где - радиус поглощающего экрана, ƒ - фокусное расстояние объектива ОЭП, Δ - расстояние расположения основной отражающей поверхности относительно точки фокуса объектива ОЭП, λ_мах - максимальная длина волны пропускания оптического излучения объектива ОЭП, поглощают М+1 поглощающими экранам часть излучения ЛЛС отраженного от основной поверхности отражения ОЭП.

ОЭП как объекты активной оптической (лазерной) локации относятся к малоразмерным объектам с нелокальным отражением. Такие объекты отражают часть падающего излучения в виде узкого пучка в направлении источника подсвета. Поэтому в процессе оптико-локационного наблюдения они выступают как малоразмерные отражатели с высоким блеском. Яркие блики отраженного оптического излучения на фоне менее интенсивного излучения, рассеянного телами с шероховатой поверхностью и природными образованиями, служат единственным демаскирующим признаком скрытого наблюдения с использованием пассивных оптических и оптико-электронных приборов.

Количественно способность отражать падающее на апертуру ОЭП зондирующее лазерное излучение характеризует такая физическая величина как ЭПР (см. например, [3, 4]). Если объектив ОЭП обладает аберрациями, например, сферической [5], то помимо центральной локальной зоны отражения могут формироваться и периферийные, которые также подлежат экранированию для снижения уровня локационного сигнала.

Наличие сферической аберраций оптической системы ОЭП приводит к тому, что в зависимости от высоты падающего и выходящего из системы лучей, соответствующие значения фокусных расстояний, а вследствие этого и соответствующие значения смещений отражающей поверхности относительно положения задней фокальной плоскости объектива, будут различаться, а в плоскости апертуры ОЭП будет формироваться система «блестящих зон», создающих отраженный сигнал в точке расположения оптического локатора.

Определим положение центральной и периферийных «блестящих зон» при локации ОЭП, обладающих сферической аберрацией.

На фигуре 1 представлена конфигурация «блестящих зон» в случае наклонного падения фронта зондирующего излучения на апертуру ОЭП, обладающего аберрациями (1 - ЛЛС; 2 - ОЭП; 3 - передняя фокальная плоскость объектива ОЭП; 4 - объектив ОЭП; 5 - отражающая поверхность (поверхность чувствительного элемента фотоприемного устройства ОЭП и т.п.); 6 - задняя фокальная поверхность объектива ОЭП; 7 - оптическая ось ОЭП; 8 - входящие и выходящие лучи ОЭП; 9 - центральная локальная зона отражения; 10 - периферийные локальные зоны отражения).

Наличие сферической аберраций объектива 4 ОЭП 2 приводит к тому, что в зависимости от высоты падающего h₀ и выходящего из системы h лучей, соответствующие значения фокусных расстояний ƒ_h0 и ƒ_h, а вследствие этого и соответствующие значения Δ_h0 и Δ_h смещения отражающей поверхности 5 относительно положения задней фокальной плоскости объектива 6, будут различаться.

Тогда матрица передачи объектива 4 ОЭП 2, как локационной цели, примет вид

При этом опорная область анализа выбрана в передней фокальной плоскости 3 объектива 4 ОЭП 2 [3].

Для величин фокусных расстояний и смещений отражающей поверхности 5 для лучей 8 разной высоты справедливы соотношения

Значения смещений Δ_h0 и Δ_h складываются из величин смещения Δ < 0 отражающей поверхности 5 относительно параксиального фокуса и соответствующих продольных аберраций , при этом [4]

где Δ_а - максимальное значение продольной сферической аберрации для луча 8 входящего (выходящего) из ОЭП 2 на высоте равной радиусу апертуры r_ОЭС; - значения высоты лучей 8 в плоскости апертуры ОЭП 2; α₀ - угол падения зондирующего излучения на апертуру ОЭП 2.

Предположим, что сферическая аберрация объектива 4 мала, то есть . Тогда матрица передачи (1) может быть преобразованная к виду

Связь параметров входящего (h₀, α₀) и выходящего (h, α) лучей 8 в плоскости анализа, лежащей в передней фокальной плоскости объектива 3, будет определяться соотношениями

Для локации интересуют лучи, выходящие 8 из оптической системы 4 ОЭП 2 строго в обратном направлении, когда α = -α₀, тогда справедливо уравнение

Первое решение этого уравнения h₀=0, соответствует лучу 8, пересекающему ось 7 ОЭП 2 в передней фокальной плоскости 3, и после отражения проходящему строго по траектории падающего луча (h = -h₀ = 0) 8 и направленного в точку расположения ЛЛС 1. Высота этого луча 8 в плоскости апертуры ОЭП 2 равна , определяет положение точки, в которой нормаль к фронту отраженного излучения направлена в точку приема, то есть в окрестности которой локализована центральная локальная зона отражения 10.

Существуют еще решения уравнения (7), которые определяются условием Δ_h0 + Δ_h = 0. Подставляя (3) в (7) и учитывая (2), получим уравнение,

решение которого имеет вид

Решения (9) определяют точки, вблизи которых локализованы периферийные локальные зоны отражения 9. Эти центры расположены в плоскости угла α₀ на прямой, лежащей в плоскости апертуры ОЭП 2 и соединяющей главную точку и изображение ЛЛС 1 (середину центральной локальная зона отражения 10). Расстояние между этими зонами равно

Из соотношения (10) следует, что по мере роста значения угла α₀, расстояние между двумя периферийными локальными зонами отражения 9 будет уменьшаться, а при значении угла

две периферийные 9 и центральная 10 локальные зоны отражения совместятся.

Еще две другие периферийные локальные зоны отражения 9 лежат в плоскости апертуры ОЭП на прямой проходящей перпендикулярно следу плоскости поворота через середину центральной локальной зоны отражения 10. Так как в этой плоскости угол поворота ОЭП относительно фронта падающего излучения равен нулю, расстояние между второй парой периферийных локальные зоны отражения 9 будет постоянным

Таким образом, если оптическая система 4 ОЭП 2 обладает аберрациями, в плоскости его апертуры формируется пять локальных зон отражения (центральная 10 и две пары периферийных 9). При этом периферийные зоны 9 попарно сопряжены, то есть перекрытие экраном одной из сопряженных зон приведен к исчезновению второй, связанной с ней. Следовательно, для существенного снижения уровня отраженного от ОЭП излучения достаточно в местах локализации локальных зон отражения расположить три экрана, один из которых перекрывает центральную 10, а два других размещены в областях локализации одной из парных периферийных локальных зон отражения 9.

Размер экрана для локальных зон отражения 9, 10 определяется соотношением , позволяющим рассчитать размеры первой зоны Френеля для отраженного от ОЭП излучения [5]. Учитывая, что линейные размеры периферийных «блестящих зон» 9 так же как и центральной 10 уменьшаются обратно пропорционально дальности локации, то и для них на локационных трассах протяженностью более нескольких сотен метров можно также рекомендовать использовать экраны с радиусом . Таким образом, три экрана с радиусом, превышающим радиус первой зоны Френеля могут обеспечить подавление бликов отраженного от ОЭП 2 излучения при его локации на трассах протяженностью более нескольких сотен метров. При этом потери энергии полезного сигнала не превысят 1,5% для ОЭП 2 с ЭПР σ ≈ 100 м² и 16% для ОЭП 2 с ЭПР σ ≈ 10⁴ м². Периферийные локальные зоны отражения вносят до ≈ 60% вклада в величину ЭПР ОЭП

Для подтверждения технического результата способа осуществлена оценка его эффективности, которая включала сравнение площадей экранов. Так, например, отношения площади экрана к площади входной апертуры ОЭП для ЭПР ОЭП 100 м² и 1000 м² составили примерно 0,15% и 16% соответственно. Это приближенно в 3÷33 раз является выигрышным по отношению к полезному сигналу в сравнении с прототипом.

Заявленный способ поясняется схемой, представленной на фигуре 2, где приняты следующие обозначения: 11 - этап работы ОЭП в режиме приема и анализа спонтанного излучения ЛЛС; 12 - этап работы ОЭП в режиме приема основного излучения ЛЛС с уменьшенной ЭПР; 13 - спонтанное излучение ЛЛС; 14 - основное излучение ЛЛС; 15 - поглощающий экран; 16 - траектории распространения излучения передающего канала ЛЛС на входе, выходе и внутри ОЭП; остальные обозначения соответствуют фигуре 1 (J - интенсивность принимаемого излучения ЛЛС, t - время, Δt - интервал времени, необходимого на снижение ЭПР ОЭП, t_C - момент времени регистрации спонтанного излучения ЛЛС, t_O - определяемый момент времени приема основного излучения ЛЛС, λ_мах - максимальная длина волны пропускания оптического излучения формирующей оптикой ОЭП, остальные обозначения раскрыты выше).

Динамика формирования локационного сигнала ЛЛС включает генерацию оптических волн, которые можно разделить на спонтанные излучения 13 (под спонтанным излучением понимается совокупность спонтанного и спонтанно-индуцированного излучений) и основное 14 (см., например, [5, стр. 110-111, 128-131]). При этом в соответствии с достижением технического результата рассматривается спонтанное излучение предшествующее основному. Прием спонтанного излучения характеризует факт работы передающего канала (лазера) ЛЛС и обеспечивает временной ресурс для скрытия (снижения ЭПР) ОЭП (см., например, [5, стр. 109]). Разделение спонтанного излучения 13 и основного 14 можно осуществить по частотным характеристикам. Для упрощения понимания сущности изобретения и описания процесса скрытия ОЭП оптическая система представляется в эквивалентном виде (фигура 2), состоящая из объекта 4 и отражающей зеркальной поверхности 5 (см., например, [5, стр. 26-28). Направления распространения локационного излучения оптических потоков элементами 4 и 5 в структуре ОЭП представляются в виде прямолинейных траекторий 16. На этапе работы ОЭП в режиме приема и анализа спонтанного излучения ЛЛС 11 ОЭП функционирует в минимальном режиме скрытия. При поступлении на вход ОЭП спонтанного излучения 13 передающего канала ЛЛС, осуществляется оценка его частотных, временных, пространственных и энергетических параметров, по которым определяются: факт функционирования передающего канала ЛЛС, момент времени регистрации t_C, момент времени приема основного излучения ЛЛС t_O, а также координаты локальных зон отражения 9, 10 на основной отражающей поверхности ОЭП 5 ЛЛС. Момент времени регистрации t_C спонтанного излучения 13 является управляющей командой для принятия мер по скрытию ОЭП за время Δt < t_O - t_C и перехода ОЭП на этап работы в режиме приема основного излучения ЛЛС 12 с уменьшенной ЭПР. Выбирают из координат локальных зон отражения 9, 10 координаты центральной локальной зоны 10 и координаты двух периферийных соседних локальных зон 9. Пересчитывают выбранные координаты локальных зон отражения 9,10 в координаты установки поглощающих экранов 15 на входной апертуре объектива 4 ОЭП. Устанавливают за время Δt < t_O - t_C на входной апертуре объектива 4 ОЭП поглощающие экраны 15 каждый площадью , в свои координаты установки, где λ_мах - максимальная длина волны пропускания оптического излучения объектива 4 ОЭП. Выбор λ_мах определяется отсутствием данных о длине волны излучений ЛЛС.

На фигуре 3 представлена блок-схема устройства, с помощью которого может быть реализован предлагаемый способ. Блок-схема устройства содержит: ОЭП 2, дополнительно включающий матричный фотоприемник спонтанного излучения 17; блок вычисления 18; установленный на поворотном приводе 19 набор круглых поглощающих экранов заданной площади 20.

Устройство работает следующим образом. Матричный фотоприемник 17 принимает спонтанное излучение ЛЛС и передает соответствующие сигналы в блок вычисления 18. При обнаружении и определении параметров спонтанного излучения ЛЛС, блок вычисления 18 вычисляет координаты установки поглощающих экранов 20, а также вырабатывает сигнал на поворотный привод 19. Поворотный привод 19 устанавливает поглощающие экраны 20 в нужное положение.

Таким образом, у заявляемого способа появляются свойства, заключающиеся в повышении эффективности скрытия ОЭП от ЛЛС за счет приема спонтанного излучения ЛЛС и уменьшение энергетических потерь полезного сигнала путем поглощения части отраженного сигнала на основе локализации мест установки и выбора рациональных размеров поглощающих экранов на входной апертуре ОЭП. Тем самым, предлагаемый авторами, способ устраняет недостатки прототипа.

Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений неизвестен способ скрытия ОЭП от ЛЛС, основанный на приеме оптического излучения ОЭП, измерении параметров принимаемого оптического излучения, различении по их значениям параметров спонтанного излучения передающего канала ЛЛС, предшествующего основному, регистрации момента времени приема спонтанного излучения передающего канала ЛЛС t_C и определении момента времени прихода t_Q основного излучения передающего канала ЛЛС, определении по значениям параметров спонтанного излучения N локальных зон отражения от основной отражающей поверхности ОЭП и N координат их местоположения, выборе из N координат локальных зон отражения от основной отражающей поверхности ОЭП координат центральной локальной зоны и координат М=2 периферийных соседних локальных зон, пересчете выбранных координат локальных зон отражения от основной отражающей поверхности ОЭП в координаты установки М+1 поглощающих экранов на входной апертуре ОЭП, устанавке за время Δt < t_C - t_O на входной апертуре ОЭП М+1 поглощающих экранов каждый площадью S в свои координаты установки, при этом , где - радиус поглощающего экрана, ƒ - фокусное расстояние объектива ОЭП, Δ - расстояние расположения основной отражающей поверхности относительно точки фокуса объектива ОЭП, λ_мах - максимальная длина волны пропускания оптического излучения объектива ОЭП, поглощении М+1 поглощающими экранами части излучения ЛЛС отраженного от основной поверхности отражения ОЭП.

Предлагаемое техническое решение практически применимо, так как для его реализации могут быть использованы типовые поглощающие оптическое излучение материалы.

1 Пат. 2698513 RU, МПК G01J 1/10. Способ скрытия оптико-электронных приборов от лазерных локационных средств / П.Е. Кулешов, А.Н. Глушков, Н.В. Дробышевский; заявитель и патентообладатель ВУНЦ ВВС «ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина». - №2017132027; заявл. 12.09.2017; опубл. 28.08.2019, Бюл. №25. - 8 с.

2 Пат. 27003921 RU, МПК G02B 26/04, G03B 11/045. Способ скрытия оптико-электронных приборов от лазерных локационных средств / Ю.Л. Козирацкий, П.Е. Кулешов, А.Н. Глушков, А.В. Алабовский, Н.В. Дробышевский; заявитель и патентообладатель ВУНЦ ВВС «ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина». - №2018144048; заявл. 12.12.18; опубл. 22.10.19, Бюл. №30. - 10 с.

3 Попело В.Д. Оптико-локационные характеристики объектов различной размерности / В.Д. Попело, И.Р. Фахуртдинов // Метрология, 2012, №7. - С. 9-18.

4 Попело В.Д., Проскурин Д.К., Нагалин А.В. Форма и положение в пространстве эффективных центров рассеяния при лазерном зондировании на трассах конечной протяженности малоразмерного объекта с нелокальным отражением // Радиотехника. 8. 2018. С. 22-27.

5 Козирацкий Ю.Л., Афанасьева А.И., Гревцев А.И и др. Обнаружение и координатометрия оптико-электронных средств, оценка параметров их сигналов. / Ю.Л. Козирацкий, А.И. Афанасьева, А.И. Гревцев и др. М.: «ЗАО «Издательство «Радиотехника», 2015. 456 с.

Изобретение относится к области оптико-электронной техники и касается способа скрытия оптико-электронных средств от лазерных локационных систем. Способ включает в себя измерение параметров принимаемого оптического излучения, различение по их значениям параметров спонтанного излучения передающего канала лазерного локационного средства, предшествующего основному, регистрацию момента времени приема спонтанного излучения t_C и определение момента времени прихода t_O основного излучения передающего канала лазерного локационного средства. По значениям параметров спонтанного излучения определяют N координат местоположения локальных зон отражения от основной отражающей поверхности оптико-электронного прибора. Из N координат локальных зон отражения выбирают координаты центральной локальной зоны и координаты М=2 периферийных соседних локальных зон. Координаты выбранных локальных зон отражения пересчитывают в координаты установки М+1 поглощающих экранов на входной апертуре оптико-электронного прибора, рассчитывают площадь экранов и устанавливают их за время Δt < t_C - t_O на входной апертуре оптико-электронного прибора. Технический результат заключается в повышении эффективности скрытия и уменьшении энергетических потерь полезного сигнала во время экранирования апертуры. 3 ил.

Способ скрытия оптико-электронных средств от лазерных локационных систем, основанный на приеме оптического излучения оптико-электронным прибором, измерении параметров принимаемого оптического излучения, различении по их значениям параметров спонтанного излучения передающего канала лазерного локационного средства, предшествующего основному, регистрации момента времени приема спонтанного излучения передающего канала лазерного локационного средства t_C и определении момента времени прихода t_O основного излучения передающего канала лазерного локационного средства, отличающийся тем, что по значениям параметров спонтанного излучения определяют N локальных зон отражения от основной отражающей поверхности оптико-электронного прибора и N координат их местоположения, выбирают из N координат локальных зон отражения от основной отражающей поверхности оптико-электронного прибора координаты центральной локальной зоны и координаты М=2 периферийных соседних локальных зон, пересчитывают выбранные координаты локальных зон отражения от основной отражающей поверхности оптико-электронного прибора в координаты установки М+1 поглощающих экранов на входной апертуре оптико-электронного прибора, устанавливают за время Δt < t_C - t_O на входной апертуре оптико-электронного прибора М+1 поглощающих экранов, каждый площадью S в свои координаты установки, при этом , - радиус поглощающего экрана, ƒ - фокусное расстояние объектива ОЭП, Δ - расстояние расположения основной отражающей поверхности относительно точки фокуса объектива ОЭП, λ_мах - максимальная длина волны пропускания оптического излучения объектива ОЭП, поглощают М+1 поглощающими экранами часть излучения лазерного локационного средства отраженного от основной поверхности отражения оптико-электронного прибора.