Способ оценки электромагнитной совместимости объектовых оптико-электронных средств и выработки рекомендаций по её обеспечению Российский патент 2023 года по МПК H04B10/07 

Способ относится к области радиоэлектронной борьбы, а более конкретно - к обеспечению совместной беспомеховой работы различных объектовых оптико-электронных средств в условиях их одновременного использования.

Широкое распространение различных типов радиоэлектронного оборудования в составе оснащения многих объектов, особенно военного назначения, породило проблему обеспечения их совместного применения в условиях непреднамеренных взаимных помех, т.е. обеспечения их электромагнитной совместимости (ЭМС). Согласно [1] под электромагнитной совместимостью радиоэлектронных средств понимается их способность одновременно функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством при воздействии на них непреднамеренных радиопомех и не создавать недопустимых радиопомех другим радиоэлектронным средствам. До настоящего времени работы в этом направлении велись исключительно применительно к обеспечению ЭМС радиоэлектронных средств радиотехнического диапазона частот электромагнитного спектра. Для этого разработан ряд нормативных документов, изучены причины возникновения непреднамеренных помех, обоснованы организационные и технические меры уменьшения их влияния (например [2, 3, 4]). В качестве источников непреднамеренных помех рассматриваются главным образом токи наводки по электрическим цепям, внеполосные побочные излучения, боковые лепестки диаграмм направленности, переотражения от конструктивных элементов объектов.

Международным регламентом радиосвязи периодически устанавливается верхняя граница спектра частот, регулируемая в международном масштабе и определяющая границы применимости требований по обеспечению ЭМС. Если в 1927 году верхняя граница частот составляла 60 МГц, то в настоящее время она равна 400 ГГц. Поэтому на РЭС оптического диапазона частот действующие нормативные документы по обеспечению ЭМС не распространяются. Кроме того, ввиду ограниченности применения ОЭС до недавнего времени не возникало потребности в оценке и обеспечении их ЭМС. Однако в последние годы масштабы применения ОЭС значительно расширились. Например, в составе вооружения современных кораблей насчитывается более 10 типов монохроматических и полихроматических ОЭС, решающих задачи освещения обстановки, обнаружения и сопровождения целей, навигации, привода и посадки летательных аппаратов, дальнометрирования и целеуказания, РЭБ и др., работающих в различных участках оптического диапазона частот, от ультрафиолетового до длинноволнового инфракрасного.

Необходимость учета взаимных помех, возникающих за счет распространения оптического излучения в атмосфере впервые была отмечена в связи с применением прожекторных устройств в период Великой Отечественной войны. В частности, в [5,6] отмечалось, что ввиду помех, возникающих из-за обратно рассеянного в атмосфере излучения прожектора, оптимальные условия восприятия наблюдателем освещаемой цели будут в том случае, если наблюдатель располагается впереди и/или несколько сбоку от прожектора, ближе к противнику.

В известных литературных источниках, даже если и рассматриваются вопросы обеспечения работы ОЭС в условиях непреднамеренных помех, речь идет о помехах за счет наводок в электросетях [7], а не за счет рассеяния излучения в среде распространения. Дело в том, что природа взаимных помех, создаваемых за счет распространения излучения в среде распространения, для средств радиотехнического и оптического диапазонов принципиально различается. Обусловлено это тем, что у средств оптического диапазона отсутствуют такие составляющие взаимного помехового влияния, как побочные излучения и боковые лепестки диаграмм направленности антенн, характерные для средств радиотехнического диапазона длин волн. В то же время в оптическом диапазоне взаимное помеховое воздействие ОЭС, размещенных на одном объекте, определяется обратным рассеянием излучения в атмосфере, которое пренебрежимо мало и практически не учитывается при работе средств радиотехнического диапазона.

Практика обеспечения ЭМС на объектах оснащенных значительным количеством радиоэлектронных средств показывает, что оценка ЭМС и выработка рекомендаций по исключению влияния непреднамеренных помех должны осуществляться еще на этапах проектирования средств и объектов, так как выявление и устранение уже реализованных помеховых воздействий является значительно более затратным, чем их упреждение.

Известно несколько достаточно близких вариантов методического подхода к обеспечению ЭМС РЭС, расположенных на одном объекте [8, 9]. Наиболее полно методы анализа и обеспечения ЭМС объектовых РЭС изложены в [10], принятом в качестве прототипа. Согласно прототипу анализ ЭМС РЭС, расположенных на одном объекте предусматривает ряд последовательных действий, заключающихся в частотном анализе РЭС, расчете энергетических характеристик помех, расчете допустимой мощности помех, расчете развязки между близко расположенными антеннами. В качестве мер обеспечения внутриобъектовой ЭМС рассматривают выбор рабочих частот, технические меры уменьшения помех, повышение развязки между антеннами.

В общем случае изложенный в прототипе [10] методический подход применим к анализу и обеспечению ЭМС РЭС любых типов, однако приведенная в прототипе, как и в других известных литературных источниках, его конкретная реализация предусматривает возможность проведения оценок и выработки рекомендаций по ЭМС только применительно к РЭС радиотехнического диапазона частот и не может быть применена к ОЭС.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении эффективности применения объектовых ОЭС в условиях воздействия непреднамеренных помех, обусловленных обратным рассеянием оптического излучения в атмосфере.

Для достижения указанного технического результата используется в целом тот же методический подход, что и в прототипе, однако содержание действий по оценке ЭМС и ее обеспечению принципиально отличается от прототипа, так как основывается на учете специфики работы ОЭС и влияния обратного рассеяния оптического излучения в атмосфере.

При выполнении частотного анализа объектовых ОЭС с целью выявления потенциально опасных источников непреднамеренных помех и выработки рекомендаций по их частотному разносу с другими ОЭС следует учитывать, что в оптическом диапазоне такие возможности крайне ограничены, а зачастую и невозможны. Так подавляющее большинство современных отечественных и зарубежных лазерных дальномеров и целеуказателей работают на длине волны 1,06 мкм; все тепловизионные системы работают в одних и тех же окнах прозрачности атмосферы 3…5 и 8…14 мкм; телевизионные системы, а также системы привода и посадки летательных аппаратов - в видимом диапазоне длин волн 0,35…0,7 мкм; приборы ночного видения - в диапазоне 0,9…1,1 мкм. Средства РЭБ оптического диапазона ОЭС работают во всех перечисленных диапазонах длин волн, так как в них работают не только отечественные, но и подлежащие подавлению ОЭС противника. В силу указанных причин частотный анализ ОЭС оставляет крайне мало простора для выбора рабочих частотных диапазонов, исключающих взаимные помехи. В то же время существуют весьма значимые возможности по временному и территориальному разносу работы ОЭС. На основании анализа осуществимости такого разноса могут быть сделаны выводы о потенциальном наличии или отсутствии взаимных помех.

В частности, некоторые ОЭС рассчитаны на использование только в определенных временных условиях. Так тепловизионные системы, работающие в спектральном диапазоне 8…14 мкм, рассчитаны на применение в ночных условиях. К этим же условиям адаптированы ночные телевизионные каналы. Поэтому они не будут подвержены помехам, создаваемым оптическими излучателями, работающими в тех же спектральных диапазонах, но используемыми только в дневных условиях. И наоборот, излучатели, используемые только в ночных условиях, например огни навигационных ночных систем обеспечения совместного плавания, не будут создавать помех приемным каналам дневных ОЭС. Проведение такого анализа ОЭС позволяет исключить для ряда средств необходимость дальнейшего рассмотрения мероприятий по обеспечению их ЭМС.

Еще одним специфическим свойством ОЭС, в значительной степени определяющим возможность их совместного беспомехового применения в условиях объекта, является детерминированность диаграмм направленности излучающих и приемных устройств и отсутствие боковых лепестков диаграмм. Это свойство ОЭС, а также в ряде случаев исключительно малые угловые размеры диаграмм направленности, измеряемые единицами и долями градусов, создают условия для территориального разноса ОЭС. При этом территориальный разнос для обеспечения ЭМС может осуществляться как за счет выбора мест размещения на объекте приемных и передающих антенных устройств различных ОЭС, так и за счет назначения им рабочих секторов. В обоих случаях определяющим условием является исключение попадания в диаграммы приемных устройств одних ОЭС рассеянного в обратном направлении излучения передающих устройств других ОЭС, работающих в тех же частотных диапазонах. Примером такой ситуации является одновременное использование работающих в одинаковых частотных диапазонах огней корабельной визуальной системы привода и посадки летательных аппаратов, всегда ориентированной в направлении кормовых углов, и телевизионной системы наблюдения за надводной обстановкой в целях обеспечения навигационной безопасности, всегда ориентированной по курсу корабля.

В тех случаях, если за счет пространственного разноса ОЭС не удается избежать попадания рассеянного в обратном направлении излучения одних ОЭС в поле зрения приемных устройств других ОЭС, в качестве следующего шага необходимо проведение расчета энергетических характеристик помехи с целью определения допустимости уровня помехового сигнала для работы подверженного помехе ОЭС или оценки степени воздействия помехи на эффективность его применения.

Расчет энергетического уровня сигнала, рассеянного в обратном направлении вдоль трассы распространения луча (послойной яркости обратного светорассеяния) B_L2-L1 может быть выполнен с использованием известного расчетного выражения [11]:

где

ψ(θ₁₈₀) - коэффициент обратного рассеяния для рассматриваемого

спектрального диапазона излучения и принятой метеорологической дальности видимости (МДВ);

ρ - показатель рассеяния для рассматриваемого спектрального диапазона излучения и принятой МДВ;

I₀ - энергия излучения активного канала;

L₁ и L₂ - соответственно ближняя и дальняя границы участка трассы распространения луча, попадающего в поле зрения приемного устройства.

Приведенное выражение (1) применимо для всех возможных градаций однородного помутнения: от тумана до релеевской атмосферы. Значения ψ(θ₁₈₀) и ρ для различных МДВ и длин волн излучения содержатся в [11] и других справочных источниках.

С использованием приведенного выражения (1) могут быть выполнены расчеты по определению энергетического уровня рассеянного в обратном направлении сигнала как в целом для всей трассы распространения излучения (от L₁≈0 до L₂≈∞), так и для отдельных задаваемых участков трассы от L₁ до L₂. Такие расчеты, проведенные для различных условий МДВ и оптических спектральных диапазонов, показывают, что на расстоянии 20-25 метров от излучателя в обратном направлении рассеивается до 95% энергии помехового сигнала. Вклад всех остальных участков трассы распространения излучения составляет менее 5%. Очевидно, что с целью уменьшения взаимного влияния ОЭС должны размещаться и ориентироваться таким образом, чтобы лучи излучателя одной ОЭС и приемника другой ОЭС пересекались на удалении, обеспечивающем приемлемый уровень помехового сигнала.

Учитывая отмеченные выше специфические особенности диаграмм направленности передающих и приемных каналов ОЭС, участок трассы распространения луча одного ОЭС, попадающий в поле зрения приемника другого ОЭС может быть определен из простых геометрических соотношений, иллюстрируемых прилагаемым чертежом Фиг. 1, где точка А - место расположения излучателя ОЭС, создающего помеху; точка В - место расположения приемного устройства, подверженного помеховому воздействию; угол α - угол расходимости излучаемого потока; угол β - угол поля зрения приемного устройства; дистанция L_тр - протяженность трассы излучаемого потока, не попадающая в поле зрения приемного устройства; расстояния h₁ и h₂ - соответственно половины линейных размеров излучаемого потока и поля зрения приемного устройства на дистанции L_тр.

Для приведенной схемы расположения расстояние h между точками А и В, обеспечивающее непопадание зоны максимальной яркости луча в поле зрения фотоприемного устройства, даже при их работе по одной и той же цели, определяется как h=h₁+h₂.

При этом:

По формуле (1) могут быть выполнены расчеты по определению дистанции L_тр, на которой энергетический уровень рассеянного в обратном направлении сигнала будет приемлемым для функционирования приемного устройства (например, обеспечивается требуемое отношение помеха/сигнал или уровень помехи ниже порога чувствительности приемника). Для этой дистанции L_тp и известных значений α и β по формулам (2) может быть определена требуемая величина территориального разноса передающего и приемного устройств h. Например, для двух типовых лазерных дальномеров, работающих на одной и той же длине волны в направлении одной цели, требуемый разнос составляет 1…2 метра, что в пределах одного объекта вполне может быть обеспечено. По аналогичной схеме могут быть выполнены оценки воздействия помех и требуемого пространственного разноса для других типов ОЭС, работающих в других частотных диапазонах.

Однако не исключено, что уровни помеховых сигналов, возникающих за счет обратного рассеяния, на трассе распространения луча будут превышать пороговую чувствительность приемных каналов или допустимое значение отношения помеха/сигнал, а пространственным разносом передающего и приемного каналов вопрос не решается. В таких случаях возможно принятие технических и организационных мер по исключению или уменьшению помехового воздействия. Например, в такой ситуации распространения луча одного лазерного дальномера, работающего на длине волны излучения 1,06 мкм, в поле зрения приемного канала другого дальномера, работающего на этой же длине волны, может вызвать помеховое воздействие, проявляющееся в виде ложных отсчетов дальности (ложных тревог). Учитывая, что излучение различных лазерных дальномеров не синхронизировано, моменты появления помеховых сигналов на входах приемных каналов могут рассматриваться как случайные. При этом условии вероятность попадания помехового сигнала, создаваемого излучением одного лазерного дальномера, на вход приемного устройства другого лазерного дальномера может рассматриваться как вероятность совпадения импульсов двух детерминированных потоков. Согласно [12] вероятность такого события может быть определена при помощи выражения:

где P(T₁) - априорная вероятность совпадения за время T₁ импульсов первого и второго потоков (T₁ - период следования импульсов первого потока);

τ₁ и τ₂ - соответственно длительности импульсов первого и второго потоков;

Т₂ - период следования импульсов второго потока (Т₁>T₂).

В случае применения в лазерных дальномерах такой меры помехозащиты как схемы стробирования импульсов по дальности, величины τ₁ и τ₂ составляют единицы микросекунд. При частотах повторения импульсов, измеряемых, как правило, единицами Гц, вероятности ложных тревог составят 10^-3…10^-4. Если такое значение ложной тревоги оказывается неприемлемым, в целях помехозащиты в дальномерах может быть рекомендовано применение схемы селекции импульсов по длительности. Действие такой схемы селекции основано на том, что короткие импульсы излучения дальномеров, рассеянного в обратном направлении, за счет растягивания заднего фронта имеют длительности примерно в 3 раза больше, чем импульсы, отраженные от объектов.

В ситуациях, когда мерами частотного и территориального разноса, а также применения мер помехозащиты не удается обеспечить приемлемые условия для работы ОЭС, необходимо принятие таких организационных мер, как отдание приоритета одному ОЭС перед другим, введение запретных секторов и временных интервалов для работы ОЭС, создающих помехи, установка экранов, исключающих распространение излучения в определенных направлениях.

Таким образом, заявляемый способ содержит последовательность действий и условия их проведения, направленные на оценку ЭМС объектовых ОЭС и выработку рекомендаций по ее осуществлению. Последовательность действий по применению способа заключается в следующем.

1. Составляют перечень ОЭС, размещаемых на объекте с указанием их технических характеристик, мест размещения, рабочих секторов и условий применения.

2. Выполняют частотный анализ ОЭС, на основании которого выявляются потенциально подверженные взаимным помехам средства, работающие на одних и тех же длинах волн излучения и приема или в пересекающихся спектральных диапазонах. По тем ОЭС, для которых не выявлено потенциальных источников взаимных помех, принимают решение об обеспеченности их ЭМС и их из дальнейшего рассмотрения исключают.

3. Для тех ОЭС, которые потенциально подвержены взаимным помехам, выполняют анализ условий их применения, на основании которого принимают решение об обеспеченности ЭМС тех средств, которые по условиям их применения не могут работать одновременно. Эти ОЭС также исключают из дальнейшего рассмотрения.

4 Следующим шагом является анализ оставшихся ОЭС с точки зрения мест их размещения и рабочих секторов. Если условия размещения и рабочие сектора таковы, что диаграммы направленности передающих и приемных устройств потенциально подверженных взаимным помехам ОЭС не пересекаются, принимают решение об обеспеченности их ЭМС и их исключают из дальнейшего рассмотрения.

5. Для тех потенциально подверженных взаимным помехам ОЭС, рабочие сектора которых пересекаются, исходя из мест их размещения и угловых размеров диаграмм направленности передающего канала, создающего помеху, и подверженного помеховому воздействию приемного канала производят расчеты дистанции, на которой происходит пересечение их диаграмм направленности и энергетического уровня сигнала, рассеянного в обратном направлении вдоль участка трассы распространения, попадающего в зону пересечения диаграмм. На основании сравнения уровня помехового сигнала и допустимого для работы подверженного помеховому воздействию приемного канала отношения помеха/сигнал принимают решение о необходимости принятия дополнительных мер по обеспечению ЭМС приемного канала или отсутствии такой необходимости.

6. Для тех средств, по которым требуется принятие дополнительных мер по обеспечению ЭМС, производят анализ целесообразности дополнительного использования для обеспечения их ЭМС известных методов и устройств повышения помехозащищенности, например, стробирования приемных каналов по дальности, селекции принимаемых импульсов по длительности или поляризации и др. На основании теоретических или экспериментальных оценок влияния этих мер на эффективность применения рассматриваемых ОЭС принимают решение об их достаточности или недостаточности.

7. В отношении тех средств, по которым принятие дополнительных мер недостаточно или невозможно, принимают решение о введении организационных или технических мер по запрету или временному пространственному ограничению применения таких ОЭС в опасных секторах, либо установке экранов, препятствующих распространению излучения в этих секторах.

Практическая реализуемость заявляемого способа обусловлена наличием всех необходимых исходных данных, применимостью имеющегося аналитического аппарата для проведения инженерных расчетных оценок, адекватностью обоснованных выводов и рекомендаций реальным ситуациям. С использованием заявляемого способа выполнен анализ ЭМС ОЭС, входящих в состав оборудования двух типов кораблей. Результаты испытаний кораблей подтвердили практическую реализуемость и правильность обоснованных в ходе выполнения работы оценок и рекомендаций.

Источники информации

1. ГОСТ 23611-79 «Совместимость радиоэлектронных средств электромагнитная. Термины и определения».

2. Пудовкин А.А. и др. «Электромагнитная совместимость и помехозащищенность РЭС», Тамбов, изд. ВПО «ТГТУ», 2013.

3. Нормы и правила обеспечения электромагнитной совместимости на морских подвижных объектах и методы комплексной оценки ЭМС - РД 31.64.26-00, изд. 2000 г.

4. ГОСТ В 25838-83 «Совместимость радиоэлектронных средств электромагнитная. Методы комплексной оценки электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, размещаемых на объектах и в локальных группировках».

5. Кекчеев К.Х. «Психофизиология маскировки и разведки», М., изд. «Советская наука», 1942.

6. Гершун А.А. «Принципы и приемы светомаскировки», М. -Л., изд. АН СССР, 1943.

7. Харитонов М.С. «Обеспечение электромагнитной совместимости светодиодного освещения в чрезвычайных ситуациях на объектах морской индустрии», диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 2017.

8. «Способ оценки электромагнитной совместимости бортового оборудования в составе летательного аппарата в диапазоне частот от 10 до 400 МГц», патент РФ на изобретение RU 2497282, МПК Н04В 17/00.

9. «Способ оценки электромагнитной совместимости корабельных технических средств и аппаратурный комплекс для его реализации», патент РФ на изобретение RU 2374654, МПК G 01 R 29/08.

10. Бузов А.Л. и др. «Управление радиочастотным спектром и электромагнитная совместимость радиосистем» под ред. М.А. Быховского, М., изд. Эко-Трендз, 2006, стр. 283 - 321.

11. Гаврилов В.А. «Видимость в атмосфере», Гидрометиздат, Л., 1966, стр. 197-204.

12. Седякин Н.М. «Элементы теории случайных импульсных потоков», изд. «Сов. Радио», М., 1965.

Изобретение относится к области радиоэлектронной борьбы, к обеспечению совместной беспомеховой работы различных объектовых оптико-электронных средств (ОЭС) в условиях их одновременного использования. Способ оценки электромагнитной совместимости объектовых ОЭС включает частотный анализ ОЭС для выявления подверженных взаимным помехам средств, работающих на одних и тех же длинах волн излучения и приема или в пересекающихся диапазонах, анализ условий применения устройств подверженных взаимным помехам, анализ размещения и определение рабочих секторов, определение диаграмм направленности излучающих и приемных устройств, расчет дистанции, пересечения диаграмм направленности устройств, и энергетического уровня сигнала, рассеянного в обратном направлении вдоль трассы распространения, в зоне пересечения диаграмм, сравнение уровня помехового сигнала и допустимого для работы подверженного помеховому воздействию приемного канала, при этом в качестве источника взаимных помех принимают излучение передающих устройств ОЭС, рассеянное на трассе распространения луча в обратном направлении. Технический результат - повышение эффективности применения объектовых ОЭС в условиях воздействия непреднамеренных помех, обусловленных обратным рассеянием оптического излучения в атмосфере. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ оценки электромагнитной совместимости объектовых оптико-электронных средств, предусматривающий ряд последовательных действий, заключающихся в частотном анализе оптико-электронных средств для выявления потенциально подверженных взаимным помехам средств, работающих на одних и тех же длинах волн излучения и приема или в пересекающихся спектральных диапазонах, анализ условий применения устройств потенциально подверженных взаимным помехам, анализ территориального размещения и определение рабочих секторов, определение диаграмм направленности излучающих и приемных устройств, расчет дистанции, на которой происходит пересечение диаграмм направленности устройств и расчет энергетического уровня сигнала, рассеянного в обратном направлении вдоль участка трассы распространения, попадающего в зону пересечения диаграмм, сравнение уровня помехового сигнала и допустимого для работы подверженного помеховому воздействию приемного канала, при этом в качестве источника взаимных помех принимают излучение передающих устройств оптико-электронных средств, рассеянное на трассе распространения луча в обратном направлении.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что наряду с частотным анализом объектовых оптико-электронных средств осуществляют их временной анализ, на основании которого выявляют те средства, которые хоть и функционируют в пересекающихся частотных диапазонах, но одновременная работа которых по условиям их эксплуатации исключена.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что энергетический уровень сигнала помехи рассчитывают по аналитическим выражениям

где

- коэффициент обратного рассеяния для рассматриваемого спектрального диапазона излучения и принятой метеорологической дальности видимости (МДВ);

- показатель рассеяния для рассматриваемого спектрального диапазона излучения и принятой МДВ;

I₀ - энергия излучения активного канала;

L₁ и L₂ - соответственно ближняя и дальняя границы участка трассы распространения луча, попадающего в поле зрения приемного устройства, для определения рассеянного в обратном направлении сигнала излучателя только на участке трассы распространения его луча, попадающего в поле зрения приемного устройства, подверженного воздействию помехи.