Аналіз застосування екіпажами вертольотів сучасних окулярів нічного бачення на основі електронно-оптичного перетворювача. Перспективні оптоелектронні системи спостереження та повітряної розвідки для вертольотів

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Державний науково-дослідний інститут випробувань і сертифікації озброєння та військової техніки

Аналіз застосування екіпажами вертольотів сучасних окулярів нічного бачення на основі електронно-оптичного перетворювача. Перспективні оптоелектронні системи спостереження та повітряної розвідки для вертольотів

Кузьміч О.Є.

Кузнецов В.О.

Андрушко М.В.

Анотація

Ключові слова: окуляри нічного бачення, цифрові системи, оптоелектронні системи.

Annotation

Analysis of application of contemporary night vision goggles on the basis of electronic-optical converter by the helicopter crews. Prospective helicopter optoelectronic systems of aerial reconnaissance/surveillance

O. Kuzmich, V. Kuznetsov, M. Andrushko

The paper studies the matters of using of night vision goggles by the helicopter crews of the State Aviation of Ukraine. The analysis of the perspective systems that can replace night vision goggles based on electronic-optical converter and provide round-the-clock and all-weather flights, landing of the helicopter on unprepared and unlit areas in poor visibility was treated.

Keywords: night vision goggles, digital systems, optoelectronic systems.

Постановка проблеми

Аналіз останніх операцій багатонаціональних сил, США і НАТО та події в Сирії і на сході України показали сьогоденну потребу застосування бойових і транспортних вертольотів вночі та в умовах поганої видимості (туман, димка тощо). Використання окулярів нічного бачення (ОНБ) частково розв'язує дану задачу, але вони мають декілька суттєвих недоліків і обмежень. Метою дослідження ставилось проведення аналізу наявних та перспективних систем, які здатні забезпечити впевнене застосування вертольотів для виконання складних завдань вночі та в умовах поганої видимості на гранично малих висотах і визначення можливих шляхів усунення недоліків.

Викладення основного матеріалу

На даний час практика застосування бойових та транспортних вертольотів передбачає більш поширене їх використання в темний час доби (ведення бойових дій, доставлення вантажів, пошуково-рятувальні операції). З причини низького рівня освітленості, до недавнього часу, виконання більшості завдань з виявлення цілей вночі було пов'язано з необхідністю штучного підсвічування цих цілей, але в ряді випадків таке підсвічування погіршує видимість через непрозорий шар атмосфери, що світиться, або просто неможливо. За оцінкою фахівців, оснащення вертольотів ОНБ дозволило підвищити ефективність їх застосування на 40% внаслідок спостереження екіпажем вертольоту закабінного простору в умовах природного нічного освітлення [1].

Але, пілотування вертольоту в темний час доби з використанням ОНБ призводить до суттєвого збільшення психофізіологічного навантаження на льотний склад, що дозволяє віднести умови їх професійної діяльності в цей період до екстремальних. За оцінками льотного складу армійської авіації, понад 30% авіаційних подій і інцидентів відмічено при пілотуванні вертольотів з використанням ОНБ. Ці події напряму пов'язані з недосконалістю ОНБ і світлотехнічного обладнання (СТО), адаптованого до їх застосування [2, 3].

Слід звернути увагу на неможливість безпечного, ефективного застосування ОНБ в умовах низького рівня нічного природного освітлення (наявність хмар, відсутність місяця та зірок на небі). Взагалі їх використання малоефективне за наявності в повітрі сторонніх домішок, які розсіюють природне нічне освітлення. Дальність спостереження наземних об'єктів при застосуванні ОНБ прямо залежить від якості адаптації СТО та від конструктивних особливостей кабіни вертольоту. ОНБ встановлюються на передню частину захисного шолома льотчика і тим самим створюється додаткове навантаження на пілота. Сукупність цих факторів призводить до перевтоми членів екіпажу вертольоту, що негативно впливає на безпеку польоту.

Крім того, необхідно зазначити, що всі прилади нічного бачення мають залежність технічних параметрів від умов нічної освітленості.

Для розуміння причин зазначених недоліків та визначення шляхів подолання необхідно розглянути принцип їх побудови. Принцип дії класичного приладу нічного бачення (ПНБ) заснований на перетворенні ІЧ-випромінювання, створюваного на спостерігаємому об'єкті світінням нічного неба, зірками і місяцем у видиме світло. Головною ознакою, за якою розрізняють покоління ПНБ, є їх основний елемент - електронно-оптичний перетворювач (ЕОП). Він служить для перетворення невидимого для людського ока зображення у видиме та посилення його за яскравістю. Разом з тим ЕОП - підсилювач яскравості другого покоління дозволив відмовитися від активної підсвітки. З'явилась можливість, при збереженні основної технологічної характеристики ПНБ - дальності виявлення, принципово зменшити їх розміри, працювати в умовах зоряного неба та підвищити витривалість приладів до засвітлення.

Основні недоліки ОНБ пов'язані з особливостями роботи ЕОП на основі яких вони побудовані. Одним із суттєвих недоліків ЕОП, що існує, є досить низька роздільна здатність, яку вони можуть забезпечити, до 50 штрих/мм. Саме цей параметр не дозволяє використовувати дані ОНБ в умовах, наприклад, наявності диму, туману тощо. Низька роздільна здатність, яку можуть вони забезпечити, пов'язана зі здатністю руху потоку електронів у вакуумі, особливо при виході електронів в зону вакууму.

Другим, за важливістю, недоліком є особливість роботи ЕОП при наявності бокового світла від приладового обладнання вертольоту або інтенсивного спалаху світла у зоні спостереження. Дана особливість призводить до короткочасної втрати видимості закабінного простору екіпажем вертольоту, що недопустимо на малих висотах польоту.

У перспективі шляхом використання новітніх матеріалів при побудові ЕОП вказані недоліки можливо буде усунути, але на даний час перспективні альтернативні системи побудовані на інших фізичних принципах.

Розглянемо цифрові системи нічного бачення, які являють собою телевізійні системи. окуляри нічний бачення вертольот видимість

На даний час досить широке розповсюдження отримали низько рівневі телевізійні системи спостереження та прицілювання.

Вони виконані на основі гібридно-модульних перетворювачів зображення (ГМП): ЕОП і матриця ПЗЗ (прилад із зарядним зв'язком) сполучені один з одним за допомогою лінзової оптики або фокону. Побудова ГМП можлива також на базі ЕОП, замість екрана якого встановлена матриця ПЗЗ. Це дозволяє відмовитися від застосування оптики перенесення та значно підвищує якість зображення в ГМП. За останні роки досягнуто значного прогресу в області створення матриць ПЗЗ з підвищеною чутливістю, що дозволяє відмовитися від застосування ЕОП. ОНБ, виконані на базі тільки матриць ПЗЗ без застосування ЕОП, мають назву цифрові ОНБ.

Перевагами цифрових ОНБ є:

- підвищена якість зображення (роздільна здатність, контрастність) через відсутність ЕОП, що дає можливість зменшення маси та вартості виробу;

- можливість при певному освітленні отримати кольорове зображення;

- забезпечення розпізнавання зображення об'єкту на фоні оточення та можливість надавати відеоінформацію на зовнішні реєструючі пристрої.

Справедливо буде відмітити, що наряду з явними перевагами цифрових ОНБ, є і ряд недоліків: на жаль вони не можуть ефективно працювати в умовах досить низького нічного природного освітлення, при низькій прозорості атмосфери (димка, туман, дощ, снігопад та інше) та при впливі деяких видів світлових перешкод.

Водночас тепловізійні прилади (ТВП) можуть працювати незалежно від ступеню прозорості атмосфери, при впливі світлових перешкод та незалежно від рівня природного освітлення (цілодобово, в повній темноті), світлотехнічних контрастів об'єкту і фону.

Проте в порівняні з цифровими приладами вони мають гіршу геометричну роздільну здатність, специфічний характер відображення та слабку деталізацію.

У зв'язку з цим, доцільно звернути увагу на багатоканальні системи, в яких недоліки одного каналу будуть компенсуватися перевагами іншого.

До таких систем можна віднести оптико-електронні системи (ОЕС), які являють собою складні приладові комплекси. Вони конструктивно складаються з різних за фізичним принципом каналів, функціонально пов'язаних один з одним, з бортовими системами зв'язку, навігації, бортовим комп'ютером, різноманітними датчиками, системами озброєння.

Вони є одним з важливіших компонентів забезпечення бойових дій в денних і нічних умовах та при поганій видимості.

Вертольотні ОЕС можуть бути встановлені в різних місцях: у передній турелі вертольоту, зовні безпосередньо на його кабіні, на щоглі над гвинтом, збоку на лівому чи правому борту. До складу ОЕС можуть входити: тепловізійний прилад, денна телевізійна система, низько рівнева телевізійна система (НРТС) для роботи при низьких рівнях освітленості (сутінки, ніч), лазерний покажчик цілі - далекомір, радіолокаційна станція - усі разом або їх різні комбінації, функціонально пов'язані з пристроєм гідростабілізації. Крім цього до складу індикаторної частини ОЕС входить начільний дисплей пілота, виконаний у вигляді комбінованого пристрою, який встановлюється на шолом - так званий нашоломний пристрій індикації (НПІ) або (для нічних польотів) у вигляді ОНБ.

На НПІ може виводитися синтезоване зображення рельєфу. Завдяки цьому пілот зберігає ефективний візуальний контроль польоту вночі та в умовах поганої видимості.

Здатність виводити в поле зору пілота синтезоване зображення надає надзвичайні можливості. Дозволяє бачити власними очима те, що пілот не в змозі бачити, дозволяє дивитися крізь елементи конструкції повітряного судна або спостерігати у віртуальне дзеркало задню півсферу.

Необхідність великої кількості каналів, що входять до ОЕС, обумовлено різноманіттям завдань, які вирішуються за її допомогою, а також недосконалістю кожного окремого каналу. Це змушує об'єднувати їх для підвищення ефективності самих ОЕС.

Це можна відмітити, як деякий недолік даної системи.

У якості денного оптичного каналу доцільно використовувати денну телевізійну систему (ТВС), яка дозволяє дублювати зображення іншим членам екіпажу вертольоту та здійснювати реєстрацію відеоінформації на бортові накопичувачі [4]. Для безпечного пілотування вертольоту вночі до складу ОЕС додають НРТС, вона відрізняється від денної наявністю на вході ЕОП, що підвищує її чутливість у 10⁴-10⁵ разів. Внаслідок наявності автомату діафрагмування об'єктиву у складі НРТС та роботи пристрою автоматичного регулювання яскравості в її електронному каналі система спроможна працювати і в день, але наявність ЕОП погіршує якість зображення телевізійної системи і перетворює її з кольорової в монохромну та ЕОП має обмежений ресурс. Тому НРТС використовують тільки в сутінках та вночі. Основним недоліком ТВС є низька ефективність при зниженій прозорості атмосфери. Для збереження можливості спостереження простору за кабіною, як при нормальній, так і при зниженій прозорості атмосфери, навіть за наявності диму додатково до ТВС встановлюють тепловізори, які працюють в більш сприятливій області спектру.

Тепловізори (ТПВ) для отримання інформації використовують власне випромінювання нагрітих тіл, яке не залежить від часу доби та освітленості. Випромінювання теплової енергії властиво усім об'єктам, температура яких більша цілковитого нуля за шкалою Кельвіна. Тобто, за допомогою ТВП можна спостерігати всі тіла та об'єкти в спектрі їх власного випромінювання, в області довжин хвиль, які відповідають робочому діапазону цих приладів.

Наявність в складі ОЕС лазерного далекоміра дозволяє здійснювати точне вимірювання дальності до об'єкта, що спостерігається. За допомогою спеціальної системи, що спостерігає, лазерний промінь утримується на об'єкті спостереження під час польоту вертольоту. Лазерний далекомір може підсвічувати цілі для інших вертольотів та операторів наземних комплексів враження. Сучасні далекоміри мають безпечну для зору довжину хвилі, яка дозволяє їй краще проходити крізь обмежено прозору атмосферу та навіть дим.

Радіолокаційний канал використовується для виявлення віддалених об'єктів, вимірювання дальності до них та координат. Нажаль даний канал має відносно невелику роздільну здатність, що обумовлено роботою в міліметровому діапазоні хвиль. Перевагою даного каналу є висока працездатність в умовах низької прозорості атмосфери, але для розпізнання об'єктів необхідний телевізійний і тепловізійний канал.

До складу ОЕС може бути включений лазерний локатор, що сканує, для забезпечування виявлення небезпечних перешкод на поверхні землі (лінії електропередачі, вежі зв'язку та інше) та дозволяє здійснювати сліпу посадку вертольоту [5].

Для запобігання зміщенню зображення під час польоту усі канали ОЕС розташовують на гіростабілізованій платформі, яка розміщується в обтічному корпусі сферичної форми. Стабільність положення зображення в полі зору ОЕС прямо залежить від точності стабілізації. Підвищення точності автоматичної стабілізації сприяє виключенню перешкод, пов'язаних з тремтінням та зміщенням зображення під час польоту вертольоту.

Для пошуку та виявлення об'єктів використовується більш широкий кут поля зору при малому збільшенні, а при розпізнанні об'єктів кут поля зору звужується та підвищується збільшення для впевненого спостереження характерних елементів об'єкту. У сучасних ОЄС відбувається автоматична зміна кутів поля зору під час наближення вертольоту до об'єкта спостереження. При цьому можлива зміна масштабу зображення, як на всьому полі зору, так і на локальній його ділянці, де спостерігається об'єкт. Зміна збільшення, і відповідно, кута поля зору досягається як дискретною або плавною зміною фокусної відстані об'єктиву каналу, так і масштабуванням за допомогою електронної частини каналу. Система може забезпечувати автоматичне ведення відеореєстрації і фотографування об'єктів з визначенням дальності, координат, розподілу температури в межах контуру об'єкта та вздовж всього ландшафту, що спостерігається.

Для збереження спостереження об'єкту під час взаємного переміщення об'єкту та вертольоту ЕОС має систему, що слідкує. Вона, за допомогою бортової електронно- обчислювальної машини (БЕОМ), безперервно, в автоматичному режимі, слідкує за положенням об'єкту в полі зору ЕОС поєднуючи з ним лінію візування. Спеціальні датчики системи позиціювання, розміщені на борту вертольота, слідкують за кутом повороту голови льотчика та видають інформацію для корекції лінії візування ЕОС, тобто ЕОС розгортає платформу з розташованими на ній каналами спостереження в напрямку погляду пілота вертольота. Це дозволяє за допомогою ЕОС здійснювати прицілювання та наведення на об'єкт керованої ракетної зброї. БЕОМ виконує ще одне важливе завдання - обробляє, комплектує та видає на шоломний екран пілотажно-навігаційну і сукупну покращену відеоінформацію.

За допомогою нашоломного екрана, на який виводиться інформація від ЕОС, пілот спостерігає за навколишньою місцевістю. При цьому генератор символів, що керується, БЕОМ відображає необхідні пілотажні дані. БЕОМ, за допомогою бортових датчиків, в реальному масштабі часу надає необхідні корегуючі правки в тонову карту, що формується цифровим методом та виводиться разом із пілотажною інформацією на оглядовий щиток шолому. На нього ж виводиться покращене зображення від каналів ОЕС. Система датчиків, встановлених на борту вертольота та випромінювачів на шоломі льотчика, видає сигнал управління в систему позиціювання ОЕС і в систему керування зброєю. Завдяки цьому, пілоту вертольота достатньо повернути голову для зміни напряму лінії візування та поєднати візирний знак з зображенням цілі та відкрити вогонь.

Основні зусилля при вдосконаленні ОЕП направлені на їх функціонування незалежно від часу доби та погодних умов, наявності завад природного і штучного походження та застосування засобів маскування.

Таким чином, основним шляхом усунення недоліків ОНБ, що існують, є покращення експлуатаційних характеристик ОНБ внаслідок використання ОЕП наступних поколінь, які будуть спроможні забезпечити комфортну роботу екіпажу вертольота при досить низьких рівнях освітленості навколишнього середовища.

Слід зазначити ряд переваг ОЕС, які на теперішній час не досяжні для ОНБ:

- ОЕС не потребують доопрацювання світлотехнічного обладнання вертольоту; застосування ОЕС не приводить до швидкої втоми зору членів екіпажу вертольоту під час виконання польотів у темний час доби;

- багатоканальні ОЕС не мають обмежень за прозоростю атмосфери; сучасні ОЕС в поєднанні з бортовими комплексами вертольоту здатні забезпечити впевнене спостереження, наведення зброї і ведення розвідки екіпажем вертольоту в різних умовах видимості та в будь-який час доби.

Висновки

Отже, забезпечити виконання бойової задачі можливо тільки при об'єднанні в одній схемі каналів, які працюють в різних спектральних діапазонах та шляхом комбінування приладів виявлення.

Можливо констатувати, що попри безперечні переваги оптико-електронних систем над окулярами нічного бачення, при здійсненні вибору на користь встановлення на вертоліт оптико-електронних систем треба враховувати значно більшу вартість оптико-електронних систем відносно окулярів нічного бачення. Тому, доцільність встановлення оптико-електронних систем треба визначати, виходячи з обсягу завдань за призначенням, які планується надалі виконувати конкретному вертольоту.

Список літератури

1. Волков В.Г. Активно-импульсные вертолетные очки ночного видения / В.Г. Волков. - Москва: Вестник МГТУ им. Баумана “Приборостроение”, 2011.

2. Маслов С.В. Анализ рисков безопасности полётов при использовании лётным составом вертолётов очков ночного видения / С.В. Маслов, А.А. Есев. // Журнал “Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций”. - 2011. - № 1. - С. 20-24.

3. Гейхман И.Л. Видение и безопасность / И.Л. Гейхман, В.Г. Волков. - Москва: Новости, 2009. - 840 с.

4. Алешин Б.С. Оптические прибори наблюдения, обработки и распознания объектов в сложных условиях / Б.С. Алешин, А.В. Бондаренко и др. - Москва: ГНИИАС, 1999. - 139 с.

5. Гончаров С.А. Основы построения лазерных и оптико-электронных информационных систем / С.А. Гончаров, С.В. Москвитин, В.П. Трикоз. - Харьков: ХВУ, 1994. - 286 с.

Размещено на allbest.ru