13

К вопросу об электрооптиках

Содержание:

В моих статьях по истории и теории управляемого оружия неоднократно упоминались электрооптические системы наведения: то есть наводящие оружие на изображение цели с помощью встроенной телекамеры. Это оружие обрело особенную известность после войны в Персидском Заливе (1991), когда записи атак «глазами бомбы» в сводках новостей стали практически стереотипом управляемого оружия.

К моему искреннему удивлению я выяснил, что очень многие совершенно ошибочно представляют себе работу таких систем. Существует устойчивое (неверное) мнение, что электрооптическая бомба управляется вручную. То есть оператор, наблюдая изображение, транслируемое с камеры бомбы, ведет ее в цель с помощью джойстика.

Итак, поговорим немного об электрооптиках. Должен предупредить внимательных читателей моего блога, что данный материал будет в значительной степени представлять собой компиляцию ранее уже изложенного — просто теперь собранного в одной теме.

Командное теленаведение

Первые идеи насчет телевизионного управления боеприпасом — авиабомбой, беспилотным катером или самолетом-снарядом — появились практически одновременно с самим телевидением. В теории, идея выглядела вполне заманчиво: установить на борту бомбы телевизионную камеру и передавать с нее изображение на экран оператора. Который, наблюдая цель «глазами бомбы», будет посылать по радио соответствующие команды и выведет оружие прямо в цель.

Из журнала "Техника-молодежи", выпуск 7 за 1936 год

Из журнала «Техника-молодежи», выпуск 7 за 1936 год

Однако на практике, уровень развития телевизионной аппаратуры 1920-ых и близко не подходил к необходимому. Телесистемы того времени все еще использовали механическое сканирование (с помощью вращающегося диска с прорезями, размещенного перед фотоэлементом), и получаемое изображение было маленьким и очень нечетким даже при съемках в хорошо освещенной студии — что уж говорить о полевом применении!

Только в 1930-ых, с изобретением иконоскопа (сканирующей электронно-лучевой трубки) и электронного телевидения, наметился определенный прогресс в использовании телесистем для управления вооружением. Особенно в этой области продвинулись США. В годы Второй Мировой Войны, в Америке были разработаны первые в мире компактные телекамеры — достаточно дешевые, надежные и неприхотливые, чтобы использоваться на поле боя.

Экспериментальная планирующая бомба ROBIN с телевизионной камерой в носовой части. 1943-ий год

Экспериментальная планирующая бомба ROBIN с телевизионной камерой в носовой части. 1943-ий год

Первым электрооптическим оружием, примененным на настоящем поле боя, стала американская планирующая бомба GB-4. Относившаяся к семейству управляемых бомб GB (англ. Glide Bomb, т.е. просто «планирующая бомба»), GB-4 представляла собой деревянный фюзеляж с крыльями и системой радиоуправления, нацепляемый на обычную 908-кг (2000-фунтовую) осколочно-фугасную авиабомбу.

Главной «изюминкой» проекта была телевизионная камера RCA Block I, размещавшаяся в коробчатом обтекателе под брюшком бомбы. Изображение с камеры транслировалось на экран оператора на борту самолета-носителя, который с помощью джойстика управлял бомбой. Идея была в том, что GB-4 будет запускаться по наиболее важным (и хорошо защищенным целям) с безопасного для бомбардировщика удаления.

Однако боевое применение GB-4 оказалось малоудачным. Несколько выполненных вылетов летом-осенью 1944 года закончились уничтожением церкви в Эйнцберне (шпиль которой оператор принял за трубу нефтеперерабатывающего завода), и… «злобно выглядящего дерева» на лесной опушке. Сказалось как несовершенство аппаратуры — изображение на экране все-таки было еще очень-очень примитивным, а радиопередача сигнала камеры ненадежной — так и ряд других проблем, о которых изначально не подумали.

Армия и флот США также пытались использовать телекамеры Block I и аналоги на других проектах, например, беспилотных самолетах. Программа телеуправляемых летающих бомб на основе тяжелых бомбардировщиков «Афродита/Энвил/Кастор» оказалась совершенно неудачной, но флот США добился определенного успеха с телеуправляемыми ударными беспилотниками проекта «Option» на Тихом Океане. Множество проектов телеуправляемых ракет, бомб и прочего вооружения находились в разработке, но на фронт не успели.

Помимо чисто технических проблем, вроде ненадежности аппаратуры, выявились и более фундаментальные. Управлять оружием с помощью телекамеры, жестко закрепленной в его носовой части, было крайне… неудобно. Поскольку камера двигалась вместе с бомбой, изображение на экране оператора постоянно прыгало и смещалось, что (с учетом и без того невысокого качества самого изображения) делало отслеживание цели нелегким занятием. Любой резкий поворот мог запросто привести к тому, что изображение цели выскочило бы за пределы экрана — и даже если оператор сумел бы вернуть бомбу на правильный курс, никто не мог гарантировать, что он сумеет заново идентифицировать нужную цель.

В общем и целом, идея наводить бомбу вручную, командами по радио, наблюдая за целью через телекамеру на бомбе, оказалась неработоспособной.

Простое фотоконтрастное самонаведение

Параллельно с командным теленаведением, инженеры и изобретатели работали над другой концепцией оптического наведения — фотоконтрастным самонаведением.

Французский проект самонаводящейся управляемой бомбы 1939 года

Французский проект самонаводящейся управляемой бомбы 1939 года

Идея в общем-то была проста. Если цель хорошо выделяется на окружающем фоне — светлее его или темнее — то довольно простой фотоэлемент сумеет заметить изменение интенсивности светового потока. Не составляет труда создать логический контур, который будет реагировать на резкое изменение сигнала от фотоэлементов и посылать команды автопилоту, наводя бомбу на контрастное пятно цели.

Первые идеи относительно фотоконтрастных головок самонаведения появились еще в 1930-ых во Франции и в Советском Союзе. Но эти работы не продвинулись далеко ввиду возникших технических проблем. Реализовать идею фотоконтрастного самонаведения в итоге сумели опять-таки американцы: в рамках уже знакомой программы GB были разработаны несколько типов бомб, использовавших принцип наведения на контрастное пятно. Однако несмотря на достаточно неплохие результаты испытаний, на вооружение фотоконтрастно-наводящиеся бомбы в то время так и не поступили.

Модель фотоконтрастно самонаводящейся бомбы GB-5 в аэродинамической трубе

Модель фотоконтрастно самонаводящейся бомбы GB-5 в аэродинамической трубе

Главной проблемой фотоконтрастного самонаведения оказалось то, что цели для него требовались уж слишком специфические. Отдельно стоящие здания посреди ровной, монотонной поверхности встречались довольно редко — а наличие в поле зрения головки самонаведения сразу нескольких контрастных пятен неминуемо сбило бы автоматику с толку. Вдобавок такое оружие сильно зависело от условий видимости, прозрачности воздуха, его легко могли сбить с толку облака дыма или пыли. Теоретически, фотоконтрастное самонаведение могло бы эффективно работать против кораблей в открытом море (монотонная, хорошо отражающая поверхность), но радар для этой цели подходил лучше.

Намного более успешной оказалась идея наводиться на яркое пятно на темном фоне, реализованная в планирующей бомбе GB-13. Это оружие предназначалось для атаки «подсвеченных» осветительными бомбами целей ночью, в условиях затемнения. Идея заключалась в том, что небольшой быстроходный самолет (например, бомбардировщик «Москито») выйдет на затемненную цель вслепую, по сигналам системы радионавигации, и «пометит» ее, сбросив яркие световые сигналы. Одновременно с этим, армада тяжелых бомбардировщиков запустит с безопасного удаления планирующие бомбы — которые пойдут на яркие точки световых сигналов и поразят цель. Рассматривалась также возможность поместить световой сигнал непосредственно на цель, усилиями партизан или отрядов коммандос. Серия испытаний в 1944 году продемонстрировала неожиданно хорошие результаты… но в итоге было сочтено, что идея недостаточно перспективна.

Таким образом, хотя в годы Второй Мировой был достигнут значимый прогресс в области оптико-электронного наведения, практические результаты были относительно невелики. Несовершенство телевизионной технологии (как и общее несовершенство технологий самонаведения) ограничило его применение экспериментами — подчас впечатляющими, но не более.

Электрооптическое фотоконтрастное самонаведение

Следующий шаг в истории электрооптического оружия был сделан уже в 1950-ых. И в общем-то случайно. Инициатива принадлежала группе гражданских специалистов-электронщиков, работавших по контракту на ракетном полигоне Чина Лэйк. Народ это был увлекающийся и полный энтузиазма, обожающий мастерить всякие электронные поделки и игрушки. Один из них, инженер Норман Кей, как-то забавы ради создал простенький логический контур, который мог «захватить» часть изображения на экране телевизора, и «сопровождать» его яркой светящейся точкой.

К вопросу об электрооптиках

Из этой электронной игрушки родилась идея принципиально нового метода контрастного самонаведения. Логическая система бомбы «запоминала» положение контрастного пятна в поле зрения камеры, и вырабатывала команды для управляющих камерой сервоприводов так, чтобы оптическая ось камеры была постоянно нацелена на это пятно.

Сама камера размещалась на гироскопически стабилизированном карданном подвесе, и двигалась независимо от самой бомбы. Автопилот же бомбы получал данные о направлении на цель исходя из углов поворота камеры относительно продольной оси самой бомбы. Если камера смотрела прямо вперед, то, стало быть, бомба шла прямо на цель. Если камера отклонялась в каком-либо направлении — это означало, что бомба отклонилась от курса, и автопилот вырабатывал соответствующие поправки.

Такое решение (позаимствованное от самонаводящихся ракет «воздух-воздух») позволило, наконец, решить проблему стабилизации поля зрения камеры на движущейся бомбе. Стабилизированная камера двигалась независимо от остальной бомбы, и могла удерживаться на цели, как бы бомбу ни кидало из стороны в сторону.

Созданная на основании работ Нормана Кея и к.о. управляемая бомба «Walleye» стала первым оружием с оптико-электронным самонаведением, получившим «признание» и широко применявшимся на поле боя. Именно кадры ее применения стали первым классическим «видео глазами бомбы» — с пресловутым квадратиком на цели, и т.д.

Собственно, из таких видео и родился миф о том, что оператор управляет бомбой вручную. Зрители принимали работу джойстика оператора за непосредственное управление бомбой. На самом деле, оператор «Уоллай» только наводил прицел камеры (пресловутый квадратик) на контрастное пятно цели, и включал автосопровождение. После сброса, бомба уже двигалась абсолютно самостоятельно. Поздние модели «Уоллай», впрочем, имели двусторонний канал связи с носителем, но оператор, опять-таки, не рулил бомбой вручную: он просто «напоминал» бомбе про цель, повторно наводя на нее квадрат прицела. «Уоллай» имела тенденцию терять автоматическое сопровождение цели по мере приближения, и такое «напоминание» было очень кстати.

Кроме того, канал связи с носителем позволял увеличить дальность применения бомбы, запуская ее «вслепую» — с большей дистанции, чем ее камера могла захватить цель — и выполняя захват цели уже в полете.

Таким образом, в 1960-ых была, наконец, успешно решена задача создания оружия с оптико-электронным самонаведением. За основу было выбрано автоматическое сопровождение контрастного пятна на цели: оператор наводил камеру на контрастное пятно (так, чтобы оно оказалось точно в центре поля зрения) и включал автосопровождение. Автоматика бомбы запоминала значение скачка интенсивности — т.е. контрастного пятна — и его координаты по X, Y в поле зрения камеры. Если соответствующий скачок напряжения при следующем сканировании наблюдался не точно по центру экрана, то между фактическими и сохраненными координатами происходило расхождение.

Цифровое фотоконтрастное самонаведение

При всех достоинствах аналогового фотоконтрастного самонаведения, у него был и неустранимый недостаток. Заключался он в самом алгоритме наведения: бомба наводилась не в центр контрастного пятна, а на его край (где, собственно, и происходил скачок интенсивности видеосигнала). Если цель была достаточно велика, и контрастное пятно составляло лишь часть ее — например, темное окно на светлой стене здания — то это не было проблемой. Но в случае, например, с темным танком на светлой дороге, бомба, наводящаяся на край темного пятна — край силуэта танка — могла запросто промахнуться мимо цели.

К вопросу об электрооптиках

Решением проблемы стал переход от аналоговой к цифровой обработке видеосигнала. Так называемое «центроидное» самонаведение — впервые примененное на тактической ракете «Maverick» — основывалось на том, что встроенный микропроцессор обрабатывал изображение выбранного контрастного пятна и рассчитывал его приблизительный геометрический центр. В эту точку и наводилась ракета, тем самым значительно повышая шансы на попадание.

Применение цифровых методов обработки сигнала значительно повысило эффективность электрооптического наведения, позволив более надежно распознавать цель и сопровождать ее камерой. Другим важным аспектом «цифровизации» был переход от аналоговых видиконовых ламп к цифровым ПЗС-матрицам, позволившим значительно улучшить качество изображения и удешевить стоимость блока самонаведения.

Фотокорреляционное наведение

Наконец, обсудим такой способ оптико-электронного наведения, как наведение по заранее сделанному изображению цели. Относительно таких систем тоже хватает мифов и неточностей — например, что «в ракету закладывается фотография цели, и ракета точно попадает в форточку».

В своеобразной форме, такое самонаведение было реализовано в проекте «Pigeon» в годы Второй Мировой: бомбой управлял специально выдрессированный голубь, обученный узнавать цель по аэрофотоснимку и колотить по ней клювом. Специальный экран, на который проецировалось изображение местности впереди бомбы, преобразовывал клевки голубя в команды автопилоту. Идея, что самое интересное, работала успешно, но показалась генералам «слишком уж необычной» и на вооружение не поступила.

ссылка на видео — https://fonzeppelin.livejournal.com/video/album/587/?mode=view&id=9649#rprecord=eyJpZCI6MjE2NTM3MCwicmVjb3JkSWQiOjIxNjUzNzB9

 

В дальнейшем, в период 1950-1960-ых было предложено несколько вариантов полностью электронного наведения по изображению цели — но все они наталкивались на ограничения существующей электроники. Слишком детальное изображение цели было слишком сложным для аналоговой обработки, и система наведения попросту не сумела бы адекватно сопоставить его с наблюдаемым. Слишком простое изображение — сведение цели к нескольким контрастным пятнам — не гарантировало, что система наведения не примет за цель что-нибудь другое.

В полной мере наведение по изображению цели было впервые реализовано только в 80-ых, в системе DSMAC – Digital Scene Matching Area Correlator (англ. Цифровой Коррелятор Соответствия Области Изображения) — используемой для точного самонаведения не-ядерных версий ракет BGM-109 «Томагавк».

Эта система использует для навигации сопоставление снимков местности с камеры ракеты и фотографии района цели, заложенной в памяти ее бортового компьютера. При выдаче полетного задания, снимок района цели, полученный воздушной или спутниковой разведкой, оцифровывается и переводится в черно-белый формат низкого разрешения — так, чтобы он выглядел набором контрастных точек. В таком формате снимок загружается в память ракеты.

Изображение населенного пункта: слева спутниковая фотография, справа — она же, обработанная для системы DSMAC

Изображение населенного пункта: слева спутниковая фотография, справа — она же, обработанная для системы DSMAC

Подлетая к цели, «Томагавк» использует собственную бортовую видеокамеру для получения снимков местности под ракетой. Эти кадры обрабатываются бортовым процессором, переводятся в черно-белый формат низкого разрешения, и обрабатываются с помощью специальных алгоритмов корреляционного анализа. Система ищет не некое идеальное соответствие, а статистически значимую степень корреляции между наблюдаемым и хранящимся в памяти изображением местности. Отыскав часть снимка, которая в наибольшей степени коррелирует с записанным изображением, ракета использует его как точку привязки для поиска цели.

Важная деталь, которую очень часто упускают: в качестве точки привязки обычно используется не сама цель, а расположенный рядом с ней хорошо различимый ориентир. Цель, в конце концов, может быть замаскирована, ее внешний вид мог измениться за время подготовки задания. Поэтому в память ракеты закладывается изображение ориентира — например, рисунка улиц деревеньки неподалеку — и положение цели относительно ориентира. Подлетающий «Томагавк» находит ориентир, и относительно него выходит на цель, как бы ее ни прятали.

«Наведение по фотографии» обычно используется в комбинации с другими методами (GPS, TERCOM) для точного самонаведения ракет большой дальности — действующих автономно и не имеющих прямой связи с носителем (хотя такая есть на современных моделях «Томагавков»). Ракеты меньшей дальности с оптико-электронным наведением обычно используют «ручной» захват цели — прибыв в район цели, ракета транслирует картинку с бортовой камеры на носитель, и оператор указывает, какую цель взять на сопровождение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном коротком обзоре я постарался в меру сил объяснить, что такое электрооптики, как они работают… и как они НЕ работают, вопреки широко распространенному мнению. Надеюсь, теперь читателю будет несколько более понятно, как именно наводится ракета или бомба на видео с ее камеры (которых сейчас очень много в интернете).

источник: https://fonzeppelin.livejournal.com/272845.html

The same Fonzeppelin
Подписаться
Уведомить о
guest


1 Комментарий
Старые
Новые Популярные
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии
Анонимно
Анонимно
17.01.2011 08:43

Как правило обе эти задачи Как правило обе эти задачи решаються одновременно, но более приоритетной являеться первая. Никто не бореться с флотом противника просто так. Приоритет неверен. Первичной задачей обычно ставится уничтожение флота противника и защита своих комунникаций. Принятие на вооружение данной системы позволило атаковать АУГ с дистанции 90-120 км., с вероятностью поражения 0.8 в обычных условиях и 0.6 в условиях постановки помех (соответствующие блоки ставили на КС-1 с 1961 г.). Реальные стрельбы КС-1 по кораблям у берегов Индонезии (в ходе индонезийско-малайзийской войны) не внушают такого оптимизма. Да и система самонаведения на конечном участке вряд ли была эффективной, принимая во внимание средства РЭБ. Помехозащищенность каналов управления ничего не дает на участке самонаведения. Радиус ПВО АУГ до момента принятия на вооружение самолетов дальнего радиолокационного вооружения и управления (ДЛРОиУ) составлял ок. 200 км., что давало возможность как минимум выпустить ракету до того момента, когда дежурное звено перехватчиков сможет подойти на дальность пуска "Сайдвинеров" (УР AIM-7 "Сперроу" на начало 60-х имели крайне низкую надежность). У ПВО АУГ есть вообще-то RIM-8 Talos с радиусом действия 185 км и ЯБЧ. Т.е. даже если бомберам удасться увильнуть от перехватчиков, нет гарантий, что они переживут обстрел ракетами. Опыт также оказался неудачным: двух операторов не хватало для управления… Подробнее »

178_
17.01.2011 10:33

«У ПВО АУГ есть вообще-то

"У ПВО АУГ есть вообще-то RIM-8 Talos с радиусом действия 185 км и ЯБЧ. Т.е. даже если бомберам удасться увильнуть от перехватчиков, нет гарантий, что они переживут обстрел ракетами." 

/Своё дело к тому времени они сделают.

"используемый на ракетных крейсерах США давал обнаружение воздушных целей на дистанции до 300 километров."

/Спору нет — обеспечивает и "до 300". Только вот:

"Принимая во внимание, что высота пуска КС-1 — это 3-5 км"

/…рекомые 300км "выдать не получится.

 

Анонимно
Анонимно
17.01.2011 11:05

/Своё дело к тому времени они

/Своё дело к тому времени они сделают.

Объясните это пилотам, а? Что "даже если вы атакуете успешно, на базу все равно ни один из вас не вернется."

/…рекомые 300км "выдать не получится.

Рассчитайте, и получите что расстояние обнаружения составляет около 250 км.

В общем, ракеты КС-1 могли казаться эффективным оружием лишь в воображении измученых отсутствием авианосцев советских генералов.

Ракеты КСР-2 себя абсолютно дискредитировали в 1973.

КС-10 оценили так:

 

В результате, вероятность попадания ракеты в цель составляла около 50 %. Преследовали частые отказы как аппаратуры, так и силовой установки. Все пять пусков на предельную дальность окончились неудачно. Отмечалась сложность работы экипажа самолёта Ту-16К-10, особенно штурманов (оператор работал в герметичной «бочке» в грузоотсеке, в полной изоляции от остального экипажа). Представитель Морской Авиации генерал-лейтенант И. И. Борзов упорно не подписывал акт испытаний, считая, что достигнутая дальность пуска практически не превосходила КС-1. От запланированного запуска в серию ракетоносцев Ту-22К-10 пришлось отказаться.

Анонимно
Анонимно
17.01.2011 11:52

Тащем-то я находил инфу, что

Тащем-то я находил инфу, что у "Талоса" максимальная дальность до 120 км. Но это не столь важно, о средствах ПВО АУГ, их эффективности и возможным методам их преодоления  я во второй части напишу.

Каких "Талосов"? Там целая серия ракет.

Весьма достойные характеристики. Только это уже начало 60-х годов. Кроме того обнаружение и выдача целеуказания не совсем одно и то-же.

Так и приведенные вакми ракеты тоже изрядно хромали в ранние периоды.

Насколько я помню, к тому времени самолетами управляли индонезийские экипажи. Ну а в плане эффективности в условиях помех — эту проблему у нас более-менее порешали к середине 70-х (так, что ПКР стали наводиться на источники помех), а до этого решали банально — внедрением спец БЧ, в том числе и на КС-1 и на её сухопутной версии. Поподробнее я об этом напишу во второй части.

У нас решили одну проблему — нарушение каналов управления помехами (простейшим способом, отказались от радиокомандного управления вообще). Но вот склонность советских ПКР гоняться за ложными целями так решить и не сумели.

На сценарий "наводиться на источники помех" у американцев был ответ в виде самолетов РЭБ.

Анонимно
Анонимно
17.01.2011 12:18

Э-э-э… Адмиралов?
Насчет

Э-э-э… Адмиралов?

Насчет причин отсутствия авианосцев в составе флота на 60-е годы я, кажеться, писал. Недостатки системы наведения компенсируються мощностью спец-БЧ.

Да, писали. По этой логике, надо было в 1950-ых отказаться от постройки МБР — чего уж там, все равно американцы построят больше.

Анонимно
Анонимно
17.01.2011 12:48

Вы делаете вывод на основе

Вы делаете вывод на основе единственного факта увода помехами одного "Термита" во время "Бури в пустыне"?

Я делаю вывод на основании полной бесполезности "Термитов" в дуэлях с израилськими ракетными катерами.

178_
18.01.2011 06:45

 ДВС!
2 Fonzeppelin
«Я делаю

 ДВС!

2 Fonzeppelin

"Я делаю вывод на основании полной бесполезности "Термитов" в дуэлях с израилськими ракетными катерами."

/Можно уточнить основания для утверждений о "полной бесполезности"? И потом, "Термит" это же Вам не "Гарпун" какой-нибудь! Он и постарше будет, и немножко (мягко говоря) не для катеров предназначен. Учитывая сниженные ТТХ экспортных модиификаций, качество личного состава и — как я подозреваю — годы "неудачных применений" (полагаю к тому времени ракета была явно "не первой свежести" — поправьте меня если я ошибаюсь) — хорошо что сами себя при запусках не покалечили.

Но всё-таки жду Ваших свдений на основании которых вывод о "полной бесполезности".

Radarytch
18.01.2011 17:37

Все прекрасно решалось
Все прекрасно решалось использованием спец-БЧ. Какая там к черту дуэль конвенционным оружием во время Судного Дня?

178_
19.01.2011 06:48

ДВС!
Не ко мне вопрос 🙂 

ДВС!

Не ко мне вопрос 🙂 

Альтернативная История
Logo
Register New Account