Оптическая (лазерная) локация

Перспективность лазерных систем локации определяется большой шириной оптического диапазона (10¹³-10¹⁵ Гц), в десятки раз превышающей ширину всего освоенного радиодиапазона, и высоким значением частоты оптической несущей. Благодаря этому можно формировать весьма узкие диаграммы излучения и использовать широкие спектры модулированных сигналов.

Поскольку в оптическом диапазоне частота колебаний примерно на 4 порядка выше, чем в СВЧ диапазоне, плотность потока электромагнитной энергии, пропорциональная телесному углу излучения, на заданном расстоянии и при заданных размерах «антенны» и мощности передатчика оказывается примерно в 10 раз выше, чем на СВЧ (при отсутствии поглощения на трассе). Поэтому, несмотря на принципиально худшую чувствительность оптических приемников (мощность порогового сигнала примерно пропорциональна частоте), мощность передатчика, необходимая для ведения разведки примерно на одинаковых расстояниях, может оказаться намного меньшей, чем на СВЧ. Однако указанные преимущества реализуются при локации в свободном пространстве (например, космическом). Наличие поглощения и рассеяния оптических волн в атмосфере при определенных условиях может резко уменьшить дальность слежения за целями.

Принципы построения и структурные схемы как аналоговых, так и дискретных приемных устройств оптической локации такие же, как и в радиодиапазоне.

Высокое значение несущей частоты позволяет использовать широкополосные зондирующие сигналы и, следовательно, обеспечить точное измерение дальности до цели и высокую разрешающую способность по дальности. Обеспечивается также высокая угловая разрешающая способность и хорошая точность определения угловых координат даже при малых размерах антенных устройств. Путем регистрации доплеровского сдвига частоты можно измерять не только большие и средние, но и малые значения скоростей сближения.

Как уже отмечалось выше, приемные устройства оптического диапазона имеют худшую пороговую чувствительность (энергия фотона в оптическом диапазоне велика и при приеме сигналов проявляются квантовые эффекты), а передающие устройства – более низкий к.п.д. (из-за рассеяния и поглощения в атмосфере). Эти особенности определили рациональные области использования оптической локации. Локационные системы оптического диапазона целесообразны в тех случаях, когда требования высокой разрешающей способности и точности определения координат доминируют и за счет априорной информации о местоположении цели путем высокой пространственной концентрации энергии зондирующего сигнала имеется возможность компенсировать худшие показатели приемных и передающих устройств. Так же отмечалось выше, что характеристики локационных систем оптического диапазона зависят от метеоусловий.

В качестве примера целесообразного использования систем оптического диапазона указывают на измерение дальности до различных объектов, обнаруживаемых визуально либо с помощью телевизионных или инфракрасных устройств разведки.

Вследствие высокой аппаратурной разрешающей способности оптических локаторов (обусловленной узкими диаграммами направленности антенн и малой длительностью зондирующих импульсов), как правило, определение координат производят с точностью до размеров объема разрешения, не измеряя положение цели внутри него. В этом случае энергетический потенциал системы определяет режим обнаружения.

Энергия излучения Е _и при обнаружении «точечной цели» с эффективной отражающей поверхностью σ на расстоянии r в секторе обзора, ограниченном телесным углом Ω, находят из соотношения:

где Α – площадь раскрыва приемной оптики; η _к - к.п.д. приемной оптики, учитывающий потери в оптической системе; Ε _п - энергия порогового сигнала; е - коэффициент ослабления излучения в атмосфере.

Если размеры цели больше размеров сечения пучка излучения в районе цели (такой случай является типичным при измерении дальности до визуально наблюдаемых объектов), энергию излучения определяют по формуле:

где ρ – коэффициент отражения (альбедо) от цели.

Площадь раскрыва А приемной оптики выбирают из конструктивных соображений. Коэффициент полезного действия приемной оптики с учетом потерь в интерференционном фильтре, стоящем на входе приемника, обычно лежит в пределах η _к=30…50%.

Значение эффективной отражающей поверхности σ зависит от размеров, характера цели и используемой длины волны. Для большинства целей по порядку величины она совпадает со значением σ в радиодиапазоне. Коэффициент отражения ρ, как и σ, связан с характером цели. Значение ρ для длин волн используемых в настоящее время лазеров лежит в пределах 0,2…0,9.

Энергия порогового сигнала Ε _п зависит от заданной надежности обнаружения (заданных значений вероятности правильного обнаружения и вероятности ложной тревоги), типа используемого приемника, рабочей длины волны, характера и интенсивности шумов.

В большинстве случаев (за исключением тех, когда необходимо измерять доплеровский сдвиг частоты) в локационных устройствах применяют приемники с непосредственным фотодетектированием. Для длин волн, лежащих в видимом и ближнем ИК диапазонах, основным физическим эффектом, используемым для регистрации сигнала, является внешний фотоэффект. При этом первичным наблюдаемым сигналом является последовательность эмиттированных с поверхности фотокатода фотоэлектронов. В средней ИК области используется внутренний фотоэффект и наблюдаемым сигналом являются переходы электронов из валентной области в зону проводимости.

Эмиттированным фотоэлектронам или актам переходов на выходе фотоприемников соответствуют последовательности одноэлектронных импульсов, имеющих тот же закон распределения.

Низкая частота повторения, характерная для большинства лазеров, привела к преимущественному развитию цифровых методов измерения.

На рисунке приведен один из возможных вариантов структурной схемы цифрового дальномерного канала.

Регистром сдвига в момент излучения зондирующего импульса записывается единица. Импульсом синхронизации включается также генератор тактовых импульсов, импульсы которого используются для перемещения единицы вдоль регистра через интервал дискретизации по времени, который соответствует интервалу разрешения. Число разрядов регистра равно числу элементов разрешения по дальности. Выход каждого разряда регистра подключен к одному из входов вентиля совпадения. К другому входу вентиля поступает сигнал с выхода приемного устройства. При срабатывании схемы совпадения сигнал в цифровой форме подается на индикаторное устройство или в систему вторичной обработки.

4. АКУСТИЧЕСКАЯ РАЗВЕДКА

4.1 Общие сведения

Акустическая (вибро-акустическая) разведка ведется путем приема и анализа акустических волн инфразвукового, звукового и ультразвукового диапазонов, распространяющихся в воздушной среде и звукопроводящих материалах, вызванных шумами работающих двигателей машин, агрегатов и различного оборудования, взрывами, выстрелами, речью и т.п.

Для перехвата и регистрации разговоров, ведущихся как на открытой местности, так и в помещениях, автомобилях и т.п. используются средства акустической разведки: микрофоны, направленные микрофоны, контактные микрофоны (стетоскопы), акустические закладки, лазерные системы акустической разведки и т.д.

Те или иные средства акустической разведки выбираются в зависимости от возможности доступа в контролируемое помещение или к лицам, ведущим разговоры на интересующую тему.

Современные микрофоны динамического, конденсаторного или электретного типов имеют чувствительность 20-30 мВ/Па и способны регистрировать голос человека нормальной громкости на расстоянии до 10-15 м, а некоторые образцы на расстоянии до 20 метров. Применение направленных микрофонов и специальных методов шумовой очистки сигналов позволяет вести разведку в городских условиях на расстояниях до 50 м, в прочих условиях (при малых акустических шумах) на расстояниях до 200 м. Использование лазерных микрофонов позволяет вести акустическую разведку помещений с расстояний до 1000 м. Стетоскопы способны улавливать звуковые колебания через бетонные стены толщиной 0,3-0,5 м., а также через двери и оконные рамы.

В случае если имеется доступ в контролируемое помещение, в нем могут быть установлены миниатюрные микрофоны, соединительные линии которых выводятся в специальные помещения, где находится агент и установлена регистрирующая или передающая аппаратура. Длина соединительного кабеля может достигать 5000 м. Такие системы перехвата акустической информации называют проводными системами.

Микрофоны, устанавливаемые в контролируемых помещениях, выпускаются в сверхминиатюрном исполнении (диаметр менее 2 мм). Для улучшения чувствительности некоторые микрофоны комплексируются с предусилителями.

Наиболее широко используются акустические закладки, передающие информацию по радиоканалу. Такие устройства называют радиозакладками (радиомикрофонами и радиостетоскопами). Могут использоваться микрофоны с передачей информации по ИК каналу.

В качестве регистрирующей аппаратуры используются, как правило, магнитофоны и диктофоны с длительным временем записи. Для повышения качества и обеспечения возможности коррекции записанного разговора используются различные фильтры, микрофоны с узкой диаграммой направленности, специальные программно-аппаратные комплексы.

Для повышения скрытности при передаче перехваченного сигнала, например по радиоканалу, используются сложные сигналы (например, шумоподобные или с псевдослучайной перестройкой несущей частоты и т.п.) и различные способы кодирования информации (скремблирование, шифрование и т.д.). Для обеспечения более долговечной работы и энергетической скрытности используются управляемые средства съема. Включение таких закладок производится дистанционно, или, например, только в момент ведения разговоров при наличии акустического сигнала.

4.2 Направленные микрофоны

Говоря о направленных микрофонах, подразумевают, прежде всего, ситуации акустического контроля источников звука на открытом воздухе, когда эффектами так называемой реверберации акустических полей можно пренебречь. Для таких ситуаций решающим фактором оказывается удаленность источника звука от направленного микрофона, что приводит к значительному ослаблению уровня звукового поля. Кроме того, при большой дистанции становится заметным ослабление звука из-за разрушения пространственной когерентности поля вследствие наличия естественных рассеивателей энергии, например, средне- и крупномасштабных турбулентностей атмосферы, создающих помехи при ветре. Так на дистанции 100 м давление звука ослабляется на величину не менее 40 дБ (по сравнению с дистанцией 1 м), и тогда степень громкости обычного разговора в 60 дБ окажется в точке приема не более 20 дБ. Такое давление меньше уровня реальных внешних акустических помех и пороговой чувствительности обычных микрофонов.

В отличие от обычных, направленные микрофоны должны иметь:

- высокую пороговую акустическую чувствительность как гарантию того, что ослабленный звуковой сигнал превысит уровень собственных (в основном тепловых) шумов приемника. Даже при отсутствии внешних акустических полей это является необходимым условием контроля звука на значительном расстоянии от источника;

- высокую направленность действия как гарантию того, что ослабленный звуковой сигнал превысит уровень остаточных внешних помех. Под высокой направленностью действия понимается способность подавлять внешние акустические помехи с направлений, не совпадающих с направлением на источник звука.

Соблюсти эти требования в полном объеме на практике (для одного микрофона)- задача исключительно сложная. Более реальным стало решение частных задач, например создание слабонаправленного микрофона с высокой чувствительностью или, наоборот, создание высоконаправленного микрофона с малой чувствительностью, что привело к разнообразию видов направленных микрофонов. Рассмотрим некоторые из них.

Параболический микрофон представляет собой отражатель звука параболической формы, в фокусе которого расположен обычный микрофон.

Звуковые волны с осевого направления, отражаясь от параболического зеркала, суммируются в фазе в фокальной точке А. Возникает усиление звукового поля. Чем больше диаметр зеркала, тем большее усиление может обеспечить устройство. Если направление прихода звука не осевое, то сложение отраженных от различных частей параболического зеркала звуковых волн, приходящих в точку А, даст меньший результат, поскольку не все слагаемые будут в фазе. Ослабление тем сильнее, чем больше угол прихода звука по отношению к оси. Создается, таким образом, угловая избирательность по приему.

Отражатель изготавливается как из оптически непрозрачного, так и прозрачного (например, акриловая пластмасса) материала. Величина внешнего диаметра параболического зеркала может быть от 200 до 500 мм.

Параболический микрофон является типичным примером высокочувствительного, но слабонаправленного микрофона.

Плоские фазированные решетки реализуют идею одновременного приема звукового поля в дискретных точках некоторой плоскости, перпендикулярной к направлению на источник звука.

В этих точках (А1, А2 и т.д.) размещаются либо микрофоны, выходные сигналы которых суммируются электрически, либо, и чаще всего, открытые торцы звуководов, например трубки достаточно малого диаметра, которые обеспечивают синфазное сложение звуковых полей от источника в некотором акустическом сумматоре. К выходу сумматора подключен микрофон.

Если звук приходит с осевого направления, то все сигналы, распространяющиеся по звуководам, будут в фазе, и сложение в акустическом сумматоре даст максимальный результат. Если направление на источник звука не осевое, а под некоторым углом к оси, то сигналы от разных точек приемной плоскости будут разными по фазе и результат их сложения будет меньшим. Чем больше угол прихода звука, тем сильнее его ослабление.

Число приемных точек в таких решетках составляет несколько десятков.

Конструктивно плоские фазированные решетки встраиваются либо в переднюю стенку атташе-кейса, либо в майку-жилет, которая надевается под рубашку и т.п. Необходимые электронные блоки могут располагаться также в кейсе, либо под одеждой. Таким образом, плоские фазированные решетки с камуфляжем визуально более конспиративны по сравнению с параболическим микрофоном.

Микрофон – труба представляет собой трубчатую фазированную приемную акустическую антенну нагруженную на высокочувствительный микрофон или решетку микрофонов, включенных последовательно. В отличие от параболических микрофонов и плоских акустических решеток принимает звук не на плоскости, а вдоль некоторой линии, совпадающей с направлением на источник звука.

Характерным представителем такого типа микрофонов является микрофон «Акустическое ружье».

Микрофон имеет несколько десятков тонких трубок длиной от нескольких сантиметров до метра и более. Длина трубок рассчитывается из условия резонанса на частотах присутствующих в акустических колебаниях создаваемых речью. Трубы собираются в пучок: длинные в центре, короткие по наружной поверхности пучка. Концы трубок с одной стороны образуют плоский срез, входящий в предкапсюльный объем микрофона. Звуковые волны, приходящие к приемнику по осевому направлению, через трубки поступают п предкапсюльный объем в одинаковой фазе, и их амплитуды складываются арифметически. Звуковые волны, приходящие под углом к оси, оказываются сдвинутыми по фазе, так как трубки имеют разную длину. Следовательно, их суммарная амплитуда будет значительно меньше. Дальность приема сигналов может быть увеличена за счет использования большего количества трубчатых элементов.

Трубчатые микрофоны «бегущей волны» также принимают звук вдоль линии, совпадающей с направлением на источник звука.

Основой микрофона является звуковод в виде жесткой полой трубки диаметром 10-30 мм со специальными щелевыми отверстиями, размещенными рядами по всей длине звуковода, с круговой геометрией расположения для каждого из рядов. Очевидно, что при приеме звука с осевого направления будет происходить сложение в фазе сигналов, проникающих в звуковод через все щелевые отверстия, поскольку скорости распространения звука вне трубки и внутри нее одинаковы. Когда же звук приходит под углом к оси микрофона, то это ведет к фазовому рассогласованию, так как скорость звука в трубке будет больше осевой составляющей скорости звука вне ее, вследствие чего снижается чувствительность приема. Обычно длина трубчатого микрофона от 15-200 мм до 1 м. Чем больше его длина, тем сильнее подавляются помехи с боковых и тыльного направлений.

Лазерные микрофоны используют для перехвата информации отраженный и промодулированный зондируемой поверхностью луч лазера.

Зондируемый объект- обычно оконное стекло- представляет собой своеобразную мембрану, которая колеблется со звуковой частотой, создавая фонограмму разговора. Генерируемое лазерным передатчиком излучение, распространяясь в атмосфере, отражается от поверхности оконного стекла и модулируется акустическим сигналом, а затем воспринимается фотоприемником, который и восстанавливает разведываемый сигнал.

В данной технологии принципиальное значение имеет процесс модуляции, который можно описать следующим образом.

Звуковая волна, генерируемая источником звукового сигнала, падает на границу раздела воздух- стекло и создает своего рода вибрацию, то есть отклонения поверхности стекла от исходного положения. Эти отклонения вызывают дифракцию света, отражающегося от границы. Если размеры падающего оптического пучка малы по сравнению с длиной «поверхностной» волны, то в суперпозиции различных компонент отраженного света будет доминировать дифракционный пучок нулевого порядка. В этом случае, во-первых, фаза световой волны оказывается промодулированной по времени с частотой звука и однородной по сечению пучка, а во-вторых, пучок «качается» с частотой звука вокруг направления зеркального отражения.

В качестве источника излучений может применяться, например, гелий-неоновый лазер. Наводка лазерного излучения на оконное стекло нужного помещения осуществляется с помощью телескопического визира. На сегодняшний день уже появились принципиальные возможности регистрации колебаний стекла на расстоянии до 10ˉ¹ - 10ˉ¹ м. Дальность ведения разведки составляет до 1000м.

В точке расположенной по нормали к оконному остекленению достаточно организация одного контрольного поста (КП). В противном случае необходимо организовывать два КП, место второго выбирается с учетом закона отражения светового луча φ1= φ2.

4.3 Обработка перехваченных речевых сигналов

Человеческому слуху, как известно, присуще свойство маскировки. Слабые звуки маскируются более сильными. Каждый звук, приведенный в таблице, мы услышим только в отсутствие более громких звуков.

Если прослушать записанную на улице магнитофонную запись, то основное, что мы услышим, это гул, в котором сольются множество непонятных звуков, попавших из акустического поля в микрофон. Кроме того, на электронную аппаратуру записи, передачи и воспроизведения речевого сигнала действуют разнообразные электрические и электромагнитные помехи, которые мы тоже слышим в наушниках.

Способы очистки речевых сигналов от пространственной помехи, источник которой расположен в стороне, заложены в конструкциях направленных микрофонов. Однако существуют акустические помехи расположенные на одной оси с источником речевого сигнала, либо помехи достаточно значительные, чтобы оказывать мешающее действие даже при использовании направленных микрофонов.

Для повышения качества и обеспечения возможности коррекции записанного разговора используются стереомагнитофоны и эквалайзеры. Стереомагнитофоны позволяют за счет стереоэффекта дифференцировать и отделять от информативной разговорной речи такие помехи, как шумы бытовых приборов, внешние уличные шумы и т.д. Эквалайзеры представляют собой устройства с набором различных фильтров: фильтров верхних и нижних частот, полосовых, октавных, чебышевских и других. Эти фильтры включаются по определенной программе в зависимости от характера искажений сигнала и помех. Наряду с эквалайзерами для повышения разборчивости речи используются специальные программно-аппаратные комплексы.

В качестве примера шумовой очистки речевого сигнала рассмотрим использование адаптивного фильтра (АФ).

По способу, различения помехи от сигнала, АФ подразделяются на одноканальные (АФ1) и двухканальные (АФ2). Одноканальный фильтр имеет только основной вход, а двухканальный дополнительно опорный вход.

В АФ1 сигнал помехи «предсказывается» фильтром линейного предсказания (ФЛП) на основании анализа поступающего на вход зашумленного речевого (РС) сигнала и затем вычитается из этого сигнала. Принцип работы такого фильтра основан на том, что РС является случайным процессом и предсказан быть не может, а все что можно предсказать – это помеха. АФ1 используется для подавления периодических и узкополосных помех, например, наводки от сети переменного тока, шума кондиционера, «гудения» механизмов и т.п. АФ1 не может избавиться от широкополосных шумовых помех: музыки, речи, гула большого помещения и т.п.

АФ2 имеет два входа: на основной (ОСН) вход поступает зашумленный РС, на опорный (ОП) – сигнал помехи. Все, что находится «похожего» в этих каналах, вычитается из зашумленного сигнала. АФ2 используется для подавления периодических, узкополосных и широкополосных помех вплоть до разделения двух разговоров.

Работу АФ можно представить как «вычитание» спектра помехи из спектра зашумленного сигнала. АФ1 практически полностью устраняет мощные гармонические составляющие из зашумленного РС. При использовании АФ2 эффективность определяется способом получения опорного сигнала. Отношение сигнал/помеха (SNR) на выходе АФ2 определяется только отношением SNR на опорном входе:

Таким образом, чем больше помеха и меньше сигнал на ОП входе, тем лучше отношение SNR на выходе АФ2. В идеальном случае, когда на ОП входе присутствует только помеха, она подавляется практически полностью. Например, при зашумлении полезного РС «шумом» радиопередачи, следует подключить опорный вход АФ2 к электрическому сигналу радиоприемника, принимающего ту же программу. Если оба канала принимаются с помощью микрофонов из акустического поля, то микрофон ОП входа необходимо расположить вблизи источника помехи.

Точно по такому же принципу осуществляют шумоочистку речевого сигнала при использовании, например, активной виброакустической помехи.

Один датчик стереостетоскопа располагается на стене в непосредственной близости от электроакустического преобразователя системы защиты, где уровень помехи максимален (точка 1), второй – в точке с минимальным соотношением сигнал / помеха (точка 2). В паузах между разговорами рассчитывается коэффициент ослабления шума вибрации при его распространении по защищаемой конструкции. Соответствующая поправка задается в компенсаторе

Далее, в момент беседы, происходит регистрация сигналов, и, с учетом поправки (ослабления сигнала) вносимой компенсатором, на вход сумматора подаются два смешанных сигнала, составляющая помехи у которых одинакова, а составляющая разведываемого сигнала различна по амплитуде. После вычитания на выходе сумматора получается, хотя и ослабленный по амплитуде, абсолютно очищенный речевой сигнал.

Дата добавления: 2014-01-11