eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #8/2022
А. В. Леньшин, Е. В. Кравцов, Р. И. Рюмшин, И. А. Сидоренко
Повышение оперативности оценки возможностей средств телевизионной разведки
Повышение оперативности оценки возможностей средств телевизионной разведки
Просмотры: 1076
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.8.624.633
Повышение оперативности оценки возможностей средств телевизионной разведки
А. В. Леньшин, Е. В. Кравцов, Р. И. Рюмшин, И. А. Сидоренко
Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина» (ВУНЦ ВВС «ВВА»), г. Воронеж, Россия
При телевизионной разведке уровень освещенности объектов и дальность проведения оценки оптико-электронными приборами влияют на вероятности обнаружения и распознавания объектов. Предложен методический подход, позволяющий повысить оперативность оценки возможностей телевизионной разведки на различных носителях с использованием значений коэффициентов яркости объектов разведки, фонов и покрытий, минимального размера объекта. Доказана приемлемая достоверность использования методики применительно к конкретным условиям. Разработаны необходимые рекомендации по противодействию средствам телевизионной разведки в условиях неудовлетворительного показателя разведдоступности.
Ключевые слова: телевизионная разведка, объект разведки, вероятность обнаружения, оперативность оценки
Статья получена: 29.08.2022
Статья принята: 05.10.2022
Введение
На современном этапе развития техники значительно увеличивается число объектов радиоэлектронной борьбы (РЭБ), вследствие чего резко возросли требования к противодействию (ПД) техническим средствам разведки (ТСР) иностранных государств и организации радиоэлектронной защиты своих объектов. Военные конфликты последних лет отличаются возрастающей ролью технической разведки в информационном обеспечении боевых действий войск и подготовке к ним [1, 2]. Одним из наиболее информативных и оперативных видов технической разведки является оптико-электронная разведка (ОЭР) и прежде всего телевизионная (ТВ) разведка (ТВР), аппаратура которой размещается на различных видах носителей.
Возрастающий динамизм оперативной обстановки, связанный с частыми перемещениями объектов ТВР, вынуждает к необходимости прогнозирования разведобстановки и мер противодействия в предполагаемых районах дислокации объектов для повышения их живучести. Это делает актуальной оценку возможностей указанного вида разведки. Методологической основой такой оценки могут являться утвержденные методики, использующие данные, сосредоточенные в нормативных документах. Они обеспечивают высокую достоверность оценки при наличии необходимой полноты исходных данных. Однако в условиях динамично изменяющейся радиоэлектронной обстановки использование указанных методик по целому ряду объективных причин зачастую не представляется возможным.
В значительной мере удовлетворяющие современным условиям методики оперативной оценки некоторых видов ТВР предложены в [3, 4]. Они базируются на функциональном методе обобщенных параметров, где в качестве показателя оценки используется вероятность обнаружения объекта Wo или вероятность распознавания Wp в виде функциональной зависимости от дальности ТВ разведки Др:
Wo(р) = f(Др). (1)
Множество графических зависимостей (1) содержат в себе все возможные ситуации разведдоступности для ТВ-разведки и объекта, нормативные показатели в виде обоснованных значений вероятностей либо дальностей, отличаются наглядностью и простотой в использовании. Обобщение заключается в представлении параметров средства ТВ-разведки в виде единого коэффициента по выделенным типовым группам средств, что существенно облегчает проведение оценки в конкретных случаях.
Целью настоящего исследования является дальнейшее развитие оперативных методик оценки разведдоступности объектов ТВР и разработка рекомендаций по ПД ТВР, связанных с предъявлением требований к маскирующему объект покрытию применительно к конкретным условиям, определяемым прогнозируемым или реальным фоном.
Постановка задачи
ТВР позволяет получать видимые изображения объектов, в том числе ночью при низком уровне освещенности. ТВР основана на преобразованиях видимого изображения объекта – пространственного распределения освещенности на наблюдаемом объекте во временную последовательность электрических сигналов (видеосигналов) – с помощью построчно сканирующей оптической системы и фоточувствительного преобразователя.
Предлагается в качестве обобщенной оценки возможностей ТВР принять функциональную зависимость вероятности обнаружения Wo и вероятности распознавания Wp объектов от дальности Др в виде графической зависимости (1). Эти показатели должны быть в явном виде связаны с дальностью Др или с зоной действия как противоборствующей стороны, так и своих войск для обеспечения максимальной защиты своих объектов. Это также важно и для решения задачи ПД ТВР.
Оценка доступности графоаналитическим методом
Получим зависимость (1) в явном виде, пригодном как для расчетов в конкретных известных условиях, так и в обобщенном виде, используя типовой состав средства ТВР, представленный на рис. 1.
Параметрами средства ТВР являются: диаметр зрачка объектива dо, фокусное расстояние fоб, коэффициент пропускания объектива τо, чувствительность приемника излучения Фпи min (по потоку излучения), площадь пиксела S и его размер lmin, угловая разрешающая способность оптико-электронной системы γоэс. К параметрам среды относятся: коэффициент пропускания атмосферы τа и средний коэффициент яркости фона rф, а также дальность разведки Др. К параметрам объекта относятся его критический размер Lmin, средний коэффициент яркости rоб или средний коэффициент яркости маскировочного покрытия rм (в случае его использования).
Для ТВР форма объекта – главный демаскирующий признак. При этом может решаться как задача обнаружения, заключающаяся в отнесении участка изображения к одной из двух категорий «объект + фон» или «фон», так и задача распознавания, связанная с формированием зрительных образов объектов, их сравнением со «словарем» и выбором наиболее похожего из них.
Параметры связаны уравнением ТВР, определяющим поток Фпи на входе приемника излучения. В качестве приемника чаще всего используют линейку или матрицу на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) с чувствительностью Фпи min до 10–15 Вт и размером пиксела lmin, составляющем единицы микрометров. Качество обнаружения будет определяться отношением сигнал / шум: q = Фпи / Фпи min.
Исходя из назначения ТВР, очевидно, что содержанием оперативной оценки, приемлемой для практики с выходом на рекомендации по ПД ТВР, должен быть этап собственно распознавания. Поэтому примем вероятность распознавания Wр за основной показатель оценки возможностей ТВР, а в качестве одного из трех уровней распознавания (обнаружение, различение, опознание) выберем уровень опознания, устанавливающий тип объекта. Выбор подобного критерия оценки связан с тем, что именно этот уровень наиболее детально позволяет установить форму объекта. При этом наиболее объективным параметром, характеризующим эту вероятность, является количество элементов разрешения N, укладывающихся на минимальном (критическом для опознания) размере объекта N = Lmin / Lрс.
С учетом приведенных соображений в качестве исходного соотношения вероятности распознавания для построения упрощенной методики оценки возможностей может быть принято следующее приближенное соотношение:
. (2)
В выражении (2) Ф(х) – интеграл вероятности, а w – эмпирический коэффициент, зависящий от отношения сигнал / шум, значение которого лежит в пределах: 0,13 ≤ w ≤ 1, причем, для q ≥ 5,4 w = 1. Анализ технических характеристик современных средств ТВР, условий их применения и принятый уровень распознавания, а также требование оперативности оценки позволяют условие w = 1 принять в качестве основного. Коэффициент NФ характеризует требуемый (по вероятности) уровень распознавания. Для выбранного уровня опознания это значение в соответствии с критерием Джонсона (см. табл.) можно принять равным: NФ ≈ 6,5. Коэффициент Q, зависящий от квалификации оператора и объема априорной информации об объекте для выбранного уровня распознавания, можно принять равным [5]: Q = 0,97.
Требование оперативности позволяет ограничиться учетом только одного первого условия q ≥ 5,4 (w = 1), полагая его типовым. Это подтверждается анализом технических характеристик современных средств ТВР и условий их применения. Тогда в соответствии с (2) вероятность становится функцией некоторого обобщенного параметра
, (3)
имеющего смысл информативной составляющей процесса распознавания. Именно этот параметр предстоит видоизменить для получения искомой методики.
Значение NФ (используется критерий Джонсона) выбирается в соответствии с табличными данными (см. табл.). В данном случае примем уровень опознавания, тогда требуемое значение, гарантирующее Wp ≥ 0,5, будет NФ = 6,5. Исходя из опыта, значение Q можно принять: Q = 0,97. Основное преобразование касается видоизменения N, характеризующего реальный (оцениваемый) уровень опознавания и представляющего собой число элементов разрешения Lрс, укладывающихся на минимальном размере объекта Lmin, или
. (4)
Значение линейной разрешающей способности (РС) находится как произведение угловой РС оптико-электронной системы (ОЭС) γОЭС на дальность разведки Dp. В свою очередь угловая РС ОЭС складывается из угловой РС приемника оптического излучения (ПОИ) γпои и угловой РС оптической системы (ОС) γОС, т. е. γОЭС = γОС + γпои.
Для войсковой практики нет необходимости ориентироваться на конкретное средство высокоточного оружия (ВТО), использующее средства ОЭР (ТВР), тем более что многообразие используемых типов большое. Рациональнее решать задачу оценки относительно существующих видов разведки: воздушной или наземной, выбрав для этого параметры лучших средств или близких к таковым. В этом случае можно в выражение для параметра х ввести коэффициент вида разведки R, который объединяет постоянные коэффициенты и указанные параметры по видам разведки и рассчитывается заранее в виде:
. (5)
В выражении для обобщенного параметра х, а значит, и для вероятности в явном виде представлен параметр, характеризующий вид разведки, главная характеристика объекта с точки зрения его распознавания – минимальный размер, дальность разведки:
. (6)
Остается учесть реальные условия наблюдения объекта на некотором фоне. Для этого введем в параметр х некоторый коэффициент уменьшения разрешающей способности α. Он будет играть роль сомножителя, зависящего от видимого контраста объекта и фона K. Аналогичный параметр используется в фоторазведке в виде эмпирического соотношения [6]:
α ≈ [K / (2 – K)] 0,5. (7)
Правомерность такого подхода оправдана, если опираться на единство физического принципа получения изображения в рассматриваемом диапазоне длин волн ТВР. В свою очередь контраст выразим как относительную разность яркостей через средние коэффициенты яркости в рассматриваемом диапазоне ОЭР для объекта и фона с помощью соотношения
. (8)
Произведение минимального размера объекта на коэффициент уменьшения РС в выражении для обобщенного параметра х обозначим как некоторый эквивалентный размер объекта H с учетом ухудшения РС H = Lmin ∙ α. Такое представление позволяет получить семейство кривых, отражающих зависимость эквивалентного размера от видимого контраста H = f(K) для всех возможных фиксированных значений минимальных размеров объекта (рис. 2). При этом мы учитываем влияние видимого контраста на разрешающую способность при оценке возможностей ТВР и эффективности мер защиты стационарных объектов от ВТО.
На основании предлагаемого методического подхода обобщенный параметр х описывается выражением
. (9)
Выражение (9) включает в себя все данные, необходимые и достаточные для проведения оперативной оценки ТВР. Тогда мы получим семейство зависимостей вероятности распознавания объекта от дальности для заданного вида разведки и для возможных фиксированных значений эквивалентного размера объекта в виде Wp = ϕ(Dp) при H = const (рис. 3).
Зависимости, приведенные на рис. 3, получены для средств воздушной ТВР, которым соответствует значение коэффициента вида разведки R. Расчет указанных функциональных зависимостей производится по известной формуле [7], аппроксимирующей интеграл вероятности в виде
, (10)
где kx = –1 при x < 0 и kx = 1 при x ≥ 0.
Оценка доступности алгоритмическим методом
Наряду с приведенным графоаналитическим методом оценки возможностей ТВР был создан алгоритм оперативной методики и выполнена его программная реализация в виде программного обеспечения (ПО) [8]. На рис. 4 представлено главное окно выбора одного из трех видов носителей средств ТВР: воздушных, космических и наземных.
Рассмотрим работу программы на примере воздушного носителя. Выбрав данный режим, оператору необходимо ввести исходные данные по объекту защиты и условиям ведения ТВР, аналогичные графоаналитическому методу: критические линейные размеры и коэффициент яркости объекта, коэффициент яркости фона. Также оператору дана взможность выбора показателя оценки ведения разведки (например различение) (рис. 5). Программа рассчитывает функциональные зависимости вероятности обнаружения от дальности ведения ТВР.
Так как средства разведки обладают различными показателями разрешающей способности, влияющими на вычисление эквивалентного размера, то строится семейство кривых, представляющих функциональную зависимость выбранной вероятности от дальности ведения разведки. В качестве примера выберем для анализа эквивалентный размер объекта защиты, равный 0,11 м. Этому размеру на графике соответствует кривая под номером 1. Для того чтобы объект защиты был различен, вероятность различения должна быть не ниже 0,5. Этому показателю соответствует дальность ведения разведки, равная 1 км. Подведя указатель мыши на соответствующую кривую, оператор получает точное значение. Также в программе имеется блок, предназначенный для оценки необходимости ведения мер противодействия техническим разведкам. Для этого необходимо выбрать эквивалентный размер, ввести дальность ведения ТВР. Оператору будут даны рекомендации по мерам ПД ТВР.
Полученное значение дальности ведения разведки используется далее для построения зон разведдоступности объектов защиты от средств ТВР с учетом рельефа местности. Для этого в следующем модуле программы необходимо ввести исходные данные. В командной строке надо выбрать пункт меню «Параметры» и в открывшемся списке выбрать пункт «установить параметры средства разведки». В открывшемся окне оператор задает скорость и высоту полета воздушного носителя средств ТВР, а также полученную дальность ведения разведки. Выбирает вид самолета-разведчика – например самолет иностранной авиакомпании, совершающей рейс на территории Российской Федерации. Затем оператор выбирает режим построения зон разведдоступности: статический и динамический и наносит на электронную карту местоположение объектов защиты.
На следующем этапе оператор задает траекторию полета носителя средства ТВР путем нанесения линии на электронной карте. Программа автоматически с учетом профиля рельефа местности и высоты полета самолета строит зону ведения ТВР и выделяет красным цветом объекты защиты, видовые демаскирующие признаки которых могут быть различены.
Вывод
Разработанная методика оперативной оценки возможностей ТВР построена на использовании минимального набора исходных данных (средние значения коэффициентов яркости типовых объектов, фонов и покрытий). Минимальный (критический для распознавания) размер объекта реализуется с помощью предварительно рассчитанных графических зависимостей эквивалентного размера объекта от видимого контраста, вероятности распознавания для заданного вида средства разведки. Методика может быть использована в условиях конфликтного противодействия для оперативной оценки возможностей ТВР наземного и воздушного базирования с приемлемой точностью. Кроме того, применение программного обеспечения, основанного на алгоритмическом методе оценки разведдоступности, позволяет значительно повысить оперативность методики. Все это позволяет проводить оценку разведдоступности объектов защиты, выбирать наиболее эффективные меры по ПД ТВР и заблаговременно их применять, что в значительной степени снижает информативность ведения разведки противником.
Дальнейшее направление исследований связано с повышением достоверности оценки путем анализа результатов инструментального контроля средствами оптико-электронного контроля на различных носителях. Наиболее подходящей архитектурой построения алгоритма оценки является применение нейронных сетей для классификации изображений по типу объекта, семантической сегментации и обнаружении объектов. В настоящее время наиболее подходящим типом нейронных технологий для данных задач являются сверточные нейронные сети. Их архитектура предполагает чередование сверточных (convolutation) и объединяющих (pooling) слоев.
Сверточные слои необходимы для объединения значений расположенных рядом пикселов из захваченного кадра от средств видовых разведок и выделении низкоуровневых признаков в первом слое и более обобщенных признаков в последующих. Практически этими слоями применяется операция свертки ядром свертки – квадратными окнами небольшого размера. Свертка – математическая операция, которая плавно перемещает одну функцию по другой и измеряет интеграл их точечного перемножения. Для получения матрицы или «карты» признаков ядро свертки последовательно сдвигается по горизонтали и вертикали, выполняя данный набор действий. Весовые коэффициенты ядра свертки неизвестны и устанавливаются в процессе обучения нейронной сети. Назначение объединяющих слоев (pooling layers) – сжатие входного изображения или промежуточных карт признаков для сокращения вычислительной нагрузки, расхода памяти и количества параметров нейронной сети.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Леньшин А. В. Бортовые системы и комплексы радиоэлектронного подавления. – Воронеж: ИПЦ «Научная книга», 2014. 590 с. ISBN 978-5-4446-0456-4.
Новичков Н. Н. Российское оружие в Сирии: анализ, итоги, выводы. – М.: ООО «Статус». 2018. 336 с. ISBN 978-5-9906553-2-4.
Меньшаков Ю. К. Теоретические основы технических разведок: Учеб. пособие / Под ред. Ю. Н. Лаврухина. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. 536 с. ISBN 978-5-7038-3019-2.
Меньшаков Ю. К. Основы защиты от технических разведок. – М.: ИПЦ «Маска», 2017. 572 с. ISBN 978-5-906955-18-0.
Леньшин А. В., Кравцов Е. В. Функциональный метод обобщенных параметров для оперативной оценки возможностей технических средсТВ-разведки. Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2021; 43(3): 23–32.
Леньшин А. В., Кравцов Е. В., Сенюков Г. А., Рюмшин Р. И. Оценка возможностей радиотехнической разведки по результатам контроля радиоэлектронных средств комплексом радиотехнического контроля. Динамика сложных систем – XXI век. 2016; 10(3): 29–35.
Кравцов Е. В. Методический подход к комплексной оперативной оценке возможностей выявления сведений об объектах защиты. Телекоммуникации. 2020; 9: 33–41.
Васильев А. Н. Программирование на С# для начинающих. Особенности языка. – М.: Эксмо, 2019. 528 с. ISBN 978–5–04–092520–9.
АВТОРЫ
А. В. Леньшин, профессор ВУНЦ ВВС «ВВА», г. Воронеж, Россия,
e-mail: andrey-lenshin@yandex.ru
ORCID: 0000-0001-7540-9351
Е. В. Кравцов, начальник кафедры ВУНЦ ВВС «ВВА», г. Воронеж, Россия.
ORCID: 0000-0003-0963-0183
Р. И. Рюмшин, доцент кафедры ВУНЦ ВВС «ВВА», г. Воронеж, Россия.
ORCID: 0000-0001-7470-6282
И. А. Сидоренко, адъюнкт кафедры ВУНЦ ВВС «ВВА», г. Воронеж, Россия.
ORCID: 0000-0002-7914-0705
Вклад авторов
Леньшин А. В.: идея, план работы, предложения и замечания; Кравцов Е. В.: расчет эксперимента, организация работы; Рюмшин Р. И.: проведение эксперимента; Сидоренко И. А.: обработка результатов, предложения по дальнейшему развитию исследований.
Информация о конфликте интересов
Авторы статьи заявляют об отсутствии конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании рукописи в рамках своего участия в эксперименте.
А. В. Леньшин, Е. В. Кравцов, Р. И. Рюмшин, И. А. Сидоренко
Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина» (ВУНЦ ВВС «ВВА»), г. Воронеж, Россия
При телевизионной разведке уровень освещенности объектов и дальность проведения оценки оптико-электронными приборами влияют на вероятности обнаружения и распознавания объектов. Предложен методический подход, позволяющий повысить оперативность оценки возможностей телевизионной разведки на различных носителях с использованием значений коэффициентов яркости объектов разведки, фонов и покрытий, минимального размера объекта. Доказана приемлемая достоверность использования методики применительно к конкретным условиям. Разработаны необходимые рекомендации по противодействию средствам телевизионной разведки в условиях неудовлетворительного показателя разведдоступности.
Ключевые слова: телевизионная разведка, объект разведки, вероятность обнаружения, оперативность оценки
Статья получена: 29.08.2022
Статья принята: 05.10.2022
Введение
На современном этапе развития техники значительно увеличивается число объектов радиоэлектронной борьбы (РЭБ), вследствие чего резко возросли требования к противодействию (ПД) техническим средствам разведки (ТСР) иностранных государств и организации радиоэлектронной защиты своих объектов. Военные конфликты последних лет отличаются возрастающей ролью технической разведки в информационном обеспечении боевых действий войск и подготовке к ним [1, 2]. Одним из наиболее информативных и оперативных видов технической разведки является оптико-электронная разведка (ОЭР) и прежде всего телевизионная (ТВ) разведка (ТВР), аппаратура которой размещается на различных видах носителей.
Возрастающий динамизм оперативной обстановки, связанный с частыми перемещениями объектов ТВР, вынуждает к необходимости прогнозирования разведобстановки и мер противодействия в предполагаемых районах дислокации объектов для повышения их живучести. Это делает актуальной оценку возможностей указанного вида разведки. Методологической основой такой оценки могут являться утвержденные методики, использующие данные, сосредоточенные в нормативных документах. Они обеспечивают высокую достоверность оценки при наличии необходимой полноты исходных данных. Однако в условиях динамично изменяющейся радиоэлектронной обстановки использование указанных методик по целому ряду объективных причин зачастую не представляется возможным.
В значительной мере удовлетворяющие современным условиям методики оперативной оценки некоторых видов ТВР предложены в [3, 4]. Они базируются на функциональном методе обобщенных параметров, где в качестве показателя оценки используется вероятность обнаружения объекта Wo или вероятность распознавания Wp в виде функциональной зависимости от дальности ТВ разведки Др:
Wo(р) = f(Др). (1)
Множество графических зависимостей (1) содержат в себе все возможные ситуации разведдоступности для ТВ-разведки и объекта, нормативные показатели в виде обоснованных значений вероятностей либо дальностей, отличаются наглядностью и простотой в использовании. Обобщение заключается в представлении параметров средства ТВ-разведки в виде единого коэффициента по выделенным типовым группам средств, что существенно облегчает проведение оценки в конкретных случаях.
Целью настоящего исследования является дальнейшее развитие оперативных методик оценки разведдоступности объектов ТВР и разработка рекомендаций по ПД ТВР, связанных с предъявлением требований к маскирующему объект покрытию применительно к конкретным условиям, определяемым прогнозируемым или реальным фоном.
Постановка задачи
ТВР позволяет получать видимые изображения объектов, в том числе ночью при низком уровне освещенности. ТВР основана на преобразованиях видимого изображения объекта – пространственного распределения освещенности на наблюдаемом объекте во временную последовательность электрических сигналов (видеосигналов) – с помощью построчно сканирующей оптической системы и фоточувствительного преобразователя.
Предлагается в качестве обобщенной оценки возможностей ТВР принять функциональную зависимость вероятности обнаружения Wo и вероятности распознавания Wp объектов от дальности Др в виде графической зависимости (1). Эти показатели должны быть в явном виде связаны с дальностью Др или с зоной действия как противоборствующей стороны, так и своих войск для обеспечения максимальной защиты своих объектов. Это также важно и для решения задачи ПД ТВР.
Оценка доступности графоаналитическим методом
Получим зависимость (1) в явном виде, пригодном как для расчетов в конкретных известных условиях, так и в обобщенном виде, используя типовой состав средства ТВР, представленный на рис. 1.
Параметрами средства ТВР являются: диаметр зрачка объектива dо, фокусное расстояние fоб, коэффициент пропускания объектива τо, чувствительность приемника излучения Фпи min (по потоку излучения), площадь пиксела S и его размер lmin, угловая разрешающая способность оптико-электронной системы γоэс. К параметрам среды относятся: коэффициент пропускания атмосферы τа и средний коэффициент яркости фона rф, а также дальность разведки Др. К параметрам объекта относятся его критический размер Lmin, средний коэффициент яркости rоб или средний коэффициент яркости маскировочного покрытия rм (в случае его использования).
Для ТВР форма объекта – главный демаскирующий признак. При этом может решаться как задача обнаружения, заключающаяся в отнесении участка изображения к одной из двух категорий «объект + фон» или «фон», так и задача распознавания, связанная с формированием зрительных образов объектов, их сравнением со «словарем» и выбором наиболее похожего из них.
Параметры связаны уравнением ТВР, определяющим поток Фпи на входе приемника излучения. В качестве приемника чаще всего используют линейку или матрицу на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) с чувствительностью Фпи min до 10–15 Вт и размером пиксела lmin, составляющем единицы микрометров. Качество обнаружения будет определяться отношением сигнал / шум: q = Фпи / Фпи min.
Исходя из назначения ТВР, очевидно, что содержанием оперативной оценки, приемлемой для практики с выходом на рекомендации по ПД ТВР, должен быть этап собственно распознавания. Поэтому примем вероятность распознавания Wр за основной показатель оценки возможностей ТВР, а в качестве одного из трех уровней распознавания (обнаружение, различение, опознание) выберем уровень опознания, устанавливающий тип объекта. Выбор подобного критерия оценки связан с тем, что именно этот уровень наиболее детально позволяет установить форму объекта. При этом наиболее объективным параметром, характеризующим эту вероятность, является количество элементов разрешения N, укладывающихся на минимальном (критическом для опознания) размере объекта N = Lmin / Lрс.
С учетом приведенных соображений в качестве исходного соотношения вероятности распознавания для построения упрощенной методики оценки возможностей может быть принято следующее приближенное соотношение:
. (2)
В выражении (2) Ф(х) – интеграл вероятности, а w – эмпирический коэффициент, зависящий от отношения сигнал / шум, значение которого лежит в пределах: 0,13 ≤ w ≤ 1, причем, для q ≥ 5,4 w = 1. Анализ технических характеристик современных средств ТВР, условий их применения и принятый уровень распознавания, а также требование оперативности оценки позволяют условие w = 1 принять в качестве основного. Коэффициент NФ характеризует требуемый (по вероятности) уровень распознавания. Для выбранного уровня опознания это значение в соответствии с критерием Джонсона (см. табл.) можно принять равным: NФ ≈ 6,5. Коэффициент Q, зависящий от квалификации оператора и объема априорной информации об объекте для выбранного уровня распознавания, можно принять равным [5]: Q = 0,97.
Требование оперативности позволяет ограничиться учетом только одного первого условия q ≥ 5,4 (w = 1), полагая его типовым. Это подтверждается анализом технических характеристик современных средств ТВР и условий их применения. Тогда в соответствии с (2) вероятность становится функцией некоторого обобщенного параметра
, (3)
имеющего смысл информативной составляющей процесса распознавания. Именно этот параметр предстоит видоизменить для получения искомой методики.
Значение NФ (используется критерий Джонсона) выбирается в соответствии с табличными данными (см. табл.). В данном случае примем уровень опознавания, тогда требуемое значение, гарантирующее Wp ≥ 0,5, будет NФ = 6,5. Исходя из опыта, значение Q можно принять: Q = 0,97. Основное преобразование касается видоизменения N, характеризующего реальный (оцениваемый) уровень опознавания и представляющего собой число элементов разрешения Lрс, укладывающихся на минимальном размере объекта Lmin, или
. (4)
Значение линейной разрешающей способности (РС) находится как произведение угловой РС оптико-электронной системы (ОЭС) γОЭС на дальность разведки Dp. В свою очередь угловая РС ОЭС складывается из угловой РС приемника оптического излучения (ПОИ) γпои и угловой РС оптической системы (ОС) γОС, т. е. γОЭС = γОС + γпои.
Для войсковой практики нет необходимости ориентироваться на конкретное средство высокоточного оружия (ВТО), использующее средства ОЭР (ТВР), тем более что многообразие используемых типов большое. Рациональнее решать задачу оценки относительно существующих видов разведки: воздушной или наземной, выбрав для этого параметры лучших средств или близких к таковым. В этом случае можно в выражение для параметра х ввести коэффициент вида разведки R, который объединяет постоянные коэффициенты и указанные параметры по видам разведки и рассчитывается заранее в виде:
. (5)
В выражении для обобщенного параметра х, а значит, и для вероятности в явном виде представлен параметр, характеризующий вид разведки, главная характеристика объекта с точки зрения его распознавания – минимальный размер, дальность разведки:
. (6)
Остается учесть реальные условия наблюдения объекта на некотором фоне. Для этого введем в параметр х некоторый коэффициент уменьшения разрешающей способности α. Он будет играть роль сомножителя, зависящего от видимого контраста объекта и фона K. Аналогичный параметр используется в фоторазведке в виде эмпирического соотношения [6]:
α ≈ [K / (2 – K)] 0,5. (7)
Правомерность такого подхода оправдана, если опираться на единство физического принципа получения изображения в рассматриваемом диапазоне длин волн ТВР. В свою очередь контраст выразим как относительную разность яркостей через средние коэффициенты яркости в рассматриваемом диапазоне ОЭР для объекта и фона с помощью соотношения
. (8)
Произведение минимального размера объекта на коэффициент уменьшения РС в выражении для обобщенного параметра х обозначим как некоторый эквивалентный размер объекта H с учетом ухудшения РС H = Lmin ∙ α. Такое представление позволяет получить семейство кривых, отражающих зависимость эквивалентного размера от видимого контраста H = f(K) для всех возможных фиксированных значений минимальных размеров объекта (рис. 2). При этом мы учитываем влияние видимого контраста на разрешающую способность при оценке возможностей ТВР и эффективности мер защиты стационарных объектов от ВТО.
На основании предлагаемого методического подхода обобщенный параметр х описывается выражением
. (9)
Выражение (9) включает в себя все данные, необходимые и достаточные для проведения оперативной оценки ТВР. Тогда мы получим семейство зависимостей вероятности распознавания объекта от дальности для заданного вида разведки и для возможных фиксированных значений эквивалентного размера объекта в виде Wp = ϕ(Dp) при H = const (рис. 3).
Зависимости, приведенные на рис. 3, получены для средств воздушной ТВР, которым соответствует значение коэффициента вида разведки R. Расчет указанных функциональных зависимостей производится по известной формуле [7], аппроксимирующей интеграл вероятности в виде
, (10)
где kx = –1 при x < 0 и kx = 1 при x ≥ 0.
Оценка доступности алгоритмическим методом
Наряду с приведенным графоаналитическим методом оценки возможностей ТВР был создан алгоритм оперативной методики и выполнена его программная реализация в виде программного обеспечения (ПО) [8]. На рис. 4 представлено главное окно выбора одного из трех видов носителей средств ТВР: воздушных, космических и наземных.
Рассмотрим работу программы на примере воздушного носителя. Выбрав данный режим, оператору необходимо ввести исходные данные по объекту защиты и условиям ведения ТВР, аналогичные графоаналитическому методу: критические линейные размеры и коэффициент яркости объекта, коэффициент яркости фона. Также оператору дана взможность выбора показателя оценки ведения разведки (например различение) (рис. 5). Программа рассчитывает функциональные зависимости вероятности обнаружения от дальности ведения ТВР.
Так как средства разведки обладают различными показателями разрешающей способности, влияющими на вычисление эквивалентного размера, то строится семейство кривых, представляющих функциональную зависимость выбранной вероятности от дальности ведения разведки. В качестве примера выберем для анализа эквивалентный размер объекта защиты, равный 0,11 м. Этому размеру на графике соответствует кривая под номером 1. Для того чтобы объект защиты был различен, вероятность различения должна быть не ниже 0,5. Этому показателю соответствует дальность ведения разведки, равная 1 км. Подведя указатель мыши на соответствующую кривую, оператор получает точное значение. Также в программе имеется блок, предназначенный для оценки необходимости ведения мер противодействия техническим разведкам. Для этого необходимо выбрать эквивалентный размер, ввести дальность ведения ТВР. Оператору будут даны рекомендации по мерам ПД ТВР.
Полученное значение дальности ведения разведки используется далее для построения зон разведдоступности объектов защиты от средств ТВР с учетом рельефа местности. Для этого в следующем модуле программы необходимо ввести исходные данные. В командной строке надо выбрать пункт меню «Параметры» и в открывшемся списке выбрать пункт «установить параметры средства разведки». В открывшемся окне оператор задает скорость и высоту полета воздушного носителя средств ТВР, а также полученную дальность ведения разведки. Выбирает вид самолета-разведчика – например самолет иностранной авиакомпании, совершающей рейс на территории Российской Федерации. Затем оператор выбирает режим построения зон разведдоступности: статический и динамический и наносит на электронную карту местоположение объектов защиты.
На следующем этапе оператор задает траекторию полета носителя средства ТВР путем нанесения линии на электронной карте. Программа автоматически с учетом профиля рельефа местности и высоты полета самолета строит зону ведения ТВР и выделяет красным цветом объекты защиты, видовые демаскирующие признаки которых могут быть различены.
Вывод
Разработанная методика оперативной оценки возможностей ТВР построена на использовании минимального набора исходных данных (средние значения коэффициентов яркости типовых объектов, фонов и покрытий). Минимальный (критический для распознавания) размер объекта реализуется с помощью предварительно рассчитанных графических зависимостей эквивалентного размера объекта от видимого контраста, вероятности распознавания для заданного вида средства разведки. Методика может быть использована в условиях конфликтного противодействия для оперативной оценки возможностей ТВР наземного и воздушного базирования с приемлемой точностью. Кроме того, применение программного обеспечения, основанного на алгоритмическом методе оценки разведдоступности, позволяет значительно повысить оперативность методики. Все это позволяет проводить оценку разведдоступности объектов защиты, выбирать наиболее эффективные меры по ПД ТВР и заблаговременно их применять, что в значительной степени снижает информативность ведения разведки противником.
Дальнейшее направление исследований связано с повышением достоверности оценки путем анализа результатов инструментального контроля средствами оптико-электронного контроля на различных носителях. Наиболее подходящей архитектурой построения алгоритма оценки является применение нейронных сетей для классификации изображений по типу объекта, семантической сегментации и обнаружении объектов. В настоящее время наиболее подходящим типом нейронных технологий для данных задач являются сверточные нейронные сети. Их архитектура предполагает чередование сверточных (convolutation) и объединяющих (pooling) слоев.
Сверточные слои необходимы для объединения значений расположенных рядом пикселов из захваченного кадра от средств видовых разведок и выделении низкоуровневых признаков в первом слое и более обобщенных признаков в последующих. Практически этими слоями применяется операция свертки ядром свертки – квадратными окнами небольшого размера. Свертка – математическая операция, которая плавно перемещает одну функцию по другой и измеряет интеграл их точечного перемножения. Для получения матрицы или «карты» признаков ядро свертки последовательно сдвигается по горизонтали и вертикали, выполняя данный набор действий. Весовые коэффициенты ядра свертки неизвестны и устанавливаются в процессе обучения нейронной сети. Назначение объединяющих слоев (pooling layers) – сжатие входного изображения или промежуточных карт признаков для сокращения вычислительной нагрузки, расхода памяти и количества параметров нейронной сети.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Леньшин А. В. Бортовые системы и комплексы радиоэлектронного подавления. – Воронеж: ИПЦ «Научная книга», 2014. 590 с. ISBN 978-5-4446-0456-4.
Новичков Н. Н. Российское оружие в Сирии: анализ, итоги, выводы. – М.: ООО «Статус». 2018. 336 с. ISBN 978-5-9906553-2-4.
Меньшаков Ю. К. Теоретические основы технических разведок: Учеб. пособие / Под ред. Ю. Н. Лаврухина. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. 536 с. ISBN 978-5-7038-3019-2.
Меньшаков Ю. К. Основы защиты от технических разведок. – М.: ИПЦ «Маска», 2017. 572 с. ISBN 978-5-906955-18-0.
Леньшин А. В., Кравцов Е. В. Функциональный метод обобщенных параметров для оперативной оценки возможностей технических средсТВ-разведки. Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2021; 43(3): 23–32.
Леньшин А. В., Кравцов Е. В., Сенюков Г. А., Рюмшин Р. И. Оценка возможностей радиотехнической разведки по результатам контроля радиоэлектронных средств комплексом радиотехнического контроля. Динамика сложных систем – XXI век. 2016; 10(3): 29–35.
Кравцов Е. В. Методический подход к комплексной оперативной оценке возможностей выявления сведений об объектах защиты. Телекоммуникации. 2020; 9: 33–41.
Васильев А. Н. Программирование на С# для начинающих. Особенности языка. – М.: Эксмо, 2019. 528 с. ISBN 978–5–04–092520–9.
АВТОРЫ
А. В. Леньшин, профессор ВУНЦ ВВС «ВВА», г. Воронеж, Россия,
e-mail: andrey-lenshin@yandex.ru
ORCID: 0000-0001-7540-9351
Е. В. Кравцов, начальник кафедры ВУНЦ ВВС «ВВА», г. Воронеж, Россия.
ORCID: 0000-0003-0963-0183
Р. И. Рюмшин, доцент кафедры ВУНЦ ВВС «ВВА», г. Воронеж, Россия.
ORCID: 0000-0001-7470-6282
И. А. Сидоренко, адъюнкт кафедры ВУНЦ ВВС «ВВА», г. Воронеж, Россия.
ORCID: 0000-0002-7914-0705
Вклад авторов
Леньшин А. В.: идея, план работы, предложения и замечания; Кравцов Е. В.: расчет эксперимента, организация работы; Рюмшин Р. И.: проведение эксперимента; Сидоренко И. А.: обработка результатов, предложения по дальнейшему развитию исследований.
Информация о конфликте интересов
Авторы статьи заявляют об отсутствии конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании рукописи в рамках своего участия в эксперименте.
Отзывы читателей
