К перспективным средствам дистанционного зондирования атмосферы военного назначения иностранные специалисты предъявляют особые требования:
- практически реальным масштаб времени проведения измерений и их обработки (секунды—десятки секунд);
- значительная разрешающая способность в пространстве (десятки—сотни метров);
- большая чувствительность к определению токсичных веществ (10-7—10-8) и высокая их специфичность (в частности, разрешение по спектру не менее 0,01 см-1);
- способность настройки на так называемое резонансное определение возможно большего числа токсичных веществ, находящихся в любом агрегатном состоянии (аэрозоль, пар, газ);
- возможность сопряжения с различными автоматизированными системами управления войсками;
- надёжное функционирование в неблагоприятных метеорологических условиях;
- мобильность и относительно малая стоимость.
Иностранные специалисты отмечают, что в настоящее время классификация средств дистанционного зондирования по назначению затруднена, так как многие из них находятся на начальных и промежуточных стадиях развития. Кроме того, ещё не выявлены полностью их потенциальные возможности. В зависимости от диапазона используемого электромагнитного излучения эти средства условно подразделяются на акустические, радиолокационные и оптические. Они могут быть активными и пассивными. Первые включают источник зондирующего излучения и его приёмник, которые можно располагать в одном месте или разносить на некоторое расстояние друг от друга. Вторые основаны на принципе регистрации собственного теплового излучения среды (тепловая локация). К ним относятся спектрофотометры, радиометры и радиотеплолокаторы. Обычно все они работают по принципу сравнения измеряемого излучения с эталонным.
Акустические средства имеют дальность действия, как правило, несколько сот метров. В иностранной печати это объясняется тем что количественные измерения, производимые с их помощью, ограничиваются в приземном слое атмосферы следующими характерными особенностями среды: турбулентность, облачность, влажность, нагрев или охлаждение. В то же время при благоприятных условиях (чистая атмосфера) акустические средства дают возможность определять такие явления в атмосфере, как инверсия и ветер, с точностью, которую не позволяют получить другие средства. Типичными образцами акустических средств являются доплеровские звуковые локаторы в моно- или бистатическом вариантах.
В последние годы получают развитие комбинированные радиоакустические и оптико-акустические средства, позволяющие определять распределение температуры и ветра по высоте. Однако, как сообщалось в иностранной печати, работы по их созданию ещё не свершены. Гораздо большее распространение акустические средства получили в области исследования гидросферы и литосферы.
Радиолокационные средства, по мнению зарубежных специалистов, совершеннее всех существующих в настоящее время. Они имеют дальность действия сотни и даже тысячи километров. С их помощью можно измерять почти все основные параметры атмосферы (за исключением её состава), биосферы, гидросферы, литосферы, а также выполнять многие другие измерения. В настоящее время метеорологические РЛС, работающие в сантиметровом диапазоне волн, определяют не только место и интенсивность, но и скорость осадков (по доплеровскому эффекту). Система, состоящая из двух-трёх РЛС, даёт возможность получать данные о распределении поля ветров, знание которых необходимо для обеспечения действий авиации, применения ракет и артиллерии, прогнозирования масштабов заражения и т. д.
Метеорологические РЛС, предназначенные для исследования локальных атмосферных процессов (развитие облачности, выпадение осадков, турбулентные и конвективные образования, завихрения и т. п.), должны отвечать следующим требованиям иметь высокое угловое разрешение (не более Г), широкий динамическим диапазон чувствительности, обладать высокой скоростью азимутального сканирования (оборот за 15—30 с) и располагать устройствами для хранения, автоматической обработки и отображения данных. Основные характеристики типовых метеорологических РЛС приведены в табл. 1.
Таблица 1
Основные характеристики типовых метеорологических РЛС
В вооружённых силах США имеется РЛС AN/1PS-41. Она предназначена для получения метеорологических данных в трёхмерном измерении (радиус до 210 км, высота около 50 км) в реальном масштабе времени. Дальности действия метеорологических станций более позднего поколения — американской AN/AVQ-30 и французской «Омера» — соответственно 550 и 400 км.
Используя последние достижения в области радиолокации, иностранные специалисты создали РЛС которые обеспечивают зондирование относительно чистой атмосферы с представлением данных в двух- и трёхмерном измерениях. Для этого используются также пассивные методы. Так, наличие влаги в атмосфере определяется по радиоизлучению (5—10 ГГц), генерируемому падающими водяными каплями.
Как указывается в иностранной печати, дальнейшее развитие метеорологических РЛС будет проходить главным образом по пути обеспечения их устройствами накопления, хранения, обработки и выдачи данных.
Оптические средства дистанционного зондирования, использующие излучения ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов, зарубежные специалисты считают наиболее перспективными. В качестве генераторов излучений в активных средствах, работающих, например, в видимом участке спектра, обычно применяются оптические квантовые генераторы (ОКГ), или лазеры.
Лазерные локаторы, применяемые для зондирования атмосферы, называются ещё лидарами. Использование лазерных средств основано на явлениях взаимодействия лазерного луча с атмосферой (поглощение и рассеяние излучения атомами и молекулами атмосферных газов; рассеяние на частицах атмосферных аэрозолей — облака, туманы, осадки, дым, пыль; резонансное и комбинационное рассеяние атомов и молекул атмосферных газов; изменения луча турбулентностью атмосферы; смещение частоты излучения, обусловленное тепловым движением молекул воздуха и перемещением аэрозолей под действием ветра). В процессе лазерного зондирования практически мгновенно с высокой пространственной точностью (до 1 м) определяются значения того или иного метеорологического параметра по всему следу луча. В иностранной печати указывается на перспективность лидаров в качестве средств боевого обеспечения различного назначения: метеорологической, радиационной, химической и биологической разведки.
С помощью лидаров получают также значения метеорологических параметров в наглядной и удобной для использования форме (изобары, изотермы и т. п.). Характерным для средств оптического диапазона является также высокая когерентность излучения, что существенно расширяет возможности спектральных измерений, сопоставимых с длиной волны излучения. Кроме того, при оптических измерениях отсутствует эффект экранирующего влияния Земли, которому подвержены РЛС. По мнению зарубежных специалистов, недостатком лидаров является ограничение их возможностей в условиях атмосферных осадков ввиду сильного поглощения излучения.
В 1974 году в США были созданы лидары, горизонтальная дальность действия которых достигает 100 км, реально отражённое (рассеянное атмосферой) излучение их принималось с расстояния 10 км днем и 50 км ночью.
Некоторые характеристики акустических, радиолокационных и оптических средств зондирования атмосферы приведены в табл. 2.
Таблица 2
Сравнительные характеристики средств зондирования атмосферы
Иностранные военные специалисты провели сравнительную оценку средств дистанционного зондирования атмосферы всех трёх видов и сделали вывод, что требованиям, например, обнаружения в атмосфере токсичных веществ в любом агрегатном состоянии удовлетворяют лишь оптические средства. При этом аэрозоли веществ определяются по специфичному для них аэрозольному рассеянию излучения, а пары и газы — по поглощению, флуоресценции и комбинационному рассеянию.
На рис. 1 показана аэрозольная структура приземного слоя воздуха (по результатам зондирования лидаром) и приёма аэрозольного рассеяния, а на рис. 2 изображён японский мобильный лидар, генератор и приёмник которого смонтированы на крыше автобуса. С помощью этою лидара можно определять наличие примесей в воздухе порядка 10*3 мг/л на расстоянии нескольких сот метров. Зарубежные военные специалисты проявляют к нему большой интерес.
Рис. 1. Аэрозольная структура приземного слоя относительно чистого воздуха, полученная с помощью лидара (в центре — вертикальное сечение невидимой глазу дымовой струи)
Способность лазеров изменять частоту генерируемого ими излучения делает возможной резонансную настройку лидара на измерение того или иного параметра, что существенно увеличивает чувствительность. Так, аэрозоли фосфорорганических веществ, в том числе отравляющих, при концентрации до 10*5 мг/л обнаруживаются спектрометром комбинационного рассеяния в резонансном режиме на расстоянии нескольких сот метров.
Рис. 2. Японский автомобильный лидар фирмы Мицубиси
Иностранные военные специалисты отмечают в развитии лидарной техники некоторые тенденции. Так, возрастает роль многоспектрального зондирования, при котором повышается эффективность и надёжность функционирования средств в различных метеорологических и климатических условиях. Одни и те же средства в будущем предполагается использовать для разведки зеркально отражающих объектов и диффузно отражающих сред. Макет такой универсальной лазерной установки показан на рис. 3.
Рис. 3. Макет американской перспективной лазерной установки общего назначения
К концу текущего десятилетия зарубежные специалисты надеются получить трёхмерное (голографическое) отображение аэрозоля в атмосфере с последующим его анализом. В настоящее время аппаратуру для этого разрабатывают совместно химический научно-исследовательский центр и управление метеорологической службы Великобритании. Созданный ими дешифратор голограмм аэрозолей (рис. 4) обеспечивает запись (регистрацию) голограмм исследуемого аэрозоля с помощью коротких (30 ис) импульсов рубинового лазера. При этом фиксируются даже частицы, движущиеся со скоростью до 100 м/с. Расшифровка голограмм автоматизирована и осуществляется при помощи непрерывного излучения гелиево-неонового лазера. Объемное изображение микрочастиц размерами менее микрона после 200-кратного увеличения его проецируется на телеэкран. С помощью запрограммированного калькулятора или мини-ЭВМ результаты анализа можно получить в реальном масштабе времени.
Рис. 4. Дешифратор голограмм аэрозолей, созданный в Великобритании
Как сообщалось в иностранной печати, применение лидаров в исследованиях атмосферы тормозилось отсутствием средств регистрации, обработки (анализа) и отображения больших массивов данных зондирования. В 1973 году Стэнфордский институт США по заказу армии и ВВС создал мобильный лазерный локатор Мк9, совместив его с системой автоматической обработки данных на базе мини-ЭВМ AN/PDP-11. Последняя представляет данные в реальном масштабе времени (в трёх-и четырёхмерном измерениях) со скоростью 60 бит в минуту. Лидар предназначен для ведения метеорологической разведки. Кроме того, с его помощью можно обнаруживать на расстоянии до 2 км аэрозоли биологического происхождения, концентрации которых составляют 14 частиц (клеток) в литре и более. Американские специалисты считают, что широкое применение больших электронных цифровых вычислительных машин расширит возможности и повысит оперативность средств зондирования, особенно оптических. Помимо сбора, хранения, обработки и выдачи многочисленных данных зондирования в удобной для восприятия форме, они по заранее разработанным программам будут управлять режимом зонирования. В результате математической обработки большого количества разрозненных данных такие ЭВМ в будущем на основе операций по распознаванию образов позволят вырабатывать в реальном масштабе времени качественно новую информацию о природе и масштабах того или иного явления (объекта), которая считается конечной целью любого вида разведки.
В зарубежной печати отмечается, что з последнее время характерно конструктивное сближение средств дистанционного контроля среды военного и гражданского назначения. Это объясняется едиными принципами их работы и стремлением расширить диапазон применения Как указывается в иностранной прессе, в начале 80-х годов лидары будут широко использоваться для локации и разведки.
В США наряду с соответствующими гражданскими организациями в работах по созданию средств дистанционного зондирования атмосферы активно участвуют учреждения военных ведомств, главным образом армии и ВВС. В армии США с начала 70-х годов выполняется программа исследований атмосферы для обеспечения решения задач различными видами оружия и боевой техники (средствами разведки, обнаружения целей и ночного видения; сигнализационными приборами тактической разведки; полевыми средствами связи, топопривязки и картографии). Выполнением этих программ заняты научно-исследовательские центры, лаборатории, полигоны, арсеналы. В 1973 году в командовании НИОКР и материально-технического обеспечения армии США был создан отдел разработки средств разведка окружающей среды с группой, ответственной за средства метеорологического обеспечения. В американской печати сообщалось, что НИОКР ведутся по следующим направлениям: измерение параметров атмосферы, прогноз состояния атмосферы, воздействие различных факторов на атмосферу, воздействие атмосферы, в том числе зараженной, на оружие, технику и Соевые действия войск.
С 1972 года в американской армии используются метеорологические ПСЗ для решения задач дистанционного зондирования как нижних, так и верхних слоев атмосферы. Согласно новым требованиям спутниковые средства зондирования дотжны обеспечивать трёхмерное измерение следующих параметров, направление и скорость ветра, температура и влажность воздуха, содержание примесей (газы, аэрозоли, осадки, плотность ионов и электронов). Уже созданы опытные образцы средств:
- оптический квантовый генератор на эрбии и иттриево-алюминиевом гранате для обнаружения замаскированной техники по следам метана в выхлопных газах двигателей;
- спектрорадиометр для определения температурного профиля атмосферы до высот 10 км;
- мобильный метеорологический радиолокатор для обнаружения естественных и искусственных аэрозолей (а также радиоактивной пыли) в радиусе около 240 км на высотах до 50 км;
- станция дистанционного определения температуры и влажности, характеристик ветра и т. д.
В зарубежной печати сообщалось, что в США разрабатывается автоматизированная система метеорологической разведки AMS (Automatic Meteorological Station), предназначенная для метеорологического обеспечения боевых действий частей и соединений сухопутных войск. Планируется начать её поставку в войска с 1985 года. Для метеорологическою обеспечения был создан упрощённый вариант — PAWS (Programmable Automatic Weather Station). Опытный образец в конце 1974 года проходил испытания в присутствии представителей вооружённых сил стран — участниц НАТО. Более совершенный вариант этой системы должен обеспечивать действия армейской авиации и артиллерии, а также предупреждать войска об использовании противником химического оружия. Вышеуказанные системы планируется применять совместно с автоматизированными системами управления сухопутных войск («Тос», «Такфайр» и другими).
Иностранная печать свидетельствует, что военное руководство империалистических государств, особенно стран — участниц агрессивного блока НАТО, постоянно повышает мощь своих вооружённых сил как за счёт оснащения армий новыми системами оружия и боевой техники, так и путём повышения точности стрельбы, бомбометания и т. д. В решении последней задачи они отводят важную роль боевому обеспечению, в том числе и перспективным средствам дистанционного зондирования атмосферы.