К вопросу об электрооптиках
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.
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.
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.
Click to viewОднако 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).