Гуманитарное разминирование – деятельность, выполняемая вне районов боевых действий во взаимодействии с органами местного самоуправления (территориальной администрацией), которая приводит к устранению опасностей (рисков), связанных с взрывоопасными предметами (ВОП), и включает проведение сплошного обследования местности и объектов на предмет наличия ВОП, составление карт, поиск и обезвреживание ВОП, подготовку документации после проведения разминирования1.

Характерной особенностью современных войн является повсеместное и массовое минирование обширных территорий. Причем подавляющее большинство мин и ВОП не оснащены средствами самоликвидации. Это делает обязательным их поиск и обезвреживание. Современные способы и средства поиска мин сапером не обеспечивают разминирование в короткие сроки, а применение безэкипажных тралов невозможно при обезвреживании противотанковых мин.

В этом случае актуальной является задача проведения инженерной разведки с помощью технических средств в интересах гуманитарного разминирования территорий. При этом в качестве технических средств предлагается целая номенклатура устройств, работа которых основана на широком спектре физических принципов.

В статье обосновано применение радиолокационной станции (РЛС) бокового обзора дециметрового диапазона длин волн с синтезированной апертурой для поиска противотанковых мин на больших площадях. Проанализированы особенности использования дециметрового диапазона, его достоинства и недостатки при ведении инженерной разведки. Представлены результаты летных экспериментальных исследований по поиску и обнаружению мин и их имитаторов на различных грунтах при установке РЛС на различных носителях. Сделан вывод о высокой эффективности РЛС данного типа при ведении инженерной разведки в интересах гуманитарного разминирования.

Традиционно основными инструментами поиска ВОП и разминирования являются щуп, миноискатели. Для снижения рисков для жизни саперов дополнительно могут применяться специально обученные собаки [1].

Попытки снижения рисков и автоматизации процесса разминирования ведутся во многих странах, пока без серьезных результатов.

Вместе с тем за последние несколько лет применение беспилотных летательных аппаратов (БЛА) при ведении инженерной разведки достигло широких масштабов [2]. Многие правительственные и некоммерческие учреждения, занимающиеся гуманитарным разминированием, внедряют применение БЛА в свои стандартные процедуры. Помимо сбора аэрофотоснимков потенциально опасных территорий для построения ортофотопланов местности, БЛА уже определяют приоритетность зон разминирования, а в некоторых случаях обеспечивают обнаружение мин.

На современном этапе ведения дистанционной минной разведки в качестве информационных датчиков, используемых в виде целевой нагрузки БЛА, можно указать видеокамеры видимого диапазона (ТВ-камеры), инфракрасного диапазона (ИК-камеры), сканирующие лазерные локаторы (ЛЛ), а также магнитометрические датчики (ММ). Все они отличаются как особенностями применения, так и информационными возможностями по обнаружению и классификации ВОП [3].

Так, для ТВ-камер характерна высокая скорость и детальность просмотра исследуемой поверхности. Однако существенна метеорологическая и суточная зависимость качества снимков. Кроме того, для покрытия 1 км² с приемлемым разрешением понадобится не менее 60 000 снимков.

Одним из перспективных направлений поиска мин является использование ИК‑камер. Метод поиска основан на различиях тепловых излучений основного грунта и небольшой зоны, где расположена или зарыта мина. Однако по результатам экспериментальных исследований выявилось большое количество ложных тревог, вызванных аномалиями влажности или плотности грунта.

Лазерный локатор полезен для обнаружения воронок, свидетельствующих о нарушениях земляного покрова, но он не может обнаружить сами зарытые объекты.

Магнитометры – лучшие на данный момент инструменты для обнаружения заглубленных металлических предметов. Однако магнитный сигнал ослабевает по мере удаления ММ от земли, и предполагает применение БЛА на малой высоте.

Одним из наиболее перспективных направлений для повышения эффективности ведения минной разведки является применение в качестве целевой нагрузки БЛА радиолокационных станций с синтезированной апертурой (РСА) бокового обзора (БО) [4].

В качестве математической модели отражающих свойств наблюдаемой поверхности используется функция радиолокационного рельефа (ФРР). Она определяет комплексную огибающую электромагнитного (ЭМ) поля , рассеянного от подстилающей поверхности, и числено зависит от локального коэффициента отражения поверхности и параметров сигнала по следующей формуле [5]:

 (1)

где x и  – координаты по путевой и наклонной дальностям соответственно;  и  – амплитудная и фазовая характеристики рассеянного электромагнитного поля (ЭМП). Исходя из [5], если не учитывать изменения отражающих свойств поверхности в интервале наблюдения , где  – ширина диаграммы направленности (ДН) антенны, можно ограничиться только зависимостью от пространственных координат. Формирование синтезированной апертуры антенны в РСА БО представлено на рис. 1.

На рис. 1 переменная  характеризует период повторения импульсов,  – скорость полета носителя. Известно, что для процесса формирования и обработки радиолокационного сигнала справедлив принцип суперпозиций вследствие линейности операций [6]. А значит, обработка сигнала от каждого элементарного отражателя на наблюдаемом рельефе может производиться независимо, а отражения от сложного распределенного в пространстве объекта можно представить в виде суммы сигналов от нескольких точечных целей на его поверхности.

Сигнал  в РСА бокового обзора от -го точечной цели на выходе приемника является непрерывным по наклонной дальности  и дискретным по путевой дальности  (n = 0, 1, 2, …), а также независимым по этим координатам [7]:

 (2) 

где  – временная задержка сигнала от -го точечной цели по наклонной дальности в периоде зондирования; ;  – функция, описывающая закон фазовой модуляции зондирующих сигналов;  – функция, описывающая огибающую амплитуды сигнала от -го элементарного отражателя,  – огибающая сигнала по путевой координате x.

В случае применения зондирующего ЛЧМ-импульса сигнал от -го элементарного отражателя, расположенного на дальности , , определяется по формуле

 (3)

 и  – интервалы дискретизации по координатам x и ;  – крутизна ступеньки ЛЧМ;  – девиация частоты.

Сигнал, отраженный от земной поверхности и сложных объектов , представляет собой суперпозицию шума и откликов от всех элементарных отражателей, попавших в диаграмму направленности:

, (4)

где  – комплексный белый шум.

Как было отмечено ранее, сечения сигнала  по путевой (при фиксировании координаты m) и наклонной (при фиксировании координаты n) дальностям при отсутствии миграции сигналов от точечных целей в полоске наклонной дальности на интервале синтезирования являются независимыми, а сам сигнал является разделяющимся по координатам m и n [5]. Поэтому разработку алгоритмов для этой обработки можно вести независимо по координатам m и n. Цель обработки – на основе имеющегося расширения спектра сигнала в сечениях по координатам r и x провести сжатие сигналов от каждого элемента наблюдаемой поверхности, обеспечивая тем самым высокое разрешение по координатам путевой и наклонной дальностей.

Известно, что радиолокационные сигналы с расширенной базой сжимаются по длительности путем корреляционной обработки [8]. При этом используется согласованная с сигналом от элементарного отражателя опорная функция. Эта функция так же, как и сигнал, разделена по координатам x и r:  (знак «*» обозначает комплексное сопряжение):

 (5)

,

где ; M и N – число отсчетов опорных функций по наклонной  и путевой  дальностям.

Опорная функция , согласованная по фазе с сигналом от точечного отражателя на интервале синтезирования , описывается по формуле

, (6)

где  – огибающая импульсной характеристики цифрового фильтра, задаваемая на ИС: .

Эффективность обнаружения цели определяется отношением сигнал/фон q, которое равно отношению электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) объекта  к ЭПР фона  в элементе разрешения:

, (7)

где  и  линейные разрешения по дальности и углу соответственно,  – удельный ЭПР поверхности.

Ориентировочные значения удельных ЭПР для различных подстилающих поверхностей для X (3 см)- и P (70 см)-диапазонов при угле падения излучения 20° представлены в табл. 1 [9]. Показаны величины для различных поляризаций, где ГГ – горизонтальная поляризация на прием и передачу, ВВ – вертикальная поляризация на прием и передачу.

Как видно из таблицы, при переходе от сантиметрового к дециметровому диапазону происходит резкое изменение прежде всего функций отражения подстилающей поверхности. Так, в диапазоне λ= 70 см среднее значение удельной ЭПР  уменьшается на 20…30 дБ, что приводит к увеличению радиолокационного контраста объектов относительно фона.

Также из выражения (7) очевидно, что максимальная эффективность обнаружения достигается при соответствии размеров элемента разрешения РСА БО   линейным размерам объекта (цели) на поверхности по координатам y и x соответственно. Высокое разрешение по наклонной дальности (координата y) достигается применением широкополосных сигналов, а по направлению путевой скорости (координата х) – длительными интервалами накопления траекторного сигнала. 

На рис. 2 представлены радиолокационные изображения (РЛИ), полученные при использовании двухдиапазонной интегрированной бортовой РСА БО [10][11]. Высота полета носителя (самолет Ан-2) – 800 м, дальность до центра РЛИ – 2 000 м. На рис. 2, а на РЛИ Х-диапазона (длина волны λ = 3 см) наблюдается аэродром малой авиации с инфраструктурой, автомобильной дорогой и прудом. На рис. 2, б на РЛИ Р-диапазона (длина волны λ = 70 см) ярко проявляются фонарные столбы и ров вдоль дороги, отдельные строения, технические средства, самолеты (отмечены соответствующими маркерами 1–3 на рис. 2, б).

Особенности применения Р-диапазона, большинство из которых проявляются на рис. 2:

Вместе с тем при использовании РСА БО Р-диапазона возникают объективные трудности в формировании РЛИ.

Во-первых, относительно низкая несущая частота не позволяет использовать сигналы с шириной спектра более 100 МГц (20…25 % от несущей). При этом предельная разрешающая способность по наклонной дальности  составляет 1,5 м.

Во-вторых, бо́льшая длина волны для достижения высокой разрешающей способности по азимуту  (соизмеримой ) требует большего размера синтезированной апертуры, а значит, бо́льшую длительность интервалов накопления траекторного сигнала при одинаковых скоростях полета носителя [12]. Зависимости размера апертуры  от расстояния до цели  для различных разрешающих способностей по азимуту для двух диапазонов частот представлены на рис. 3.

Так, для  = 1,5 м, r0 = 1 000 м, λ = 0,7 м интервал синтезирования составит более 200 м. Для достижения той же детальности РЛИ в Х-диапазоне интервал синтезирования не превышает 9 м.

В-третьих, условие согласованной по линейке дальности обработки накопленного траекторного сигнала выполняется в случае отсутствия миграции отсчетов сигнала от каждого элементарного отражателя по полоскам дальности [13]. Для этого на интервале синтезирования  требуется удовлетворение следующего неравенства:

, (8)

где  – траверзная наклонная дальность до -й полоски дальности;  – приращение наклонной дальности до i-го элементарного отражателя на интервале синтезирования . С учетом равенства  имеем неравенство

 , (9)

из которого следует, что миграция сигнала по каналам дальности для принятых значений начинается с наклонной дальности более 60 м (для Х-диапазона 30 000 м), то есть в Р‑диапазоне практически всегда.

В-четвертых, случайные отклонения фазы траекторного сигнала приводят к расширению радиолокационных откликов от точечных отражателей в РЛИ [6][12]. Это может привести как к искажению изображений от распределенных целей, так и к некорректному определению малоразмерных целей.

Все перечисленные трудности в реальных системах решаются применением различных компромиссов, например в виде использования математической компенсации миграции каналов дальности при обработке сигналов или необходимости получения и учета информации от датчиков бортовой микронавигации для компенсации траекторных нестабильностей. Все это приводит к существенному усложнению алгоритмов обработки траекторных сигналов.

Исходя из информации, представленной ранее, в общем виде можно представить алгоритм формирования РЛИ (рис. 4).

Сначала на вход подается радиолокационный сигнал, из которого подготавливается радиоголограмма (РГГ) принятого комплексного сигнала. С учетом (5) целесообразно производить сжатие сигнала по дальности непосредственно в РСА БО. Производится компенсация траекторных нестабильностей РГГ и миграции каналов дальности. Далее производится двумерное прямое преобразование Фурье для получения спектра РГГ. Затем выполняется прямое преобразование Фурье двумерной опорной функции для получения спектра опоры. Спектры опорной функции и РГГ перемножаются. Опорная функция вычисляется для заданной дальности для компенсации фазы точек на этой дальности. Двумерное обратное преобразование Фурье перемноженных спектров выполняется для преобразования данных во временную область. В результате получаются искомые данные – радиолокационное изображение [14][15].

На рис. 5 представлена структурная схема бортового радиолокационного комплекса инженерной разведки (БРЛК ИР) «Археолог‑И», разработанного в инициативном порядке творческим коллективом ООО «НПО НаукаСофт».

Бортовая часть комплекса состоит из спецвычислителя, бортовой навигационной системы, РСА БО Р-диапазона. Навигационные определения (НО) применяются для компенсации траекторных нестабильностей в радиолокационных голограммах, состоящих из сжатого по дальности радиосигнала (СжДС). Все результаты функционирования комплекса, такие как принятые РГГ, НО, полученные РЛИ сохраняются во внутреннюю память спецвычислителя.

Наземная часть комплекса состоит из базы данных, содержащей архивы полученных РГГ, радиолокационных изображений и географических карт. Географические карты применяются для координатной привязки полученных РЛИ к местности. Хранение РГГ для каждого РЛИ позволяет повторно произвести операции получения изображений с уточненными параметрами, к примеру, произвести точную фокусировку РЛИ в определенном участке интереса. Внешний вид интерфейса автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора-дешифровщика для БРЛК ИР «Археолог-И» представлен на рис. 6.

АРМ оператора-дешифровщика решает следующие задачи:

1) прием от СПО первичной обработки и отображение РЛИ; 

2) прием и отображение навигационных данных;

3) предварительная обработка РЛИ;

4) геометрическая коррекция и трансформирование РЛИ;

5) привязка РЛИ к цифровой карте местности [16];

6) дешифрирование РЛИ в части обнаружения, распознавания и определение параметров объектов интереса [17];

7) архивирования данных для повторного доступа к ним;

8) формирование сообщений потребителям.

Ниже представлены экспериментальные материалы, описывающие особенности применения РСА БО Р-диапазона в составе комплекса инженерной разведки при решении задач гуманитарного разминирования.

На рис. 7, а представлен внешний вид АРЛК ИР «Археолог», размещенного на носителе – БЛА среднего класса типа «квадрокоптер», а на рис. 7, б − РСА БО Р-диапазона «Линза».

На РЛИ Р-диапазона в оттенках серого (рис. 8, б) и в 3D-представлении (рис. 8, в) наблюдаются имитаторы мин (рис. 8, а) (три металлических миски диаметром до 30 см) и ВОП (два обрезка металлической водопроводной трубы длиной 35 см). Высота полета носителя составляла до 300 м, наклонная дальность до объектов − менее 600 м. Несмотря на относительную равномерность подстилающей поверхности на РЛИ наблюдаются пятна, возникающие в результате случайного суммирования отраженных сигналов от элементарных участков поверхности и называемые «спекл-структурой».

Ни рис. 9, а представлен вариант размещения БРЛК ИР на БЛА типа VTOL. Полетное задание предполагало полет по прямоугольному периметру на высоте до 300 м со скоростью до 100 км/ч и наклонным удалением от центра установки мишеней до 400 м.

Коррективы в маршрут внес сильный боковой ветер (до 15 м/с), который существенно изменил траекторию полета носителя, как это видно на рис. 9, б. Мишени в виде мисок, об резков труб, а также пластмассовых учебных противотанковых мин ТМ-62 (рис. 10, а) были расставлены через 10 м, как это указано на рис. 10, б.

На рис. 11 представлены 3D-РЛИ (рис. 11, a) и 2D-РЛИ (рис. 11, б) участка поверхности с мишенями.

Несмотря на существенную кривизну траектории, при обработке удалось сфокусировать отраженные сигналы и получить существенный радиолокационный контраст. Дешифрирование РЛИ позволило обнаружить и идентифицировать 10 мишеней из 12 (рис. 11, б). Максимальная амплитуда наблюдается у сигнала, отраженного от картонной коробки, обернутой фольгой. Процесс дешифрирования усложнялся относительным смещением максимумов отражений от мишеней, вызванным существенным отклонением траектории полета носителя.

Проведенные летные экспериментальные исследования показали высокую информативность РСА БО Р-диапазона при решении задач инженерной разведки. В качестве носителя предпочтительным вариантом выглядит БЛА типа VTOL, имеющий бо́льшую продольную устойчивость полета. Таким образом, задача информационного обеспечения гуманитарного разминирования может быть решена путем комплексного применения БЛА с различной целевой нагрузкой в несколько этапов.

На первом этапе с применением ТВ-камер и ЛЛ строится ортофотоплан местности, предназначенной для разминирования. Затем строится его радиолокационное и ИК-изображение, совместная обработка которых после наложения на ортофотоплан позволит построить кадастровый реестр минного поля. Информация может быть уточнена дополнительным пролетом БЛА с ММ в качестве целевой нагрузки. Таким образом, будет обеспечиваться последовательное повышение детальности, полноты и достоверности информации: «мин нет» – «мины локализованы в указанных областях» – «кадастровый реестр минного поля с указанием координат мин».

Необходимость обработки больших объемов сложной информации требует максимальной автоматизации деятельности оператора-дешифровщика изображений. И здесь не обойтись без применения технологий искусственного интеллекта, требующих больших объемов обучающих выборок и серьезных вычислительных ресурсов.

1. Практическая деятельность (гуманитарное разминирование) [Электронный ресурс] // Министерство обороны Российской Федерации – сайт. URL: https://mil.ru/mpc/activities/practical.htm (дата обращения: 21.04.2025).