แหล่งข้อมูล

MASS Consultant Co.Ltd.

An Effective Simulator for the Rosette Scanning Infrared Seeker,

by Hadi Soltanizadeh and Shahriar B. Shokouhi

Electronic Warfare Fundamentals, by US. Air Force

www.ordnance.org

www.ausaurpower.net

 

กล่าวนำ

                ระบบคลื่นอินฟราเรดถูกใช้งานในจรวจนำวิถีในหลากหลายรูปแบบทั้งอากาศสู่อากาศ (AIM-9 Sidewinder) และ อากาศสู่พื้น (AGM-65 Maverick) รวมทั้งพื้นสู่อากาศ (FIM-92 Stinger) โดยตลอดกว่าสองทศวรรษที่ผ่านมา จรวจนำวิถีด้วยคลื่นอินฟราเรดสามารถทำลายอากาศยานในอากาศได้มากกว่าครึ่ง ประกอบกับเป็นระบบอาวุธที่เล็ก มีประสิทธิภาพ หาซื้อได้ง่าย และราคาไม่แพง ทำให้อาวุธประเภทนี้ยังคงเป็นภัยคุกคามที่สำคัญของอากาศยานทั้งการรบที่เป็นรูปแบบ และการก่อการร้ายในยุคปัจจุบัน อีกทั้งยังเป็นระบบ Passive ทำให้ยากแก่การตรวจจับและแจ้งเตือน

สำหรับการใช้งานระบบคลื่นอินฟราเรดในจรวดนำวิถีจะต้องใช้การแยกแยะเป้าหมายออกจากสิ่งแวดล้อม เพื่อให้ได้สัญญาณในการติดตามเป้าหมาย (Target Tracking) และในส่วนของเป้าหมายจำเป็นต้องศึกษาถึงวิธีการที่จะตรวจจับการถูกโจมตีด้วยจรวดจำพวกนี้ โดยอุปกรณ์แจ้งเตือนการเข้ามาของจรวด (Missile Approach Warning: MAW) ซึ่งเป็นการตรวจจับพลังงานคลื่นอินฟราเรดที่ปล่อยออกมาจากจรวด โดยใช้หลักการเดียวกับคลื่นอินฟราเรดที่ปล่อยมาจากอากาศยาน ส่วนใหญ่แล้วจำเป็นการตรวจจับความร้อนที่ออกมาจากไออากาศร้อน (Jet Plume) และความร้อนจากพื้นผิว (Aerodynamically Heated Surfaces)

การติดตามเป้าหมาย (Target Tracking)

ถึงแม้นว่าระบบของจรวดนำวิถีด้วย IRประกอบไปด้วยส่วนต่าง ๆ ได้แก่ Optic หรือ IR Dome, IR Guidance Processor หรือ Guidance Control Group, Fuse หรือ Target Detecting Device, Warhead หรือ Payload, Rocket Motor รวมถึง Airframe และ Control Surface ได้แก่ Body, Fins และ Wings แต่ส่วนที่สำคัญและซับซ้อนที่สุด คือ ชุดนำวิถีและควบคุม (Guidance and Control Section) ซึ่งประกอบด้วย ๓ ส่วนได้แก่

๑.     ชุดค้นหาคลื่นอินฟราเรด (An Infrared Seeker Assembly) ทำหน้าที่ตรวจจับเป้าหมาย

๒.     ชุดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ (An Electronic Assembly) ทำหน้าที่เปลี่ยนข้อมูลและตำแหน่งเป้าหมายให้เป็นสัญญาณการติดตามและนำวิถีของจรวด

๓.     ชุดแก๊สควบคุม (A Gas Servo Assembly) ทำหน้าที่เปลี่ยนสัญญาณทางอิเล็กทรอนิกส์ให้เป็นการทำงานทางกลศาสตร์ผ่านพื้นบังคับของจรวด

รูป ๑ Missile Components

                โดยทั่วไปการทำงานของระบบติดตามเป้าหมายจะเริ่มที่ คลื่นอินฟราเรดตกกระทบกับกระจกและสะท้อนผ่านเข้าไปยังแผ่นดิสค์กลมที่เรียกว่า Retical หรือ Chopper ทำหน้าที่ในการหาทิศทางของแหล่งกำเนิดคลื่นอินฟราเรดที่ สำหรับการตกกระทบของคลื่นอินฟราเรดหลังจากผ่านชุดเลนส์ภายในมุมของการมอง (Field of View: FOV) แล้ว จะผ่านไปยังตัวตรวจจับ (Detector) เพื่อเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าในการยืนยันการมีอยู่ของเป้าหมาย ผลลัพธ์ที่ได้จะเป็นมุมของแหล่งกำเนิดพลังงานเท่านั้น ไม่สามารถคำนวณหาระยะทางระหว่างเป้าหมายกับตัวจรวดได้ โดยใช้เทคนิคการสแกนที่ถูกพัฒนาขึ้นตามลำดับ

                Spin Scan (Amplitude Modulation Reticle)

                รูปแบบพื้นฐานของ Reticle เรียกว่า Amplitude Modulation มีลักษณะเป็นแผ่นกลม ครึ่งหนึ่งเป็นพื้นที่ให้พลังงานผ่านได้บ้าง (Translucent หรือ Semi-Opaque) อีกครึ่งหนึ่งเป็นลายสลับ(Spoke หรือOpaque pattern) ระหว่างส่วนที่ยอมให้พลังงานผ่านได้ (Transparent) และส่วนที่ไม่ให้พลังงานผ่าน (Opaque)  ซึ่งนำไปใช้ในจรวดนำวิถีด้วยคลื่นอินฟราเรดในยุคแรก พัฒนาโดยประเทศเยอรมันในช่วงปลายสงครามโลกครั้งที่ ๒ โดยใช้วัสดุตัวตรวจจับชนิดเดียว เพื่อหาแหล่งที่มาของพลังงานในพิกัดของพื้นที่การมอง (Field of View: FOV) ของจรวด และแยกแยะสัญญาณที่มีความเข้มสูง หรือเป้าหมาย ออกจากสัญญาณสิ่งแวดล้อมที่มีความเข้มที่น้อยกว่า

รูป ๒ Amplitude Modulation Retical

                แต่หากว่าระบบ AM Reticle ยังเป็นระบบ Centre Null System ซึ่งจะไม่สามารถผลิตสัญญาณออกมาเมื่อ Seeker ชี้ตรงไปในแนวเดียวกับเป้าหมาย (Boresight) จุดกำเนิดพลังงานอยู่ที่ศูนย์กลางของ Reticle ทำให้พลังงานผ่านเข้าไปในถึงตัว Detector ตลอดเวลา เนื่องจากบริเวณใกล้จุดศูนย์กลางลายสลับ (Spoke) จะมีขนาดเล็ก ทำให้ Detector ไม่สามารถหาสัญญาณความคลาดเคลื่อน (Error Signal) ที่ถูกใช้ในการปรับทิศทางของจรวดให้อยู่ในแนวเดียวกับเป้าหมาย หากสัญญาณความคลาดเคลื่อนนี้ลดลงจะทำให้ความแม่นยำของจรวดนั้นลดลงไปด้วย ดังนั้นจรวดที่ให้หลักการการนำวิถีแบบเหล่านี้จะไม่เดินทางเป็นเส้นตรงไปยังเป้าหมาย แต่จะมีมุมในการเคลื่อนที่เข้าหาเป้าหมายอยู่เสมอ (Off Boresight) ทำให้มีลักษณะเหมือนงูเลื้อย ซึ่งเป็นที่มาของจรวด AIM-9 Sidewinder  ข้อเสียระบบ Spin Scan Seeker อีกประการคือ ไม่สามารถต้านทานการป้องกันจาก Flare ทั่วไปได้ เนื่องจากเป็นระบบที่รับสัญญาณความร้องที่มากที่สุด และทำให้เป้าหมายอากาศยานกลายเป็นสิ่งแวดล้อมแทน

                เพื่อแก้ปัญหา Centre Null System ของระบบ Spin scan (Rotation Reticle) ได้มีการพัฒนาการติดตามเป้าหมายโดยวิธีการ Conical Scan (Rotating/Nutating Lens while Fixed Reticle), Rosette Scan (Two Counter-Rotating Optical Elements), Tracking without Reticle (Quadrant Detector/ Cruciform Detector) และ Focal Plane Arrays: FPA (Staring Arrays) ตามลำดับ   โดยในแต่ละแบบจะมีข้อดีและข้อด้อยที่แตกต่างกัน

                Conical Scan (Rotating Lens while Fixed Reticle)

                การทำงานในระบบนี้เมื่อเป้าหมายอยู่ในแนวเดียวกัน (Boresight) กับตัว Seeker จุดตำแหน่งของสัญญาณจะไม่ตกบริเวณจุดศูนย์กลางของ Retical แต่จะปรากฏเป็นวงกลมล้อมรอบจุดศูนย์กลางไว้ หากเป้าหมายไม่อยู่ในแนวเดียวกัน (Off Boresight) กับจรวดจุดศูนย์กลางของวงกลมเป้าหมายจะไม่อยู่ที่จุดศูนย์กลางของ Retical

รูป ๓ Conical Scan ใช้เทคนิค Rotating Optic, Fixed Reticle

            ในกรณีที่เป้าหมายอยู่ตรงกลาง (Boresight) ตัว Detector จะผลิตสัญญาณที่มีความถี่คงที่สม่ำเสมอ หากเป้าได้เคลื่อนที่ออกจากแนว (Off Boresight) จะทำให้ความถี่ที่ได้มีการเปลี่ยนแปลง (Frequency Modulation: FM) โดยในด้านที่ใกล้กับจุดศูนย์กลางจะมีความถี่สูงกว่า ความถี่ที่เปลี่ยนแปลงนี้จะแปรผันตรงกับระยะห่างระหว่างเป้าหมายกับจุดศูนย์กลางของ Seeker Scan ดังนั้นในการออกแบบ Conical Scan จะพยายามทำให้ภาพของเป้าหมายอยู่บริเวณขอบของ Reticle มากที่สุด และใช้พื้นที่บริเวณส่วนกลางของ Reticle ในการ Acquisition

รูป ๔ การับภาพของเป้าหมายในระบบ Conical Scan และ Frequency Modulated Signal

                ซึ่งวิธีการนี้สามารถเปลี่ยนลวดลายของ Reticle ให้เป็นแบบ Full Spoke ได้เพื่อการติดตามเป้าหมายตลอด 360 องศา และด้วยวิธีการนี้จะทำให้ภาพของเป้าหมายไม่ตกลงบริเวณศูนย์กลางของ Reticle และสามารถผลิตสัญญาณความคลาดเคลื่อนเพื่อติดตามเป้าหมายอยู่ตลอดเวลาอีกด้วย ทั้งนี้ Conical Scan Seeker ยังสามารถให้ต่อต้านการใช้ Flare ทั่วไปได้ เนื่องจากภาพของเป้าหมายจะอยู่บริเวณขอบของ Reticle เมื่อมีการปล่อย Flare ออกมาภาพของ Flare จะไม่สามารถปรากฏบน Reticle ได้ทั้งวงกลม ทำให้สามารถกำหนดสัญญาณเหล่านั้นให้เป็นสัญญาณรบกวน (Cluster) ได้

Rosette Scan (Two Counter-Rotating Optical Elements)

ต่อมาได้มีการพัฒนา Flare ที่สามารถขับเลื่อนตัวเองให้อยู่ใกล้กับอากาศยานที่ปล่อยออกมาได้ห้วงเวลาหนึ่งเพื่อใช้ในการต่อต้าน ระบบ Conical Scan เรียกว่า Kinematic หรือ Thrust Flare ที่ทำให้ภาพของ Flare สามารถอยู่ภายใน Reticle ได้เช่นเดียวกับภาพของเป้าหมาย ทำให้การติดตามเป้าหมาย (Target Tracking) ของจรวดเกิดการสันสนได้ จึงมีการพัฒนาระบบ Scan ของ Seeker ใหม่ให้มี FOV ที่เล็กลง เหลือประมาณ 0.15 องศา เรียกว่า Instantaneous Field of View (IFOV) ประกอบกับการใช้เทคนิคการสแกนแบบ Rosette Pattern เพื่อให้ได้ Total Field of View (TFOV) ในขนาดเท่าเดิม คือประมาณ 1.6 องศา

หลักการของ Rosette Scan จะใช้ตัว Detector หนึ่งตัวที่มี IFOV แคบ ๆ สแกนไปตามเส้นทางในรูปแบบ Rosette เพื่อให้ได้ภาพและตำแหน่งของเป้าหมายส่งไปยังส่วนชุดควบคุมของจรวด เมื่อมี IFOV ที่แคบทำให้ลดการถูกรบกวนจากสิ่งแวดล้อมต่าง ๆ และการตรวจจับมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น แต่สามารถสร้างภาพรวมของเป้าหมายโดยใช้กลไกการสแกนแบบ Rosette คือการใช้ชุดเลนส์ที่หมุนสวนกันสองชุด (Two Counter-Rotating Optical Elements) ขณะที่ตัว Detector สแกนผ่านสัญญาณเบื้องต้นจะถูกส่งไปยังส่วนประมวลภาพ (Image Processing Unit) เพื่อใช้ในการแยกแยะเป้าหมายออกจากสัญญาณรบกวนและอุปกรณ์ต่อต้าน

รูป ๕ Rosette Scan Pattern, IFOV and TFOV

 หากเป้าหมายมีการใช้ Flare ในการสร้างความสับสนให้กับระบบนำวิถี ภาพโดยรวมที่ได้จาก TFOV จะปรากฏทั้ง เป้าหมายและ Flares ที่ถูกปล่อยออกมา แต่หากว่าขนาดของ Flare นั้นเล็กกว่าขนาดของเครื่องบินมากจึงทำให้ระยะเวลาในการตรวจจับ (Time Period) และเส้นทางที่ใช้ (Path) ของตัว Detector ที่ใช้กับ Flareนั้นน้อยกว่าที่ใช้กับเป้าหมายมาก จึงทำให้ส่วนประมวลผลสามารถแยก Flare ออกยากเป้าหมายได้แม้นว่าจะอยู่ใน TFOV เดียวกันก็ตาม

รูป ๖ กระบวนการทำงานของ Rosette Scanning Infrared Seeker (RSIR)

                เนื่องจากรูปแบบการสแกนของ Rosette เป็นแบบไม่เป็นเส้นตรง (Non-linear) ภาพของวัตถุที่ถูกสร้างขึ้นจะขึ้นอยู่กับตำแหน่งของวัตถุในรูปแบบ และความที่เป็น Non – linearของรูปแบบนั้นเป็นสาเหตุของความคลาดเคลื่อนในการคำนวณจุดศูนย์กลางแรงโน้มถ่วง (Centre of Gravity: CG) ของวัตถุหรือเป้าหมายนั้น ซึ่งอาจนำไปสู่การไม่สามารถติดตามเป้าหมายได้ ดังนั้นการคำนวณจุดศูนย์กลาง (CG) ของเป้าหมายที่แม่นยำจึงเป็นที่จำเป็นสำหรับการติดตามเป้าหมายในระบบ Rosette Scan นี้ ตัวอย่างของจรวดที่ใช้เทคโนโลยีนี้ ได้แก่ FIM-92 Stringer POST

Tracking without Reticle (Quadrant Detector/ Cruciform Detector)

ในการทำงานของระบบค้นหาเป้าหมายที่กล่าวมีกลไกในการทำงานที่ซับซ้อน และก่อนให้เกิดสัญญาณรบกวนการทำงานของตัว Detector ได้ง่าย จึงมีการพัฒนาระบบการค้นหาและคิดตามเป้าหมายโดยไม่ใช้ Reticle หรือชุดเลนส์ (Lens/Optics) ที่มีการเคลื่อนไหว ดังนั้นประสิทธิภาพของตรวจจับเป้าหมายจึงขึ้นอยู่กับการพัฒนาเทคโนโลยีของตัวตรวจจับ (Detector) เป็นสำคัญ โดยมีการพัฒนาในด้านคุณสมบัติการตรวจจับคลื่นอินฟราเรดในห้วงความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น (Middle IR และ Far IR Region) ที่เรียกว่า Two Colour IR Detector ซึ่งสามารถคัดแยก Flare ปกติออกจากเป้าหมายได้แม้จะอยู่ใน FOV เดียวกันก็ตาม

รูป ๗ Two Coluor Detector ที่ประกอบด้วยวัสดุการตรวจจับคลื่น IR ที่มีความยาวคลื่นที่ต่างกัน 2 ชนิด

อีกประการหนึ่งในการพัฒนาการตรวจจับโดยไม่ใช้ Reticle คือวิธีการออกแบบนำ Detector มาใช้งาน ซึ่งจะนำมาเป็นตัวอย่างสองกรณี ได้แก่ Quadrant Detector และ Cruciform Detector สำหรับ Quadrant Detector จะแบ่งพื้นที่เป็น 4 ส่วนแล้วใช้ความสัมพันธ์ของระดับพลังงานในแต่ละส่วนมาคำนวณหาตำแหน่งของเป้าหมาย ทั้งมุมและระยะห่างจากศูนย์กลาง

รูป ๘ IR Seeker ที่ประกอบด้วย Detector 4 พื้นที่

                แต่หากนำเอาตัว Detector ขนาดเล็กมาเรียงต่อกันเป็นแนวยาว (Multi detector Array) แล้วนำมาประกอบเป็น Cruciform Detector ก็จะได้ผลลัพธ์เดียวกันกับ FM Reticle แต่มีความซับซ้อนน้อยกว่า และยังสามารถพัฒนาเป็น Two Colour Cruciform Detector ได้ง่ายเพียงแต่เพิ่ม Detector Array ที่ตรวจจับคลื่น IR ในอีกหนึ่งความยาวคลื่นเข้าไป ตัวอย่างของจรวดที่ใช้เทคโนโลยีนี้ ได้แก่ Python – 4

รูป ๙ Multiple Detector Array ที่ใช้ประกอบเป็น Cruciform Detector

รูป ๑๐Cruciform Detector และ Output Signal

Focal Plane Arrays: FPA (Staring Arrays)

ในการพัฒนาเทคโนโลยีล่าสุดของตัวค้นหาและติดตามเป้าหมายของจรวจนำวิถีด้วยคลื่นอินฟราเรดเป็นการใช้ Focal Plane Arrays: FPAซึ่งเพิ่มความแม่นยำและทนต่อการต่อต้านมากยิ่งขึ้น โดยการใช้การประกอบกันของตัวตรวจจับเล็ก ๆ ที่เรียกว่า Pixel ให้เป็นในลักษณะ Matrix หรือ Grid เป็นการสร้างภาพสองมิติจากความยาวคลื่นในห้วงอินฟราเรด ทั้งนี้ภาพของเป้าหมายจะถูกผลิตจากผลลัพธ์จาก Pixel หลาย ๆ ชิ้นประกอบกันโดยชุดประมวลผลที่ซับซ้อน ตัวอย่างของจรวดที่ใช้เทคโนโลยีนี้ ได้แก่ FIM-92 Stringer RMP Block II, AIM-132 ASRAAM และ AIM-9X

รูป ๑๑ ชุด IR Seeker ของ AIM-9X โดยมี FPA ในการตรวจจับเป้าหมาย

รูป ๑๒ ภาพที่ได้จาก FPA ของ AIM-9X

อุปกรณ์แจ้งเตือนการเข้าใกล้ของจรวด (Missile Approach Warner: MAW)

                ทั่วไปแล้วอุปกรณ์แจ้งเตือนการเข้าใกล้ของจรวด (MAW) จะมีอยู่ 2 ประเภทใหญ่ คือ Active MAW และ Passive MAW โดย Active MAW ใช้หลักการทำงานของ RADAR ขนาดเล็กที่มีความถี่สูง เพื่อตรวจจับวัตถุขนาดเล็กเช่น จรวด และ Passive MAW จะให้ลักการทำงานของ IR Seeker ในการรับพลังงานคลื่นความร้อนทั้งในย่าน UV และ IR ในการยืนยันและแสดงตำแหน่งของจรวดที่เข้ามา โดยทั้งสองระบบนี้จะมีรัศมีการตรวจจับประมาณ 5 Nm และติดตั้งมากกว่า 1 จุดเพื่อให้ครอบคลุมห้วงอากาศทั้งหมดรอบอากาศยาน  ซึ่งในที่นี้จะกล่าวเฉพาะ Passive MAW

รูป ๑๓ Passive Infrared Missile Approach Warner (PIMAW) ที่ติดตั้งกับ Eurofighter

                ดังที่กล่าวมาแล้วระบบ Passive MAW สามารถตรวจจับ เปรียบเทียบ ระบุตัวตน และติดตามระบบอาวุธ (จรวด) ที่เข้ามาจากการแผ่พลังงานทั้งที่ตั้งใจและไม่ตั้งใจได้ โดยปัจจัยที่สำคัญของ MAW คือความรวดเร็วในการตรวจจับและระบุตำแหน่งของกิจกรรมที่เกี่ยวข้องกับคลื่นอินฟราเรดในห้วงอากาศรอบอากาศยาน ซึ่งอาจเป็นชนิดและทิศทางการแผ่พลังงานจากระบบอาวุธจรวดพื้นสู่อากาศ หรือ จรวดอากาศสู่อากาศ ขึ้นอยู่กับลักษณะธรรมชาติของจรวด และขั้นตอนในวงโคจร (Phase of Trajectory)

รูป ๑๔ Threat Emission Signal within Phase of Trajectory

                จากรูปจะเห็นได้ว่าในขณะที่จรวดจุดตัวจะปลดปล่อยพลังงานในช่วง UV และ Middle IR ออกมามากที่สุด แต่จะมีระยะเวลาที่สั้นมาก ประมาณ 0.2 วินาที ต่อจากนั้นจะเป็นขั้นตอนการเร่ง (Boost) เพื่อให้จรวดมีความเร็วสูงที่สุดตามที่ได้ออกแบบไว้ ประมาณ 2-5วินาที เมื่อสิ้นสุดขั้นตอนการเร่งความเร็ว การปล่อยพลังงานที่เกิดจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงจะหมดลงทันทีจะเหลือแต่พลังงานความร้อนที่เกิดจากการเสียดสีของอากาศกับผิวจรวด (Far IR) และความร้อนสะสมบริเวณท่อท้ายเท่านั้น หากเป็นจรวดที่มีขนาดใหญ่พิสัยยิงไกลจะมีขั้นของการคงความเร็ว (Sustain) หรือการเดินทาง (Coasting) เพิ่มเติม โดยใช้เวลาทั้งหมดประมาณ   15 – 20 วินาที

                หากเปรียบเทียบปริมาณพลังงานกับระดับความไวในการตรวจจับของ Passive MAW แล้วจะพบว่า ไม่สามารถตรวจจับได้ตลอดการเดินทางของจรวด และจะยิ่งน้อยลงหากนำมาพิจารณากับระยะห่างระหว่างตัวจรวด กับตัวตรวจจับที่ต้องแปรผกผันกับ R2 ข้อพึงระวังในการใช้ Passive MAW คือการทำ Threat Library ของระบบที่ต้องใช้ในการปล่อยมาตรการในการป้องกันตัว ซึ่งหากใช้ผิดประเภทอาจจะเป็นการเน้นเป้าหมายให้จรวดได้ เช่นการใช้ LASER กับ Seeker แบบ Tracking without Reticle และความเร็วในการใช้มาตรการต่อต้านที่ถูกต้อง ตัวอย่างเช่น  จรวด MANPAD ทั่วไปจะใช้เวลาน้อยกว่า 10 วินาทีตั้งแต่เริ่มยิงสกัดกั้นเป้าหมาย ดังนั้นระบบ DAS (Defensive Aids System) จะถูกนำมาใช้ร่วมกับระบบ Sensor และระบบ Countermeasure Techniques ต่าง ๆ ที่ติดตั้งบนอากาศยาน เพื่อให้การป้องกันเป็นไปอย่างอัตโนมัติ และทันเวลาก่อนการถูกสกัดกั้นจากจรวดต่าง ๆ

รูป ๑๕ ระบบ Defensive Aids Sub System (DASS) บน Euroflighter