ООО "ЛАМЕТ"

Обнаружение БПЛА средствами оптической локации.

В настоящее время службы, обеспечивающие безопасность важных объектов, озабочены проблемой устранения БПЛА в зоне, окружающей эти объекты. Очевидно, что применению мер устранения БПЛА должно предшествовать их обнаружение и позиционирование. Для этих задач широко применяются радиолокаторы, однако оптическая локация (как пассивная, так и активная) является также актуальной, поскольку позволяет определять и отслеживать координаты цели с существенно большей угловой точностью.

Для активной локации основным обобщенным параметром характеризующим отражательную способность БПЛА является его эффективная поверхность рассеяния (ЭПР).

При пассивном обнаружении БПЛА главными параметрами являются контраст цели относительно фона неба и ее площадь.

ЭПР любого объекта при активной оптической локации определяется  как площадь поверхности идеального изотропного отражателя, который, будучи помещённым в точку расположения цели, создаёт в точке расположения оптического локатора ту же плотность потока отраженного излучения, что и реальная цель. Величина ЭПР имеет размерность площади и измеряется в квадратных метрах.

Оценка ЭПР БПЛА проводится с помощью измерителя СИЭПХ-2,  как правило, методом относительных измерений. При этом,  с помощью специального программного обеспечения, сравниваются значения мощности излучения, отраженного в направлении источника подсветки как  от исследуемого БПЛА, так и от образца ЭПР (объекта с известной ЭПР; предварительно определенной в лабораторных условиях).

Измерения проводятся при различных углах пеленга БПЛА, т.е. при различной его ориентации по отношению к источнику подсветки.

Образ подсвеченного объекта фиксируется с помощью измерительной камеры и обрабатывается с помощью компьютера. На полученном кадре определяется (в условных единицах) общая мощность отраженного излучения за счет двумерного интегрирования  распределения интенсимности на изображении подсвеченного объекта (определяется общий объем под поверхностью распределения интенсивности отраженного излучения). Применение камеры и данной компьютерной обработки позволяет выделить исследуемый объект и исключить какое-либо влияние на значение отраженного оптического сигнала паразитных бликов от посторонних предметов.

В качестве примера на следующих рисунках приведены результаты измерения ЭПР образца БПЛА самолетного типа с размахом крыльев 1,6 м.при различных углах пеленга на фиксированной длине волны.

Для большинства углов пеленга ЭПР данного БПЛА на используемой длине волны составляет около 0,07м2.

Только при расположении БПЛА в зените его ЭПР возрастает до 0,4м2.

Для сравнения, ЭПР квадрокоптера размером 30х30см для большинства углов пеленга на той же длине волны составляет около 0,02 м2.

Накопленный опыт в данной области свидетельствует о возможности создания активных оптических локаторов, обеспечивающих обнаружение в темное время суток вышеуказанных БПЛА самолетного типа в секторе 90х60 град на расстоянии до 1км и обнаружение квадрокоптеров размером 30х30 см на расстоянии до 500м.

Отработка пассивных оптических методов обнаружения и сопровождения БПЛА требует проведения экспериментальной количественной оценки  оптического контраста его изображения, обеспечивающего  идентификацию  цели на фоне неба.

Оптический контраст – различимость объекта от окружающего его фона, определяется отношением абсолютного значения разности яркостей объекта наблюдения и фона к большей из этих яркостей. 

Отдельные участки поверхности БПЛА, освещенные солнцем, могут иметь яркость, намного превосходящую яркость фона. Такой контраст считается положительным. Другие участки поверхности, находящиеся в тени, напротив могут иметь яркость, приближающуюся к нулю по сравнению с фоном. Такой контраст считается отрицательным. 

Кроме самого значения контраста, важное значение, с точки зрения задачи обнаружения, имеет площадь, занимаемая контрастным по отношению к фону участком изображения  БПЛА при различных его ориентациях относительно направления наблюдения.

При проведении экспериментальной оценки контраста съемка БПЛА производится камерой измерителя СИЭПХ-2  в различных ракурсах как относительно оси визирования, так и относительно направления подсветки солнцем. Ее выходной сигнал запоминается в виде совокупности отдельных кадров в памяти компьютера. При этом БПЛА размещается на фоне неба, а его подсветка солнцем осуществляется с различных направлений. Для каждого снятого кадра фиксируется режим подсветки, например, «Прямое солнце», «Сквозь облако» и т.д.

Оценка контраста изображения БПЛА проводится методом сравнения яркостей объекта и фона по зависимостям разностной интенсивности, автоматически определяемой соответствующей программой обработки графической информации Регистратора. Эти зависимости приводятся около каждого кадра (снизу и справа от кадра) и соответствуют двум сечениям двумерного распределения интенсивности, проходящим через точку, на которую указывает курсор. 

Те участки поверхности, которые освещены солнцем, выглядят более светлыми, чем фон и соответствующий им максимальный уровень интенсивности на кривой принимается за единицу, нормирующую положительный контраст. 

Более часто, однако, наблюдается другой (отрицательный) вариант контраста. При этом значительные участки БПЛА оказываются в тени и соответствующие им участки кривых интенсивности проходят на уровне, намного более низком, чем уровень фона, принимаемый в этом случае за нормирующую единицу. 

Кроме контраста для каждого кадра определяется площадь, занимаемая на изображении БПЛА этим контрастным участком. 

Этот аспект требует уточнения. Дело в том, что на предельных дистанциях обнаружения БПЛА, когда его изображение приближается к размеру одного пиксела, светлые и темные участки действуют разнонаправлено и частично компенсируют друг друга, вплоть до полной неотличимости этого пиксела от фона. Поэтому в случаях, когда на одном изображении БПЛА наблюдаются участки с интенсивностью, большей и меньшей фона одновременно, производится их алгебраическое сложение (с учетом знака). 

На рисунках приведены 6 примеров из множества (более 100) изображений, полученных измерителем СИЭПХ-2 в ходе проведения одного из исследований с БПЛА самолетного типа с размахом крыльев 1,6м. Каждое изображение сопровождается двумя одномерными зависимостями интенсивности излучения в пределах кадра по осям X и Y, пересекающимися в точке, на которую указывает курсор. Т.о., с помощью курсора по двум, соответствующим ему зависимостям, производится оценка контраста доминирующей области изображения БПЛА. Остальные области используются только для внесения поправок. 

Значения контраста доминирующей области и площадь области (с учетом поправок) в м² приведены в подписи к каждому кадру.

Под каждым кадром указан также режим подсветки БПЛА солнцем («Прямое солнце» или «Сквозь облако»).

В ходе исследования изображения БПЛА фиксируются во всех возможных ракурсах, включая те, которые вряд ли будут иметь место при реальном наблюдении за БПЛА  с земли. Однако и эти оценки могут быть полезны при проведении расчетов с целью проработки методов обнаружения БПЛА средствами воздушного базирования. 

По-видимому, целесообразно при доминирующем контрасте цели, превышающем 0,5 (это типичная ситуация) характеризовать БПЛА некоторой эквивалентной контрастной площадью цели т.е. произведением контраста на площадь цели, которая этот контраст относительно фона имеет .(цель, имеющая контраст, равный единице, естественно, будет более заметна, чем имеющая ту же площадь малоконтрастная цель).

Накопленный опыт в данной области свидетельствует о возможности создания пассивных оптических локаторов, обеспечивающих обнаружение днем вышеуказанных БПЛА самолетного типа в секторе 90х60 град на расстоянии до 1км и обнаружение квадрокоптеров размером 30х30 см на расстоянии до 500м. 

Измерение ЭПР

Технология накопления и усреднения кадров