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光电探测及激光打击技术在无人机探测与反制领域的研究及应用
2019/8/1 17:22:00   中国电子科技集团      关键字:光电探测 激光打击 无人机反制 应用      浏览量:
近年来,随着民用无人机产业高速发展,无意乱飞、黑飞等事件频发。由于民用无人机具有放飞简单、起飞突然、目标小,难以发现等特点,对民航安全构成了较大威胁,同样给大型活动、重大会议的安保带来了巨大挑战。
  近年来,随着民用无人机产业高速发展,无意乱飞、黑飞等事件频发。由于民用无人机具有放飞简单、起飞突然、目标小,难以发现等特点,对民航安全构成了较大威胁,同样给大型活动、重大会议的安保带来了巨大挑战。近期的大型活动均对低空安防提出了明确要求,无线电、光电、声学等技术手段均不同程度的得到了试用及应用。对于光电技术来说,应用较多的主要包括红外搜索、光电跟踪及激光打击等几种技术手段。其中,红外搜索与光电跟踪属光电探测技术范畴,激光打击则是对无人机除火力打击外最有效的硬摧毁处置手段之一。
  一、红外搜索
  红外搜索系统是一种可应用于“低慢小”无人机探测发现的新型技术装备,其本身不发射电磁波,具备抗电磁干扰能力强、精度高、低空探测能力好等多种优点,是一种小型、轻便易携带的被动探测设备。红外搜索系统能够对地面、低空区域等移动目标进行搜索,并对目标进行探测与识别,剔除静态杂波干扰,最后输出目标的位置信息。
  出于成本及产品可靠性考虑,通常红外搜索可使用制冷型中波红外探测器或非制冷型长波红外探测器作为核心元件,用于探测空中目标发出的中波或长波波段的红外辐射,通过红外光学系统聚焦于红外探测器焦平面上,红外探测器将红外光信号转换成电信号,再经过信号处理得到被测物体的红外热图像。将红外探测器搭载于360·伺服转台上,随着伺服的转动,可获取360°空域红外热图像,从而实现对360°全方位角低空无人机的搜索探测。
  长波非制冷红外搜索系统与中波制冷红外搜索系统对无人机红外辐射探测的波长不同,除此之外,二者探测性能的区别主要与探测器的性能相关。相比较而言,长波非制冷红外搜索系统造价更低,寿命更长,但探测距离只有中波制冷红外搜索系统的一半左右,且受空气中水蒸气含量影响较大。因此,二者的使用应根据使用场所及环境灵活选择。
  为了使后续处置系统有足够的反应时间,要求红外搜索尽可能远的探测到目标。这时目标成像面积很小,一般只具有一个或几个像素的面积,缺乏形状和结构信息,只有灰度和运动信息可以利用;另一方面,由于民用无人机目标红外辐射特性非常弱,红外搜索系统需要对不同大气热辐射环境下的目标进行探测,红外探测器接收到的系统噪声和背景干扰强烈。当系统长时间工作时,红外图像中噪声会增加,甚至背景噪声会湮没目标信号,这就造成严重背景噪声干扰下的低信噪比小目标探测问题,图像预处理技术及小目标检测技术的性能好坏将直接决定红外探测系统的性能。因此,红外搜索系统可利用基于背景抑制的单帧目标检测算法保证弱目标的检测概率,同时通过序列图像帧间管道处理实现目标确认并剔除不符合目标特征的虚警,从而降低系统虚警率,保证红外搜索系统整体性能指标。
  红外搜索系统是近年来随着民用无人机广泛使用后,新兴的一种搜索探测手段,与传统的雷达探测相比,应用尚处于起步阶段。2016年后,在公安部、军委科技委、海军、中部战区等多次的测试、演示、演习中得到了验证及应用。但由于红外搜索系统具有无电磁辐射的特点,在未来人员密集的重大活动中将得到越来越多的应用。
  二、光电跟踪
  光电跟踪系统是激光打击能够稳定命中目标的前提条件,同时也具备跟踪摄录取证等功能。按照使用的探测器不同,可分为红外跟踪及可见光跟踪两类,按照跟踪精度及执行机构的不同可分为粗跟踪和精跟踪两级。
  红外探测器具有接收像元大、灵敏度高、全天时工作等优点,但由于其分辨率较低(目前常用红外探测器最大分辨率为640x512),红外跟踪通常作为粗跟踪使用。可见光探测器响应速度快,分辨率高,但必须在激光照明的辅助下方可实现全天时工作,一般在红外跟踪的辅助下实现对目标的精跟踪。
  粗跟踪系统一般由二轴伺服转台、红外热像仪或电视、图像处理器等部分组成,系统通过红外热像仪或电视获取目标图像,通常采用基于背景的自适应分割算法、小目标检测算法等算法提取目标图像特征信息,然后通过目标配准跟踪算法等多算法融合处理狱取脱靶量信息,二轴伺服转台在伺服控制单元的控制下,按照该脱靶量信息执行随动,从而实现对目标的粗跟踪。
  为满足对目标进行强激光照射毁伤的要求,光电跟踪系统必须高精度瞄准目标上的某一特征点,在强激光持续照射过程中,要始终保持这种瞄准精度,这对跟踪提出了很高的要求。一般的跟踪系统满足不了这种高精度要求,需要采用复合轴跟踪技术。
  复合轴跟踪技术的原理是在大动围、低带宽的主跟踪轴上附加一个小范围、高带宽的从跟踪轴,主轴从轴分别控制,协同工作,最终可买现大范围、高精度的快速跟踪。
  复合轴跟踪系统即是在粗跟踪的前提下,通过高分辨率、小视场的可见光相机,提取高精度、高帧频的脱靶量信息,利用快速反射镜作为执行机构,同时对精跟踪与激光发射光轴实现高速、高精度闭环控制调节。在复合轴伺服系统中,为了保证系统的稳定性,精跟踪系统的谐振频率一般是系统闭环带宽的4~10倍,这意味着为了实现一个高带宽的ATP系统,快速反射镜的谐振频率必须做到很高。为了获得高的谐振频率,主要应向两个方向努力:一是尽可能使快速反射镜轻、小,降低它的转动惯量,同时采用高性能的驱动器,从而提高被控对象的谐振频率;二是采用陷波器等补偿技术,平抑被控对象的谐振峰,达到扩展被控对象谐振频率的效果。快速反射镜一般分为两种结构:框架式和柔性轴支撑式。
  光电跟踪系统除作为激光打击系统瞄准手段之外,同样还具备摄录取证功能,跟踪锁定后,可实时提供目标的飞行位置,目前,在多个核电厂的低空防卫系统中已初步获得应用。在人员密集的大型活动中,光电跟踪系统可对黑飞无人机实施跟踪摄录,并提供其飞行位置及降落位置,为公安机关快速抓捕飞手提供依据。
  三、激光打击
  激光辐照目标表面之后,可产生一系列的光电学、热学力学等物理和化学过程,使目标的某些部件受到损伤。对于民用无人机来说,高能激光光斑首先使其壳体燃烧,短时间内烧穿壳体后,对其内部控制电路、元器件等进行烧蚀、摧毁,最终使其从空中坠落。
  激光打击系统主要由激光产生分系统、光束控制分系统、测距制导分系统及精密跟瞄分系统等组成。
  激光产生分系统通常由激光器、热控管理等部分组成。随着近年来光纤激光技术的发展,其稳定性、可靠性、性价比、重量能量比等方面均具有较大优势,目前已成为战术级激光打击的首选光源。热控管理主要包括压缩机和水箱等,任务是为激光器和光学设备进行温度控制,保障激光器和光学系统的稳定运行。
  光束控制分系统主要包括一级扩束器、二级扩束器、调焦装置、光束偏转装置等部分,任务是根据测距信息调整激光聚焦距离,使高能激光聚焦在目标表面,并根据精跟踪脱靶量信息控制光束指向,对目标点实现稳定打击。
  测距制导分系统即为激光测距机,主要为激光打击提供目标距离信息。精密跟瞄分系统即为光电跟踪系统,是激光打击能够稳定命中目标的保障。
  激光打击系统一般采用车载平台或固装形式,采用外部指令导引、精密跟瞄引导激光照射目标直至毁伤的作战体制,通过红外搜索信息引导,在指控设备控制下,精密跟踪转台快速调转到威胁目标方位,并快速捕获及跟踪目标,使目标始终处于跟踪设备视场中心,然后进入精密跟踪状态,激光测距机测出目标精确距离,随之设备自动调节发射系统焦距,将大功率激光准确聚焦照射威胁目标,实施物理毁伤。
  四、技术应用情况
  近年来,随着民用无人机的高速发展,公安系统对于低空安防装备的需求越来越紧迫。红外搜索技术、光电跟踪技术在军用领域的应用已较为成熟,具有较强的装备研制技术基础,通过成果转化及场景优化,成功应用到“低慢小”目标探测中,解决了慢速目标的探测问题,提高了探测系统的引导精度。同时,随着光纤激光技术的发展,轻型化的激光打击系统成功研制,使无人机反制系统具备了除火力打击外的新的远程硬摧毁能力,且更适合在城市环境下应用。
  随着“低慢小”反制技术日趋成熟,为应对日益严峻的低空安防形势,公安部先后在北京、连云港、郑州等地组织开展了多次无人机反制系统的测试、试验及演示活动。取得了良好的效果。
  五、总结
  民用无人机等“低慢小”目标,具有飞行高度低、速度慢、体积小等特点,具备极高的隐蔽性和机动灵活性,给反制系统搜索发现带来很大困难。并且“低慢小”目标造价低、使用和保障成本低,民用无人机可利用“机海战术”突破防御,给反制系统的处置拦截同样带来巨大困难。
  光电探测技术是警用“低慢小”目标探测众多手段中的一种,具有无线电静默、反应快、定位精度高、探测结果直观可视等优势。但由于“低慢小”目标体积小,其可见光和红外辐射特征较低,使得通过可见光、红外探测的发现距离大大缩短。同时,光电探测技术受天气能见度、湿度等影响较大,在实际使用中应充分考虑环境因素。后续,针对“低慢小”目标的探测,需进一步提升信号处理水平,在现有探测器硬件基础上,进一步提高系统的探测距离和探测概率,从而适应更多场景应用。
  激光打击技术对低空无人机目标实施拦截在近年来已经获得了试用及初步应用。激光防御低空无人机目标具有以下优点:1)速度快,精度高。激光束从发射到达其目标所用时间极短,无需考虑弹道;2)兼备软杀伤和硬杀伤能力。可以致盲“低慢小”目标上的传感器,使其不能正常工作,也可以破坏其壳体结构,直接将其摧毁;3)摧坚能力强。能击穿和熔化各种金属和非金属材料;4)作战效费比高。激光硬毁伤设备每次发射只消耗部分电能,发射成本极低;5)对一个目标可以实施连续不间断的拦截打击,可显著提高目标拦截概率。但鉴于激光打击系统的技术水平及关键元器件的制造成本,目前激光打击系统的造价较高,后续应降低系统制造成本,从而便于大范围推广应用。
  作者:郭邵禹、黄伟、李晓芹、朱宇东

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