小型偵察無人機(jī)任務(wù)能力及拒止距離分析*

黃沛，曹國輝，張海晶，張鈞杰

（1. 中國人民解放軍93221 部隊(duì)，北京 100085；2. 空軍裝備部裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100080）

0 引言

隨著智能化、無人化技術(shù)快速發(fā)展，各類型無人機(jī)不斷出現(xiàn)，尤其是以小型無人機(jī)為代表的飛行器，具有目標(biāo)特征弱、成本低廉、使用靈活等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于民用、軍事領(lǐng)域，甚至成為不法分子實(shí)施恐怖活動的重要手段。近年來，白宮無人機(jī)非法闖入、駐敘俄軍基地遭自制無人機(jī)襲擾、委內(nèi)瑞拉總統(tǒng)遇大疆無人機(jī)自殺攻擊等事件充分表明，小型無人機(jī)已成為要地防空以及和平時(shí)期空防安全的新威脅。

由于傳統(tǒng)裝備防御小型無人機(jī)效果并不理想，國內(nèi)外均加大反無人機(jī)裝備建設(shè)投入，陸續(xù)研制出包括電子干擾、激光、高功率微波等軟硬殺傷產(chǎn)品［1-4］。中國久遠(yuǎn)公司研制的“低空衛(wèi)士”激光武器，攔截距離不小于2 km［2］；美國Battelle 開發(fā)機(jī)構(gòu)推出的手持式反無人機(jī)設(shè)備Drone Defender，有效打擊范圍400 m［3］；俄軍研制的“微波炮”，防護(hù)區(qū)域不小于10 km［4］。總體來看，各裝備技術(shù)體制不同，形態(tài)各異，攔截距離也存在差距。本文從阻止無人機(jī)任務(wù)執(zhí)行角度出發(fā)，研究分析了典型小型偵察無人機(jī)的任務(wù)載荷探測能力，并提出了拒止距離需求，可為相關(guān)領(lǐng)域研究者提供參考。

1 小型無人機(jī)特點(diǎn)及威脅

1.1 小型無人機(jī)特點(diǎn)

無人機(jī)種類繁多，用途廣泛，目前按用途、質(zhì)量、航速、升限、航程等有不同的分類方式。參照美國國防部軍用無人機(jī)分類標(biāo)準(zhǔn)（表1）以及國內(nèi)“低慢小”飛行器的定義［5］，本文將小型無人機(jī)定義為起飛質(zhì)量不超過25 kg、飛行速度不超過50 m/s、工作高度不超過1 000 m 的無人機(jī)，涵蓋消費(fèi)級民用無人機(jī)以及軍用小型無人機(jī)。

表1 美軍無人機(jī)分類標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standard of U.S.UAVs

1.2 主要威脅方式

小型無人機(jī)可攜帶爆炸物、危險(xiǎn)物、高清攝像頭等，能夠執(zhí)行偵察監(jiān)視甚至自殺式攻擊任務(wù)［6］，從防衛(wèi)角度看，其威脅主要有以下幾個方面：

（1）抵近偵察，竊取情報(bào)信息

小型無人機(jī)可掛載可見光相機(jī)、紅外相機(jī)等光電設(shè)備對導(dǎo)彈陣地等軍事要地、核電站等重要民生目標(biāo)實(shí)施抵近式偵察，近距拍攝高清晰圖像、視頻，并將信息帶回或?qū)崟r(shí)回傳，竊取武器裝備、兵力部署等情報(bào)信息，為敵在戰(zhàn)時(shí)實(shí)施精確制導(dǎo)打擊提供信息支撐［6］。

（2）信息共享，引導(dǎo)彈藥攻擊

小型無人機(jī)可與精確制導(dǎo)彈藥協(xié)同作戰(zhàn)，將偵察獲取的精確目標(biāo)信息回傳，引導(dǎo)精確制導(dǎo)彈藥實(shí)時(shí)規(guī)劃航路、調(diào)整打擊目標(biāo)，從而大大提升精確制導(dǎo)彈藥打擊時(shí)敏目標(biāo)能力。2018 年美海軍使用“美洲獅”無人機(jī)引導(dǎo)“彈簧刀”巡飛彈對快速移動的快艇實(shí)施打擊［7］，顯示了小型無人機(jī)在軍事領(lǐng)域的巨大運(yùn)用潛力。

（3）隱蔽突防，實(shí)施火力打擊

小型無人機(jī)可依靠其良好的隱蔽性和低空性能，突防至攻擊區(qū)域，攜帶爆炸物、生化制劑對目標(biāo)實(shí)施非對稱攻擊。2018 年8 月委內(nèi)瑞拉總統(tǒng)在參加國民衛(wèi)隊(duì)成立81 周年閱兵期間，遭遇無人機(jī)投放小型C4 炸彈襲擊，多名軍人受傷。同時(shí)，隨著“蜂群”作戰(zhàn)概念不斷成熟，預(yù)計(jì)未來大量低成本小型無人機(jī)可用于實(shí)施大規(guī)模、高密度集群攻擊［8-9］。

（4）無序黑飛，危害公共安全

“低慢小”等無人機(jī)無序飛行和黑飛事件經(jīng)常發(fā)生，嚴(yán)重影響航空、高鐵等正常運(yùn)行，對公共安全、城市安保構(gòu)成不可忽視的現(xiàn)實(shí)威脅［10］。

綜上所述，目前小型無人機(jī)主要執(zhí)行偵察監(jiān)視或火力打擊任務(wù)。執(zhí)行打擊任務(wù)的小型無人機(jī)，其攜帶爆炸物質(zhì)量有限、殺傷范圍較小，一般只能通過自殺式襲擊達(dá)成攻擊目的，對其應(yīng)在飛抵防護(hù)目標(biāo)前完成攔截。對于偵察型無人機(jī)，應(yīng)在其完成偵察任務(wù)前實(shí)施攔截，因此對此類目標(biāo)拒止距離應(yīng)不小于其攜帶的光電載荷最大偵察距離。

本文以大疆精靈4 Pro 民用無人機(jī)、美軍“美洲獅”軍用無人機(jī)作為典型威脅，分析研究了小型無人機(jī)光電探測能力，并提出拒止距離需求。

2 典型無人機(jī)光電探測參數(shù)

大疆精靈系列無人機(jī)是目前應(yīng)用最廣泛的民用無人機(jī)。其中，大疆精靈4 Pro 四旋翼無人機(jī)攜帶1 英寸、2 000 萬像素可見光CMOS 探測器，可拍攝高清視頻及靜態(tài)照片。“美洲獅”RQ-20 無人機(jī)由美國航空環(huán)境公司（AeroViroment）設(shè)計(jì)生產(chǎn)，主要裝備于美國陸軍、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)，用于執(zhí)行偵察監(jiān)視任務(wù)。該無人機(jī)采用手拋發(fā)射，攜帶Mantis i45 輕型光電傳感器，包括高分辨率可見光成像和紅外成像儀，可在復(fù)雜環(huán)境下對海面、地面等目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離高清成像。大疆精靈4 Pro 和“美洲獅”攜帶光電載荷主要參數(shù)見表2。

表2 “美洲獅”及大疆精靈無人機(jī)光電載荷主要參數(shù)Table 2 Opto?electronic load of RQ?20 and Dajiang Phanton 4

3 光電探測距離分析

3.1 光電系統(tǒng)探測識別距離

光電系統(tǒng)對面目標(biāo)探測能力分為發(fā)現(xiàn)、識別、辨別3 個等級，可用等效條紋分辨率進(jìn)行衡量。等效條紋是一組黑白間隔相等的條紋圖案，其寬度為目標(biāo)臨界尺寸，長度為垂直于臨界尺寸方向橫跨目標(biāo)的尺寸。等效條紋分辨率為目標(biāo)臨界尺寸中包含的可分辨條紋數(shù)，即目標(biāo)在探測器上成像所占的像元數(shù)。發(fā)現(xiàn)、識別和辨別概率與可分辨條紋數(shù)見表3［11］，若光電系統(tǒng)識別目標(biāo)類型，目標(biāo)成像在探測器上的至少占4 個像元。

表3 概率與可分辨條紋數(shù)的關(guān)系Table 3 Relationship between probability and resolvable fringes

光電系統(tǒng)成像距離用探測器分辨率表示為［12］

式中：R為作用距離；dm為目標(biāo)尺寸；f為系統(tǒng)焦距；Nv為探測器分辨率；D為探測器有效尺寸；n為目標(biāo)成像在探測器所占像元數(shù)。焦距f、分辨率Nv、探測器尺寸D與視場角θ間有如下關(guān)系：

3.2 典型目標(biāo)可見光探測分辨能力

“美洲獅”機(jī)載可見光相機(jī)使用電子變焦，其窄視場偵察識別能力與大視場一致。分析不同探測概率下兩型無人機(jī)可見光相機(jī)，對長3 m、高2 m 的車輛最大分辨距離，如圖1 所示，在50%概率下“美洲獅”無人機(jī)可見光相機(jī)對目標(biāo)識別距離為2.7 km，辨別距離為1.4 km；大疆精靈4 Pro 可見光相機(jī)對目標(biāo)識別距離為1.8 km，辨別距離為0.9 km。無人機(jī)進(jìn)一步抵近偵察可實(shí)現(xiàn)更高概率探測以及更精確識別。

圖1 兩型無人機(jī)可見光分辨距離Fig.1 Resolution distance of visible light detector

此外，受目標(biāo)背景的照度差、大氣傳輸衰減、光照靈敏度等因素影響，可見光相機(jī)作用距離將進(jìn)一步下降。

3.3 典型目標(biāo)紅外探測分辨能力

紅外成像系統(tǒng)對目標(biāo)探測分辨率也需滿足表3給出的識別辨別條件?！懊乐蕺{”機(jī)載紅外相機(jī)分辨率640×512像素、視場角為24°。根據(jù)公式（3）可得出，在50%概率下紅外相機(jī)對長3 m、高2 m 的車輛最大成像識別距離為1.1 km，辨別距離不大于0.56 km。

此外，紅外成像系統(tǒng)作用距離還受目標(biāo)輻射強(qiáng)度與背景輻射特性差異等因素影響。紅外成像系統(tǒng)作用距離與目標(biāo)凈輻射強(qiáng)度J存在以下關(guān)系［13］：

式中：R為探測距離；J為凈輻射強(qiáng)度；A0為光學(xué)有效接收面積；D*為探測器比探測率；τ0為光學(xué)系統(tǒng)透過率；τα為大氣透過率；Ad為探測器像元面積；Δf為探測器噪聲等效帶寬；SNR為探測器成像信噪比；η為系統(tǒng)校正因子。

目標(biāo)紅外輻射強(qiáng)度計(jì)算公式如下［14］：

式中：λ1，λ2為紅外探測器工作波長的上下限，長波紅外為8~12 μm；A為目標(biāo)有效輻射面積；ε 為目標(biāo)發(fā)射率，該參數(shù)與目標(biāo)表面材料相關(guān)；參數(shù)C1，C2分別為第一、二輻射常數(shù)；T為目標(biāo)表面溫度。地面車輛視在面積取5 m2，發(fā)射率取0.8［15］，地面溫度平均溫度為290 K，并考慮車輛溫度高于地面溫度1，2，5 K，計(jì)算凈紅外輻射強(qiáng)度見表4。

表4 凈紅外輻射強(qiáng)度Table 4 Net infrared radiation intensity

紅外成像系統(tǒng)與作用距離相關(guān)的參數(shù)見表5。

表5 紅外成像系統(tǒng)中與作用距離相關(guān)的參數(shù)Table 5 Parameters of imaging system related to detection range

紅外系統(tǒng)探測距離與探測器參數(shù)、目標(biāo)凈紅外輻射強(qiáng)度有關(guān)。如表6 所示，背景溫差為1 K，目標(biāo)成像占探測器4×4 個像元時(shí)，紅外探測距離為3.7 km。結(jié)合圖2、表6 計(jì)算結(jié)果可得出，該紅外相機(jī)對典型目標(biāo)識別距離不超過1.1 km。

圖2 紅外探測器分辨距離Fig.2 Resolution distance of infrared detector

表6 紅外相機(jī)探測距離Table 6 Infrared detection range

4 結(jié)束語

根據(jù)仿真結(jié)果，“美洲獅”無人機(jī)可見光相機(jī)對典型目標(biāo)識別距離≤2.7 km、紅外相機(jī)識別距離≤1.1 km；大疆精靈4 Pro 無人機(jī)可見光相機(jī)識別距離≤1.8 km。由此可見，受限于載荷能力，小型偵察無人機(jī)探測距離一般不超過3 km，在被防御目標(biāo)3 km 以遠(yuǎn)對其實(shí)施拒止攔截，可有效抑制其任務(wù)執(zhí)行過程，滿足防御作戰(zhàn)需求。

在實(shí)際反無人機(jī)作戰(zhàn)中，要綜合考慮防御區(qū)域大小，以及可用防御裝備的性能、數(shù)量、成本等因素進(jìn)行部署。使用低成本、作用距離較近的無人機(jī)防御裝備時(shí)，可通過前置部署、多套裝備協(xié)同運(yùn)用等方式，實(shí)現(xiàn)對保衛(wèi)區(qū)域的有效覆蓋。