XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Оптическое противодействие дронам путем их временного ослепления лазерами с ближней дистанции
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Краткая аннотация работы
Исследовались картины засветки камеры дрона лазерами разной мощности и длины волны: 650 нм, 0.5 мВт и 532 нм, 50 мВт, соответственно. Изменяемыми величинами были расстояние от лазера до камеры в интервале 1-300 м с шагом 10 и 100 м и углы падения луча на матрицу камеры в интервале 0-85 с шагом 5. Показано, что при недостаточной мощности луча, неточном либо скользящем падении лучей на камеру, не все поле зрения будет засвеченным. Однако, увеличением мощности луча можно добиться сплошной засветки камеры даже при углах падения луча близких к 90. Характерная величина необходимой мощности при прямом падении луча на камеру для дистанции 1 км без учета рассеяния света в атмосфере составляет 5 Вт.
Введение
Последние военные конфликты показали высокую эффективность беспитолных летательных аппаратов (БПЛА) для разведки и уничтожения целей [1-3]. Все ведущие армии мира имеют на вооружении различные виды стратегических и тактических беспилотников. Для противодействия им создаются дорогостоящие зенитно-ракетные и радиоэлектронные комплексы (цены порядка 15 и 200 млн. долл.), предназначенные для использования в больших подразделениях. Эти комплексы справляются со своими задачами, но имеют ряд принципиальных недостатков:
-
Стоимость поражения БПЛА ракетами часто несоразмерна цене беспилотника. При цене ракеты 30-50 тыс. долл. поражение тяжелых аппаратов типа MQ-9 Reaper и MQ-1 Predator (9 и 30 млн. долл.), средних аппаратов типа Bayraktar TB2 (5 млн. долл.) и барражирующих боеприпасов типа Switchblade (30-50 тыс. долл.) вполне «рентабельно», но крайне расточительно для малых дронов типа DJI Phantom 4 или Autel EVO II (1,5 тыс. долл.) [4].
-
Данный способ практически неприменим в городе, при плотном расположении своих подразделений и при действиях малых боевых групп.
-
Способ радиоэлектронной борьбы плохо работает на сильно пересеченной местности и мешает не только вражеским, но и своим аппаратам. Хорошо известен случай массовой атаки дронов на российскую базу Хмеймим в Сирии, привязанной ко времени возврата своих летательных аппаратов, когда защитный радио-купол был отключен [5].
-
Существуют мобильные устройства радиоэлектронной борьбы, пригодные для малых подразделений, но они имеют малый радиус действия и справляются, поэтому, только с малыми дронами.
Радио-подавление не действует на БПЛА, автоматически летящие по видеокамере и заложенной в память карте местности (метод пространственной корреляции), и на барражирующие боеприпасы, наводящиеся на технику противника по видеокамере искусственным интеллектом. Кроме того, уже реализованы высоко помехоустойчивые методы обмена информации с дронами, работающие в условиях радио-подавления. Но именно дроны-комикадзе приносят наибольший ущерб вооруженным силам в виде потерь бронетехники и артиллерии [1-3].
Если невозможно сбить БПЛА ракетой и зенитным огнем или подавить радиопомехой, остается только разрушить или блокировать его камеру. Передовые разработки в мире (российский комплекс «Рать», израильский «Железный луч», американская «Валькирия» и др.) связаны с созданием мощных лазерных комплексов (100-300 кВт на шасси грузовиков), способных на расстоянии нескольких километров если не сжигать дроны, то хотя бы безвозвратно выводить из строя их оптику [6]. Однако, создание легких систем (носимых солдатами или крепимых к бронетехнике), ослепляющих разведывательные дроны и барражирующие боеприпасы с близкой дистанции (в сотни метров) не ведутся, при том, что эти виды беспилотников, ввиду их незаметности, часто проникают сквозь систему ПВО.
Необходимы переносные или мобильные (для размещения на бронетехнике) устройства, служащие для ослепления беспилотников. При этом не обязательно иметь мощность лазера, способную разрушить матрицу камеры. Часто достаточно временно ослепить БПЛА. Так, если на завершающем участке траектории подлета дрона-комикадзе к подвижной бронетехнике, последняя ослепит дрон и уйдет в сторону, то дрон не сможет изменить траекторию и снова зайти на цель. Не успеет среагировать оператор дрона или не хватит пространства самому дрону, вследствие большой скорости на этом участке. Ослепление дрона приведет к тому, что он врежется в землю мимо цели. Цена подобной лазерной системы (с оптическим модулем обнаружения дрона) вряд ли превысит 30 тыс. долл., при цене танка Т-90С, напр., около 2,5 млн. долл.
Для разработки подобных систем оптической борьбы нужно оценить требуемую мощность лазерных источников при различных расстояниях до дрона и угла его атаки к горизонту.
Цель нашего проекта оценить возможности маломощных лазеров для ослепления камер беспилотных летательных аппаратов с близкой дистанции (до нескольких сотен метров).
Первая гипотеза исследований состояла в том, что лазера малой мощности (десятки мВт) будет достаточно, чтобы ослепить камеру беспилотника с расстояния порядка 100 метров.
Вторая гипотеза: при удалении лазера или увеличении угла падения его луча на объектив, яркость засветки и сама картина засветки будут меняться, но увеличением мощности луча можно снова добиться полного ослепления матрицы камеры.
Предмет исследования: оптические методы борьбы с беспилотниками, пригодные для малых армейских единиц и штучной бронетехники.
Объект исследования: устройство для временной блокировки оптического канала информации беспилотников.
Задачи:
-
Изучить современную литературу в области борьбы с БПЛА.
-
Создать экспериментальную установку и выяснить как мощность лазера, расстояние до него и угол падения луча на камеру влияют на засветку ее поля зрения.
-
Дать практические рекомендации по применению маломощных лазеров для временного ослепления БПЛА.
Основные результаты
Исследование засветки камер под прямым углом
с разного расстояния в помещении
Для опытов взяли две лазерные указки с параметрами пучков (650 нм, 0.5 мВт) и (532 нм, 50 мВт). Камеру планшета засвечивали с расстояний 10-80 метров с шагом 10 м, рис. 1-2.
Рис. 1. Засветка камеры при прямом падении луча (650 нм, 0.5 мВт) с разного расстояния в помещении. Стрелками указаны видимые детали изображения.
Опыты с красным лазером дали следующие результаты, рис. 1:
-
с расстояния 10 м кадр был полностью засвечен и различить окружающие предметы в поле зрения (стены, двери, пол и т.д.) было невозможно. С трудом прослеживались только яркие пятна от светильников и то на большом угловом расстоянии от центра луча.
-
при расстоянии 20 м светильники стали различаться отчетливо и с дальнейшим увеличением расстояния (30, 40, 50 м) контраст их изображения нарастал (влияние спекл-шумов от лазера стало пренебрежимо малым).
-
на расстоянии 60 м стали различимы детали интерьера (темные декоративные полосы вдоль светлых стен), а на расстоянии 80 м более темный пол стал отличим от светлых стен.
На всех указанных расстояниях треть кадра в его центре оставалась полностью засвеченной, и в этой области никакие объекты не были различимы.
Аналогичные испытания с зеленым лазером, мощностью в 50/0.5 = 100 раз больше, дали полную засветку на расстояниях вплоть до 80 м, рис. 2.
Рис. 2. Ход эксперимента по засветке камеры лучом лазера (532 нм, 50 мВт) в помещении: первый снимок с 10 м, следующие последовательность кадров наведения луча с дистанции 80 м.
Исследование засветки камер под прямым углом
с разного расстояния на улице
Поскольку в реальности беспилотники ведут разведку целей не в помещении, а на открытом пространстве, то нужно выяснить, какую картину засветки дают камеры в этих условиях (большее расстояние до лазерного источника, высокий перепад яркостей объектов и неба).
Испытания с красным лазером в вечерних условиях на дистанциях 10-40 метров показали, что в условиях естественной освещенности камера настраивается изначально на большую яркость объектов, и поэтому засветка кадра от лазера получается слабее, рис. 3.
Рис. 3. Засветка камеры при прямом падении луча лазера (650 нм, 0.5 мВт) с разных расстояний на улице.
На расстоянии 10 м хорошо различима граница горизонта, а на больших расстояниях становятся видны объекты на фоне неба (столбы, вышки, силуэты зданий), хотя при этом наземные объекты в центральной части кадра, где попадает лазерное пятно, остаются неразличимы. Следовательно, у вражеского дрона остается возможность ориентировки по силуэтам сооружений у горизонта, даже если сами объекты на фоне земли неразличимы.
Поскольку нужно было выяснить, как работает метод лазерного ослепления камер с большего расстояния (недоступного в помещении), то для дальнейших опытов выбрали мощный зеленый лазер. Провели опыт на стадионе с расстояния 100 м с учетом того, что поверхность стадиона высоко-контрастна темный асфальт с белыми полосами, рис. 4.
Получили тот же результат, что и с красным лазером с близкого расстояния: объекты на фоне горизонта были хорошо различимы, а область земли вблизи пятна лазера нет. Но вдали от пятна контрастные наземные объекты хорошо различались (линии разметки стадиона были отчетливо видны, несмотря на спекл-шумы). Таким образом, наличие высоко-контрастных наземных объектов позволяет наводиться вражескому беспилотнику (напр., ударному, для нанесения бомбового удара по цели). Следовательно, охраняемый объект должен иметь в своем окружении равномерный по яркости фон без каких-либо четко различимых деталей. Это может быть поверхность зеленого или заснеженного луга, сплошной кустарник или лес без просек под линии электропередач или дорог.
Рис. 4. Засветка камеры при прямом падении луча (532 нм, 50 мВт) с дистанции 100 м вечером на стадионе. Последовательность кадров наведения луча.
Провели также засветку камеры зеленым лазером с еще больших расстояний 150, 200, 250 и 300 метров, рис. 5. По мере удаления от источника излучения диаметр лазерного пятна уменьшался 0.15 до 0.06 ширины кадра, несмотря на то, что пятно лазера значительно превышало диаметр объектива (2 см при расстоянии до лазера 200 м, против 3 мм у объектива), что становится явно недостаточным для маскировки объектов. Единственным путем остается повысить мощность лазера. Мы это уже выяснили в опытах в помещении с красным маломощным и зеленым мощным лазерами: даже с близкого расстояния (10 м) красный лазер не засвечивал весь кадр, рис. 1, в то время как зеленый лазер с расстояния 80 м засветил кадр полностью (рис. 2, белое поле).
Рис. 5. Засветки камеры при прямом падении луча лазера (532 нм, 50 мВт) с дистанций 150-300 м на улице. Камера прикреплена к стене здания, а лазер удаляли на разное расстояние.
Оценим необходимую мощности лазера. При удалении от источника света в N раз освещенность падает в N2 раз. Если на расстоянии 100 м хватало мощности лазера 50 мВт, то на расстоянии 1, 3 и 10 км понадобятся мощности:
50 мВт × (1000 м / 100 м) 2 = 5000 мВт = 5 Вт
50 мВт × (3000 м / 100 м) 2 50000 мВт = 50 Вт
50 мВт × (10000 м / 100 м) 2 = 500000 мВт = 500 Вт.
Лазеры с мощностью 5 Вт вполне мобильны и могут быть прикреплены к стрелковому оружию, мощностью 50 Вт могут крепиться к корпусу бронетехники, а мощностью 500 Вт это уже стационарные установки. Поэтому лазерный метод ослепления камер беспилотников технически осуществим до расстояний 3-5 км, что перекрывает, напр., потолок действия типичного БПЛА Bayraktar TB2 с высотой полета 2.5 км.
Исследование засветки камер под разными углами
с одинакового расстояния
В реальности камеры беспилотников чаще направлены не прямо на землю, а под некоторым углом на объект впереди. Поэтому в общем случае луч лазера будет падать не перпендикулярно объективу, а под углами от 0 до почти 90. Нужно выяснить, как будет заслепляться камера в этом случае. Для этого мы изготовили установку, в которой планшетник был закреплен, а луч лазера направляли к его камере под углами от 0 до 85 с шагом 5 с расстояния в 0.5 м, рис. 6. Тестовым объектом служил черно-серо-белый клетчатый фон (квадраты с заливкой 100, 50 и 0 % черным) на расстоянии 1 м от камеры.
Рис. 6. Установка для исследования засветки от угла падения луча лазера.
Было установлено, что при углах падения маломощного красного лазера 0 и 5 был засвечен весь кадр целиком, рис. 7. При увеличении угла до 50 размер пятна засветки и его яркость уменьшались. Начиная с угла 55 и до 65 тестовый фон стал различим, хотя и в присутствии больших шумов. При углах, 70, 75 и 80 фон был отлично виден, а при угле 85 можно было даже отличить по яркости 100 и 50 % черные квадраты.
Более мощный зеленый лазер давал полную засветку кадра до углов падения 20, а при углах 25-75 яркость засветки и ее однородность уменьшались, рис. 7. При углах 80 и 85 с трудом были различимы части тестового объекта в областях с меньшей засветкой (на кадре это плохо видно, но на видеозаписи вполне отчетливо).
Можно сделать вывод, что при острых углах падения луча на объектив камеры, за счет отражений света внутри объектива все равно происходит достаточная засветка кадра вплоть до углов 80-85. При больших углах засветка не достаточно однородная и в темных ее местах можно различить детали высоко контрастных наземных объектов. Однако, при повышении мощности лазера эта проблема снимается (это мы выяснили, светя зеленым лазером в упор камере при том же угле падения).
Рис. 7. Сравнение засветки от угла падения луча для двух лазеров: верхняя полоса красный 0.5 мВт, нижняя зеленый 50 мВт.
Перспективы практического использования
В настоящее время большинство разработок в области оптического противодействия дронам ведутся в направлении создания единичных мощных лазерных установок (десятки кВт), безвозвратно выводящих беспилотники из строя, что крайне сложно и дорого [6]. В любом случае, из-за размеров и энергопотребления, а также хрупкости, эти системы не будут устанавливать непосредственно на бронетехнику, что существенно уменьшает их эффективность. Для размещения на броне годятся только менее мощные системы временно или полного ослепления камеры беспилотников.
Единственной действующей на данный момент разработкой подобного рода является система активной защиты JD-3 китайского танка "Тип 99" с лазером мощностью 100 МДж, способная на расстоянии 2 км повреждать сетчатку глаз противника и его оптоэлектронику [7]. Однако эта система не может бороться с дронами, т.к. лазер наводится поворотом башни танка, что крайне медленно и работает только по целям у горизонта.
Мы предлагаем использовать легкие лазерные установки для временного ослепления дронов с дистанции до 1 км, что достаточно для большинства случаев защиты личного состава и техники. Такие системы уже сейчас можно собирать на основе промышленно выпускаемых отечественных лазеров [8], что позволит немедленно решать задачу снижения эффективности вражеских беспилотников на поле боя.
Заключение
Анализ литературы показал, что в настоящее время отсутствуют мобильные системы оптической борьбы с беспилотниками для малых воинских групп, действующих в отрыве от основной группировки, и не прикрытых, поэтому, средствами ПВО [1-3]. Кроме того, отсутствуют и системы, прикрывающие каждую единицу бронетехнику от дронов и барражирующих боеприпасов, путем временного ослепления их камер.
Экспериментально оценено, что для указанных систем достаточно мощности лазерного луча около 5 Вт, чтобы временно ослепить камеру беспилотника на дистанции до 1 км при условиях чистой атмосферы и нулевого угла падения луча на камеру. При остром угле атаки беспилотника к горизонту угол падения луча на его камеру не нулевой и дистанция ослепления уменьшается до нескольких сотен метров, что также достаточно, чтобы бронетехника могла уйти от удара барражирующего боеприпаса. Лазеры такой мощности промышленно выпускаются и достаточно компактны для использования как носимое оружие или установки на броне, что позволит уже сейчас защитить от дронов малые армейские группы, действующие без прикрытия средствами ПВО, и каждую единицу бронетехники самостоятельно.
Список использованных источников и литературы
1. Мальков А. Эффективный вид вооружения / А. Мальков, В. Гумилев, С. Слепухина, А. Постников // Армейский сборник. — 2023. — № 10. — С. 186–199. сайт. — URL: http://army.ric.mil.ru/Stati/item/523131/.
2. Литвиненко В. Барражирующие беспилотники - боеприпасы / В. Литвиненко // Армейский сборник. — 2023. — № 4. — С. 89–97. сайт. — URL: http://army.ric.mil.ru/Stati/item/481638/.
3. Кулешов А.В. Ударный беспилотник / А.В. Кулешов, В.Ю. Гумелев, А.В. Шудря // Армейский сборник. — 2022. — № 3. — С. 192–207. сайт. — URL: http://army.ric.mil.ru/Stati/item/388005/.
4. Степанов А. Не постоим за ценой: Сколько стоит отражение атаки Дронов / А. Степанов // Газета «Наша версия». 2023. № 3 от 23.01.2023. сайт. — URL: Источник: https://versia.ru/skolko-stoit-otrazhenie-ataki-dronov.
5. Неизвестные беспилотники атаковали авиабазу "Хмеймим" два дня подряд // Интерфакс: информационная группа. URL: Источник: https://www.interfax.ru/world/622024 (22.07.2018).
6. Бойко А. Лазерные противодроновые системы / А. Бойко // Robo-педия. сайт. — URL: http://robotrends.ru/robopedia/lazernye-protivodronovye-sistemy (06.01.2024).
7. TYPE 99 - основной боевой танк. // Энциклопедия военной техники. — URL: Источник: https://war-book.ru/type-99-ztz-99-osnovnoj-boevoj-tank/.
8. Лазеры высокой мощности: каталог продукции «ФТИ-Оптроник», г. Санкт-Петербург. — URL: Источник: https://www.fti-optronic.com/catalog/lazery-vysokoy-moshchnosti/.