Экспериментальная оценка дальности обнаружения беспилотных летательных аппаратов лазерным дальномером

Experimental evaluation of detection range of unmanned aerial vehicles with a laser rangefinder

Semyon Bachinin

Student Baltic State Technical University «Voenmeh» named after D.F. Ustiniv, Russia, St. Petersburg

Vadim Lentovskii

Candidate of Science, professor Baltic State Technical University «Voenmeh» named after D.F. Ustiniv, Russia, St. Petersburg

Dmitriy Fedorov

Doctor of Science, professor Baltic State Technical University «Voenmeh» named after D.F. Ustiniv, Russia, St. Petersburg

Аннотация. Введение системы лазерного дальномера в состав конструкции беспилотного летательного аппарата подразумевает решение конструктивной задачи по размещению ЛД на борту БПЛА в соответствии с его массогабаритными особенностями. В работе приведён расчёт диаметра апертуры приёмной оптической системы при оптимальных характеристиках работы лазерного дальномера.

Abstract. Incorporating laser rangefinder system to the structure of UAV includes solving arrangement problem dew to LR’s mass and size characteristics. In the article is given a calculation of receiving optical system aperture diameter with the optimum performance of the laser rangefinder.

Ключевые слова: Лазерный дальномер; оптико-электронные приборы; беспилотные летательные аппараты;

Keywords: Laser rangefinder; optical-electronic devices; unmanned aerial vehicles;

Введение

Задача обнаружения и распознавания воздушных целей была и остаётся актуальной. Особой важности этой тематике добавляет технологический прогресс в использовании таких разведывательных средств, как беспилотные летательные аппараты. Вследствие этого, встаёт вопрос  как об оперативном выявлении вражеских БПЛА, так и о малозаметных разведывательных системах собственного применения, на базе БПЛА. Стоит отметить тот факт, что в качестве дальномеров летательных аппаратов, в том числе и Российского производства, как правило, используются радиодальномеры, обладающие значительно меньшей скрытностью в отличие от лазерных. Поэтому важность введения лазерного дальномера в конструкцию БПЛА очевидна. При расчёте ЛД стоит учитывать ряд конструкционных особенностей размещения готового прибора на борту БПЛА, диктуемыми массогабаритными требованиями. Основными такими требованиями являются: диаметр апертуры приёмной оптической системы, тип лазерного источника и элемента питания. В данной работе будут подобраны наиболее оптимальные параметры вышеуказанных требований и будет дана экспериментальная оценка работы, определяемая максимальной дальностью обнаружения цели ЛД LRM 2500.

Расчёт апертуры приёмной ОС

Для понимания роли величины диаметра апертуры приёмной ОС, приведём несколько математических выкладок, основываясь на формуле локации для диффузно отражающих объектов[1-3]:

  Вт/,                                                                                (1)

где  – мощность лазерного излучения в районе цели,  – импульсная мощность лазерного излучения (Вт),  – угол расхождения (рад) лазерного луча по азимуту,  – угол расхождения (рад) лазерного луча по наклону и D (м) – расстояние до цели

Мощность лазерного излучения, отражённого от цели () :

 Вт,                                                                                          (2)

Где  – площадь проекции цели на плоскость, перпендикулярную линии визирования,  – коэффициент отражения лазерного излучения.

Принимая цель за изотропный отражатель (равномерно отражающий во все направления) площадью  с коэффициентом отражения  = 1, , мощность на входе приёмной системы ЛД:

 Вт,                                                        (3)

Минимальная мощность на выходе приёмной системы, принимая за отражённый сигнал:  , где  – приведённая ко входу системы мощность шума в полосе пропускания приёмника,  – коэффициент запаса, определяемый по критерию Неймана – Пирсона[4], то максимальная дальность обнаружения  цели определяется уравнением:

,                                                                   (4)

Где  – показатель затухания излучения в атмосфере, 1/км.

, потенциал станции, 

- эффективная отражающая поверхность, .

Итак, принимая во внимая вышеприведённые формулы, сформулируем задачу по определению оптимального диаметра приёмной апертуры:

Пусть желаемая дальность обнаружения цели с эффективной площадью рассеяния  = 0,30 – 13,9  , будет равна 200 – 300 м, при условии перпендикулярно-ориентированной цели,  и  должны быть малы, но отличны от нуля, в силу трудности слежения за быстро перемещающейся целью[5], зададим их равными 2-3 мрад. Тогда расчётный диаметр приёмной апертуры будет равен 30 – 40 мм, при импульсной мощности 75 Вт.

Анализируя размеры современных БПЛА, можно сделать вывод, что получившееся значение величины апертуры приёмной ОС ЛД вполне удовлетворяют конструкционным требованиям. Отметим, что особой производительности ЛД при малых его габаритах и низким энергопотреблением можно добиться используя в качестве излучателя полупроводниковый лазер с номинальной мощностью излучения в импульсе 75 Вт[6].

Экспериментальное подтверждение

В подтверждение полученных результатов был проведён ряд экспериментальных измерений, произведённых с помощью приобретённого лазерного дальномера LRM 2500 с параметрами, наиболее близкими к расчётным (приведены в табл. 1)

Таблица 1.

Параметры ЛД LRM 2500 по данным производителя

Измерения проводились в районе посёлка Агалатово – заказнике в истоках реки Охта, в 15 км от Санкт-Петербурга.

Таблица 2.

Результаты измерений лазерным дальномером LRM 2500

Заключение

Результаты проделанной работы показывают целесообразность введения систем лазерного ориентирования, в частности, систем измерения расстояния до объекта (цели). При этом прибор, оптимальный по своим конструктивным характеристикам, может иметь параметры, указанные в работе, главные из которых: диаметр приёмной апертуры - 30 – 40 мм, импульсная мощность передатчика (полупроводниковый лазер) - 70-80 Вт, при этом максимальная дальность обнаружения цели, а именно БПЛА «ОРЛАН – 3» будет равна от 200 до 478 метров, в зависимости от расположения объекта-цели по отношению к линии визирования.