小型侦察无人机任务能力及拒止距离分析*

黄沛，曹国辉，张海晶，张钧杰

（1. 中国人民解放军93221 部队，北京 100085；2. 空军装备部装备项目管理中心，北京 100080）

0 引言

随着智能化、无人化技术快速发展，各类型无人机不断出现，尤其是以小型无人机为代表的飞行器，具有目标特征弱、成本低廉、使用灵活等特点，已广泛应用于民用、军事领域，甚至成为不法分子实施恐怖活动的重要手段。近年来，白宫无人机非法闯入、驻叙俄军基地遭自制无人机袭扰、委内瑞拉总统遇大疆无人机自杀攻击等事件充分表明，小型无人机已成为要地防空以及和平时期空防安全的新威胁。

由于传统装备防御小型无人机效果并不理想，国内外均加大反无人机装备建设投入，陆续研制出包括电子干扰、激光、高功率微波等软硬杀伤产品［1-4］。中国久远公司研制的“低空卫士”激光武器，拦截距离不小于2 km［2］；美国Battelle 开发机构推出的手持式反无人机设备Drone Defender，有效打击范围400 m［3］；俄军研制的“微波炮”，防护区域不小于10 km［4］。总体来看，各装备技术体制不同，形态各异，拦截距离也存在差距。本文从阻止无人机任务执行角度出发，研究分析了典型小型侦察无人机的任务载荷探测能力，并提出了拒止距离需求，可为相关领域研究者提供参考。

1 小型无人机特点及威胁

1.1 小型无人机特点

无人机种类繁多，用途广泛，目前按用途、质量、航速、升限、航程等有不同的分类方式。参照美国国防部军用无人机分类标准（表1）以及国内“低慢小”飞行器的定义［5］，本文将小型无人机定义为起飞质量不超过25 kg、飞行速度不超过50 m/s、工作高度不超过1 000 m 的无人机，涵盖消费级民用无人机以及军用小型无人机。

表1 美军无人机分类标准Table 1 Classification standard of U.S.UAVs

1.2 主要威胁方式

小型无人机可携带爆炸物、危险物、高清摄像头等，能够执行侦察监视甚至自杀式攻击任务［6］，从防卫角度看，其威胁主要有以下几个方面：

（1）抵近侦察，窃取情报信息

小型无人机可挂载可见光相机、红外相机等光电设备对导弹阵地等军事要地、核电站等重要民生目标实施抵近式侦察，近距拍摄高清晰图像、视频，并将信息带回或实时回传，窃取武器装备、兵力部署等情报信息，为敌在战时实施精确制导打击提供信息支撑［6］。

（2）信息共享，引导弹药攻击

小型无人机可与精确制导弹药协同作战，将侦察获取的精确目标信息回传，引导精确制导弹药实时规划航路、调整打击目标，从而大大提升精确制导弹药打击时敏目标能力。2018 年美海军使用“美洲狮”无人机引导“弹簧刀”巡飞弹对快速移动的快艇实施打击［7］，显示了小型无人机在军事领域的巨大运用潜力。

（3）隐蔽突防，实施火力打击

小型无人机可依靠其良好的隐蔽性和低空性能，突防至攻击区域，携带爆炸物、生化制剂对目标实施非对称攻击。2018 年8 月委内瑞拉总统在参加国民卫队成立81 周年阅兵期间，遭遇无人机投放小型C4 炸弹袭击，多名军人受伤。同时，随着“蜂群”作战概念不断成熟，预计未来大量低成本小型无人机可用于实施大规模、高密度集群攻击［8-9］。

（4）无序黑飞，危害公共安全

“低慢小”等无人机无序飞行和黑飞事件经常发生，严重影响航空、高铁等正常运行，对公共安全、城市安保构成不可忽视的现实威胁［10］。

综上所述，目前小型无人机主要执行侦察监视或火力打击任务。执行打击任务的小型无人机，其携带爆炸物质量有限、杀伤范围较小，一般只能通过自杀式袭击达成攻击目的，对其应在飞抵防护目标前完成拦截。对于侦察型无人机，应在其完成侦察任务前实施拦截，因此对此类目标拒止距离应不小于其携带的光电载荷最大侦察距离。

本文以大疆精灵4 Pro 民用无人机、美军“美洲狮”军用无人机作为典型威胁，分析研究了小型无人机光电探测能力，并提出拒止距离需求。

2 典型无人机光电探测参数

大疆精灵系列无人机是目前应用最广泛的民用无人机。其中，大疆精灵4 Pro 四旋翼无人机携带1 英寸、2 000 万像素可见光CMOS 探测器，可拍摄高清视频及静态照片。“美洲狮”RQ-20 无人机由美国航空环境公司（AeroViroment）设计生产，主要装备于美国陆军、海军陆战队，用于执行侦察监视任务。该无人机采用手抛发射，携带Mantis i45 轻型光电传感器，包括高分辨率可见光成像和红外成像仪，可在复杂环境下对海面、地面等目标进行远距离高清成像。大疆精灵4 Pro 和“美洲狮”携带光电载荷主要参数见表2。

表2 “美洲狮”及大疆精灵无人机光电载荷主要参数Table 2 Opto⁃electronic load of RQ⁃20 and Dajiang Phanton 4

3 光电探测距离分析

3.1 光电系统探测识别距离

光电系统对面目标探测能力分为发现、识别、辨别3 个等级，可用等效条纹分辨率进行衡量。等效条纹是一组黑白间隔相等的条纹图案，其宽度为目标临界尺寸，长度为垂直于临界尺寸方向横跨目标的尺寸。等效条纹分辨率为目标临界尺寸中包含的可分辨条纹数，即目标在探测器上成像所占的像元数。发现、识别和辨别概率与可分辨条纹数见表3［11］，若光电系统识别目标类型，目标成像在探测器上的至少占4 个像元。

表3 概率与可分辨条纹数的关系Table 3 Relationship between probability and resolvable fringes

光电系统成像距离用探测器分辨率表示为［12］

式中：R为作用距离；dm为目标尺寸；f为系统焦距；Nv为探测器分辨率；D为探测器有效尺寸；n为目标成像在探测器所占像元数。焦距f、分辨率Nv、探测器尺寸D与视场角θ间有如下关系：

3.2 典型目标可见光探测分辨能力

“美洲狮”机载可见光相机使用电子变焦，其窄视场侦察识别能力与大视场一致。分析不同探测概率下两型无人机可见光相机，对长3 m、高2 m 的车辆最大分辨距离，如图1 所示，在50%概率下“美洲狮”无人机可见光相机对目标识别距离为2.7 km，辨别距离为1.4 km；大疆精灵4 Pro 可见光相机对目标识别距离为1.8 km，辨别距离为0.9 km。无人机进一步抵近侦察可实现更高概率探测以及更精确识别。

图1 两型无人机可见光分辨距离Fig.1 Resolution distance of visible light detector

此外，受目标背景的照度差、大气传输衰减、光照灵敏度等因素影响，可见光相机作用距离将进一步下降。

3.3 典型目标红外探测分辨能力

红外成像系统对目标探测分辨率也需满足表3给出的识别辨别条件。“美洲狮”机载红外相机分辨率640×512像素、视场角为24°。根据公式（3）可得出，在50%概率下红外相机对长3 m、高2 m 的车辆最大成像识别距离为1.1 km，辨别距离不大于0.56 km。

此外，红外成像系统作用距离还受目标辐射强度与背景辐射特性差异等因素影响。红外成像系统作用距离与目标净辐射强度J存在以下关系［13］：

式中：R为探测距离；J为净辐射强度；A0为光学有效接收面积；D*为探测器比探测率；τ0为光学系统透过率；τα为大气透过率；Ad为探测器像元面积；Δf为探测器噪声等效带宽；SNR为探测器成像信噪比；η为系统校正因子。

目标红外辐射强度计算公式如下［14］：

式中：λ1，λ2为红外探测器工作波长的上下限，长波红外为8~12 μm；A为目标有效辐射面积；ε 为目标发射率，该参数与目标表面材料相关；参数C1，C2分别为第一、二辐射常数；T为目标表面温度。地面车辆视在面积取5 m2，发射率取0.8［15］，地面温度平均温度为290 K，并考虑车辆温度高于地面温度1，2，5 K，计算净红外辐射强度见表4。

表4 净红外辐射强度Table 4 Net infrared radiation intensity

红外成像系统与作用距离相关的参数见表5。

表5 红外成像系统中与作用距离相关的参数Table 5 Parameters of imaging system related to detection range

红外系统探测距离与探测器参数、目标净红外辐射强度有关。如表6 所示，背景温差为1 K，目标成像占探测器4×4 个像元时，红外探测距离为3.7 km。结合图2、表6 计算结果可得出，该红外相机对典型目标识别距离不超过1.1 km。

图2 红外探测器分辨距离Fig.2 Resolution distance of infrared detector

表6 红外相机探测距离Table 6 Infrared detection range

4 结束语

根据仿真结果，“美洲狮”无人机可见光相机对典型目标识别距离≤2.7 km、红外相机识别距离≤1.1 km；大疆精灵4 Pro 无人机可见光相机识别距离≤1.8 km。由此可见，受限于载荷能力，小型侦察无人机探测距离一般不超过3 km，在被防御目标3 km 以远对其实施拒止拦截，可有效抑制其任务执行过程，满足防御作战需求。

在实际反无人机作战中，要综合考虑防御区域大小，以及可用防御装备的性能、数量、成本等因素进行部署。使用低成本、作用距离较近的无人机防御装备时，可通过前置部署、多套装备协同运用等方式，实现对保卫区域的有效覆盖。