Автоматическая установка для активной защиты воздушного пространства от птиц и малых беспилотных летательных аппаратов Российский патент 2023 года по МПК F41H13/00 A01M29/26 H04K3/00 G01S17/00 

Изобретение относится к средствам технической защиты от нарушителей воздушного пространства. Устройство предназначено для орнитологической защиты контролируемой зоны режимных территорий, а также защиты таких территорий от малых беспилотных летательных аппаратов (МБПЛА). Преимущественной областью применения технического решения является обеспечение безопасности взлета и посадки самолетов гражданской авиации.

Столкновение птицы или МБПЛА с самолетом способно привести к серьезному повреждению воздушного судна и вызвать авиакатастрофу. Нахождение птиц и несанкционированных МБПЛА в зоне аэродромов представляет особую опасность для полетов, так как данные территории характеризуются высокой интенсивностью воздушного движения на низких высотах. Для защиты от нарушителей воздушного пространства и повышения безопасности полетов необходимы специальные технические средства.

Из патентного документа RU 2426310 С1 от 20.08.2011 известна установка для осуществления способа обеспечения орнитологической безопасности аэропорта, содержащая блок лазеров, оптические системы коллимирования и наведения лазеров, контроллеры сканирования лучей лазеров, контроллеры модуляции мощности лазеров, источник питания лазеров, излучатель электромагнитных волн сверхвысоких частот (СВЧ), СВЧ-генератор, контроллер модуляции СВЧ-генератора, контроллеры управления антенной и сканирования луча СВЧ-генератора, источник питания СВЧ-генератора, и компьютер. Сигнальные входы контроллеров модуляции мощности лазеров, контроллеров сканирования лучей лазеров, контроллеров управления антенной и сканирования луча СВЧ-генератора, и контроллера модуляции СВЧ-генератора, соединены с соответствующими выходами компьютера. Блок лазеров связан с источником питания через оптические системы коллимирования и наведения лазеров, а также контроллеры модуляции мощности лазеров. СВЧ-излучатель связан с источником питания СВЧ-генератора через СВЧ-генератор и контроллер модуляции СВЧ-генератора. СВЧ-излучатель соединен с контроллерами управления антенной и сканирования луча СВЧ-генератора. Контроллеры сканирования лучей лазеров соединены с блоком лазеров и оптическими системами коллимирования и наведения лазеров. Контроллеры, управляемые компьютером, позволяют менять ориентацию электромагнитного луча в пространстве.

Указанная установка осуществляет комплексное воздействие на птиц и их гнездовья электромагнитными колебаниями в частотном диапазоне от дециметрового до оптического, причем СВЧ-генератор выполнен с возможностью работы в режиме модулированной широкополосной или шумовой генерации, а воздействие в оптическом диапазоне осуществляют путем комбинации когерентных монохроматических колебаний лазерных источников.

Известное техническое решение обеспечивает высокоэффективную комплексную орнитологическую безопасность полетов летательных аппаратов, однако оно не способно функционировать в автоматическом режиме, что снижает эффективность его действия из-за человеческого фактора, а также не позволяет предотвратить нахождение в контролируемой зоне несанкционированных МБПЛА, из-за чего защита воздушного пространства охраняемого объекта недостаточно надежна.

Решаемой технической проблемой является повышение надежности защиты воздушного пространства охраняемого объекта.

Обеспечиваемый настоящим изобретением технический результат заключается в расширении функциональных возможностей установки для активной защиты воздушного пространства с обеспечением в автоматических режимах как эффективного отпугивания птиц, так и выведения из строя несанкционированных МБПЛА, вплоть до уничтожения МБПЛА.

Технический результат достигается благодаря тому, что автоматическая установка для активной защиты воздушного пространства от птиц и МБПЛА содержит однонаправленные источники оптического лазерного излучения и СВЧ-радиолуча, узлы автоматического обнаружения воздушной цели, распознавания вида цели, наведения на цель и ее удержания, связанные с центральным узлом автоматического управления. При этом узел обнаружения воздушной цели связан с центральным узлом управления через узел распознавания вида цели. Причем центральный узел управления выполнен с возможностью задания частоты и мощности излучения электромагнитных волн в диапазоне между режимами отпугивания птицы и подавления МБПЛА в зависимости от вида воздушной цели.

В частном случае осуществления изобретения узел обнаружения воздушной цели включает в себя РЛС, выполненную с возможностью формирования запросного сигнала, лидар, видеокамеру с длиннофокусным объективом и направленный акустический микрофон, а узел распознавания вида цели включает в себя вычислитель с функцией искусственного интеллекта.

В другом частном случае источник оптического излучения содержит первый модуль с выходной модулируемой мощностью 500 мВт для создания биофизических эффектов и второй модуль с выходной импульсной мощностью 1 кВт для теплового поражения техники.

Также в частном случае максимальная выходная мощность источника оптического излучения составляет по меньшей мере 500 Вт, при этом данный источник снабжен регулируемым аттенюатором лазерного пучка, связанным с центральным узлом управления.

В частном случае источник оптического излучения содержит четыре лазера, выполненных с возможностью генерирования электромагнитных колебаний с длиной волны в диапазоне λ=200-400 нм, соответствующих максимумам частотной зависимости цветовых зрительных рецепторов четырехкомпонентной системы зрения птиц.

В частном случае источник СВЧ-радиолуча содержит первый модуль для создания биофизических эффектов и второй модуль для радиоэлектронного подавления МБПЛА, снабженные отдельными директорными антеннами.

В частном случае модуль для радиоэлектронного подавления МБПЛА содержит постановщик помех связи МБПЛА с оператором.

В частном случае модуль для радиоэлектронного подавления МБПЛА содержит постановщик навигационных помех для МБПЛА.

В частном случае выходная мощность модуля для радиоэлектронного подавления МБПЛА выбрана из условия обеспечения возможности разрушения электронных компонентов МБПЛА.

В еще одном частном случае источник СВЧ-радиолуча снабжен модулятором, а диапазон рабочих частот и выходная мощность данного источника выбраны из условия обеспечения возможности одновременного воздействия на тепловые рецепторы птиц и проявления в их биологических тканях эффекта радиозвука.

Сущность изобретения поясняется следующими схемами, на которых в качестве примера показано выполнение одного из предпочтительных вариантов конструкции устройства.

Фиг. 1: общая схема автоматической установки для активной защиты воздушного пространства от птиц и МБПЛА.

Фиг. 2: схема трехканального источника оптического лазерного излучения.

Фиг. 3: схема трехканального источника СВЧ-радиолуча.

Фиг. 4: схема узла обнаружения воздушной цели.

Фиг. 5: схема узла распознавания вида цели.

Фиг. 6: схема узла наведения на цель и ее удержания.

Изображенная конструкция автоматической установки для активной защиты воздушного пространства от птиц и МБПЛА содержит блок генерации лазерного излучения 1, блок оптической коллимации 2, силовой блок 3 для питания блока 1, контроллер 4 блока 1, образующие источник оптического лазерного излучения, блок генерации СВЧ-радиолуча 5, антенный блок 6, силовой блок 7 для питания блока 5, а также контроллер 8 блока 5, входящие в состав источника СВЧ-радиолуча, узел автоматического обнаружения воздушной цели 9, узел автоматического распознавания вида цели 10, узел автоматического наведения на цель и ее удержания 11, а также центральный узел автоматического управления 12, узел связи 13 и контроллер самоходного шасси установки 14 в случае ее мобильного выполнения (фиг. 1). Перечисленные узлы являются функциональными или структурными частями конструкции установки.

Рабочий выход блока 1 оптически связан с блоком 2. Силовой вход блока 1 электрически соединен с выходом блока 3. Блок 1 соединен с контроллером 4 через управляющие входы-выходы. Сигнальный выход блока 5 соединен с входом блока 6. Силовой вход блока 5 электрически связан с выходом блока 7. Управляющий вход блока 5 соединен с выходом контроллера 8. Управляющий вход узла 9 соединен с выходом узла 12, а выход узла 9 информационно связан с входом узла 10. Входы узла 12 соединены с выходами узлов 10, 13. Выходы узла 12 соединены с соответствующими входами узлов 4, 8, 10, 11, 13 и 14. Узел 11 кинематически связан с блоками 2 и 6.

Источник оптического излучения предпочтительно содержит два рабочих модуля, первый из которых характеризуется выходной мощностью 500 мВт с возможностью модуляции для создания биофизических эффектов, а второй модуль обеспечивает выходную импульсную мощность 1 кВт и более для теплового поражения объектов техники на эффективном расстоянии 0,5-1 км.

На практике желательно выполнение источника оптического излучения с по меньшей мере тремя независимыми модулями (фиг. 2). При этом в состав блока 1 входят лазеры 15, 16 и 17, блок 2 содержит оптические коллиматоры 18, 19, 20, а блок 4 состоит из контроллеров 21, 22 и 23. Первый модуль образован лазером 15 высокой мощности, коллиматором 18 и контроллером 21. Второй модуль состоит из лазера 16 средней мощности с длиной волны 530-630 нм, коллиматора 19, контроллера 22. Третий модуль включает в себя лазер 17 слабой мощности, коллиматор 20 и контроллер 23. Данные модули соединены параллельно из условия однонаправленности выходного лазерного излучения установки. Первый модуль предназначен для теплового поражения МБПЛА, второй модуль обеспечивает создание биофизических эффектов в теле орнитологических объектов, а третий модуль служит для воздействия на один из видов рецепторов четырехкомпонентной системы зрения птиц. Для повышения эффективности воздействия целесообразно включение в состав конструкции источника оптического излучения четырех отдельных лазеров с рабочей длиной волны в диапазоне λ=200-400 нм, настроенных на максимумы частотной зависимости цветовых зрительных рецепторов.

В случае выполнения источника оптического излучения с единственным лазером максимальную выходную мощность такого источника выбирают не меньшей 500 Вт для обеспечения воздействия как на биологические, так и технические цели, и снабжают источник регулируемым аттенюатором лазерного пучка для исключения деструктивного поражения птиц. При этом управляющий вход указанного аттенюатора соединен с узлом 12.

Источник СВЧ-радиолуча обеспечивает излучение радиоволн дециметрового диапазона для отпугивающего воздействия на орнитологические цели, а также радиоэлектронное подавление МБПЛА, для чего данный источник предпочтительно выполнен с тремя модулями, характеризующихся отдельными директорными антеннами 24, 25, 26 блока 6 (фиг. 3) с соответствующими рабочими параметрами. Первый модуль с антенной 24 обеспечивает создание биофизических эффектов в теле птицы, второй модуль с антенной 25 служит для постановки электромагнитных помех связи МБПЛА с его оператором, а третий модуль с 26 обеспечивает постановку навигационных помех для МБПЛА. Сигнальные входы антенн 24, 25 и 26 соединены с выходами блока 5.

Указанное выполнение источников оптического лазерного излучения и СВЧ-радиолуча обеспечивает воздействие на цель в широких диапазонах частот электромагнитных волн и их интенсивностей, что позволяет работать как с орнитологическими целями, так и с целями вида МБПЛА, причем с возможностью качественного увеличения воздействия, например, сначала подавлять связь МБПЛА с оператором, затем лишать МБПЛА навигации, а при необходимости разрушать электронные компоненты МБПЛА или проводить более полное тепловое уничтожение.

Узел 9 содержит бортовую радиолокационную станцию (БРЛС) 27, лидар 28, направленный высокочувствительный микрофон 29, видеокамеру 30 с длиннофокусным объективом и устройство управления 31 (фиг. 4). Лидар 28, микрофон 29 и видеокамера 30 снабжены сервоприводами. Сигнальные выходы БРЛС 27, лидара 28, микрофона 29 и видеокамеры 30 соединены с соответствующими входами устройства управления 31, выход которого связан со входом узла 10. Вход устройства управления 31 связан с выходом узла 12. Наличие в составе узла 9 ряда разнотипных датчиков позволяет получать максимально полную информацию о цели, что повышает точность распознавания ее вида.

В состав конструкции узла 10 входят буферное запоминающее устройство 32 для параметров объекта, запоминающее устройство 33 для хранения пороговых величин, модуль распознавания образов 34, модуль адаптивного обучения на основе искусственного интеллекта 35, и устройство управления 36 с функцией вычислителя (фиг. 5). Вход запоминающего устройства 32 связан с выходом устройства управления 31 узла 9, а выход связан с устройством управления 36 через первый вход модуля 34. Выход устройства управления 36 связан со вторым входом модуля 34 через запоминающее устройство 33. Устройство управления 36 двунаправленно связано с модулем 35 через соответствующие входы-выходы. Также устройство управления 36 связано с узлом 12 прямыми и обратными связями.

Узел 11 состоит из сервопривода 37 блока 2, контроллера 38 сервопривода 37, сервопривода 39 блока 6, контроллера 40 сервопривода 39, устройства управления 41 и запоминающего устройства 42 (фиг. 6). Выходы устройства управления 41 связаны со входами сервоприводов 37, 39 соответственно через контроллеры 38, 40. Устройство управления 41 соединено с запоминающим устройством 42 с возможностью чтения и записи. Вход устройства управления 41 связан с выходом узла 12. Сервопривод 37 кинематически связан с блоком 2, а сервопривод 39 в свою очередь кинематически связан с блоком 6.

Узел 12 содержит логическое устройство, предпочтительно представляющее собой компактную ЭВМ в промышленном исполнении, для переключения частоты и мощности излучения электромагнитных волн в диапазоне между режимами отпугивания птицы и подавления МБПЛА, в зависимости от вида воздушной цели.

Все элементы установки являются сборочными единицами, неразъемно соединенными между собой сборочными операциями и находящимися в функционально-конструктивном единстве.

Помимо наземного размещения возможно воздушное базирование установки, в частности на роботизированном беспилотном летательном аппарате.

Устройство работает следующим образом.

В запоминающее устройство 33 и модуль 35 узла 10 заносят начальные образцовые данные орнитологических целей и МБПЛА через узлы 13, 12 и устройство управления 36 узла 10.

Стационарную установку размещают в зоне контроля и приводят в дежурный режим работы, мобильная установка на базе самоходного шасси при этом перемещается по заданному маршруту по территории охраняемого объекта следуя заложенному в узел 12 алгоритму или под действием команд, передаваемых оператором установки в узел 12 и контроллер 14 через узел 13.

Пеленгацию неизвестного воздушного объекта осуществляет автоматика узла 9 на основании информации от БРЛС 27 установки, проводящей сканирование охраняемого пространства в автономном режиме. При обнаружении объекта БРЛС 27 формирует запросный сигнал. Если верный ответ от транспондера объекта не получен, то данный объект принимается автоматикой в качестве цели и по его координатам устройство управления 31 наводит на объект лидар 28, микрофон 29 и видеокамеру 30 для сбора дополнительной информации и ее первичной обработки устройством управления 31, служащей для подтверждения наличия цели. Также возможно внешнее целеуказание, в процессе которого пространственные координаты воздушного объекта передают от оператора в узел 9 через узлы 13 и 12.

Затем электроника установки передает информацию о цели в узел 10 для автоматического распознавания вида цели. Сначала текущие данные, характеризующие цель, поступают в запоминающее устройство 32. Затем модуль 34 считывает данные из запоминающих устройств 32, 33, и производит сравнения визуальные, акустические и прочие полученные от узла 9 параметры цели с образцовыми пороговыми данными орнитологических целей и МБПЛА, на основе математических моделей классифицируя цель как орнитологическую, МБПЛА или иную. Результат распознавания поступает в устройство управления 36, который в процессе работы установки обменивается информацией с модулем 35 для самообучения узла 10, что позволяет повысить качество автоматического распознавания цели.

Если цель определена как орнитологическая или как несанкционированное МБПЛА, то логическое устройство узла 12 принимает решение об активном противодействии данной цели. Для этого узел 12 передает данные о пространственных координатах цели устройству управления 41 узла 11. Устройство управления 41 формирует сигналы для контроллеров 38, 40, посредством которых приводит в движение сервоприводы 37, 39, и наводит блоки 2, 6 на цель. Устройство управления 41 записывает исходную и обновляемую в процессе передвижения цели информацию о ее координатах в запоминающее устройство 42, и производит помимо автоматического наведения на цель также автоматическое удержание цели в течение неограниченного времени, на основании данных от узла 9, что повышает эффективность облучения цели.

После наведения на цель блоков 2, 6 узел 12 подает сигналы управления на контроллер 4 и/или контроллер 8, приводящие в действие блок 1 и/или блок 5, в которых электрическая энергия блоков 3, 7 преобразуется соответственно в открытое оптическое когерентное излучение, характеризующееся высокой направленностью и большой плотностью, и в узкий пучок радиоволн, направленные на цель. Если целью является орнитологический объект, то питание подают на лазер 16 для создания биофизических эффектов в теле птицы, и на лазер 17 для воздействия на зрительные рецепторы птицы, при этом посредством антенны 24 птицу также подвергают модулированному радиоизлучению, вызывающему воздействие на тепловые рецепторы птицы и проявление в ее биологических тканях эффекта радиозвука. В результате такого воздействия у птицы возникает ощущение дискомфорта, боли и страха, из-за чего она покидает контролируемую установкой зону. Для цели вида МБПЛА создают помехи связи и навигационные помехи при помощи соответственно антенн 25, 26. При необходимости увеличивают выходную мощность блока 5 настолько, чтобы разрушить электронные компоненты МБПЛА. Если радиочастотное воздействие на МБПЛА не дает желаемого результата, то МБПЛА уничтожают тепловым воздействием лазера 15.

Установка обеспечивает одновременное воздействие на цель лазерным излучением и СВЧ-радиолучом для получения максимального эффекта.

Благодаря наличию в составе конструкции установки узла 10 и выполнению узла 12 с возможностью задания частоты и мощности излучения электромагнитных волн в диапазоне между режимами отпугивания птицы и подавления МБПЛА в зависимости от вида воздушной цели, расширены функциональные возможности установки с обеспечением как эффективного отпугивания птиц, так и выведения из строя несанкционированных МБПЛА, вплоть до уничтожения МБПЛА, в результате чего достигается высокая надежность защиты воздушного пространства охраняемого объекта. На надежность защиты также положительно влияет высокая степень автоматизации основных узлов установки.

Автоматическая установка для активной защиты воздушного пространства от птиц и МБПЛА содержит однонаправленные источники оптического лазерного излучения и СВЧ-радиолуча, узлы автоматического обнаружения воздушной цели, распознавания вида цели, наведения на цель и ее удержания, связанные с центральным узлом автоматического управления, при этом узел обнаружения воздушной цели связан с центральным узлом управления через узел распознавания вида цели, причем центральный узел управления выполнен с возможностью задания частоты и мощности излучения электромагнитных волн в диапазоне между режимами отпугивания птицы и подавления МБПЛА в зависимости от вида воздушной цели. Обеспечивается повышение надежности защиты воздушного пространства охраняемого объекта. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Автоматическая установка для активной защиты воздушного пространства от птиц и МБПЛА, характеризующаяся тем, что содержит однонаправленные источники оптического лазерного излучения и СВЧ-радиолуча, узлы автоматического обнаружения воздушной цели, распознавания вида цели, наведения на цель и ее удержания, связанные с центральным узлом автоматического управления, при этом узел обнаружения воздушной цели связан с центральным узлом управления через узел распознавания вида цели, причем центральный узел управления выполнен с возможностью задания частоты и мощности излучения электромагнитных волн в диапазоне между режимами отпугивания птицы и подавления МБПЛА в зависимости от вида воздушной цели.

2. Установка по п. 1, характеризующаяся тем, что узел обнаружения воздушной цели включает в себя РЛС, выполненную с возможностью формирования запросного сигнала, лидар, видеокамеру с длиннофокусным объективом и направленный акустический микрофон, а узел распознавания вида цели включает в себя вычислитель с функцией искусственного интеллекта.

3. Установка по п. 1, характеризующаяся тем, что источник оптического излучения содержит первый модуль с выходной модулируемой мощностью 500 мВт для создания биофизических эффектов и второй модуль с выходной импульсной мощностью 1 кВт для теплового поражения техники.

4. Установка по п. 1, характеризующаяся тем, что максимальная выходная мощность источника оптического излучения составляет по меньшей мере 500 Вт, при этом данный источник снабжен регулируемым аттенюатором лазерного пучка, связанным с центральным узлом управления.

5. Установка по п. 1, характеризующаяся тем, что источник оптического излучения содержит четыре лазера, выполненных с возможностью генерирования электромагнитных колебаний с длиной волны в диапазоне Х=200-400 нм, соответствующих максимумам частотной зависимости цветовых зрительных рецепторов четырехкомпонентной системы зрения птиц.

6. Установка по п. 1, характеризующаяся тем, что источник СВЧ-радиолуча содержит первый модуль для создания биофизических эффектов и второй модуль для радиоэлектронного подавления МБПЛА, с отдельными директорными антеннами.

7. Установка по п. 5, характеризующаяся тем, что модуль для радиоэлектронного подавления МБПЛА содержит постановщик помех связи МБПЛА с оператором.

8. Установка по п. 5, характеризующаяся тем, что модуль для радиоэлектронного подавления МБПЛА содержит постановщик навигационных помех для МБПЛА.

9. Установка по п. 5, характеризующаяся тем, что выходная мощность модуля для радиоэлектронного подавления МБПЛА выбрана из условия обеспечения возможности разрушения электронных компонентов МБПЛА.

10. Установка по п. 1, характеризующаяся тем, что источник СВЧ-радиолуча снабжен модулятором, а диапазон рабочих частот и выходная мощность данного источника выбраны из условия обеспечения возможности одновременного воздействия на тепловые рецепторы птиц и проявления в их биологических тканях эффекта радиозвука.