RU2559332C1 - Method of detecting small unmanned aerial vehicles - Google Patents

Abstract

FIELD: physics, navigation.

SUBSTANCE: invention relates to detection and identification of small unmanned aerial vehicles (SUAV). The disclosed method employs three or more images and signals at three or more spaced-apart points on gyro-stabilised platforms connected to each other by operating bases. The operating bases automatically determine the distance between each other and their spatial coordinates, which enables positioning at any convenient places on both a mobile and fixed object. Each base has three sensors operating in an optical (all-round looking camera), acoustic and in three or more adjustable radar electromagnetic wave ranges. Control of the operation of the three channels and processing of the obtained information and signals is carried out by a computer with artificial intelligence elements, which selects the most efficient channel for more accurate detection and determination of spatial coordinates of the SUAV in different surveillance conditions, which enables to construct a 3D image of the SUAV and compare with known images for identification thereof and determining means of counteracting the SUAV.

EFFECT: developing a method of detecting a SUAV in different surveillance conditions using sensors operating in the optical, audio and radar electromagnetic wave ranges.

4 dwg

Description

Изобретение относится к области обнаружения и распознавания малогабаритных беспилотных летательных аппаратов (МБЛА) и может быть использовано в военной технике.The invention relates to the field of detection and recognition of small unmanned aerial vehicles (MBA) and can be used in military equipment.

Известны различные методы и технические решения для обнаружения летательных аппаратов с использованием способа кругового обзора матричным фотоприемным устройством и устройство для его осуществления (патент РФ №2445644), оптическим локатором кругового обзора (патент РФ №2352957) [1, 2]. Недостатками являются сложность конструкции, большие размеры, большая мощность двигателя для вращения камеры (кругового обзора) и соответственно ошибки в снятии результата.There are various methods and technical solutions for detecting aircraft using the circular viewing method with a matrix photodetector and a device for its implementation (RF patent No. 2445644), optical radar circular viewing (RF patent No. 2352957) [1, 2]. The disadvantages are the complexity of the design, large size, high engine power for rotating the camera (all-round visibility) and, accordingly, errors in taking the result.

Способ визуально-оптического контроля лазерного сканирования атмосферы (патент РФ №2489732). Недостатками являются активный метод обнаружения и минимальные турбулентные потоки из-за малых размеров и использования электродвигателей МБЛА [3].The method of visual-optical control of laser scanning of the atmosphere (RF patent No. 2489732). The disadvantages are the active detection method and minimal turbulent flows due to the small size and use of electric motors MBLA [3].

Способ обнаружения объектов (патент РФ №2331084, прототип), заключающийся в селекции объекта на удаленном фоне, заключающийся в приеме и формировании двух изображений в двух пространственно разнесенных точках, а также одновременной регистрации сформированных цифровых изображений, отличающийся тем, что опорное и сравниваемое цифровые изображения регистрируют одномоментно для каждого фрагмента (пикселя) изображений двумя идентичными видеосистемами на основе многоэлементных высокоскоростных фотоприемников, например CMOS-матриц с объективами, которые предварительно фиксируют на небольшом по сравнению с удалением от предполагаемого места появления объекта расстоянии между собой параллельно друг другу в направлении на контролируемое пространство, а анализ изображений проводят при помощи определения величин смещения Δ характерных фрагментов сравниваемого изображения с аналогичными фрагментами опорного при максимально возможном их совпадении в направлении параллактического смещения и последующего выявления селектируемого и фоновых объектов из полученных смещений Δ и т.д. [4].The method of detecting objects (RF patent No. 2331084, prototype), which consists in selecting an object on a remote background, which consists in receiving and forming two images at two spatially separated points, as well as simultaneously registering the generated digital images, characterized in that the reference and compared digital images register simultaneously for each fragment (pixel) of images with two identical video systems based on multi-element high-speed photodetectors, for example CMOS-matrices with a lens which are preliminarily fixed at a small distance compared to the intended location of the object’s appearance parallel to each other in the direction of the controlled space, and image analysis is carried out by determining the displacement Δ of characteristic fragments of the compared image with similar reference fragments at the maximum possible coincidence in the direction of the parallactic displacement and the subsequent identification of the selected and background objects from the obtained displacements Δ etc. [four].

Известный способ имеет следующие недостатки: ограниченные функциональные возможности, связанные с невозможностью обнаружения МБЛА на 360° по горизонтали и на 180° по вертикали; ограниченную применимость видимым диапазоном работы видеокамер; невозможность использования в движении и создания достоверного трехмерного объемного изображения МБЛА и определения его дальнейшего направления движения.The known method has the following disadvantages: limited functionality associated with the inability to detect MBLA 360 ° horizontally and 180 ° vertically; limited applicability of the visible range of video cameras; the inability to use in motion and create a reliable three-dimensional three-dimensional image of the MBLA and determine its further direction of movement.

Задачей, стоящей перед настоящим изобретением, является повышение возможности обнаружения МБЛА на 360° по горизонтали и на 180° по вертикали, параллельной работе в оптическом, звуковом и радиолокационном диапазоне электромагнитных волн, возможности размещения на подвижных объектах и создания достоверного трехмерного объемного изображения МБЛА и определения его дальнейшего направления движения.The challenge facing the present invention is to increase the ability to detect MBLA 360 ° horizontally and 180 ° vertically, parallel operation in the optical, sound and radar range of electromagnetic waves, the ability to place on moving objects and create a reliable three-dimensional volumetric image MBLA and determine his further direction of movement.

Поставленная задача решается следующим образом.The problem is solved as follows.

В методе обнаружения МБЛА, заключающемся в приеме и формировании трех и более изображений и сигналов в трех и более пространственно разнесенных точках на гиростабилизирующих платформах 1, связанных между собой рабочими базами 2, автоматически определяющими расстояния между собой и свои пространственные координаты, что позволяет разместить в любых удобных местах как на подвижном объекте, так и стационарном (фиг. 1). На каждой базе размещено по три датчика: датчик 3 (камера кругового обзора), работающий в оптическом диапазоне, датчик 4, работающий в акустическом диапазоне, и датчик 5, работающий в трех и более настраиваемых радиолокационных диапазонах электромагнитных волн. Управление работой и обработкой полученной информации осуществляется ЭВМ 6 с элементами искусственного интеллекта, который сам выбирает наиболее эффективные датчики для более точного обнаружения и определения пространственных координат МБЛА в различных условиях. Одновременная регистрация кадров видеопоследовательности и определения геометрических и цветовых изменений сформированных изображений [5], согласно изобретению контрольное (наиболее ярко-выраженное) и сравниваемое цифровые изображения регистрируют одновременно для каждого фрагмента изображений тремя и более идентичными видеосистемами (датчиками) 3 на основе многоэлементных высокоскоростных фотоприемников 7 (фиг. 2). Анализ изображений проводится на ЭВМ 6 и определяются величины смещения P₁, Р₂, Р₃ (фиг. 3) характерных фрагментов 8 (фиг. 4) сравниваемого изображения с аналогичными фрагментами контрольного при максимально возможном их совпадении в направлении параллактического смещения 9. Сущность измерения расстояния до МБЛА заключается в суммарном определении линейного параллакса, которое рассчитывается между двумя датчиками 1-2 (2-3, 1-3 или 1-i), одновременно по трем и более базам (фиг. 2) по формуле Д=Б/tgY (стереоскопический базовый метод измерения дальности).In the MBLA detection method, which consists in receiving and generating three or more images and signals at three or more spatially separated points on gyro-stabilizing platforms 1, interconnected by working bases 2, automatically determining distances between themselves and their spatial coordinates, which allows you to place them in any convenient places both on a moving object and stationary (Fig. 1). At each base there are three sensors: sensor 3 (all-round camera), operating in the optical range, sensor 4, operating in the acoustic range, and sensor 5, operating in three or more tunable radar ranges of electromagnetic waves. The operation and processing of the obtained information is controlled by a computer 6 with elements of artificial intelligence, which itself selects the most effective sensors for more accurate detection and determination of the spatial coordinates of MBLA in various conditions. Simultaneous registration of frames of a video sequence and determination of geometric and color changes of the generated images [5], according to the invention, the control (most pronounced) and compared digital images are recorded simultaneously for each image fragment by three or more identical video systems (sensors) 3 based on multi-element high-speed photodetectors 7 (Fig. 2). Image analysis is carried out on a computer 6 and the displacement values P ₁ , P ₂ , P ₃ (Fig. 3) of characteristic fragments 8 (Fig. 4) of the compared image with similar fragments of the control are determined at their maximum possible coincidence in the direction of parallactic displacement 9. The essence of the measurement the distance to MBLA consists in the total definition of linear parallax, which is calculated between two sensors 1-2 (2-3, 1-3 or 1-i), simultaneously for three or more bases (Fig. 2) according to the formula D = B / tgY (stereoscopic basic range measurement method )

Дальность Д₁ до точки 1 МБЛА определяется по величине параллактического угла Y¹ и по величине базы между датчиками Б^1-2, определяемой суммой $$Y_1=Y_1^1+Y_2^1=P_1/f+P_2/f$$

(фиг. 2). Соответственно также определяются расстояния до других точек МБЛА (Д₂, Д₃, Д₄), что позволяет с помощью ЭВМ 6 построить объемное 3D изображение и сравнить с известными МБЛА с целью их распознавания. Определяя координаты датчиков 3 и углы направления $$Y_1^1$$

, $$Y_2^1$$

, ЭВМ 6 рассчитывает пространственные координаты МБЛА в оптическом диапазоне электромагнитных волн. Определяя постоянно пространственные координаты, ЭВМ 6 определяет скорость и направление движения, что позволяет производить сопровождение МБЛА.The range D ₁ to point 1 MBLA is determined by the magnitude of the parallactic angle Y ¹ and by the value of the base between the sensors B ^1-2 , determined by the sum $$Y_{\mathrm{one}}=Y_{\mathrm{one}}^{\mathrm{one}}+{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="Y"\; filenames="00000005.png,00000006.png"\; state="\{\{state\}\}">Y</figure-callout>}}_2^{\mathrm{one}}=P_{\mathrm{one}}/f+{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="P"\; filenames="00000005.png,00000006.png"\; state="\{\{state\}\}">P</figure-callout>}}_2/f$$

(Fig. 2). Correspondingly, the distances to other points of the MBLA (D ₂ , D ₃ , D ₄ ) are also determined, which allows using computer 6 to build a 3D volumetric image and compare it with the known MBLA for the purpose of recognizing them. Determining the coordinates of the sensors 3 and the angles of direction $$Y_{\mathrm{one}}^{\mathrm{one}}$$

, $${\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="Y"\; filenames="00000005.png,00000006.png"\; state="\{\{state\}\}">Y</figure-callout>}}_2^{\mathrm{one}}$$

, Computer 6 calculates the spatial coordinates of the MBLA in the optical range of electromagnetic waves. Determining constantly spatial coordinates, the computer 6 determines the speed and direction of movement, which allows for the maintenance of MBLA.

Для наиболее достоверного обнаружения МБЛА в условиях плохой видимости, когда оптический канал по выбору ЭВМ 6 не эффективно использовать (густой туман, полная темнота и т.д.), в процессе обнаружения используется звуковой и радиолокационный каналы. Датчики 4 и 5 размещены совместно на гиростабилизирующих платформах 1 и параллельно фиксируют появления объекта, и также с помощью ЭВМ 6 определяют пространственные координаты МБЛА в звуковом и радиолокационном диапазонах электромагнитных волн.For the most reliable detection of MBLA in conditions of poor visibility, when the optical channel of your choice of computer 6 is not efficiently used (dense fog, total darkness, etc.), the sound and radar channels are used in the detection process. Sensors 4 and 5 are placed together on gyro-stabilizing platforms 1 and simultaneously record the appearance of the object, and also using computer 6 determine the spatial coordinates of the MBLA in the sound and radar ranges of electromagnetic waves.

Источники информацииInformation sources

1. Броун Ф.М., Волков Р.И., Филатов М.И., Хазов A.M. Способ кругового обзора матричным фотоприемным устройством и устройство для его осуществления. - Патент на изобретение №2445644, 20.03.2012 г.1. Browne F.M., Volkov R.I., Filatov M.I., Khazov A.M. The method of circular review matrix photodetector device and a device for its implementation. - Patent for invention No. 2445644, 03.20.2012

2. Архипов В.Г., Чжан Ю.В. Оптический локатор кругового обзора. - Патент на изобретение №2352957, 20.04.2009 г.2. Arkhipov V.G., Zhang Yu.V. Optical radar locator. - Patent for invention No. 2352957, 04/20/2009

3. Попсуй С.П., Таурин В.Э., Швецов И.В., Швецова С.А. Способ визуально-оптического контроля лазерного сканирования атмосферы. - Патент на изобретение №2489732, 10.08.2013 г.3. Popsuy S.P., Taurin V.E., Shvetsov I.V., Shvetsova S.A. The method of visual-optical control of laser scanning of the atmosphere. - Patent for invention No. 2489732, 08/10/2013,

4. Подгорнов В.А. Способ обнаружения объектов. - Патент на изобретение №2331084, 10.08.2008 г.4. Podgornov V.A. A way to detect objects. - Patent for invention No. 2331084, 08/10/2008.

5. Шишков С.В. Программа определения геометрических изменений на кадрах видеопоследовательности для обнаружения ДПЛА. / Музаи К., Устинов Е.М., Пархоменко А.В., Чернов Е.М., Щербаков А.С. /. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013611694, 31.01.13.5. Shishkov S.V. A program for determining geometric changes in frames of a video sequence for detecting UAVs. / Muzai K., Ustinov E.M., Parkhomenko A.V., Chernov E.M., Scherbakov A.S. /. Certificate of state registration of computer programs No. 2013311694, 01/31/13.

Claims (1)

Метод обнаружения малогабаритных беспилотных летательных аппаратов (МБЛА), заключающийся в селекции объекта на удаленном фоне, в приеме и формировании изображений в пространственно разнесенных точках, а также одновременной регистрации сформированных цифровых изображений высокоскоростными фотоприемниками, анализ изображений проводят при помощи определения величин смещения характерных фрагментов сравниваемого изображения с аналогичными фрагментами опорного, отличающийся тем, что в приеме и формировании используются три и более изображений и сигналов в трех и более пространственно разнесенных точках на гиростабилизирующих платформах, связанных между собой рабочими базами, автоматически определяющими расстояния между собой и свои пространственные координаты, что позволяет разместить в любых удобных местах как на подвижном, так и стационарном объекте, на каждой базе размещено по три датчика, работающих в оптическом (камеры кругового обзора), акустическом и в трех и более настраиваемых радиолокационных диапазонах электромагнитных волн, управление работой трех каналов и обработкой полученной информации и сигналов осуществляет ЭВМ с элементами искусственного интеллекта, которая сама выбирает наиболее эффективные каналы для более точного обнаружения и определения пространственных координат МБЛА в различных условиях ведения наблюдения, что позволяет построить объемное 3D изображение МБЛА и сравнить с известными для их распознавания и определения средств борьбы с МБЛА. A method for detecting small-sized unmanned aerial vehicles (MBA), which consists in selecting an object against a remote background, in receiving and forming images at spatially separated points, as well as simultaneously recording generated digital images with high-speed photodetectors, image analysis is carried out by determining the offset values of the characteristic fragments of the compared image with similar fragments of the reference, characterized in that in the reception and formation are used three or more of of dashes and signals at three or more spatially separated points on gyro-stabilizing platforms, interconnected by working bases, automatically determining distances between themselves and their spatial coordinates, which allows you to place them in any convenient places on a moving or stationary object, each base is located three sensors each, operating in the optical (all-round cameras), acoustic, and in three or more tunable radar ranges of electromagnetic waves, control of the operation of three All data processing and the processing of information and signals are carried out by a computer with elements of artificial intelligence, which itself selects the most effective channels for more accurate detection and determination of spatial coordinates of MBLA under various observation conditions, which allows one to construct a 3D volumetric image of MBLA and compare it with the known ones for recognizing and definitions of means to combat MBLA.

Images