Тепловизор против БПЛА: как обнаруживают дроны ночью

На тепловизионных записях самолеты и беспилотники часто выглядят как яркие точки на темном небе. Но у небольшого квадрокоптера нет раскаленного реактивного двигателя, а его пластиковый корпус может отличаться по температуре от окружающего воздуха всего на несколько градусов. Иногда даже чувствительная инфракрасная камера с трудом выделяет такой объект.

При этом тепловизоры используют для наблюдения за воздушным пространством и обнаружения небольших БПЛА в полной темноте. Разница между отчетливо видимым дроном и едва различимой точкой зависит от нескольких вещей: сколько инфракрасного излучения доходит до камеры, насколько объект отличается от фона и сколько пикселей он занимает на изображении.

Как тепловизор обнаруживает дрон в темноте

Все предметы с температурой выше абсолютного нуля излучают электромагнитную энергию. У объектов с обычной земной температурой значительная ее часть приходится на инфракрасный диапазон. Человеческий глаз такое излучение не воспринимает, зато специальные датчики могут преобразовать его в изображение.

Поэтому тепловизор работает даже в полной темноте. Ему не нужны солнечный свет, уличные фонари или подсветка самого беспилотника.

Внутри тепловизионной камеры изображение формируется в несколько этапов:

1. Объектив собирает инфракрасное излучение от окружающих объектов.
2. Матрица преобразует поступившее излучение в электрические сигналы.
3. Электроника обрабатывает сигналы, компенсирует особенности датчика и формирует изображение.
4. Экран показывает различия в интенсивности излучения оттенками серого или условными цветами.

У тепловизора есть важная особенность: он воспринимает излучение поверхности объекта. Поэтому изображение зависит не только от температуры деталей, но и от материала корпуса, отраженного излучения и состояния атмосферы.

Для обнаружения небольшого дрона особенно важен тепловой контраст, то есть различие между излучением аппарата и окружающего фона. Если БПЛА хорошо выделяется на небе, система может заметить его как отдельную точку. Если контраст слабый, изображение становится гораздо менее отчетливым.

Какие части беспилотника видны в тепловизор

Тепловую сигнатуру БПЛА формируют работающие двигатели, электроника, аккумуляторы и сам корпус. При этом разные типы беспилотников излучают тепло по-разному.

У квадрокоптера с электрическими двигателями обычно нет настолько горячих деталей, как у самолета с двигателем внутреннего сгорания. Электромоторы выделяют тепло при работе, но сравнительно высокий КПД и обдув встречным воздухом ограничивают их нагрев.

В исследовании ночного обнаружения БПЛА, опубликованном в Transportation Research Procedia, ученые отдельно рассматривали эту проблему. Электрические беспилотники создают сравнительно слабую тепловую сигнатуру, а движение воздуха вокруг аппарата дополнительно влияет на температуру его деталей.

У беспилотника с поршневым двигателем источников интенсивного нагрева больше. Тепло выделяют сам двигатель и выхлопная система. У реактивных аппаратов добавляется горячая газовая струя. Однако видимость этих частей зависит от ракурса и конструкции самолета.

С аккумулятором ситуация сложнее. Во время работы он нагревается, но тепловизор наблюдает наружную поверхность, а не температуру элементов внутри батарейного блока. Корпус и воздушные промежутки между деталями меняют количество тепла, которое выходит наружу.

У винтов тоже нет постоянной яркой тепловой сигнатуры. Они вращаются, перемещают воздух и могут иметь температуру, близкую к температуре окружающей среды. Поэтому их форма далеко не всегда различима на тепловом изображении, особенно с большого расстояния.

На практике тепловизор может показывать:

• небольшой квадрокоптер как светлую или темную точку без различимых винтов;
• более крупный электрический БПЛА как силуэт с отдельными участками повышенного теплового излучения;
• аппарат с двигателем внутреннего сгорания с более выраженными теплыми участками в районе силовой установки;
• реактивный беспилотник с заметным излучением горячих частей двигателя и выхлопа.

Размер аппарата тоже влияет на результат. Даже при одинаковом тепловом контрасте крупный самолет обычно занимает больше пикселей, чем небольшой квадрокоптер на том же расстоянии.

Как матрица тепловизора влияет на обнаружение БПЛА

За изображение отвечает инфракрасная матрица. Она состоит из множества чувствительных элементов, каждый из которых воспринимает излучение с небольшого участка наблюдаемой сцены.

У распространенных тепловизионных модулей встречаются разрешения 320 × 256 и 640 × 512 пикселей. Это намного меньше, чем у многих обычных цифровых камер, поэтому небольшие удаленные объекты могут занимать на изображении всего несколько точек.

Основные характеристики тепловизора:

Один из самых важных параметров называется NETD, Noise Equivalent Temperature Difference. Его обычно выражают в милликельвинах (мК). Например, 40 мК соответствует разнице температур 0,04 °C.

Чем меньше NETD при сопоставимых условиях измерения, тем слабее различия теплового сигнала, которые способен передавать датчик. Но низкое значение NETD само по себе не гарантирует обнаружение маленького БПЛА: объектив, размер изображения и атмосферные помехи могут ограничивать результат.

Тепловизионные матрицы также различаются по конструкции. Основных вариантов два:

• Неохлаждаемые микроболометры. Работают без криогенного охлаждения. Они компактнее, дешевле и обычно используются в переносных тепловизорах и небольших камерах.
• Охлаждаемые инфракрасные матрицы. Датчик поддерживается при очень низкой температуре, что помогает уменьшать собственные шумы и повышать чувствительность. Такие системы сложнее, тяжелее и дороже.

Часто неохлаждаемые тепловизоры работают в длинноволновом инфракрасном диапазоне LWIR, примерно 8-14 мкм. Охлаждаемые камеры могут использовать средневолновый диапазон MWIR, около 3-5 мкм. Для каждого диапазона требуются подходящие материалы оптики и детекторов.

Эти различия подробно разбираются в материалах FLIR. Более высокая чувствительность обычно требует дополнительных затрат на охлаждение, питание, конструкцию и обслуживание камеры.

Почему тепловизор не всегда видит дрон ночью

Отсутствие солнечного света не мешает тепловизору работать, но сам факт ночного наблюдения еще не гарантирует хорошее изображение. Главная проблема связана с тем, как выглядит объект относительно окружающей среды.

Температура фона постоянно меняется. Открытое небо, низкие облака, здания, деревья и земля дают разную картину инфракрасного излучения. Поэтому один и тот же беспилотник может хорошо выделяться в одной части изображения и хуже различаться в другой.

Особенно важны три физических ограничения.

1. Слабый тепловой контраст. Если излучение корпуса мало отличается от излучения фона, тепловизору трудно выделить границы аппарата. На результат влияет и излучательная способность материала, то есть насколько эффективно его поверхность испускает собственное тепловое излучение.

2. Маленький размер изображения. С увеличением расстояния объект занимает все меньше пикселей. Сначала пропадают отдельные детали, затем силуэт превращается в несколько точек. В конце концов сигнал становится слишком слабым на фоне шумов матрицы и изображения.

3. Особенности окружающих поверхностей. Нагретые за день крыши, дороги и другие предметы могут создавать сложный тепловой фон. Некоторые материалы отражают инфракрасное излучение окружающих объектов, поэтому тепловизионная картинка не всегда совпадает с фактическим распределением температуры.

Цвет изображения тоже способен вводить в заблуждение. На одних тепловизорах более интенсивное излучение отображается белым, на других черным. Цветные палитры используют желтые, красные или синие оттенки. Цвет выбирает электроника камеры, поэтому ярко-красная точка сама по себе ничего не говорит о точной температуре двигателя.

При этом обнаружить объект и распознать его тип - разные задачи. Если на экране появилась движущаяся точка, это еще не означает, что перед камерой беспилотник. Для распознавания нужны дополнительные признаки, например форма корпуса или особенности движения.

В техническом разборе FLIR за 2026 год описаны проблемы обработки таких маленьких изображений. Когда БПЛА занимает всего несколько пикселей, система почти не получает сведений о его форме, а случайные изменения яркости начинают мешать автоматическому распознаванию.

Как погода влияет на дальность тепловизионного обнаружения

Инфракрасное излучение проходит через атмосферу, но часть энергии поглощается и рассеивается по пути. Поэтому дальность наблюдения зависит не только от объектива и матрицы, но и от состояния воздуха между камерой и объектом.

Самые заметные погодные ограничения:

• Туман. Капли воды рассеивают и поглощают часть инфракрасного излучения. В плотном тумане дальность наблюдения может сильно уменьшаться.
• Дождь и снег. Осадки ослабляют сигнал и ухудшают контраст изображения.
• Высокая влажность. Водяной пар поглощает инфракрасное излучение в определенных спектральных диапазонах.
• Атмосферная турбулентность. Неоднородности воздуха могут размывать изображение и вызывать колебания положения мелких деталей.
• Низкая облачность. Облака меняют тепловой фон неба и могут закрывать находящийся за ними объект.

Тепловизор иногда показывает объекты сквозь легкий туман лучше обычной камеры, но плотные осадки способны резко сократить рабочую дальность. В исследовании FLIR отдельно рассматривается, как атмосферные условия влияют на MWIR- и LWIR-камеры. Результат зависит от спектрального диапазона, типа осадков и свойств объекта.

Поэтому для тепловизионных систем обнаружения БПЛА трудно назвать единую дальность в метрах или километрах. Даже у одной камеры результат меняется в зависимости от размеров беспилотника, его теплового контраста, окружающего фона и погоды.

Почему тепловизоры путают дроны с птицами и другими объектами

Оператор может заметить на экране движущуюся точку, но определить по ней тип объекта намного сложнее. Птицы тоже излучают тепло, а на большом расстоянии их силуэты становятся почти неразличимыми.

Похожая проблема возникает у автоматических систем распознавания. Нейросети ищут на изображении сочетания признаков, которые встречались в обучающих данных. Когда объект занимает всего несколько пикселей, полезной информации становится слишком мало.

Ошибки возникают по нескольким причинам:

• Птицы. Небольшая теплая фигура в движении иногда похожа на изображение удаленного дрона.
• Самолеты и вертолеты. На большой дистанции их отдельные тепловые признаки могут выглядеть как маленькая яркая точка.
• Отраженное излучение. Некоторые поверхности создают на тепловизионном изображении ложные яркие участки.
• Фоновые помехи. Движение облаков, колебания растительности, атмосферная рябь и шумы матрицы мешают отслеживать маленькие объекты.
• Размытие изображения. Вибрация камеры и движение наблюдаемого объекта уменьшают количество различимых деталей.

В современных системах программное обеспечение анализирует не только отдельный кадр, но и движение объекта в последовательности изображений. Это помогает отделять устойчивые перемещающиеся объекты от случайных изменений яркости.

Однако у таких алгоритмов остается компромисс. Если система слишком чувствительна, она чаще реагирует на помехи. Если слишком строга к слабым сигналам, некоторые настоящие объекты остаются без отметки.

Исследования автоматического обнаружения малых инфракрасных целей показывают, что слабый контраст и сложный фон одновременно увеличивают количество ложных тревог и пропущенных объектов.

Поэтому тепловизионные камеры нередко используют вместе с обычной оптикой, радиолокацией или другими датчиками. Тепловизор дает изображение в темноте, а дополнительная информация помогает определить, что именно находится в воздухе.