Американские исследователи разработали недорогую систему обнаружения беспилотников, которая распознаёт их по слабым магнитным полям, возникающим при работе электродвигателей. Во время испытаний на открытом воздухе точность обнаружения достигла 98,5% на расстоянии до 15 метров. При этом устройство не излучает радиосигналов и, по оценке разработчиков, может быть создано всего за несколько сотен долларов.
Новая технология, предложенная специалистами Международного университета Флориды (Florida International University, FIU), представляет собой альтернативу традиционным средствам обнаружения беспилотных летательных аппаратов. Её главное преимущество — возможность выявлять приближающиеся объекты, не выдавая собственного присутствия.
Как работает система обнаружения дронов?
В основе разработки лежит физическое явление, от которого невозможно полностью избавиться: работающие электродвигатели создают магнитные поля. В частности, бесщёточные двигатели, широко используемые в небольших беспилотниках, формируют чрезвычайно низкочастотные электромагнитные колебания.
Эти сигналы слишком слабы, чтобы человек мог заметить их без специальных приборов, однако подходящая электроника способна регистрировать их и анализировать. Более того, разные модели беспилотников могут оставлять характерные магнитные «отпечатки», связанные с конструкцией двигателей и особенностями их работы.
Исследователи из FIU решили использовать эту особенность для обнаружения и распознавания небольших беспилотных летательных аппаратов.
Система включает специальную кольцевую антенну и малошумящий аналоговый усилительный тракт, который позволяет улавливать слабые сигналы на фоне электромагнитных помех. Затем полученные данные обрабатываются с помощью быстрого преобразования Фурье — математического метода, позволяющего представить сложный сигнал в виде составляющих разных частот.
На следующем этапе алгоритмы машинного обучения анализируют полученные спектральные картины. Для этого применяется свёрточная нейронная сеть на основе архитектуры VGG16, которая помогает определить, присутствует ли поблизости беспилотник и к какой модели он относится.
Таким образом, устройство не пытается увидеть летательный аппарат камерой или услышать шум его пропеллеров. Вместо этого оно анализирует невидимый магнитный след, возникающий при работе двигателей.
Какие результаты показали испытания?
В ходе полевых испытаний на открытом воздухе исследователи получили обнадёживающие результаты. Точность обнаружения беспилотников достигла 98,5% на дистанции до 15 метров.
При проверке способности различать конкретные ситуации система показала общую точность 83,5%. В этом испытании алгоритм должен был классифицировать четыре варианта: три разные модели дронов и отсутствие беспилотника.
Эти показатели характеризуют разные задачи. Первый результат отражает эффективность обнаружения в условиях испытаний, тогда как второй показывает, насколько успешно система различает несколько классов объектов и ситуацию, когда дрона нет.
При этом у разработки есть существенное ограничение: дальность обнаружения пока невелика. Пятнадцать метров — скромный показатель для системы, предназначенной для раннего выявления воздушных объектов. Поэтому говорить о готовой замене существующим средствам наблюдения пока преждевременно.
Тем не менее исследователи считают, что технологию можно усовершенствовать. Сейчас научная группа сотрудничает с американскими промышленными партнёрами, чтобы увеличить дальность обнаружения.
Почему пассивное обнаружение может оказаться полезным?
Главная особенность новой системы — пассивный принцип работы. В отличие от радара, который излучает радиоволны и анализирует отражённый сигнал, устройство FIU только принимает электромагнитные колебания, создаваемые двигателями беспилотников.
Это позволяет обнаруживать объекты, не создавая собственного радиосигнала, который мог бы выдать местоположение датчика. Такая особенность потенциально полезна в условиях, когда заметность оборудования имеет значение.
Другие распространённые способы обнаружения также имеют ограничения. Оптическим камерам необходима подходящая видимость и возможность наблюдать объект напрямую. Акустические датчики могут испытывать трудности из-за ветра, фонового шума и других посторонних звуков.
Магнитное обнаружение предлагает иной подход. Оно не зависит от освещённости и не требует, чтобы устройство издавало звуки или передавало радиосигналы. Однако это не означает полной невосприимчивости к помехам: реальные результаты будут зависеть от характеристик датчика, окружающей электромагнитной обстановки и условий эксплуатации.
Важна и стоимость. По словам руководителя проекта, доцента инженерно-компьютерного факультета FIU Арджуны Маданакая (Arjuna Madanayake), создание системы обходится в несколько сотен долларов. Кроме того, она рассчитана на непрерывную работу без необходимости постоянно привлекать специализированный персонал.
Где может применяться новая технология?
Одна из перспективных областей применения — наблюдение за объектами критической инфраструктуры. В будущем подобные датчики потенциально можно будет устанавливать на электростанциях, военных базах и других охраняемых территориях.
Важную роль может сыграть способность системы не только регистрировать присутствие беспилотника, но и определять его модель. Разные аппараты отличаются назначением, конструкцией и возможностями, поэтому такая информация помогает точнее оценивать характер потенциальной угрозы.
«Знание того, какой именно беспилотник приближается, имеет значение», — отмечает Маданакай. По его словам, разные модели могут нести разную полезную нагрузку и представлять неодинаковую опасность.
Однако до широкого практического применения ещё предстоит пройти путь от лабораторных и полевых испытаний к проверке в разнообразных реальных условиях. Особое значение будут иметь увеличение дальности обнаружения, устойчивость классификации и способность системы работать в сложной электромагнитной обстановке.
Разработка FIU показывает, что обнаруживать беспилотники можно не только с помощью радаров, камер и микрофонов. Электромагнитные особенности работы двигателей тоже способны стать источником полезной информации.
Пока система остаётся экспериментальной технологией с ограниченной дальностью действия. Но сочетание пассивного обнаружения, сравнительно низкой стоимости и возможности распознавать модели беспилотников делает её перспективным направлением исследований.
Если учёным удастся увеличить дистанцию обнаружения и подтвердить надёжность метода в более широком диапазоне условий, технология может стать дополнительным инструментом мониторинга воздушного пространства и защиты важных объектов.
