1. Введение

С расширением масштабов применения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в таких областях, как промышленный мониторинг, аэрофотосъемка, разведка в целях обеспечения безопасности, аварийно-спасательные операции и низковысотная логистика, требования к точности, оперативности и устойчивости к помехам систем восприятия окружающей среды БПЛА постоянно растут. По сравнению с традиционными методами сенсорного сбора данных, такими как радиолокация и инерциальная навигация, оптическое восприятие обладает такими преимуществами, как высокое разрешение, наглядность изображения, пассивное обнаружение, устойчивость к электромагнитным помехам и контролируемая стоимость, что делает его основным средством восприятия окружающей среды при интеллектуальных операциях БПЛА.

Оптико-электронные системы беспилотных летательных аппаратов в целом следуют принципам проектирования «легкий вес, компактные размеры, низкое энергопотребление (SWaP)», и все установленные оптические элементы должны быть адаптированы к особым условиям эксплуатации, таким как высокоскоростной полёт, постоянные изменения положения, перепады температур и сложные внешние помехи. В отличие от традиционного наземного оптического оборудования, оптические элементы для БПЛА должны не только обеспечивать точность изображения, спектральную стабильность и возможности зума, но и соответствовать требованиям к механической прочности и адаптации к окружающей среде, включая устойчивость к вибрациям, ветру и песку, солевому туману, а также способность работать в широком диапазоне температур. Характеристики различных оптических линз, фильтрующих элементов, зум-узлов, оптических окон и оптических устройств связи напрямую определяют дальность обнаружения, качество изображения, точность работы и способность к адаптации к окружающей среде оптоэлектронной нагрузки БПЛА и являются одним из основных препятствий на пути к повышению уровня и интеллектуализации БПЛА.

2. Классификация и технические характеристики основных оптических элементов беспилотных летательных аппаратов

Оптико-электронные системы беспилотных летательных аппаратов в основном подразделяются на четыре технологические ветви: визуальное изображение, инфракрасная тепловизионная съемка, мультиспектральное зондирование и оптическая связь. Сопутствующие оптические элементы можно разделить на четыре категории: оптические элементы для формирования изображения, элементы спектрального регулирования, защитные оптические элементы и оптические элементы для оптической связи. Каждый тип элементов выполняет свою функцию и работает в согласованности с другими, формируя многомерную систему оптического зондирования беспилотных летательных аппаратов.

2.1 Основные оптические элементы системы формирования изображения
Оптические элементы системы формирования изображения являются ядром визуальной системы беспилотного летательного аппарата. К ним относятся, в основном, объективы с фиксированным фокусным расстоянием и зум-объективы, асферические линзы, зеркальные оптические системы, линзы из флюорита со сверхнизкой дисперсией и т. д. Их основная роль заключается в фокусировке светового пучка, коррекции оптического пути и подавлении дисторсии, что обеспечивает четкое изображение и обнаружение на больших расстояниях.
В зум-объективах для дронов широко применяется прецизионная интегрированная оптико-механическая конструкция, сочетающая большой диапазон зума с минимальным весом. Основные промышленные дроны оснащены широкоугольными зум-объективами с фокусным расстоянием 10–240 мм, что позволяет плавно переключаться между съемкой мелких деталей на близком расстоянии и панорамной разведкой на большом расстоянии. Кроме того, в них интегрирована технология проникновения сквозь туман, повышающая четкость изображения в условиях смога и песчаной пыли. Для решения проблем с «призрачными образами» и хроматической аберрацией, характерных для съемки с большим фокусным расстоянием, в объективах для высококлассных дронов, предназначенных для инспекционных полетов и киносъемки, используются оптические элементы из флюорита, которые благодаря сверхнизкому показателю преломления эффективно устраняют вторичные спектральные искажения, значительно повышая чистоту и разрешение изображения на большом расстоянии.

2.2 Оптические элементы спектрального регулирования
Элементы спектрального регулирования, в основе которых лежат оптические фильтры, включают нейтральные фильтры (ND-фильтры), поляризационные фильтры (CPL-фильтры), инфракрасные отсекающие фильтры (IR-cut) и т. д. Они являются ключевыми вспомогательными компонентами, обеспечивающими стабильность изображения, получаемого с дронов, и повышающими качество съемки в сложных условиях, и широко применяются в аэрофотосъемке, наружном обследовании и морском мониторинге.
Основная функция ND-фильтров заключается в равномерном ослаблении яркости падающего видимого света без изменения цветового баланса изображения. Они решают проблему переэкспонирования при аэрофотосъемке и картографировании с помощью дронов в условиях яркого освещения, обеспечивая постоянную выдержку в течение всего дня, и являются ключевым элементом в аэрофотосъемке, гарантирующим стабильность экспозиции изображений и повышающим точность трехмерного моделирования. IR-cut-фильтр точно отфильтровывает инфракрасное паразитное излучение, подавляя влияние инфракрасного диапазона естественного света на съемку в видимом диапазоне, что эффективно повышает точность цветопередачи при дневной съемке и позволяет избежать проблем с цветовым смещением и размытостью изображения.

2.3 Защитные оптические элементы
Беспилотные летательные аппараты длительное время находятся в сложных условиях эксплуатации на открытом воздухе, где воздействие ветра и песка, коррозия от солевого тумана, загрязнения от дождя, а также перепады температур могут легко привести к износу, загрязнению и запотеванию оптических линз, что напрямую снижает качество изображения и даже приводит к выходу оборудования из строя. Защитные оптические элементы в основном включают защитные оптические окна и функциональные покрытия, основная роль которых заключается в обеспечении долгосрочной стабильной работы оптоэлектронной системы.
В отрасли в качестве основного защитного решения используются оптические окна на сапфировой подложке с алмазоподобным (DLC) покрытием. Подложка отличается высокой твёрдостью и ударопрочностью, а толщина покрытия DLC составляет 2 мкм, а его твёрдость достигает 50 ГПа. Продолжительность испытаний на солевой туман превышает 2000 часов, что позволяет эффективно противостоять коррозионному воздействию в морской среде, на территории химических заводов и в других агрессивных условиях, а также выдерживать удары частиц песка и ветра на низкой высоте. Кроме того, сверхгидрофобная оптическая поверхность, полученная с помощью фемтосекундной лазерной обработки, обеспечивает автоматическое стекание дождевой воды и масляных загрязнений, предотвращая появление пятен, которые могут повлиять на качество изображения, и значительно снижая затраты на техническое обслуживание беспилотных летательных аппаратов при работе на открытом воздухе. В то же время адаптивное оптическое покрытие с широким диапазоном рабочих температур гарантирует стабильные оптические характеристики компонентов в условиях перепада температур от -40 °C до +70 °C, что соответствует требованиям к работе в любых условиях и в любое время суток.

2.4 Оптические элементы для оптической связи
С ростом спроса на работу кластеров беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) все более остро стоят проблемы традиционной радиосвязи, такие как уязвимость к электромагнитным помехам, ограниченная пропускная способность и низкий уровень секретности. В связи с этим постепенно внедряются оптические элементы для оптической связи, основанные на оптических антеннах и интеллектуальных оптических отражающих поверхностях (OIRS). Такие элементы обладают такими преимуществами, как компактность, малый вес, устойчивость к электромагнитным помехам, широкая полоса пропускания и высокий уровень секретности, что делает их подходящими для сценариев динамической сетевой связи БПЛА.

3. Техническое применение оптических элементов в ключевых сценариях использования дронов

3.1 Аэрофотосъемка и трехмерное моделирование

Аэрофотосъемка предъявляет чрезвычайно высокие требования к цветопередаче, стабильности экспозиции и четкости изображения, что делает её одной из наиболее зрелых областей применения оптических элементов. В этом сценарии ключевую роль играет совместное действие ND-фильтров, IR-cut-фильтров и зум-объективов с низким уровнем дисторсии, что обеспечивает стандартизацию и высокую точность данных аэрофотосъемки. ND-фильтры позволяют избежать переэкспонирования при ярком освещении и унифицировать параметры экспозиции при работе в любое время суток; IR-cut-фильтры обеспечивают достоверную цветопередачу; асферические объективы с низким уровнем дисторсии корректируют краевые искажения при широкоугольной съемке, предоставляя точные изображения для трехмерного моделирования, топографической съемки и геодезических измерений, что эффективно повышает точность и полноту уплотнения данных аэрофотосъемки и реконструкции моделей.

3.2 Интеллектуальный обход промышленного оборудования

В таких промышленных сценариях, как обход электросетей, проверка фотоэлектрических установок, эксплуатация и техническое обслуживание ветровых электростанций, а также обход химического оборудования, благодаря мультимодальной интеграции зум-оптических систем видимого света и инфракрасных оптических элементов обеспечивается круглосуточное обнаружение дефектов. Зеркальные зум-объективы с большим увеличением в видимом спектре позволяют с большого расстояния фиксировать явные дефекты оборудования, такие как трещины, ослабленные винты и повреждения проводки; инфракрасные оптические объективы, основанные на средневолновых ИК-оптических элементах, точно регистрируют распределение температурного поля оборудования и выявляют скрытые неисправности, такие как перегрев проводки, неплотные соединения оборудования и утечки в трубопроводах.

3.3 Охрана, разведка и аварийно-спасательные операции

Дроны для охраны и аварийно-спасательных операций предъявляют высокие требования к дальности обнаружения, всепогодной работоспособности и скрытности; в их основе лежат облегчённые инфракрасные оптические узлы с зумом и оптические элементы, проникающие сквозь туман. Оптические объективы, проникающие сквозь туман, благодаря специальной конструкции светового пути и спектральной фильтрации ослабляют рассеивающие помехи, создаваемые смогом и песчаной пылью, и повышают способность обнаружения в условиях низкой видимости; инфракрасные оптические объективы с большим фокусным расстоянием позволяют осуществлять скрытое разведывательное наблюдение на больших расстояниях, что подходит для патрулирования границ и обеспечения безопасности в городах.

3.4 Создание сетей оптической связи в кластерах беспилотных летательных аппаратов

В сценариях формирования строевых порядков и совместной работы кластеров беспилотных летательных аппаратов оптические компоненты связи позволяют преодолеть технические ограничения радиосвязи. Ультрафиолетовые оптические антенны, интеллектуальные оптические отражающие поверхности и другие компоненты создают сеть оптической связи, не подверженную электромагнитным помехам, что обеспечивает динамическое высокоскоростное объединение нескольких беспилотных летательных аппаратов в сеть, передачу данных в режиме реального времени и точное взаимодействие команд.

4 Технические проблемы и тенденции развития отрасли

4.1 Основные технические проблемы на данном этапе

На данном этапе в применении оптических элементов для беспилотных летательных аппаратов по-прежнему существует множество недостатков: во-первых, остро стоит противоречие между необходимостью облегчения конструкции и обеспечением высокой производительности — оптические объективы с большим увеличением и высоким разрешением имеют значительные размеры и вес, что затрудняет их установку на миниатюрные беспилотные летательные аппараты, в то время как у миниатюрных объективов широко распространены такие проблемы, как дисторсия при зумировании и недостаточная точность изображения на больших расстояниях; во-вторых, низкая степень мультимодальной интеграции: оптические системы видимого, инфракрасного и мультиспектрального диапазонов располагаются отдельно, а степень интеграции компонентов низкая, что приводит к громоздкости фотоэлектронных контейнеров и высокому энергопотреблению.

4.2 Тенденции развития технологий в будущем

Во-первых, интеграция и миниатюризация. Опираясь на конструкцию с отражательной оптической схемой, композитные оптические материалы и технологии интеграции оптики и механики, необходимо обеспечить высокую степень интеграции мультиспектральных, видимых и инфракрасных оптических элементов, что позволит ещё больше уменьшить размеры и вес оптической системы и адаптировать её к миниатюрным беспилотным летательным аппаратам и портативному рабочему оборудованию. Во-вторых, мультимодальная интеллектуальная интеграция. Благодаря оптимизации оптического пути и адаптации алгоритмов будет обеспечен синхронный сбор данных мультиспектральной, инфракрасной и видимой визуализации из одного источника; в сочетании с алгоритмами искусственного интеллекта это позволит реализовать интеллектуальное шумоподавление, распознавание дефектов и динамическое отслеживание в оптической визуализации. В-третьих, повышение адаптивности к различным условиям эксплуатации. Постоянное совершенствование новых технологий нанесения композитных покрытий с супергидрофобными, износостойкими и термостойкими свойствами повысит стабильность и срок службы оптических элементов в экстремальных условиях эксплуатации, что обеспечит возможность работы в любых условиях и в любое время суток. В-четвертых, недорогая локализация производства. Прорыв в ключевых технологиях изготовления высококачественных инфракрасных оптических материалов, линз со сверхнизкой дисперсией и прецизионных элементов спектрального регулирования позволяет снизить стоимость оптоэлектронных систем для высокотехнологичных дронов. В-пятых, широкое распространение интеллектуальной оптической связи. Постоянная оптимизация компонентов оптической связи, таких как оптические антенны и интеллектуальные отражающие поверхности, способствует масштабному внедрению сетей оптической связи для кластеров дронов и обеспечивает интеграцию средств связи, сенсорного восприятия и позиционирования.

Оптические компоненты являются основным аппаратным обеспечением систем оптоэлектронного зондирования и передачи информации беспилотных летательных аппаратов; их характеристики напрямую определяют точность работы БПЛА, их способность адаптироваться к окружающей среде и уровень интеллектуализации. От базовых технологий визуализации в видимом спектре и спектральной модуляции до высокотехнологичных систем инфракрасного обнаружения и оптической сетевой связи — постоянное совершенствование различных оптических компонентов продолжает расширять границы применения беспилотных летательных аппаратов, способствуя их эволюции от простых инструментов визуализации к многофункциональным, высокоточным и интеллектуальным платформам для выполнения работ в воздухе. В будущем, по мере постоянных прорывов в области оптических материалов, проектирования прецизионных оптико-механических систем и технологий мультимодальной интеграции, облегчённые, интегрированные, высоконадёжные и произведённые в Китае оптические компоненты станут доминирующим трендом в отрасли, всесторонне способствуя высококачественному развитию таких областей, как «экономика низкого неба», промышленный мониторинг, обеспечение безопасности и реагирование на чрезвычайные ситуации, а также интеллектуальная картография.