Оптические и спектральные методы в задачах обнаружения и распознавания подвижных летательных объектов

The paper considers a problem of detection and identification of unmanned aerial vehicles (UAVs) against the animate and inanimate objects and identification of their load by optical and spectral optical methods. The state-of-the-art analysis has shown that, when using the radar methods to detect small UAVs, there is a dead zone for distances of 250-700 m, and in this case it is important to use optical methods for detecting UAVs.The application possibilities and improvements of the optical scheme for detecting UAVs at long distances of about 1-2 km are considered. Location is performed by intrinsic infrared (IR) radiation of an object using the IR cameras and thermal imagers, as well as using a laser rangefinder (LIDAR). The paper gives examples of successful dynamic detection and recognition of objects from video images by methods of graph theory and neural networks using the network FasterR-CNN, YOLO and SSD models, including one frame received.The possibility for using the available spectral optical methods to analyze the chemical composition of materials that can be employed for remote identification of UAV coating materials, as well as for detecting trace amounts of matter on its surface has been studied. The advantages and disadvantages of the luminescent spectroscopy with UV illumination, Raman spectroscopy, differential absorption spectroscopy based on a tunable UV laser, spectral imaging methods (hyper / multispectral images), diffuse reflectance laser spectroscopy using infrared tunable quantum cascade lasers (QCL) have been shown.To assess the potential limiting distances for detecting and identifying UAVs, as well as identifying the chemical composition of an object by optical and spectral optical methods, a described experimental setup (a hybrid lidar UAV identification complex) is expected to be useful. The experimental setup structure and its performances are described. Such studies are aimed at development of scientific basics for remote detection, identification, tracking, and determination of UAV parameters and UAV belonging to different groups by optical location and spectroscopy methods, as well as for automatic optical UAV recognition in various environments against the background of moving wildlife. The proposed problem solution is to combine the optical location and spectral analysis methods, methods of the theory of statistics, graphs, deep learning, neural networks and automatic control methods, which is an interdisciplinary fundamental scientific task.Рассматривается проблема обнаружения и идентификации беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) на фоне объектов живой и неживой природы, а также идентификации его нагрузки оптическим и спектральными оптическими методами. Анализ современного уровня развития техники  показал, что при использовании радиолокационных методов для обнаружения малых БПЛА для расстояний 250-700 м существует мертвая зона и в этом случае необходимо применение оптических методов обнаружения БПЛА.Рассмотрены возможности и необходимые доработки оптической схемы для обнаружения БПЛА на больших расстояниях порядка 1-2 км по собственному инфракрасному (ИК) излучению объекта с помощью ИК камер и тепловизоров, а также с помощью лазерного дальномера – ЛИДАРА. Приведены примеры успешного динамического обнаружения и распознавания объектов по видео изображениям методами теории графов и нейронных сетей с использованием сетевых моделей FasterR-CNN, YOLO и SSD, в том числе по одному полученному кадру.Проведен анализ возможности использования существующих спектральных оптических методов анализа химического состава материалов, которые могут быть использованы для дистанционной идентификации материалов покрытия БПЛА, а также для обнаружения следовых количеств вещества на его поверхности. Показаны достоинства и недостатки люминесцентной спектроскопии с УФ подсветкой, спектроскопии комбинационного рассеяния света, спектроскопии дифференциального поглощения на основе перестраиваемого УФ лазера, методов формирования спектральных изображений (гипер- / мультиспектральные изображения), лазерной спектроскопию диффузного рассеяния с применением инфракрасных перестраиваемых квантово-каскадных лазеров (ККЛ). Оценку потенциально возможных предельных расстояний обнаружения и идентификации БПЛА, а также идентификации химического состава объекта оптическими и спектральными оптическими методами предполагается провести на создаваемом экспериментальном стенде – гибридном лидарном комплексе идентификации БПЛА. Приводится описание состава экспериментального стенда и его технических характеристик. Целью таких исследований должна стать разработка научных основ дистанционного обнаружения, идентификации, сопровождения и определения параметров БПЛА и принадлежности БПЛА к различным группам методами оптической локации и оптической спектроскопии, а также автоматического оптического распознавания в различных средах на фоне подвижных объектов живой природы. Решение проблемы предлагается вести совмещением методов оптической локации и спектрального анализа, методов теории статистики, графов, машинного обучения, нейронных сетей и методов автоматического управления, что является междисциплинарной фундаментальной научной задачей