无人机带来的严峻威胁与反无人机系统的迫切需求
无人机系统（UAS/UAV，通常称为“无人机”）是指无需机载人员驾驶，而是通过人工智能或远程操作员进行控制的飞行器及其相关设备。随着无人机技术的问世与呈指数级的普及，其技术便利性背后也潜藏着各种威胁。2019年9月，也门胡塞武装袭击了沙特阿拉伯的两处主要石油设施，破坏了炼油基础设施。近几个月来，胡塞武装再次声称对沙特阿卜杜拉国王机场（King Abdullah Airport）的无人机袭击负责；此次袭击中，无人机投掷了爆炸物，造成了16名不同国籍人员伤亡。
尽管无人机在商业和工业领域的应用无可厚非，但怀有恶意的国家及非国家行为体利用武器化无人机，正给公共安全、个人隐私空间及国防安全等领域带来严峻的威胁与挑战。武器化无人机不仅可携带炸弹或弹药，还能充当侦察工具进行窥探，甚至用于实施化学或生物攻击。即便是市面上随处可见的商用无人机，也可能被用于制造可怕的后果。试想一下，无数商业设施、体育场馆和关键基础设施都位于400英尺（约120米）以下的空域内，您便不难想象无人机所带来的潜在风险。
世界各地的政府及非国家组织正采取一系列措施遏制无人机的滥用，而其中最有力、最有效的手段之一，便是开发可靠的反无人机系统（C-UAS）。
反无人机系统（C-UAS/C-UAV）是一类专门用于探测、追踪、干扰甚至摧毁无人机的技术，旨在防止无人机擅自闯入特定区域。此类系统综合运用多种手段监测空域并识别可疑目标，包括雷达、可见光摄像机，以及长波红外（LWIR）、中波红外（MWIR）和短波红外（SWIR）热成像仪。反无人机（C-UAS）技术面临的主要难点在于对小型无人机的探测。由于无需搭载飞行员，小型无人机的尺寸远小于有人驾驶飞行器，这使得在早期阶段发现它们并将其与鸟类、昆虫等其他干扰目标区分开来变得十分困难。特别是针对小型无人机的反制任务，给现有技术带来了严峻挑战。本文探讨了被动热成像技术及其他应用于反无人机系统的各类技术方案的优缺点。
图1展示了市面上三种商用级无人机的示例，包括四旋翼无人机、六旋翼无人机和固定翼无人机。
a. DJI FPV
b. DJI Matrice 600
c. Nimbus 1800 VTOL V2
C-UAS（反无人机系统）的核心能力
1. DRI与目标像素数（Pixels on Target）
在评估C-UAS方案的能力之前，理解DRI这一概念至关重要。
DRI代表探测（Detection）、识别（Recognition）和辨识（Identification），这是视觉探测过程中的三个基本阶段。在探测阶段，目标被观测到（即“看到”目标）；在识别阶段，操作员能对目标进行分类（即能分辨出目标是车辆、动物、建筑物等）；在辨识阶段，操作员能尽可能详细地描述目标（即能具体辨认出是坦克、兔子、办公楼等）。
“目标像素数”（Pixels on Target）是指目标在成像屏幕上所占用的像素数量。目标像素数越多，意味着细节越丰富。在约翰逊准则（Johnson's criteria）中，完成上述三个阶段所需的像素数量已实现标准化。
约翰逊准则如下：
目标上的像素数量取决于镜头视场角、传感器图像分辨率以及物体本身的尺寸。对于体积较大的物体，若使用高分辨率相机并调整至较窄的视场角进行拍摄，目标上将呈现更多的像素。高效的C-UAS（反无人机系统）必须具备这样的能力：在操作员选择的各种适宜焦距下，尽可能增加目标上的像素数量，从而简化DRI（探测、识别与辨识）过程。
2. 远程探测
以沙特阿拉伯阿卜杜拉国王机场发生的袭击事件为例，涉事无人机是从也门首都萨那机场起飞的，该地距离沙特机场有数百英里之遥。如果能在无人机飞行途中就将其发现并拦截，这场事故本可避免。因此，反无人机系统应具备在远距离探测无人机的能力；尤其对于远距离小型无人机，更应高度重视并增强其DRI能力，从而最大程度地为操作员争取时间，以便其评估局势并制定合理的应急处置方案。
3. 应对无人机蜂群及其他战术手段
对手可能会派遣无人机蜂群（而非单架无人机）进行攻击。反无人机系统必须具备快速响应能力，以应对多重威胁。
此外，对手还可能采用无线电干扰或使用“暗模式”（隐身/低可探测性）无人机等手段，试图规避反无人机系统的探测与拦截。在设计反无人机系统时，也必须将这些因素纳入考量。
4. 机动性
反无人机系统应尽可能具备机动性，以便在保卫前沿作战基地或长距离边境线等任务场景中，能够随时随地灵活调整部署。当系统执行海上、空中或地面等机动任务时，便携性同样至关重要。
5. 轻量化与紧凑尺寸
过大的重量是不理想的，尤其对于机动式反无人机系统而言，因为这会降低系统的灵活性与效率，进而导致宝贵的决策时间被浪费。
紧凑的尺寸有利于开展隐蔽行动。因此，实现系统的高度集成化是制造商未来可以探索的另一个方向。 6. 成本合理性
反无人机（C-UAS）系统通常造价高昂，而相比之下，商用级无人机的价格则要亲民得多。因此，若采购、维护、检修及升级反无人机系统的费用过高，以至于耗尽了国家或非国家运营方的预算，显然是不理想的。未来的反无人机系统制造商应利用现有技术并开发创新设计，以打造更具成本效益的解决方案。
7. 灵活的变焦机制与目标锁定功能
在某些情况下，需要对整个区域进行全景监控；而在对小型无人机进行探测、识别与确认（DRI）时，则需要进行近距离观察。具备灵活的变焦能力至关重要，这不仅能确保视场（FOV）的灵活切换，还能让操作员能够随时锁定感兴趣的目标。无论反无人机系统采用的是电动还是手动变焦，是连续变焦还是分级变焦，变焦过程都应迅速敏捷，从而帮助操作员节省时间，以便及时评估紧急情况。
此外，反无人机系统还应配备自动对焦校准机制，确保在变焦过程中始终保持对目标的清晰对焦。
评估被动热成像及其他技术作为反无人机（C-UAS）手段
可见光、短波红外（SWIR）成像与雷达作为反无人机手段
可见光成像、短波红外（SWIR）成像和雷达均属于主动成像技术，这意味着其探测原理基于由外部源发射并经目标反射的电磁辐射，而非目标自身发出的辐射。可见光或短波红外成像依赖于外部光源（如太阳、城市光辉、专用照明设备及其他地面光源）的光线。由于基于光反射原理工作，可见光/短波红外成像设备具有更接近人类视觉的特性，从而简化了识别过程。此外，相比高分辨率中波红外（MWIR）或长波红外（LWIR）传感器，高分辨率可见光和短波红外传感器更易获取且成本更低；因此，利用可见光和短波红外相机捕获的图像通常在目标上呈现更多像素，这对反无人机任务至关重要。然而，可见光/短波红外成像易受夜间、雾、雨等不良光照条件的影响，从而限制了其应用范围。同时，由于大气对可见光和短波红外光的吸收作用较强，随着探测距离的增加，其探测能力也会显著衰减。
雷达通过发射无线电波并接收反射信号，利用多普勒效应来确定目标的位置、相对速度及轮廓。利用合成孔径雷达（SAR）或逆合成孔径雷达（ISAR）技术，可以实现高分辨率的二维和三维成像。由于大气对无线电频率的吸收较弱，且天气现象和环境温度对雷达运行的影响微乎其微，雷达在长距离探测以及不受天气或热环境干扰方面具有显著优势。
尽管如此，雷达作为反无人机手段也存在诸多问题。首先，雷达根据介电常数的差异将目标与背景区分开来，这意味着在正常情况下，射频波会在固体物体与空气的交界面发生反射或散射。然而，无人机或作战车辆上可能使用了含有电阻性或磁性成分的雷达吸波材料，从而使目标对雷达“隐形”。其次，雷达容易受到干扰手段的影响，即人为发射与雷达频率相同的外部射频信号来掩蔽目标。无线电干扰是政府作为电子战战术常用的一种手段。第三，雷达系统也容易受到杂波和噪声的影响，其中包括来自非目标物体的多径回波以及射频（RF）波的干扰。
**作为反无人机（C-UAS）手段的MWIR与LWIR被动热成像技术**
MWIR（中波红外）和LWIR（长波红外）热成像技术是指分别在3-5微米（MWIR）和8-12微米（LWIR）光谱范围内工作的热成像技术。这两种技术均属于被动热成像范畴。其工作原理是：MWIR和LWIR热像仪利用相应的镜头，收集并聚焦物体发出的红外辐射（所有温度高于绝对零度的物体都会发出红外辐射），将其投射到红外传感器上，从而将物体的热辐射转化为可见图像。
热像仪内部的传感器可分为两类：制冷型光子传感器和非制冷型热传感器。光子传感器通常配备制冷装置，在吸收红外辐射后直接产生电效应；而热传感器在吸收红外波后会产生温度变化，进而产生电效应——探测器的材料特性决定了温度变化如何引发电效应。相较而言，光子传感器灵敏度更高，而非制冷型热传感器成本更低。在当前市场上，LWIR热像仪通常采用非制冷型传感器，而MWIR热像仪则采用制冷型传感器。
MWIR和LWIR热成像技术具有诸多优势。由于这类热像仪是利用物体自身发出的热辐射来成像，因此它们不受外部光照条件的影响，能够在夜间恶劣光照或不利天气条件下进行探测。根据大气窗口理论，MWIR和LWIR辐射在大气中的透过率高于可见光和SWIR（短波红外）波段；这意味着MWIR和LWIR能量在大气中传播时不易被吸收，能够传输更远的距离，从而使热像仪能够接收并呈现远距离无人机发出的热辐射信号。
图2. 大气窗口
与雷达相比，中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）热成像仪虽然在远距离探测能力上稍逊一筹，但在对抗性环境下的运行可靠性更高。例如，敌对方可能利用雷达吸波材料制造无人机，使其成为难以被察觉的“幽灵”；或者利用无线电干扰手段破坏探测信号——甚至当雷达附近存在发射相同射频（RF）信号的设备时（即便该设备并无敌意），雷达探测也可能受到干扰。
相比之下，MWIR和LWIR热成像技术则不存在这些问题。所有温度高于绝对零度的物体都会因其固有的热能而辐射红外线；只要无人机与背景环境之间存在温差，无论无人机由何种材料制成，都能被探测到。目前尚无针对无人机的“热伪装”手段能像雷达隐身技术那样有效；也不存在类似无线电干扰那样能阻断热信号的方法（尽管热成像仪仍可能受到热噪声的干扰）。
此外，LWIR和SWIR热成像属于被动探测技术。主动成像技术的一个弊端在于，主动成像仪自身会发射光信号或无线电信号，从而可能暴露反无人机系统（C-UAS）的位置。被动热成像技术则提供了一种有望解决该问题的替代方案。
然而，MWIR和LWIR成像技术也存在局限性。与可见光和短波红外（SWIR）传感器相比，LWIR和MWIR传感器的像素数量通常较少，导致目标所占像素（POT）减少，成像细节随之降低，进而增加了识别和辨认无人机的难度。由于目标像素较少，在远距离下很难区分干扰性杂波与真正的无人机（例如，在成像画面上，远处的固定翼无人机看起来可能与飞鸟无异）。
图3展示了一组分别由可见光（VIS）、短波红外（SWIR）、中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）相机拍摄的四旋翼无人机、八旋翼无人机和固定翼无人机的图像。从图中可以看出，相比另外两种成像方式，使用MWIR和LWIR相机拍摄的图像分辨率较低，导致目标所占像素较少，因此更难对目标进行评估。在MWIR图像中，固定翼无人机的外观与鸟类非常相似。
另一个不利因素是热噪声。在正常情况下，高空飞行的无人机温度高于寒冷的背景，因而在热成像图中呈现出不同的颜色和亮度。然而，当无人机下降至靠近地平线的位置时，环境温度升高，导致无人机处于相对于地面特定的角度位置时，热成像仪无法探测到它们（该角度位置被称为“热等效角”，我们将在后文详细讨论）。热成像仪的这一特性对反无人机监测工作不利。其他温度相近的无关物体也可能被视为热噪声，从而干扰无人机的探测。
由传感器自身发热引起的热噪声问题，对于通常采用非制冷微测辐射热计（microbolometer）探测器的LWIR成像仪而言，尤为棘手；相比之下，MWIR成像仪通常集成制冷型焦平面阵列（FPA）探测器，具有更高的灵敏度和更低的热噪声。
用于制造LWIR和MWIR热成像镜头的大多数红外透射材料，其热膨胀系数（CTE）比可见光镜头材料高出几个数量级。镜头组件的折射率会随温度变化而改变，从而导致“热离焦”现象（即温度变化导致镜头焦点偏离设计位置）。可以采用无热化设计（例如被动光学无热化镜头）来抵消热离焦效应。
MWIR与LWIR热成像技术的比较
1. 热辐射收集能力
如前所述，被动式热成像的工作原理是收集热能。热辐射收集能力是衡量热成像仪性能的重要指标。
热通量（Thermal Flux）是指目标物体和背景发出的总热辐射量。根据普朗克定律，温度越高，光谱辐射出射度（在所有波长下）就越高，且辐射的峰值波长越短。在300K的常温环境下，辐射的峰值波长位于8至12微米的长波红外（LWIR）光谱区域。
物体发出的热通量必须穿过大气层才能到达成像设备。由于大气并非真空，而是由多种气体（如氮气、二氧化碳和氧气）及微粒（如灰尘、污垢、水汽）组成的混合物，它会对电磁辐射产生吸收、反射、折射和散射作用。因此，大气透过率是影响热辐射收集能力的另一个关键因素。
相比中波红外（MWIR）辐射，大气对长波红外（LWIR）辐射的透过率更高。结合常温下热辐射峰值位于长波红外波段这一事实，这意味着有更多的热辐射能够进入成像设备。因此，在大多数常规环境下（此处“常规”指环境温度约为300K），包括反无人机（C-UAV）应用场景中，长波红外热像仪在理论上表现良好。
当温度升高时，热辐射峰值会向短波方向移动，这也是中波红外热像仪在高温环境下表现更佳的原因。就大气透过率而言，总体上，大气中水汽对中波红外辐射的吸收远低于对长波红外辐射的吸收。因此，在湿热的海洋气候条件下，更推荐使用中波红外热像仪。
2. 热对比度
热对比度是影响热成像清晰度的另一个关键要素。热像仪根据温度差异，利用不同的亮度和颜色来区分目标与背景（或其他物体）。由于中波红外相机通常采用灵敏度更高的制冷型传感器，而长波红外相机多采用非制冷型传感器，因此中波红外热像仪的热对比度在本质上优于长波红外相机。温度与无人机相近的物体常被视为干扰源，容易误导反无人机（C-UAS）系统。实践证明，中波红外热像仪在抑制杂波和干扰源方面的能力也强于长波红外热像仪。随着探测距离的增加，由于目标和干扰源在图像上所占的像素减少，抑制杂波和干扰的难度也会随之增大。因此，在远距离探测任务中，通常优先选择热对比度更显著的中波红外热像仪，而非长波红外热像仪。
温度等效角（TEA）提供了一种角度量度，用于反映热像仪区分目标与背景的能力。在高空飞行时，大多数无人机的温度高于背景温度；但当无人机接近地平线时，环境温度随之升高，导致目标与背景之间的热对比度逐渐降低。TEA（热消隐角）是指目标与背景之间的热对比度降为零时目标相对于地平线的仰角；在此角度下，无人机在热成像画面中将无法被识别。相比长波红外（LWIR）热像仪，中波红外（MWIR）热像仪允许更小的 TEA 值。
3. MWIR 与 LWIR 镜头的重量及孔径问题
热像仪自身的发热会产生热噪声，并干扰对目标热信号的识别，从而导致 NETD（噪声等效温差）升高及灵敏度下降。因此，制冷型光子探测器比非制冷型热探测器具有更高的灵敏度。
MWIR 热像仪通常采用制冷型探测器（如碲镉汞探测器、量子阱探测器、锑化物探测器），而 LWIR 热像仪则多采用非制冷型探测器（如氧化钒探测器、锑化铟焦平面阵列探测器）。
F数（f-number、f-stop 或 f/#）是衡量相机聚光能力（对于热成像相机而言，即收集热辐射的能力）的指标。F数 = 相机镜头焦距 / 镜头光圈直径。灵敏度较高的制冷型探测器允许使用较大的F数（即较小的镜头光圈）；相比之下，灵敏度较低的非制冷型探测器若要达到与中波红外（MWIR）镜头相同的焦距，则需要较低的F数（即较大的光圈，以确保足够的辐射进入）。因此，MWIR热成像镜头可以做得比长波红外（LWIR）镜头更紧凑，从而降低生产成本并减轻反无人机系统（C-UAS）的重量。对于移动式C-UAS设备而言，MWIR成像仪是首选，因为过重会给设备的机动部署带来负担。此外，紧凑的尺寸降低了被发现的风险，这也使得MWIR成为C-UAS应用的更佳选择。
同样地，若光圈直径相同，由于允许使用较大的F数，MWIR热成像镜头可以实现比LWIR镜头更长的焦距。此外，MWIR成像特有的热对比度优势，使其在远距离识别和排除干扰杂波方面能力更强。因此，在需要远距离探测的任务中，MWIR相机目前比LWIR相机更为普及。
凭借工程团队的不懈努力，Shalom EO在研发“超轻型90-1100mm f/5.5连续变焦MWIR热成像镜头模组”方面取得了技术突破。该连续变焦（CZ）镜头组件直径为223mm，长度为295.51mm，重量仅为4.2kg，在长焦距与轻量化需求之间实现了卓越的平衡。该镜头非常适合执行需要远距离探测和高热对比度的各类任务，例如反无人机（C-UAV/C-UAS）应用。
图 4. Shalom EO 的超轻型 90-1100mm f/5.5 连续变焦中波红外 (MWIR) 热成像相机镜头模块
成本
长波红外 (LWIR) 成像是一种更传统、更经济的选择。而中波红外相机通常采用冷却光子探测器（价格昂贵），因此其价格往往高于长波红外相机。
结论
随着无人机日益成为非法入侵的有效武器，政府和非国家行为体在开发成熟、高效且经济的反无人机系统 (C-UAS) 方面面临着重大挑战。被动式长波红外和中波红外热成像技术是实现高环境可靠性、远距离探测能力和卓越反侦测能力的两种优秀反无人机系统方案。其中，具有更佳远距离目标对比度的中波红外热成像技术已成为当前市场的主流。未来需要开展更多研究，对反无人机系统的最佳方案进行更深入的评估。
Tags: 被动式热成像与反无人机（C-UAS）技术