朱文濤，宋凱，馮瑞

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西西安710068）

MIMO雷達(dá)在城市安保防空系統(tǒng)的應(yīng)用

朱文濤，宋凱，馮瑞

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西西安710068）

針對(duì)城市安保面臨的低慢小目標(biāo)探測(cè)難的問(wèn)題，結(jié)合多輸入多輸出（Multiple-InputMultiple-output，MIMO）雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)，提出了一種基于MIMO雷達(dá)的城市安保防空系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于利用MIMO雷達(dá)解決了小型飛行目標(biāo)在強(qiáng)雜波干擾下的遠(yuǎn)距離探測(cè)問(wèn)題，為后續(xù)的跟蹤和打擊提供了充分的反應(yīng)時(shí)間。

城市安保；防空；小型飛行器；MIMO雷達(dá)

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，低空空域逐漸開(kāi)放，未來(lái)小型私人飛機(jī)、航拍無(wú)人機(jī)等小型民用飛行器將大大增多，這就對(duì)城市的安保帶來(lái)潛在的威脅，因?yàn)檫@些小型飛行目標(biāo)成本低廉、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便、容易獲取、且升空突然性強(qiáng)、發(fā)現(xiàn)處置困難，很容易被恐怖分子或不法分子作為運(yùn)載爆炸物品、投放有毒物品、散播傳單的工具，嚴(yán)重威脅重大活動(dòng)、重點(diǎn)區(qū)域以及人民的生命安全。如何防范這些小型飛行目標(biāo)已經(jīng)成為現(xiàn)代城市安保必須解決的問(wèn)題［1］。

現(xiàn)有針對(duì)小型飛行目標(biāo)的安保系統(tǒng)是集雷達(dá)、聲學(xué)、光電、電磁、武器等手段于一體的系統(tǒng)［2-3］，該系統(tǒng)采用由遠(yuǎn)及近的層次化防御，雷達(dá)手段負(fù)責(zé)目標(biāo)的中遠(yuǎn)距離探測(cè)預(yù)警，光電手段負(fù)責(zé)近距離的目標(biāo)指示，而電磁和武器手段負(fù)責(zé)目標(biāo)的打擊。然而，上述小型飛行目標(biāo)由于飛行速度慢，飛行高度低，體積小并且所處環(huán)境復(fù)雜（建筑物林立，電磁環(huán)境、氣象環(huán)境、交通環(huán)境復(fù)雜），給現(xiàn)有安保系統(tǒng)帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)為：1）雷達(dá)探測(cè)難。目標(biāo)所處城市背景越來(lái)越復(fù)雜，目標(biāo)的速度越來(lái)越低，目標(biāo)飛行的高速越來(lái)越低，且目標(biāo)使用材料具有波透特性，因此，目標(biāo)的雷達(dá)截面積很小，容易被強(qiáng)地物雜波和強(qiáng)噪聲所淹沒(méi)，導(dǎo)致雷達(dá)回波信號(hào)的信雜比或信噪比低，影響雷達(dá)的檢測(cè)性能［4］；2）聲學(xué)探測(cè)難。小型飛行目標(biāo)的噪聲主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)和飛行過(guò)程中產(chǎn)生的空氣擾動(dòng)噪聲，這些噪聲與周圍環(huán)境噪聲相比非常小，這就使得聲學(xué)探測(cè)失效；3）光電探測(cè)難。小型飛行目標(biāo)動(dòng)力系統(tǒng)由于體積小、效率高，其紅外輻射特征低，使得紅外探測(cè)手段較難發(fā)現(xiàn)。并且這些目標(biāo)使用的材料具有吸波、透射、導(dǎo)光等特性，可減小激光反射，給激光探測(cè)帶來(lái)極大的困難［5］。此外，光學(xué)成像手段需要明確的目標(biāo)指示，如果沒(méi)有目指信息，光學(xué)成像手段需要較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行目標(biāo)的搜索，這就大大縮短了后續(xù)打擊系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文結(jié)合MIMO雷達(dá)［6-8］在弱小目標(biāo)探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，提出了一種基于MIMO雷達(dá)的城市安保防空系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于利用MIMO雷達(dá)解決了小型飛行目標(biāo)在強(qiáng)雜波干擾下的遠(yuǎn)距離探測(cè)問(wèn)題，為后續(xù)的跟蹤和打擊提供了充分的反應(yīng)時(shí)間。

1　典型城市反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)

典型的城市安保防空系統(tǒng)主要由雷達(dá)、聲學(xué)、光電和武器等手段構(gòu)成，其流程圖如圖1所示。

圖1　城市安保防空系統(tǒng)

由圖1可以看出，城市安保防空系統(tǒng)采用由遠(yuǎn)及近的層次化防御，首先通過(guò)雷達(dá)探測(cè)手段，在中遠(yuǎn)距離對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，提供目標(biāo)的中遠(yuǎn)距離的信息，并傳遞給聲學(xué)或光電探測(cè)環(huán)節(jié)；其次，聲學(xué)或光電探測(cè)手段根據(jù)雷達(dá)提供的目指信息，有針對(duì)性地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和跟蹤，待穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)后，將跟蹤數(shù)據(jù)傳遞給武器打擊環(huán)節(jié)；最后，武器打擊環(huán)節(jié)根據(jù)目標(biāo)的跟蹤信息有選擇地使用一定手段對(duì)目標(biāo)進(jìn)行打擊。

由上述的處理流程可以看出，雷達(dá)探測(cè)手段在整個(gè)系統(tǒng)中起著非常重要的作用，雷達(dá)探測(cè)手段為后續(xù)探測(cè)和跟蹤手段提供了目標(biāo)的預(yù)警信息。如果雷達(dá)探測(cè)手段不能有效地提供目標(biāo)的預(yù)警信息，那么后續(xù)探測(cè)手段將花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行目標(biāo)的探測(cè)，使得目標(biāo)突防的概率倍增。圖2給出了歐洲blighter公司研制的一套城市安保防空系統(tǒng)，該系統(tǒng)由雷達(dá)、光學(xué)、電磁屏蔽三部分組成。

圖2　blighter反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)

現(xiàn)有雷達(dá)探測(cè)手段采用波束掃描方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的探測(cè)，即雷達(dá)波束在空間依次掃描實(shí)現(xiàn)全空域覆蓋，這就意味著雷達(dá)波束在某一空間的駐留時(shí)間是有限制的。而小型飛行器目標(biāo)飛行高度低、飛行速度慢、其背景雜波非常強(qiáng)且目標(biāo)的多普勒頻率與雜波頻率混疊。由于背景雜波在短時(shí)間內(nèi)具有相關(guān)性，那么現(xiàn)有采用波束掃描方式的探測(cè)手段就不能有效檢測(cè)目標(biāo)。為了有效地檢測(cè)目標(biāo)，需要雷達(dá)波束對(duì)目標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間照射，獲取目標(biāo)的長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)信息，利用長(zhǎng)時(shí)間積累技術(shù)，在抑制雜波的同時(shí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)能量的有效積累，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的有效探測(cè)。然而，如果掃描雷達(dá)的波束在某一空間駐留時(shí)間太長(zhǎng)，那么掃描整個(gè)空域的時(shí)間將大大增加，這就增加了目標(biāo)的漏警概率。因此，如何解決掃描時(shí)間和漏檢概率的問(wèn)題是小型飛行器目標(biāo)探測(cè)的關(guān)鍵。

2　基于M IM O雷達(dá)的城市反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)

MIMO雷達(dá)作為一種新型雷達(dá)在21世紀(jì)初正式提出后，引起了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)的濃厚興趣［6-8］。

MIMO雷達(dá)在發(fā)射端使用多個(gè)正交的信號(hào)實(shí)現(xiàn)空間的全域覆蓋，在接收端的每個(gè)陣元接收所有發(fā)射信號(hào)并通過(guò)匹配濾波組分選得到多路回波［9］，從而引入了遠(yuǎn)多于實(shí)際物理陣元數(shù)目的觀測(cè)通道和自由度，與傳統(tǒng)的單/多基地或相控陣?yán)走_(dá)相比極大地提高了雷達(dá)的總體性能。由于MIMO雷達(dá)可以同時(shí)對(duì)空間進(jìn)行全域覆蓋，因此，MIMO雷達(dá)可以不用進(jìn)行波束掃描對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，而是對(duì)目標(biāo)進(jìn)行凝視探測(cè)。MIMO雷達(dá)的探測(cè)示意圖如圖3所示。

圖3　MIMO雷達(dá)探測(cè)示意圖

由圖3可以看出，MIMO雷達(dá)在發(fā)射端通過(guò)發(fā)射相互正交信號(hào)在空間中形成全域覆蓋的波束（圖中深色圖形），這就可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間照射；在接收端利用同時(shí)多波束技術(shù)同時(shí)形成覆蓋全域空間的窄波束（圖中淺色圖形）。由于MIMO雷達(dá)可以提供目標(biāo)的長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)數(shù)據(jù)，那么利用長(zhǎng)時(shí)間積累技術(shù)［10］不僅可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)能量的有效積累，而且還可以有效抑制雜波，因?yàn)殡s波在長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的相關(guān)性逐漸減弱，由此可以實(shí)現(xiàn)小型飛行器目標(biāo)的有效探測(cè)，進(jìn)而為后續(xù)跟蹤和打擊提供充分的反應(yīng)時(shí)間?；诖?，本文提出一種基于MIMO雷達(dá)的城市安保防空系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4　基于MIMO雷達(dá)的城市安保防空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4所示的城市安保防空系統(tǒng)采用自下而上的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，最低層為運(yùn)載平臺(tái)，由下而上依次為MIMO陣列雷達(dá)、光電設(shè)備和武器系統(tǒng)、電磁設(shè)備。MIMO陣列雷達(dá)負(fù)責(zé)小型飛行器的中遠(yuǎn)距離探測(cè)預(yù)警并給光電設(shè)備提供目標(biāo)指示信息；光電設(shè)備負(fù)責(zé)目標(biāo)的精確跟蹤并配合武器系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行打擊；電磁設(shè)備負(fù)責(zé)對(duì)小型飛行器，特別是無(wú)人機(jī)進(jìn)行電磁屏蔽，擾亂目標(biāo)的飛行。

3　結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)城市安保面臨的低慢小目標(biāo)探測(cè)難的問(wèn)題，結(jié)合MIMO雷達(dá)探測(cè)低慢小目標(biāo)的優(yōu)勢(shì)，提出了一種基于MIMO雷達(dá)的城市安保防空系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于利用MIMO雷達(dá)解決了小型飛行目標(biāo)在強(qiáng)雜波干擾下的遠(yuǎn)距離探測(cè)問(wèn)題，為后續(xù)的跟蹤和打擊環(huán)節(jié)提供充分的反應(yīng)時(shí)間，進(jìn)而開(kāi)展有效的打擊。

［1］王忠，馬妍，王連榮.防空作戰(zhàn)中“低慢小”目標(biāo)威脅度評(píng)估［J］.艦船電子對(duì)抗，2013（12）:103-105.

［2］秦清，徐毓.“低慢小”目標(biāo)裝備協(xié)同探測(cè)分配問(wèn)題研究［J］.空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，26（1）:28-31.

［3］董建軍，周坦勝.“低慢小”目標(biāo)的對(duì)抗措施研究［C］//2014（第五屆）中國(guó)無(wú)人機(jī)大會(huì)論文集，2014:28-31.

［4］徐偉，戴春華.海雜波背景下慢速小目標(biāo)探測(cè)技術(shù)研究［J］.艦船電子對(duì)抗，2012，35（1）:49-51.

［5］韓曉飛，蒙文，李云霞，等.激光防御“慢速小”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)分析［J］.激光與紅外，2013，35（8）:868-870.

［6］陳浩文，黎湘，莊釗文.一種新興的雷達(dá)體制—MIMO雷達(dá)［J］.電子學(xué)報(bào)，2012，40（6）:1 190-1 198.

［7］王懷軍，徐江波，陸珉，等.MIMO雷達(dá)技術(shù)及其應(yīng)用分析［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2009（4）:245-249.

［8］李先茂，董天臨，黃高明.MIMO雷達(dá)及其特性綜述［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，2015，43（4）:124-131.

［9］趙永波，董玫，張守宏.MIMO雷達(dá)的信號(hào)處理方法研究［J］.航空計(jì)算技術(shù)，2009，39（3）:103-106.

［10］夏卓卿，陸軍，陳偉建.凝視動(dòng)目標(biāo)相參積累技術(shù)研究［J］.中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2009，4（5）:498-502.

（編輯：王璐）

Application of the MIMO Radar on City Security Aerial Defense System

Zhu Wentao，Song Kai，F(xiàn)eng Rui
（China Electronics Technology Group Corporation No.20 Research Institute，Xi'an Shaanxi 710068）

Aiming at the problem of security guard against the small aircraft，an new city security aerial defense system is designed on the advantage of MIMO radar on the detection for the small aircraft.The system has the advantage that it can realize long distance detection of small targets by utilizing MIMO radar and provide sufficient reaction time for the following tracking and striking link.

City security，aerial defense，small aircraft，Multiple-Input Multiple-output（MIMO）radar

TN951

A

2095-0748（2016）10-0084-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.10.35

2015-04-23

朱文濤（1985—），男，山東省臨沂人，博士，工程師，現(xiàn)就職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所。