武卯泉

(山西省信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，山西 太原 030012)

1 研究背景、目的和意義

“低慢小”飛行器是指在低空或者超低空領(lǐng)域飛行速度較慢的小型飛行目標(biāo)[1,2]，例如無人機(jī)等航空器。由于缺乏有效技術(shù)手段進(jìn)行監(jiān)控，導(dǎo)致對(duì)于無人機(jī)的監(jiān)管力度明顯滯后，從而對(duì)國(guó)家安全和社會(huì)安全產(chǎn)生負(fù)面影響[3]。尤其在國(guó)家保密部門和一些軍事涉秘場(chǎng)所，對(duì)無人機(jī)的監(jiān)控與反制，已經(jīng)到了刻不容緩的地步。

在軍用領(lǐng)域，我軍的海軍和潛艇基地，長(zhǎng)期有被偷拍偵測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)，在重要軍事設(shè)備的生產(chǎn)基地、試驗(yàn)基地、演習(xí)基地、軍隊(duì)駐地、主要領(lǐng)導(dǎo)和軍事機(jī)關(guān)駐地(包含海外駐地)、重要戰(zhàn)略設(shè)施等，都有被無人機(jī)非法入侵和偵查的風(fēng)險(xiǎn)存在[4]。

盡管部分無人機(jī)企業(yè)在其產(chǎn)品中為無人機(jī)飛行劃定了禁飛區(qū)域，但僅限部分區(qū)域。無人機(jī)配件在網(wǎng)上到處有賣，自主DIY很容易就能夠組裝一臺(tái)能夠飛行的無人機(jī)[5]，門檻并不高。特別是多數(shù)的無人機(jī)用戶出于各種目的，通過購(gòu)買零件改裝擁有了無人機(jī)，沒有經(jīng)過飛行及安全培訓(xùn)，就在各種不適合飛行的場(chǎng)合飛無人機(jī)，近來出現(xiàn)了多次的安全事故[6]。所以對(duì)無人機(jī)的管控很難做到面面俱到，除了從源頭抓起，需要做到未雨綢繆，處置和防范措施也迫在眉睫。

2 系統(tǒng)工作原理

圖1 系統(tǒng)工作框架

2.1 “低慢小”飛行器的探測(cè)

系統(tǒng)開機(jī)后，首先是雷達(dá)開始工作，雷達(dá)具備對(duì)各類微型無人機(jī)遠(yuǎn)距離探測(cè)、發(fā)現(xiàn)能力，同時(shí)具備全時(shí)、特定防控區(qū)域不間斷掃描的特點(diǎn)；待雷達(dá)前端發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后進(jìn)行聲光報(bào)警，并按照設(shè)定上報(bào)機(jī)制上報(bào)目標(biāo)點(diǎn)的方位信息給指揮系統(tǒng)。

2.2 “低慢小”飛行器的鎖定

系統(tǒng)進(jìn)行判別后，光學(xué)視頻跟蹤系統(tǒng)接受來自指揮系統(tǒng)的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別、確認(rèn)、跟蹤、鎖定，并將鎖定信號(hào)回傳指揮系統(tǒng)。

2.3 “低慢小”飛行器的反制

在數(shù)字地圖同時(shí)會(huì)顯示目標(biāo)的經(jīng)緯高三維坐標(biāo)，確認(rèn)要對(duì)無人機(jī)進(jìn)行打擊，迫使它返航或者就地降落，這個(gè)時(shí)候可以通過軟件打開打擊設(shè)備。如果在目標(biāo)進(jìn)入系統(tǒng)1km的打擊區(qū)域，也可以選擇使用無人機(jī)誘捕設(shè)備來迫使無人機(jī)降落在指定地點(diǎn)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

陸基三坐標(biāo)”低慢小”飛行器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)由支撐部分、天線部分和接口設(shè)備組成，支撐部分根據(jù)安裝形式的不同可以選擇三腳架支撐，也可以選擇地面固定的支撐方式；天線部分包含天線罩、平面陣列天線、頻率綜合模塊、全固態(tài)收發(fā)模塊、信號(hào)處理機(jī)、二次電源以及伺服驅(qū)動(dòng)器；接口設(shè)備包含供電單元和終端顯控單元。系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

天線部分包含天線罩、平面陣列天線、信號(hào)處理機(jī)、收發(fā)分系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)。其中信號(hào)處理機(jī)、收發(fā)系統(tǒng)以及伺服系統(tǒng)位于方位轉(zhuǎn)臺(tái)下的腔體內(nèi)，平面陣列天線位于方位轉(zhuǎn)臺(tái)上方，由伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)天線陣面的方位回轉(zhuǎn)。

為了滿足惡劣環(huán)境下產(chǎn)品的使用要求，整機(jī)采用全密封設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)上分為上下兩個(gè)密封的腔體，上腔體(天線罩)內(nèi)安裝天線，其余部分集中安裝在下腔體內(nèi)，并通過腔體外部的散熱尺，實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)散熱，保證設(shè)備正常工作；同時(shí)為降低日照帶來的高溫對(duì)系統(tǒng)的影響，將雷達(dá)外部整體涂覆，顏色選為對(duì)日光吸收率較低的白色。

3.2 天饋線分系統(tǒng)

天線用于實(shí)現(xiàn)向自由空間輻射電磁能量，并接收目標(biāo)回波信號(hào)。該天線采用平面陣列天線形式，具有重量輕、無色散、損耗相對(duì)較低等特點(diǎn)。

天線由平面陣列天線和天線罩組成，天線的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

天線形式：和差通道平面陣列天線

天線尺寸：400mm×260mm(寬×高)

極化方向：水平極化

天線增益：≥26dB(含天線罩)

波束寬度：方位5.2°

仰角： 8.0°

副瓣電平：方位副瓣電平≤-30dB

仰角副瓣電平：≤-25dB

圖3 方位和差波束接收方向圖

3.3 收發(fā)系統(tǒng)

收發(fā)系統(tǒng)由頻率綜合模塊和固態(tài)收發(fā)模塊組成。

頻率綜合模塊集成了鎖相環(huán)路、DDS及混頻器等，用于將晶振產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行變頻、調(diào)制等處理，分別將射頻激勵(lì)信號(hào)、本振信號(hào)及頻標(biāo)信號(hào)提供給發(fā)射放大支路、接收變頻支路。

固態(tài)收發(fā)模塊(組件)集成了帶通濾波器、功率放大器、環(huán)形器、低噪聲放大器、混頻器等，用來完成功率合成、接收信號(hào)低噪聲放大、下變頻等。

收發(fā)組件發(fā)射部分指標(biāo)如下：

發(fā)射輸出信號(hào)：

頻率范圍：10.38GHz～10.48GHz

頻率步進(jìn)：10MHz

跳頻時(shí)間：≤10us

信號(hào)形式：線性調(diào)頻(時(shí)寬25us，帶寬2MHz)

簡(jiǎn)單脈沖(時(shí)寬0.5us)

輸出信號(hào)相噪：

≤ -60dBc/Hz (偏離載頻10Hz處)

≤ -80dBc/Hz (偏離載頻100Hz處)

≤ -90dBc/Hz (偏離載頻1kHz處)

≤ -95dBc/Hz (偏離載頻10kHz處)

≤ -95dBc/Hz (偏離載頻100kHz處)

≤ -115dBc/Hz (偏離載頻1MHz處及以遠(yuǎn))

3.4 信號(hào)處理器

信號(hào)處理器的主要功能包括：中頻回波采樣、DDC、脈沖壓縮、MTD、CFAR恒虛警處理、雜波圖、統(tǒng)計(jì)門限檢測(cè)、和差比幅測(cè)角等處理技術(shù)來完成雷達(dá)回波信號(hào)的檢測(cè)和目標(biāo)信息的提??；另外還具備系統(tǒng)工作提供定時(shí)產(chǎn)生功能，全系統(tǒng)故障實(shí)時(shí)監(jiān)控功能等。

信號(hào)處理部分指標(biāo)如下：

距離處理范圍：0.075km～15.0km

處理脈沖寬度：25μs、0.5μs

脈沖重復(fù)周期：130μs

距離量化：60m

A/D位數(shù)：14位

MTD點(diǎn)數(shù)：4096

動(dòng)目標(biāo)改善因子：≥52dB

中頻采樣：采樣率40MHz、抽取率16(工作帶寬2.5MHz)

3.5 伺服驅(qū)動(dòng)器

伺服系統(tǒng)的主要功能是接收雷達(dá)終端監(jiān)控指令，在控制驅(qū)動(dòng)板上進(jìn)行處理后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)天線按一定的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；伺服系統(tǒng)主要由光電編碼器、直流有刷力矩電機(jī)、驅(qū)動(dòng)控制板組成。

伺服系統(tǒng)部分指標(biāo)如下：

掃描方式：方位俯仰兩維機(jī)械掃描

掃描范圍：-178°～+178°

掃描速度：6°/s

定位精度：0.3°

控制精度：0.3°

天線控制方式：程控

方位編碼精度：14位

供電：+5V，+24V

功耗：≤20W

3.6 雷達(dá)遙控終端

雷達(dá)遙控終端主要完成雷達(dá)的管理功能和目標(biāo)信息的顯示功能。

雷達(dá)遙控終端通過以太網(wǎng)和信號(hào)處理器通信，完成雷達(dá)工作指令的下發(fā)(工作頻率、發(fā)射控制、伺服控制等)，并接收信號(hào)處理器上報(bào)的雷達(dá)工作狀態(tài)信息、點(diǎn)跡信息等。操作手通過雷達(dá)遙控終端實(shí)行對(duì)雷達(dá)工作參數(shù)的設(shè)置；雷達(dá)遙控終端通過PPI界面和表格顯示區(qū)對(duì)目標(biāo)信息進(jìn)行顯示；雷達(dá)遙控終端可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信息、原始視頻信息進(jìn)行顯示，也可以通過圖形化的故障監(jiān)控界面，輔助操作人員對(duì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位；雷達(dá)遙控終端還可以完成與光電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合處理以及與上一級(jí)監(jiān)視網(wǎng)的互通互聯(lián)等功能。

雷達(dá)遙控終端硬件選用Pentium4CPU 2.9GHz、內(nèi)存2GB，顯存1GB，分辨率為1024×768的通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)；操作系統(tǒng)選用Windows XP，采用基于DirectDraw以及OpenGL的3D圖形開發(fā)，為操作人員提供友好的人機(jī)界面顯示；利用分層技術(shù)實(shí)現(xiàn)PPI底層畫面、點(diǎn)跡以及雜波信息的顯示；具備故障信息的閃爍指示功能；提供回波數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)錄取、存儲(chǔ)與回放功能，便于數(shù)據(jù)的查詢與分析；同時(shí)PPI顯示界面特有的局部縮放與中心平移功能、地圖顯示等功能也為用戶的使用提供方便。

3.7 定位定向設(shè)備

定位定向設(shè)備(選配)用于完成雷達(dá)定位、定向、授時(shí)功能。

定位精度：

位置精度：≤5m(CEP)

高程精度：≤10m(RMS)

定向精度：≤0.18°

在不選用定位定向設(shè)備時(shí)，雷達(dá)可以通過終端進(jìn)行系統(tǒng)授時(shí)，系統(tǒng)也可以借助有關(guān)的光學(xué)設(shè)備完成方位標(biāo)定等工作。

4 結(jié)論

陸基三坐標(biāo)”低慢小”飛行器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足技術(shù)指標(biāo)，風(fēng)險(xiǎn)可控，具有較好的可實(shí)現(xiàn)性。設(shè)備在反無人機(jī)領(lǐng)域起著先導(dǎo)作用，并且不受惡劣天氣影響以及具備一定的復(fù)雜電磁環(huán)境的處理能力?！钡吐　憋w行器越早發(fā)現(xiàn)，提供給后端處置設(shè)備準(zhǔn)備的時(shí)間就越充裕，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)打擊提供保障。

但是作為探測(cè)設(shè)備，它也有不足之處，比如滿足不了百分百識(shí)別和確認(rèn)，只能根據(jù)速度、高度及在地圖中的地理位置做出大致判斷，同時(shí)，根據(jù)反無人機(jī)的需求，發(fā)現(xiàn)是為處理做準(zhǔn)備，所以還需要光電作為輔助手段進(jìn)行認(rèn)證，不能盲目去處理。

本研究所研制的監(jiān)視雷達(dá)具有較優(yōu)異的低慢小目標(biāo)探測(cè)性能，且已經(jīng)完成產(chǎn)品定型及部分站點(diǎn)的試裝，具備較為真實(shí)的實(shí)測(cè)效果及用戶反饋。