基于仿真分析低空小型無人機(jī)雷達(dá)探測距離

四川九洲集團(tuán)有限責(zé)任公司 楊浩欽

小型無人機(jī)的在線航跡需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)目標(biāo)有效的航跡，小型無人機(jī)的規(guī)劃航跡必須要滿足無人機(jī)的運(yùn)動學(xué)原理，在地雜波環(huán)境的背景下，低空小型無人機(jī)的檢測得到了較大的關(guān)注，對于檢測也具有一定的挑戰(zhàn)性，采用電磁仿真的方式對小型無人機(jī)的雷達(dá)散射面積（RCS）進(jìn)行計(jì)算，并建立雷達(dá)仿真，實(shí)現(xiàn)在地雜波背景下的雷達(dá)探測距離。

我國的低空領(lǐng)域在近年來得到了開放，需要重點(diǎn)關(guān)注的就是無人機(jī)目標(biāo)的探測與防范問題，在探測無人機(jī)時(shí)，由于無人機(jī)小型、低空，因此不易被發(fā)現(xiàn)，隨著科技的不斷進(jìn)步與發(fā)展，小型無人機(jī)得到了快速發(fā)展，無人機(jī)的檢測與跟蹤成為了重點(diǎn)的空防保衛(wèi)工作。

1.低空小型無人機(jī)信號傳播的影響

低空無人機(jī)通過雷達(dá)探測的方式進(jìn)行距離的探測定位，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤，分析聲信號的特性對探測距離具有重要意義。因?yàn)楝F(xiàn)在的無人機(jī)類型較多，并且用途廣泛，無人機(jī)分為軍用和民用，從技術(shù)上進(jìn)行分析，無人機(jī)又分為無人直升機(jī)、旋翼無人機(jī)、固定翼無人機(jī)等。固定翼無人機(jī)的機(jī)翼是固定的，需要借助跑道進(jìn)行升降（李琴,黃卡瑪.低空小型無人機(jī)雷達(dá)探測距離仿真分析[J].無線電工程,2018(4).）；旋翼無人機(jī)則是由多個(gè)旋翼組成，通過動力電機(jī)的轉(zhuǎn)動使螺旋槳轉(zhuǎn)動，從而上升都空氣中；無人直升機(jī)考的是主旋翼產(chǎn)生的力量進(jìn)行垂直的升降。無人機(jī)信號的傳播主要是通過空氣，常常會遇到自然環(huán)境中物體障礙的影響，或者是聲信號在空氣中的信號衰減，溫度、噪聲以及環(huán)境都會對信號造成一定的影響，為了能夠更加準(zhǔn)的探測無人機(jī)的目標(biāo)，需要對無人機(jī)的聲信號傳播影響進(jìn)行分析。

1.1 聲信號在空氣中的衰減

聲信號在空氣中的衰減會隨著傳播的距離而受到影響，比如大氣的溫度、傳播的速度以及大氣的干擾等，導(dǎo)致空氣在接收聲波時(shí)會造成一定的衰減，因?yàn)榭諝庵械某煞忠蜃犹貏e復(fù)雜，除了有氣體之外還有水以及其他的物體，聲信號的這些因素的影響下會造成信號衰減?？諝饨橘|(zhì)對頻率信號較大的吸收效果較好，如果頻率較小則吸收的效果就會相對慢一點(diǎn)，傳播的距離也會相對的發(fā)生變化。

1.2 溫度對聲信號傳播的影響

聲波與空氣的傳播速度相關(guān)，同時(shí)與大氣的溫度也相關(guān)，特別是在低空狀態(tài)下，大氣的溫度是不平衡的，會發(fā)生梯度變化，當(dāng)下面的氣溫高于（低于）上面的氣溫時(shí)（劉東青,王振華,彭賽陽.基于STK平臺下的雷達(dá)干擾可視化仿真分析[J].空軍預(yù)警學(xué)院學(xué)報(bào),2017,31(5):360-364.），聲信號會發(fā)生向下（向上）的彎曲傳播。所以，在環(huán)境溫度的影響下，低空無人機(jī)所處的環(huán)境是不均勻的，會造成無人機(jī)的聲信號傳播存在較大的變化。

1.3 風(fēng)速對聲信號傳播的影響

風(fēng)速會對實(shí)際的有效聲速有影響，風(fēng)速的變化會讓聲信號發(fā)生變化，導(dǎo)致對風(fēng)速的測量存在偏差，在傳播時(shí)信號會發(fā)生一定的彎曲。當(dāng)聲信號沿著風(fēng)速進(jìn)行傳播時(shí)，風(fēng)速與地面聲速的和就是有效聲速，隨著高速的不斷增加，空氣會變得稀薄，導(dǎo)致無人機(jī)出現(xiàn)較小的摩擦力，風(fēng)速也會隨之增加，會讓接近地層的高度有一個(gè)風(fēng)力的傳播速度。如果與地面垂直的高度增加，聲波的傳播信號就會發(fā)生扭曲，在逆風(fēng)的條件下有效聲速會成為聲信號傳播速度與風(fēng)力傳播速度的差值，導(dǎo)致聲信號傳播路徑發(fā)生變化。所以，在低空狀態(tài)下無人機(jī)的探測需要將風(fēng)速影響進(jìn)行重點(diǎn)考慮。

2.無人機(jī)模型雷達(dá)散射截面積的計(jì)算方式

雷達(dá)探測主要就是通過目標(biāo)的散射功率進(jìn)而尋找目標(biāo)，通過雷達(dá)的散射截面積描述散射功率，描述公式為：

R表示雷達(dá)接收到目標(biāo)天線的距離；Es與Eo表示入射波與散射波的電場。采用電磁仿真的方式分析低空小型無人機(jī)雷達(dá)探測的距離，計(jì)算無人機(jī)的RCS，建立無人機(jī)模型，如圖1所示。在圖1中，無人機(jī)的長度與寬度分別為270mm，高度與機(jī)翼的長度為160mm，制作材料有塑料、金屬和玻璃（常文凱,胡龍飛,陳冬宇,等.輕型高機(jī)動低空監(jiān)視雷達(dá)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究[J].現(xiàn)代雷達(dá), 2018(1):92-96.）。

圖1 小型無人機(jī)模型

通過雷達(dá)探測無人機(jī)的最大距離是本文研究的重點(diǎn)，因此入射角度非常重要，最好設(shè)置在目標(biāo)的下放，入射的角度應(yīng)該控制在0°≦a≦90°，通過電磁仿真能夠得出在不同的頻率下雷達(dá)目標(biāo)的RCS值，如圖2所示。

圖2 不同頻率不同入射角度下的無人機(jī)RCS

通過圖2進(jìn)行得出，波長與入射的角度是無人機(jī)的RCS值，通過改變角度能夠使無人機(jī)的截面積發(fā)生改變，原因是由于反射體會被分解成很多散射體，若干個(gè)散射體之間可以與波長進(jìn)行比較，當(dāng)方向發(fā)生改變后接收機(jī)輸入端的信號也會相應(yīng)的發(fā)生變化，矢量也會隨之更改，這樣就會形成起伏的回波式的信號，在目前的研究中還沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)確定目標(biāo)截面積的表示值。不同頻率下的RCS值的起伏，難尋規(guī)律，只能采用在不同方向下截面積的平均值作為截面積的值進(jìn)行表示。在不同頻率下得到的無人機(jī)RCS值如表1所示，采用的是平均值的方式進(jìn)行計(jì)算。

表1 不同頻率下無人機(jī)的RCS值

3.大氣衰減和地雜波對雷達(dá)探測距離的影響（尤俊彬,張喆.某小型低空高速無人機(jī)控制律設(shè)計(jì)與仿真[J].科技展望,2017(11).）

3.1 大氣衰減對雷達(dá)探測距離帶來的影響

根據(jù)目標(biāo)的信號進(jìn)行探測，分析限制的基本因素，列出雷達(dá)方程，通過雷達(dá)方程決定雷達(dá)能夠在設(shè)定的距離范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并且能夠得出最大的探測距離，公式為：

其中，雷達(dá)的發(fā)射功率用Pt表示，雷達(dá)的發(fā)射天線應(yīng)Gt表示，雷達(dá)的接收天線有Gr表示，G=Gt=Gr，表示雷達(dá)采用的收發(fā)方式是相同天線。

當(dāng)目標(biāo)發(fā)出的頻率較大時(shí)，大氣衰減會對雷達(dá)探測距離造成一定的影響，并且當(dāng)處于低空狀態(tài)下時(shí)，雷達(dá)探測的距離會隨著氧氣和水蒸氣被損耗，當(dāng)大氣壓強(qiáng)p=1012hpa時(shí)，氧氣和水蒸氣的損耗率為：

F表示雷達(dá)的頻率；pw表示水蒸氣的密度。

地面水蒸氣的密度為10.5g/m3時(shí)大氣衰減率如圖3所示。

當(dāng)大氣衰減受到一定影響時(shí)，雷達(dá)接收的功率就會相應(yīng)的發(fā)生變化，此時(shí)的雷達(dá)方程為：

最大探測的距離需要通過雷達(dá)的方程式進(jìn)行求出，算出在不同頻率下的探測距離，如表2所示。

表2 大氣衰減下不同頻率的最大探測距離

圖3 大氣吸收衰減率

圖4 雷達(dá)雜波圖

3.2 地雜波對雷達(dá)探測距離帶來的影響

通過圖4可以得出，θe為雷達(dá)的夾角，θr為余角，R是雷達(dá)探測到的距離，得到地基雷達(dá)的雜波圖。如果雷達(dá)的視軸方向就是鎖定的目標(biāo)方向，入射角為：θ＞θE/2。當(dāng)入射角不再這個(gè)范圍內(nèi)，雷達(dá)會進(jìn)入到雜波區(qū)域內(nèi)，如果無人機(jī)在雷達(dá)上方150m的高度飛行，那么可以得出（程彥杰,馬輝,徐宙.無人機(jī)分布式干擾對防空雷達(dá)探測能力的影響[J].指揮控制與仿真, 2014(3):9-12.）：

采用r-f模型進(jìn)行描述，得出：

在公式a、b、c表示的是不同的地形，雷達(dá)工作的頻率會根據(jù)不同的地形進(jìn)行參數(shù)的表述，在不同地形下的值如表3所示。

表3 不同地形情況下的取值

目標(biāo)與地面之前存在的距離較大，容易將無人機(jī)與地面的電磁干擾忽略不計(jì)，當(dāng)B=100MHZ時(shí)，城市的地形會發(fā)生變化，得到的探測距離如圖5所示。

圖5 地雜波下的信雜比

圖6 不同情況下雷達(dá)最大探測距離

4 仿真結(jié)果分析

通過對大氣衰減以及地雜波對不同頻率下雷達(dá)探測距離的影響分析，得到最大的探測距離，如圖6所示。如果只考慮大氣衰減與地雜波的影響，雷達(dá)最佳探測的頻率為25GHz，探測到的最佳距離為17366m。

結(jié)束語：在進(jìn)行低空小型無人機(jī)探測的過程中，雷達(dá)探測距離會受到地雜波的干擾而無法進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，通過仿真的方式對地雜波對雷達(dá)探測距離干擾進(jìn)行了分析。為了對小型無人機(jī)雷達(dá)探測距離分析的精確，通過電磁仿真計(jì)算無人機(jī)的雷達(dá)散射截面積，判斷在不同頻率下探射的范圍，并根據(jù)大氣衰減的情況得出雷達(dá)計(jì)算公式，得出精確的雷達(dá)探測距離。