旋翼無人機載雷達系統設計

耿東華　尹利忠　房亮

摘要：針對中程雷達探測距離受平臺高度限制的問題，通過對比各種升高平臺，選擇合適的旋翼無人機作為升空平臺，分析雷達體制、功能、性能，對雷達進行優化設計，使雷達系統具備先進性和高性價比。

關鍵詞：旋翼無人機;機載雷達;系統設計

中圖分類號：TN957 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）08-0149-02

0 引言

雷達是獲取區域態勢情報的重要信息裝備，具有探測距離遠、覆蓋區域大、全天候、全天時工作等特點。

隨著地面部隊機械化程度的提升，行軍、進攻速度大大加快，留給偵察預警的時間越來越短，探測距離30km左右的雷達，直升機只需不到10min，裝甲車約20min的即可到達，預警時間太短，需要提升雷達的探測距離。

機械掃描雷達數據率低，難以實現對目標的實時跟蹤，更難以識別出目標種類，目標信息就不夠準確，需采用電掃體制。

提升探測距離后，雷達工作平臺高度需要相應升高。

1 國外中程雷達現狀及發展趨勢

美、法、英、俄、德、以色列等國家研制的中程戰場偵察雷達有100 余種型號產品。有便攜式、固定式和車載式，典型的有：

SRC公司研制的輕型監視與跟蹤捕獲雷達LSTAR，LSTAR 工作在 L 頻段，作用距離40km，主要監視大型防空雷達的盲區。

ARSS 工作在 X頻段，是一種輕小型、低功耗、低截獲概率、高可靠性的無人值守雷達。自動探測30km以外的人、車輛和直升機等運動目標，通過目標音頻信號實現目標分類。

泰勒斯公司研制的SQUIRE雷達，用于地面監視和火力校射。工作頻率為10-20GHz，調頻連續波體制，通過目標音頻和視頻信號特征完成目標識別。

SR Hawk雷達用在邊境和周邊安全任務中，提供廣域連續監視能力，工作頻率在16.5GHz附近，具有頻率捷變、360度連續覆蓋能力，對單人探測距離為10km內，對車輛探測距離為60km內。

還有德國的BOR-A550、比利時的SCB 2130A等，如表1所示。

中程雷達的今后發展趨勢主要有以下幾個方向：

（1）提高遠程偵察能力。是發展升空運載平臺，以達到“站得高，看得遠”之目的。（2）進一步輕小型化。簡化雷達電路和結構，減小雷達的體積和重量。（3）發展雷達目標自動識別技術。利用成像、目標回波特征等方式提升雷達的目標分類識別能力。（4）全陣列數字多波束形成。采用數字波束形成體制，引入陣列信號處理技術，提高方位、俯仰測角精度。（5）運動中偵察。隨著平臺機動性要求的提升，動中探測的應用需求會越來越強烈。

2 系統設計

2.1 系統組成和總體結構設計

受地球曲率、地形影響，雷達探測距離受工作平臺高度的影響。

R=4.12×√（h₁+h₂）

其中：R為探測距離，單位km;

h₁為探測目標高度，單位m，按照地面、海面目標最低高度0m;

h₂為偵察平臺高度，單位m。

如果探測距離大于40km，h2的高度應不小于94m，這個高度桅桿很難實現，如果尋找制高點，位置難以選擇并且容易暴露，最好采用升空運載平臺，如旋翼無人機、系留氣球、飛艇等。

系留氣球和飛艇存在自身重量太重，體積較大，部署時間長、隱蔽性差等特點，不適合機動性強的中程雷達系統。升空平臺最好的選擇為旋翼無人機。

整個雷達系統包括無人機、雷達主機、伺服穩臺、操控設備、通信設備、電源、運輸設備等。

2.2 雷達主機設計

雷達主機升空工作，要進行輕小型化、低功耗設計。采用低功耗電路、高速處理器、全固態功放，簡化電路和結構形式，進一步減小雷達體積和重量。

雷達探測距離遠、覆蓋區域廣、目標數量多，設計中采用電掃描體制，實現探測目標數據率高、快速掃描、對目標實時跟蹤等功能。

雷達主機主要由雷達天線、信道、信號處理、電源模塊等設備組成。

雷達設計時需考慮探測距離、數據率、掃描范圍、俯仰覆蓋范圍、天線波束寬度、威力、功耗等多個指標的相互配合。

探測距離由下式得到：

式中：R——接收噪聲限制下的探測距離;

Pt——發射峰值功率;

τ-- 發射脈沖脈寬;

Gt——發射天線增益;

Gr——接收天線增益;

λ2——雷達工作波長;

σ——目標平均雷達散射面積;

D0（n） -- n次積累后檢測所需信噪比。

這些數據的選擇都不是孤立的，需要綜合考慮，選取最合適系統的值。

2.3 伺服穩臺設計

穩臺安裝在無人機上，連接雷達主機，俯仰調節可調節。主要有機械轉臺、三軸驅動器、電機、測角編碼器、綜合慣導等組成。

為保證無人機懸停過程中雷達天線視軸穩定，采用三軸慣性穩定平臺隔離載機擾動，三個穩定軸分別是方位、橫滾和俯仰。

2.4 旋翼無人機設計

四旋翼無人機擁有四個動力組旋翼，通過不同方向旋轉而進行飛行、懸停、轉向等動作，四個旋翼作為直接動力源，對稱分布在主體四個方向，且旋翼處于同一水平面。

其優點為隱蔽性好、機動性強、飛行平穩、控制靈活、垂直起降等，非常適合在靜態和準靜態條件下飛行。

四旋翼飛行器動力有兩種選擇，電機驅動、油機驅動。電機驅動對四旋翼飛行器的飛行控制相對簡單，目前1kw電機功率能舉升的載荷重量約為4～5kg，1kw電機自身重量約為2kg。而且無人機懸停100m以上，要考慮供電線纜的重量、損耗。

油機驅動時，油機的轉速很難被精確控制，驅動四旋翼的四個燃油發動機轉速更加困難，因此采用集中式發動機的動力方案，在兩根支撐桿交叉點安裝一個燃油發動機，支撐桿通過傳動來控制四旋翼飛行器的四個旋翼。攜帶燃油要考慮冗余。

采用電機驅動或者油機驅動，要根據無人機自重、載荷重量、線纜長度重量、燃油重量、穩定度等多方面要求綜合考慮選擇。

2.5 載車設計

選擇合適車輛底盤，合理布局改裝，裝載運輸所有設備、人員。車輛改裝設計時要考慮承載平臺、信息處理、網絡通信、環境保障、結構布局、電磁兼容、行駛穩定性、人機環工程等各方面。

設計充分運用人-機-環工程的設計準則與原理，使工作環境舒適，操作維修方便，安全可靠。

載車配置消防器材、電源告警等安全器材;設備進行結構、電壓、溫度等方面的設計，防止誤傷操作人員;載車、設備噴涂偽裝漆，增加隱蔽性;載車改裝后滿足行駛、抗風、逃生等安全要求;設備有良好的接地裝置，電源開關有明顯通斷標識，操作簡便;接插件、印制板有防插錯、防反插措施;雷達發射功率較小，電磁輻射滿足對人員的安全性要求。

3 系統工作

載車到達預定地點后，進行展開架設操作。雷達主機安裝在穩臺并固定在旋翼無人機上，連接線纜，旋翼無人機升空到合適高度，雷達操控終端、通信設備在載車內，展開工作。

雷達架設完畢后，加電啟動。操控終端設置各種參數到雷達主機，雷達主機按照設置的各種參數發射電磁波并接收回波信號;回波信號經過接收機、信號處理器的處理產生目標數據;目標數據送至雷達操控終端，經過軟件的數據處理形成目標點跡/航跡數據，顯示給操作員。

雷達工作期間，操作員通過雷達操控終端設置、修改雷達的工作參數，讀取雷達BIT自檢結果。

雷達工作完畢，關閉電源，拆收裝車。

雷達系統工作示意情況見圖1。

4 結語

結合實際研制需求，通過對現有的雷達體制、功能、性能和旋翼無人機性能的分析，采用切實可行的先進技術，進行小型化、一體化和模塊化等優化設計，確保設計的雷達系統具備先進性和高性價比。

參考文獻

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[4] 趙為偉，宋曉偉.機載雷達技術的發展現狀及趨勢[J].電子科技，2018，31（1）：79-82.

Design of? Unmanned Rotorcraft Airborne Radar System

GENG Dong-hua，YIN Li-zhong，FANG Liang

（The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Zhengzhou Henan? 450047）

Abstract：Aiming at the problem that the detection distance of medium-range radar is limited by the height of the platform， by comparing various elevation platforms， the appropriate rotary uav is selected as the elevation platform to analyze the radar system， function and performance， so as to optimize the design of the radar system and make the radar system advanced and cost-effective.

Key words：unmanned rotorcraft;airborne radar;system design