防空體系應對“低慢小”無人機難點及措施

江 浩

空軍工程大學 陜西 西安 710051

引言

由于隱身飛機的迅猛發展,以及低空/超低空在戰場上的使用頻率越來越高,雷達對這些目標的探測回波信號也越來越小,預警雷達往往顯得束手無措。以無人機為代表的低空突防武器大多飛行在600m以下空域,利用地形、地物的遮蔽,以及強烈地/海雜波和多徑效應的干擾,致使目標回波信號淹沒于強海/地物雜波中,而且目標本身能量較弱難以積累,同時目標多普勒頻率較低與慢速雜波在頻域難以區分,致使傳統檢測方法難以實現此類目標探測,造成防空警戒雷達和其他防空武器對其探測性能大大降低。為了應對低慢小目標在軍民領域帶來的重大威脅,解決如何對此類目標進行準確探測并進行攔截和打擊已成為十分具有現實意義的研究課題。而采用信號處理的方法提高對此類的檢測能力不僅手段靈活,且成本較低。開展對雜噪背景下此類目標檢測技術的研究,對充分發揮我國預警雷達潛力,改進現役雷達性能、研制新體制雷達和提高我國警戒雷達網的“四抗”(抗干擾、抗隱身、抗反雷達導彈和抗超低空突防)能力具有十分重要現實意義。

一、“低、慢、小”定義

學術界對于“低、慢、小”的定義并沒有一個明顯的界限,但形成了一個基本共識:具有飛行在低空或者超低空(h＜1000m),雷達散射截面積小(RCS＜2m2),飛行速度慢(V＜200km/h)等運動特性的一類目標。

二、“低、慢、小”探測難點

由于低慢小目標的飛行高度低、RCS小以及飛行速度慢等特點,決定了防空體系的預警裝置對此類目標進行探測時主要面臨有以下幾個難點問題:

難點1:雜波分析難度大

低慢小目標所處的戰場環境相對于正常的空域來說,雜波環境更加復雜,使得分析雜波性質的難度變大。在雜波中對雷達目標進行探測,第一是必須清楚雜波特性,包括幅度特性、空間譜特性、非線性變化特性、時空相關特性等。但由于受地/海雜波、氣候、地形等其他環境因素,另外還受載雷達的平臺、雷達波段、極化波、所處高度、分辨率等參數的影響,使得對雜波性質的研究變得非常困難。另外實測數據的缺乏,也為探測雜波中目標的研究帶來了阻礙。

難點2:信雜比低

檢測難度大的原因包括非均勻的復雜背景以及較低的信雜比回波,由于“低、慢、小”無人機的飛行高度很低,并且雷達的目標回波信號受到很強的地(海)雜波干擾,導致目標的信噪比大幅度降低。另外,由于目標的RCS比較小,所以它的回波信號能量會淹沒在各種雜波以及噪聲之中難以被檢測到。所以在下一步需要研究如何在低信雜比的條件下累積目標回波能量。

難點3:雜波種類多

“低、慢、小”無人機的目標多普勒頻率非常小,并且由于它的飛行速度小于200km/h,所以導致無人機反射給雷達的信號多普勒頻率非常小,甚至接近了零頻,并且與地雜波和慢雜波之間有嚴重的重疊,導致在經典頻域的濾波手段大大降低,難以完成有效的探測。

難點4:檢測手段少

目前,“低、慢、小”目標的檢測算法和檢測性能難以驗證和評價。檢測性能評估需要完整的測量數據和相應的工程處理手段,不同測試環境和不同類型的低速小目標對不同雷達頻率、極化等參數的響應不同,因此,很難進行全面的分析和驗證;其次,公共數據很少,建立測量數據庫需要雷達、低速小目標、測試場地、采集設備等硬件和軟件的建設以及觀測和積累從長期的系統來看,可能需要幾十年的時間,目前對“弱”目標的檢測算法和檢測性能難以驗證和評價。檢測性能評價需要完整的測量數據和相應的工程處理方法。不同的測試環境和不同類型的低速小目標對不同的雷達頻率、偏振等參數有不同的響應第。因此,很難進行全面的分析和驗證;其次,公共數據很少。測量數據庫的建設需要雷達、低速小目標、測試場地、采集設備、輔助設備等軟硬件的建設和數據的積累。評論。一個長期的系統,這可能需要幾十年的時間。

三、現有探測“低、慢、小”方法

(一)雷達探測。雷達的基本組成部分包括發射機、接收機、收/發天線、天線收發轉換開關和顯示設備。以及電源設備、數據錄取設備、抗干擾設備等輔助設備。應用泛探體質雷達、全態勢感知雷達、多任務雷達、紅外傳感器、光電傳感器、無線WLAN傳感器等多類探測技術進行分布式組網預警。其中全態勢感知雷達與現有的雷達相比,其優點在于,采用Digital Beam Forming技術,可以實現360°全方位的態勢感知,可以針對不同方向來襲的無人機進行捕捉跟蹤。另外采用多任務雷達,可以同時跟蹤多批次、多架次無人機,避免了漏跟、錯跟的情況。采用分布式的組網探測、可以提高各個雷達的有源抗干擾的能力,提高各個雷達在戰場上的生存能力。利用雷達來探測“低慢小”無人機技術可以從以下兩點進行突破:(1)設計合適的雷達體制、信號頻率等;(2)開發更高效的雜波抑制、自適應恒虛警檢測、點跡聚集、脈沖壓縮和單脈沖測角等關鍵算法。

(二)激光探測。激光探測系統主要組成設備包括:發射源、接收裝置、處理裝置和顯示裝置。根據測量原理可以將激光測距分為相位式和脈沖式。脈沖式的測距原理是利用激光脈沖在系統和目標之間來回傳輸一次所使用的時間計算出目標的距離。相位式的測距原理是利用調制的連續光波在探測系統和目標之間來回一次所發生的相移計算出目標的距離。2004年,李大社等人進行試驗,在激光探測器的引導下,通過計算驗證了功率10mw、重頻10pps的激光在激光探測器的引導下可以跟蹤較大的無人機[1]。目前激光探測基本情況是:探測距離在100米左右,如果在0-20us的范圍內對“低慢小”無人機進行跟蹤,測量的相對誤差能夠達到10-5量級。

(三)金屬探測。基本上所有的“低慢小”無人機都含有金屬架構,這樣理論上,我們可以采用金屬探測的方法。金屬探測器中應用范圍較廣的類型是電磁感應型探測設備,它的探測原理是利用金屬會在交變電磁場中產生干擾效應來檢測金屬,從而達到探測“低、慢、小”無人機的目標。