陸基三坐標“低慢小”目標自動檢測系統的研發*

武卯泉

(山西省信息產業技術研究院有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

“低慢小”目標是指在低空或者超低空領域飛行速度較慢的小型飛行目標，例如無人機等航空器。隨著科技進步和社會發展，消費類無人機市場急劇增長[1，2]，伴隨著無人機行業的發展日趨成熟，國家低空空域正在逐步開放，無人機應用越來越廣泛[3]，但來自無人機的不可控風險逐漸增加。由于缺乏有效的技術手段進行監控，導致對于無人機的監管力度明顯滯后，從而對國家安全和社會安全產生負面影響。尤其在國家保密部門和一些軍事涉秘場所，對無人機的監控與反制已經到了刻不容緩的地步[4]。在軍用領域，我國的海軍和潛艇基地長期有被偷拍偵測的風險，在重要軍事設備的生產基地、試驗基地、演習基地、軍隊駐地、主要領導和軍事機關駐地(包含海外駐地)、重要戰略設施等都存在著被無人機非法入侵和偵查的風險[5，6]。

目前，在國內外“低慢小”無人機都處于一個初始和探討階段，典型的非合作無人機目標探測技術包括光電、無線電偵測、聲學、雷達等，每種技術手段各具優勢和短板。其中，無線電偵測技術可有效偵測到無人機操作者，對于不發射無線電信號的“靜默”無人機不能有效發現；光電探測雖在目標識別方面存在優勢，但易受環境天氣影響，且探測距離跟成本成正比；音頻探測技術易受噪聲、雜波的影響，對于大型無人機效果較好，但在背景噪聲較強的環境中難以探測到中小型無人機。總的來說，雷達作為目標探測和監視的主要手段，受以上所述因素影響較小，同時雷達體制相對成熟，同效果情況下成本較低。綜合比較雖然傳統雷達對于“低慢小”目標存在著探測效能不足的問題，但雷達仍是對空目標探測的重要手段。

本項目研究目標是通過一定的技術手段實現保密場所或者是關鍵區域的對無人機等低慢小空中目標危害的有效防護，主要技術路線是采用高精度雷達準確探測、不明飛行物疑似分析、確定跟蹤、鎖定、反制各類無人機，為此研制了一款便攜式、多用途陸基三坐標“低慢小”目標自動檢測系統，用于完成對地面人員、車輛、無人機的探測，可以實現重點區域的全天候監視。

1 “低慢小”目標自動檢測系統結構設計

1.1 總體設計

陸基三坐標“低慢小”目標自動檢測系統由支撐部分、天線部分和接口設備組成，組成框圖如圖1所示。支撐部分根據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；接口設備包括終端顯控單元和供電單元；天線部分(如圖2所示)包括天線罩、天饋線(平面陣列天線，如圖3所示)、信號處理器、收發分系統、伺服驅動分系統。其中信號處理器、收發系統以及伺服系統位于方位轉臺下的腔體內(如圖4所示)，平面陣列天線位于方位轉臺上方，由伺服驅動電機帶動轉臺實現天線陣面的方位回轉。

圖1 “低慢小”目標自動檢測系統組成框圖

圖2 “低慢小”監視設備天線

圖3 平面陣列天線 圖4 下腔體內部示意圖

為了滿足惡劣環境下產品的使用要求，整機采用全密封設計，結構上分為上下兩個密封的腔體，上腔體(天線罩)內安裝天線，其余部分集中安裝在下腔體內，并通過腔體外部的散熱齒實現傳導散熱，保證系統正常工作；同時為降低日照高溫對系統的影響，將雷達外部整體涂覆顏色選為對日光吸收率較低的白色。

1.2 天饋線分系統

天線用于實現向自由空間輻射電磁能量，并接收目標回波信號，方位和差波束接收方向如圖5所示。

圖5 方位和差波束接收方向

該天線采用平面陣列天線形式，具有重量輕、無色散、損耗相對較低等特點。天線的主要技術指標如下：

天線形式：和差通道平面陣列天線；

天線尺寸(寬×高)(mm)：400×260；

極化方向：水平極化；

天線增益(含天線罩)(dB)：≥26

波束寬度(°)：方位：5.2,仰角：8.0;

副瓣電平(dB)：方位副瓣電平≤-30；仰角副瓣電平≤-25。

1.3 收發系統

收發系統由頻率綜合模塊和固態收發模塊組成。頻率綜合模塊集成了鎖相環路、DDS及混頻器等，用于將晶振產生的基準信號進行變頻、調制等處理，分別將射頻激勵信號、本振信號及頻標信號提供給發射放大支路、接收變頻支路；固態收發模塊(組件)集成了帶通濾波器、功率放大器、環形器、低噪聲放大器、混頻器等，用來完成功率合成、接收信號低噪聲放大、下變頻等。

收發組件發射部分指標如下：

發射輸出信號：

頻率范圍(GHz)：10.38～10.48；

頻率步進(MHz)：10；

跳頻時間(μs)：≤10；

信號形式：線性調頻時寬25 μs、帶寬2 MHz，簡單脈沖時寬0.5 μs。

輸出信號相噪(dBc/Hz)：

偏離載頻10 Hz處≤-60；

偏離載頻100 Hz處≤-80；

偏離載頻1 kHz處：≤-90；

偏離載頻10 kHz處：≤-95；

偏離載頻100 kHz處：≤-95；

偏離載頻1 MHz處及以遠：≤-115。

1.4 信號處理器

信號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、統計門限檢測和差比幅測角等。信號處理系統工作原理框圖如圖6所示。

圖6 信號處理系統工作原理框圖

信號處理部分指標如下：

距離處理范圍(km)：0.075～15.0；

處理脈沖寬度(μs)：25、0.5；

脈沖重復周期(μs)：130；

距離量化(m)：60；

A/D位數(位)：14；

MTD點數：4 096；

動目標改善因子(dB)：≥52；

中頻采樣：采樣率40 MHz、抽取率16%(工作帶寬2.5 MHz)。

1.5 伺服驅動器

伺服系統的主要功能是接收雷達終端監控指令，在驅動控制板上進行處理后驅動電機帶動天線按一定的速度進行轉動。伺服系統主要由光電編碼器、直流有刷力矩電機、驅動控制板組成，其控制原理如圖7所示。

圖7 伺服系統的控制原理

伺服系統部分指標如下：

掃描方式： 方位俯仰二維機械掃描；

掃描范圍(°)： -178～+178；

掃描速度(°/s)： 6；

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(位)：14；

供電(V)： +5，+24；

功耗(W)： ≤20。

1.6 雷達遙控終端

雷達遙控終端主要完成雷達的管理功能和目標信息的顯示功能。雷達遙控終端通過以太網和信號處理器通信，完成雷達工作指令的下發(工作頻率、發射控制、伺服控制等)，并接收信號處理器上報的雷達工作狀態信息、點跡信息等。操作手通過雷達遙控終端實現對雷達工作參數的設置；雷達遙控終端通過PPI界面和表格顯示區對目標信息進行顯示；雷達遙控終端可以實現對目標信息、原始視頻信息的定位，也可以通過圖形化的故障監控界面輔助操作人員對出現的故障進行準確定位；雷達遙控終端還可以完成與光電系統的數據融合處理以及與上一級監視網的互通互聯等功能。

雷達遙控終端硬件選用Pentium4CPU 2.9 GHz，內存2GB、顯存1GB、分辨率為1 024×768的通用計算機平臺；操作系統選用Windows XP，采用基于DirectDraw以及OpenGL的3D圖形開發，為操作人員提供友好的人機界面顯示；利用分層技術實現PPI底層畫面、點跡以及雜波信息的顯示。雷達遙控終端具備故障信息的閃爍指示功能；提供回波數據的實時錄取、存儲與回放功能，便于數據的查詢與分析；同時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了方便。

1.7 定位定向設備

定位定向設備(選配)用于完成雷達定位、定向、授時功能。其定位定向精度為：

位置精度(m)：≤5；

高程精度(m)：≤10；

定向精度(°)：≤0.18。

在不選用定位定向設備時，雷達可以通過終端進行系統授時，系統也可以借助有關的光學設備完成方位標定等工作。

1.8 電磁兼容性設計

系統中不同電子設備之間的供電系統、接地系統、互連系統以及空間輻射等都將產生強烈的電磁干擾，并將影響系統中各類電子設備的正常工作，通過制定系統的電磁兼容設計規范，詳細規定電纜選擇、布線、接地、屏蔽和濾波等各個環節的設計要求，主要包括：

(1) 選擇合適的屏蔽互連電纜。

(2) 電纜屏蔽層與連接器360°連接，以減小屏蔽層的接地阻抗，使屏蔽效能發揮最佳。為達到360°接地效果，采用屏蔽熱縮管或絲網編織纏帶在屏蔽層與連接器的搭接處進行導電連接。

(3) 采用導電插座，在其與機箱的連接處加入導電橡膠襯墊，以減小屏蔽層的接地阻抗。

(4) 各分系統或組合選用合適的電源濾波器。

2 系統檢測所能達到的技術指標

2.1 工作頻率

工作波段(X波段)(GHz)：10.38～10.48；

工作帶寬(MHz)：100。

2.2 威力范圍

距離量程(km)：≥15；

誤報警次數(次/天)：≤1(天線掃描周期為1 min)；

方位覆蓋范圍(°)：360；

俯仰覆蓋范圍(°)：20。

2.3 探測精度(誤差)

距離(m)：≤60；

方位(°)：≤0.5；

俯仰位(°)：≤0.6。

2.4 分辨力

距離分辨力(m)：150；

方位分辨力(°)：8；

速度分辨力(m/s)：0.03。

2.5 可靠性與維修性

平均無故障時間(h)： ≥800；

平均修復時間(min)： ≤30。

2.6 環境適應性

儲存溫度(C)： -50～+70；

工作溫度(C)： -40～+55；

相對濕度(%)： 95±3(30 ℃，無凝露)；

抗風能力： 8級(20.7 m/s)。

2.7 連續工作時間

連續工作時間(h)：≥24。

3 結論

陸基三坐標“低慢小”目標自動檢測系統的設計滿足技術指標，風險可控，具有較好的可實現性。該系統在反無人機領域起著先導作用，不受惡劣天氣影響，并具備一定的復雜電磁環境的處理能力。“低慢小”目標越早發現，提供給后端處置設備準備的時間就越充裕，為實現精準打擊提供保障。但是作為探測設備也有不足之處，比如滿足不了百分百識別和確認的要求，只能根據速度、高度及在地圖中的地理位置做出大致的判斷，同時，根據反無人機的需求，發現是為處理做準備，所以還需要光電作為輔助手段進行認證，不能盲目去處理。

本文所研制的監視雷達具有較優異的“低慢小”目標探測性能，且已經完成產品定型及部分站點的試裝，具備較為真實的實測效果及用戶反饋。