一種基于圓陣體制雷達(dá)的反無人機(jī)系統(tǒng)介紹

蔣慶豐

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京）

引言

近年來，隨著科技的進(jìn)步和人民生活水平的提高，民用無人機(jī)市場逐漸興起壯大、銷售數(shù)量增加、應(yīng)用普及、不斷滿足人們豐富多樣的需求，為工作和生活提供便利。但是，無人機(jī)“黑飛”、闖禁飛區(qū)等無人機(jī)安全問題也日益突出。無人機(jī)具有低空、超低空飛行、飛行速度小、不容易被偵測發(fā)現(xiàn)等特征。它們成本低廉、操控簡單、攜行方便、容易獲取，并且升空突然性強(qiáng)、發(fā)現(xiàn)處置困難，容易被作為運(yùn)載爆炸物品、投放生化毒劑、散播傳單的工具，嚴(yán)重威脅重大活動(dòng)、重點(diǎn)區(qū)域的安全保障工作。隨著無人機(jī)安全隱患日益突出，安保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，因無人機(jī)造成的安保工作量也不斷增多且難度加大。如何對(duì)無人機(jī)的飛行加強(qiáng)管制成為亟待解決的問題，在這一問題的處理上，一方面要完善管理制度，另一方面還要加強(qiáng)技防的輔助手段建設(shè)，反無人機(jī)雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)是技防技術(shù)中的重要組成部分。

在市場需求刺激和技術(shù)發(fā)展的雙重推動(dòng)作用影響下，反無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)體系在理論和技術(shù)層面都日趨完善，國內(nèi)外出現(xiàn)了很多反無人機(jī)系統(tǒng)，在無人機(jī)的飛行管制中起到了至關(guān)重要的作用，見圖1。

圖1 反無人機(jī)系統(tǒng)

1 反無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)

反無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)主要包括探測、跟蹤、毀傷、干擾、偽裝欺騙等。反無人機(jī)系統(tǒng)通過雷達(dá)探測設(shè)備，將探測到無人機(jī)、氣球等低空飛行目標(biāo)的位置信息發(fā)給指揮中心，指揮中心根據(jù)具體情況對(duì)目標(biāo)進(jìn)行危險(xiǎn)識(shí)別評(píng)估，指揮反制設(shè)備對(duì)無人機(jī)采取迫降、干擾、毀傷等相應(yīng)反制手段，保障機(jī)場等區(qū)域內(nèi)安全。

目前反無人機(jī)的探測和跟蹤主要是依靠地面雷達(dá)，針對(duì)的是微型消費(fèi)級(jí)民用無人機(jī)，如大疆的精靈4系列。圓陣?yán)走_(dá)是一款圓形相掃雷達(dá)，具有圓形天線，方位采用電掃方式，體積小、集成度高、探測小型無人機(jī)目標(biāo)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)機(jī)掃雷達(dá)相比具有更高的數(shù)據(jù)率，還可以實(shí)現(xiàn)邊搜索邊跟蹤的工作方式，能對(duì)目標(biāo)提供穩(wěn)定、精確的跟蹤能力，為反無系統(tǒng)提供精確可靠數(shù)據(jù)。

反制技術(shù)包括毀傷、干擾、偽裝欺騙等，根據(jù)目標(biāo)實(shí)際威脅程度，采取迫降、驅(qū)離、布網(wǎng)捕捉和攻擊毀傷等反制措施，對(duì)無人機(jī)實(shí)時(shí)實(shí)施物理阻止和破壞，使其喪失威脅能力。

1.1 反無人機(jī)系統(tǒng)功能

反無人機(jī)系統(tǒng)是專門用于對(duì)進(jìn)入機(jī)場等重要區(qū)域移動(dòng)的小型飛行器進(jìn)行探測、跟蹤和反制。

概括地講, 反無人機(jī)系統(tǒng)主要功能就是依靠雷達(dá)探測飛行目標(biāo),形成目標(biāo)的方位、距離、高度等位置信息上報(bào)給監(jiān)視和反無人機(jī)指揮系統(tǒng)，指揮系統(tǒng)利用光電設(shè)備精確跟蹤和確認(rèn)目標(biāo)，對(duì)有威脅的無人機(jī)目標(biāo)采取預(yù)警、定向干擾、誘騙、打擊等反制手段，使無人機(jī)迫降、返航、擊落等。反無人機(jī)系統(tǒng)還具有對(duì)無人機(jī)和操作手進(jìn)行定位的能力，視頻取證、存儲(chǔ)及回放等功能[1]。

1.2 反無人機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)

反無人機(jī)系統(tǒng)利用小型雷達(dá)、光電、無線電偵測等成熟技術(shù)進(jìn)行模塊化、組合化設(shè)計(jì)，對(duì)區(qū)域周邊低空飛行無人機(jī)目標(biāo)進(jìn)行全方位搜索、跟蹤探測，具有連續(xù)工作能力。探測系統(tǒng)能夠提供多維立體探測監(jiān)視、全自動(dòng)提供飛行物目標(biāo)的位置信息。指揮系統(tǒng)采用最先進(jìn)的實(shí)時(shí)運(yùn)算平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的快速、精準(zhǔn)識(shí)別，持續(xù)跟蹤監(jiān)測，自動(dòng)打擊反制。反無人機(jī)系統(tǒng)能夠根據(jù)機(jī)場等重要區(qū)域的需求增減布控點(diǎn)，還能以固定方式和車載方式進(jìn)行布控。反無人機(jī)系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)重要區(qū)域探測全覆蓋，雷達(dá)、光電、無線電偵測、反制設(shè)備等可根據(jù)需求進(jìn)行靈活配置。

2 反無人機(jī)系統(tǒng)組成和工作原理

根據(jù)反無人機(jī)系統(tǒng)的功能要求，結(jié)合反無人機(jī)實(shí)際情況，介紹了一種反無人機(jī)系統(tǒng)。

2.1 反無人機(jī)系統(tǒng)組成

反無人機(jī)系統(tǒng)組成主要有雷達(dá)、無線電偵測、光電、目標(biāo)分類識(shí)別、指揮系統(tǒng)和反制系統(tǒng)等。

2.2 反無人機(jī)系統(tǒng)工作原理

反無人機(jī)系統(tǒng)是以雷達(dá)探測為基礎(chǔ)，雷達(dá)是反無人機(jī)系統(tǒng)的核心設(shè)備，反無人機(jī)雷達(dá)應(yīng)能探測飛行高度低、速度慢、體積小的小型民用無人機(jī)，并能在復(fù)雜環(huán)境中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、跟蹤目標(biāo)。雷達(dá)應(yīng)能對(duì)安保區(qū)域內(nèi)飛行目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)不間斷的探測，將可疑飛行目標(biāo)的精確位置信息提供給指揮系統(tǒng)。

指揮系統(tǒng)將目標(biāo)位置信息傳送給光電探測設(shè)備，引導(dǎo)鏡頭對(duì)準(zhǔn)并發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，通過視頻來確定飛行目標(biāo)的準(zhǔn)確類型，分辨目標(biāo)的威脅程度，并將飛行目標(biāo)的位置和種類信息同時(shí)上報(bào)給指揮系統(tǒng)。無線電偵測主要是探測無人機(jī)工作所使用的頻譜，如通訊鏈路、控制鏈路、GPS 導(dǎo)航信號(hào)等，是一種被動(dòng)探測手段[2]，同時(shí)通過指揮中心將目標(biāo)信息與雷達(dá)融合。指揮系統(tǒng)利用GPS 設(shè)備定位定向功能，將探測設(shè)備的目標(biāo)在地圖上融合顯示出來，更加直觀的掌控區(qū)域內(nèi)飛行目標(biāo)的地理位置。反制設(shè)備響應(yīng)指揮系統(tǒng)發(fā)過來的反制命令，對(duì)無人機(jī)實(shí)施干擾反制和毀傷打擊等反制手段。

3 基于圓陣體制雷達(dá)的反無人機(jī)系統(tǒng)

3.1 基于圓陣?yán)走_(dá)反無人機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

反無人機(jī)系統(tǒng)由圓陣體制雷達(dá)、光電設(shè)備、指揮控制系統(tǒng)、干擾設(shè)備、GPS 等設(shè)備組成。系統(tǒng)組成如圖2 所示。

圖2 基于圓陣?yán)走_(dá)的反無人機(jī)系統(tǒng)組成

3.2 基于圓陣?yán)走_(dá)反無人機(jī)系統(tǒng)工作流程

反無人機(jī)系統(tǒng)通過圓陣?yán)走_(dá)探測發(fā)現(xiàn)飛行目標(biāo)，并將位置信息提供給光電設(shè)備，二者同時(shí)協(xié)同跟蹤，在指揮系統(tǒng)上顯示地理位置信息和光電圖像信息，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別并評(píng)估威脅程度，對(duì)于進(jìn)入重要區(qū)域的威脅目標(biāo)，指揮系統(tǒng)發(fā)出反制指令，實(shí)施干擾反制措施，干擾設(shè)備發(fā)射干擾信號(hào)，干擾無人機(jī)的控制鏈路、GPS 信號(hào)等，迫使無人機(jī)降落或返航。

3.3 圓陣體制雷達(dá)特點(diǎn)

圓陣體制雷達(dá)，它是圓形數(shù)字陣?yán)走_(dá)，可以獲取目標(biāo)的距離、方位、高度等信息。但是由于無人機(jī)體積小，飛行高度低飛行方向多變，圓陣體制雷達(dá)采用高重頻多普勒技術(shù)，具有強(qiáng)雜波下高概率檢測微型無人機(jī)目標(biāo)能力，具備重點(diǎn)空域凝視探測能力，在能量域?qū)剐∧繕?biāo)；采用中數(shù)據(jù)率搜索高數(shù)據(jù)率跟蹤模式，既可以保證多目標(biāo)跟蹤，又可以保證跟蹤連續(xù)性和目標(biāo)定位精度。此款雷達(dá)具有分辨率高，精度高，追蹤能力強(qiáng)，與常規(guī)機(jī)掃雷達(dá)具有更高的數(shù)據(jù)率，更小的體積，更靈活的使用場景等優(yōu)點(diǎn)。

圓陣?yán)走_(dá)主要負(fù)責(zé)要地周邊低空飛行物目標(biāo)的全方位搜索、跟蹤探測；整機(jī)采用低安全電壓設(shè)計(jì)，可使用逆變器，進(jìn)行多平臺(tái)安裝，可根據(jù)需求選配電池或小型發(fā)電機(jī)；該雷達(dá)采用小型化設(shè)計(jì)，可以由小型車輛運(yùn)輸，展開時(shí)間短，可快速投入安防使用；信息處理模塊集成了雷達(dá)控制、數(shù)字波束形成、反干擾、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理等分系統(tǒng)，高度集成化，精度高、數(shù)據(jù)率高、體制小、重量輕、功能全、成本低；雷達(dá)接口簡單，通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)外進(jìn)行信息交互，并可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)雷達(dá)聯(lián)網(wǎng)模式；雷達(dá)能提供目標(biāo)方位、高度信息，同時(shí)引導(dǎo)光電協(xié)同跟蹤。

3.4 圓陣體制雷達(dá)系統(tǒng)組成及工作原理

圓陣體制雷達(dá)包含的分系統(tǒng)有:天線、饋線、發(fā)射、數(shù)字接收機(jī)、綜合處理、電源等分系統(tǒng)。圓陣體制雷達(dá)的系統(tǒng)組成如圖3 所示。

圖3 圓陣體制雷達(dá)框圖

雷達(dá)工作原理，雷達(dá)加電時(shí)，分系統(tǒng)各模塊首先完成本身工作狀態(tài)的自檢，各分系統(tǒng)功能檢查一切正常后雷達(dá)開始工作。首先接收機(jī)產(chǎn)生射頻信號(hào)，經(jīng)發(fā)射前級(jí)放大、末級(jí)功放功率放大后，輸出射頻信號(hào)，經(jīng)T/R 組件由相應(yīng)列饋天線輻射出去，然后通過多通道切換來實(shí)現(xiàn)方位掃描。

接收時(shí)，回波信號(hào)分別經(jīng)接收天線單元，進(jìn)行低噪聲放大、濾波、網(wǎng)絡(luò)合成、混頻和采樣，得到2 路基帶的I/Q 信號(hào)[3]。由數(shù)字接收機(jī)輸送至數(shù)字波束形成，經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理完成脈沖壓縮、MTI 和信號(hào)檢測等處理。得到點(diǎn)跡數(shù)據(jù)后送數(shù)據(jù)處理進(jìn)行相關(guān)、平滑、濾波處理，將最終的目標(biāo)點(diǎn)跡、航跡同時(shí)送顯示器顯示，在顯示器上就可以看到目標(biāo)的方位、距離、高度等位置信息。

3.5 圓陣?yán)走_(dá)反無人機(jī)系統(tǒng)模式

（1）固定站模式

根據(jù)重要區(qū)域如機(jī)場、核電廠等區(qū)域的需求特點(diǎn)，可以將反無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成固定站模式，利用圓陣?yán)走_(dá)強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)功能，在區(qū)域四周合適的地方進(jìn)行布控，將探測區(qū)域擴(kuò)大。并搭配光電、無線電偵測、干擾機(jī)、指揮系統(tǒng)、毀傷設(shè)備等組成多功能的反無系統(tǒng)，保障區(qū)域內(nèi)的安全。

（2）移動(dòng)車載模式

由于圓陣?yán)走_(dá)的小巧便攜，反無人機(jī)系統(tǒng)也可以設(shè)計(jì)成移動(dòng)車載模式，雷達(dá)利用升降臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)快速布控，可建立臨時(shí)區(qū)域安保、重大活動(dòng)現(xiàn)場安保，也可以作為固定場所安保的補(bǔ)充。移動(dòng)車載模式主要特點(diǎn)就是靈活機(jī)動(dòng)，可以搭配小型發(fā)電機(jī)、電池、光電、GPS、干擾機(jī)設(shè)備等設(shè)備組成反無系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)任意重要地點(diǎn)的安保保障如圖4 所示。

圖4 移動(dòng)車載模式示意圖

（3）探測雷達(dá)測試效果

用大疆“精靈4”作為目標(biāo)試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行探測試驗(yàn)，雷達(dá)在作用空域內(nèi)，方位約110 度處發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，自動(dòng)識(shí)別并自動(dòng)轉(zhuǎn)跟蹤模式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高數(shù)據(jù)率穩(wěn)定精確跟蹤，可直接引導(dǎo)光電設(shè)備和干擾機(jī)設(shè)備進(jìn)行目標(biāo)確認(rèn)并迫使目標(biāo)返航。此雷達(dá)與傳統(tǒng)機(jī)掃雷達(dá)比較，在目標(biāo)的跟蹤、精度、數(shù)據(jù)率等具有一定的優(yōu)勢，如圖5 所示。

圖5 目標(biāo)跟蹤航跡

結(jié)束語

反無人機(jī)探測技術(shù)和反制技術(shù)的發(fā)展，極大地帶動(dòng)了反無人機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展，探測雷達(dá)技術(shù)作為探測技術(shù)的核心，也獲得了長足的發(fā)展，圓陣體制雷達(dá)是該領(lǐng)域的一款重要的代表作，其探測體制比較先進(jìn)，探測和跟蹤小目標(biāo)的性能比傳統(tǒng)機(jī)掃雷達(dá)更強(qiáng)，該體制雷達(dá)在無人機(jī)探測與反制領(lǐng)域的應(yīng)用獲得了很大的成功，可為無人機(jī)相關(guān)的安保工作提供強(qiáng)有力的信息保障服務(wù)，是此類安保工作的首選技防輔助設(shè)備之一。