一種無人艇載導(dǎo)航雷達的設(shè)計

張波　鑒福升　鄭剛　王磊　李英軍

[摘要]無人艇栽雷達是導(dǎo)航避障的重要的手段，低功耗、體積小等特點，文中設(shè)計了一種基于FMCW體制的無人艇載導(dǎo)航雷達，對其波形進行了設(shè)計。計算了有關(guān)參數(shù)。

[關(guān)鍵詞]無人艇；導(dǎo)航雷達；FMCW

0引言

無人水面艇（unmanned surface vessel，簡稱USV），是一種無人操作的水面艦艇，分為自主控制和遙控兩種類型。主要用于執(zhí)行危險以及不適于有人船只執(zhí)行的任務(wù)。配備了先進的控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和武器系統(tǒng)后，可以執(zhí)行多種戰(zhàn)爭和非戰(zhàn)爭軍事任務(wù)。

無人艇的偵測手段主要為雷達和光電等設(shè)備，雷達受天氣的影響較小，光電設(shè)備則在雨霧等天氣下工作能力大大降低。由于無人艇載重有限，因此其上的設(shè)備均需要輕量型，低功耗等等。

無人水面艇載雷達是無人艇航行避障、對海/低空搜索、武器制導(dǎo)的關(guān)鍵設(shè)備，其性能直接決定了無人艇的作戰(zhàn)效能。從世界范圍來講，無論是軍用還是民用船舶，大面積使用的仍然是磁控管導(dǎo)航雷達，甚至連數(shù)字信號處理技術(shù)都未廣泛使用，但是近幾年來，由于世界海洋產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對導(dǎo)航雷達的要求越來越高，固態(tài)發(fā)射機、相控陣技術(shù)已經(jīng)開始得到應(yīng)用，軍用電子器件的超常規(guī)發(fā)展，也大幅度降低了固態(tài)發(fā)射機與數(shù)字信號處理硬件的成本，導(dǎo)航雷達的技術(shù)也開始加速更新。

1采用FMCW體制的雷達波形設(shè)計

由于無人艇排水量較小，能量供應(yīng)有限，因此其上的導(dǎo)航雷達必須采用輕量型，低功耗設(shè)計。而采用連續(xù)波線性調(diào)頻（FMCW）自差頻體制可以實現(xiàn)全固態(tài)化低功耗，高可靠性，對周圍環(huán)境電磁干擾低，且不易被干擾，距離分辨力高，大時間帶寬積，靈敏度高，以及抗有源干擾性能好，發(fā)射峰值功率低、結(jié)構(gòu)簡單、成本低，適合批量成產(chǎn)。等特點。雷達工作在通用導(dǎo)航X波段9.300GHz-9.800GHz，其中9.300GHz-9.500GHz為國際專用導(dǎo)航雷達頻段，9.500GHz～9.800GHz國際導(dǎo)航雷達擴充頻段。

回波延遲和目標自身的運動會使雷達發(fā)射信號與回波信號之間存在有一定的頻率差值。雷達發(fā)射機發(fā)出的線性調(diào)頻信號，掃頻時間Tm掃頻寬度為△F，遇到目標后被反射，發(fā)射信號與反射信號的延遲時間為t_d。見圖1。

從上式可知，相參FMCW雷達在不同的探測距離上有不同的距離分辨率。探測距離越遠，距離分辨率就越差。

2海雜波環(huán)境下的弱小目標檢測

由于無人艇噸位小，在海上起伏較大，一般雷達很難穩(wěn)定的檢測和跟蹤目標，同時海浪的起伏也導(dǎo)致目標起伏和閃爍。俯仰方向采用較大度數(shù)的波束，可以抵消雷達因為無人艇起伏造成的目標斷續(xù)，當無人艇向上搖擺時，不至于使得雷達波束打不到海面。同時因為無人艇雷達架高較矮，海浪等造成的海雜波及海尖峰影響會比較嚴重，這會造成較高的虛警概率，影響雷達探測和導(dǎo)航。

由于無人艇較小，雷達架高較低，船體的搖擺與浮沉?xí)斐衫走_目標的閃爍與斷續(xù)。因此采用檢測前跟蹤算法（TBD）來對目標進行檢測和跟蹤。

檢測前跟蹤算法中有一類是基于動態(tài)規(guī)劃來做的，動態(tài)規(guī)劃方法把目標可能經(jīng)歷的所有軌跡的觀測值累積起來，當累積觀測數(shù)據(jù)超過設(shè)定門限時認為目標存在，同時給出跟蹤軌跡。這等價于在目標可能經(jīng)歷的軌跡上進行詳盡的搜索，最后通過門限檢測選擇最接近真實軌跡的估計，并把它們作為目標真實軌跡的估計。該算法基于這樣的假設(shè)：較大的累積觀測值來自真實軌跡的可能性更大。基于動態(tài)規(guī)劃的檢測前跟蹤實質(zhì)就是在目標狀態(tài)變化率恒定或較小的情況下，預(yù)先計算出目標可能經(jīng)歷的所有軌跡，并把這些軌跡存儲起來。然后沿著這些軌跡累積觀測數(shù)據(jù)，并假設(shè)超過門限的累積觀測值對應(yīng)的軌跡為目標的真實軌跡。

從圖2中可以看出目標的航跡（紅色）被檢測出來，同時下方藍色的航跡為強雜波的航跡，所以在此時目標與雜波同時被檢測到，但是如果不知道目標的大概距離的話將無法區(qū)分兩者。經(jīng)過多次仿真試驗發(fā)現(xiàn)，如果目標與雜波在相同的距離單元，或者距離很近，同時目標的強度低于海雜波的強度，這時使用動態(tài)規(guī)劃的方法將不能有效區(qū)別目標與雜波。

雷達的信號經(jīng)過TBD處理之后將大大消除雜波的影響，對海面目標能夠進行可靠的探測，提高了檢測概率，降低虛警概率。

3結(jié)論

文中根據(jù)無人艇在海面行駛的特點，設(shè)計了一種無人艇載的導(dǎo)航雷達，采用了FMCW信號，并采用了TBD的數(shù)據(jù)處理算法，能夠有效的抑制海雜波，提高雷達對海面目標的檢測概率。

[責(zé)任編輯：楊玉潔]