防空體系應(yīng)對(duì)“低慢小”無人機(jī)難點(diǎn)及措施

江 浩

空軍工程大學(xué) 陜西 西安 710051

引言

由于隱身飛機(jī)的迅猛發(fā)展,以及低空/超低空在戰(zhàn)場上的使用頻率越來越高,雷達(dá)對(duì)這些目標(biāo)的探測回波信號(hào)也越來越小,預(yù)警雷達(dá)往往顯得束手無措。以無人機(jī)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(qiáng)烈地/海雜波和多徑效應(yīng)的干擾,致使目標(biāo)回波信號(hào)淹沒于強(qiáng)海/地物雜波中,而且目標(biāo)本身能量較弱難以積累,同時(shí)目標(biāo)多普勒頻率較低與慢速雜波在頻域難以區(qū)分,致使傳統(tǒng)檢測方法難以實(shí)現(xiàn)此類目標(biāo)探測,造成防空警戒雷達(dá)和其他防空武器對(duì)其探測性能大大降低。為了應(yīng)對(duì)低慢小目標(biāo)在軍民領(lǐng)域帶來的重大威脅,解決如何對(duì)此類目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確探測并進(jìn)行攔截和打擊已成為十分具有現(xiàn)實(shí)意義的研究課題。而采用信號(hào)處理的方法提高對(duì)此類的檢測能力不僅手段靈活,且成本較低。開展對(duì)雜噪背景下此類目標(biāo)檢測技術(shù)的研究,對(duì)充分發(fā)揮我國預(yù)警雷達(dá)潛力,改進(jìn)現(xiàn)役雷達(dá)性能、研制新體制雷達(dá)和提高我國警戒雷達(dá)網(wǎng)的“四抗”(抗干擾、抗隱身、抗反雷達(dá)導(dǎo)彈和抗超低空突防)能力具有十分重要現(xiàn)實(shí)意義。

一、“低、慢、小”定義

學(xué)術(shù)界對(duì)于“低、慢、小”的定義并沒有一個(gè)明顯的界限,但形成了一個(gè)基本共識(shí):具有飛行在低空或者超低空(h＜1000m),雷達(dá)散射截面積小(RCS＜2m2),飛行速度慢(V＜200km/h)等運(yùn)動(dòng)特性的一類目標(biāo)。

二、“低、慢、小”探測難點(diǎn)

由于低慢小目標(biāo)的飛行高度低、RCS小以及飛行速度慢等特點(diǎn),決定了防空體系的預(yù)警裝置對(duì)此類目標(biāo)進(jìn)行探測時(shí)主要面臨有以下幾個(gè)難點(diǎn)問題:

難點(diǎn)1:雜波分析難度大

低慢小目標(biāo)所處的戰(zhàn)場環(huán)境相對(duì)于正常的空域來說,雜波環(huán)境更加復(fù)雜,使得分析雜波性質(zhì)的難度變大。在雜波中對(duì)雷達(dá)目標(biāo)進(jìn)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(shí)空相關(guān)特性等。但由于受地/海雜波、氣候、地形等其他環(huán)境因素,另外還受載雷達(dá)的平臺(tái)、雷達(dá)波段、極化波、所處高度、分辨率等參數(shù)的影響,使得對(duì)雜波性質(zhì)的研究變得非常困難。另外實(shí)測數(shù)據(jù)的缺乏,也為探測雜波中目標(biāo)的研究帶來了阻礙。

難點(diǎn)2:信雜比低

檢測難度大的原因包括非均勻的復(fù)雜背景以及較低的信雜比回波,由于“低、慢、小”無人機(jī)的飛行高度很低,并且雷達(dá)的目標(biāo)回波信號(hào)受到很強(qiáng)的地(海)雜波干擾,導(dǎo)致目標(biāo)的信噪比大幅度降低。另外,由于目標(biāo)的RCS比較小,所以它的回波信號(hào)能量會(huì)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(biāo)回波能量。

難點(diǎn)3:雜波種類多

“低、慢、小”無人機(jī)的目標(biāo)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(dǎo)致無人機(jī)反射給雷達(dá)的信號(hào)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(yán)重的重疊,導(dǎo)致在經(jīng)典頻域的濾波手段大大降低,難以完成有效的探測。

難點(diǎn)4:檢測手段少

目前,“低、慢、小”目標(biāo)的檢測算法和檢測性能難以驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。檢測性能評(píng)估需要完整的測量數(shù)據(jù)和相應(yīng)的工程處理手段,不同測試環(huán)境和不同類型的低速小目標(biāo)對(duì)不同雷達(dá)頻率、極化等參數(shù)的響應(yīng)不同,因此,很難進(jìn)行全面的分析和驗(yàn)證;其次,公共數(shù)據(jù)很少,建立測量數(shù)據(jù)庫需要雷達(dá)、低速小目標(biāo)、測試場地、采集設(shè)備等硬件和軟件的建設(shè)以及觀測和積累從長期的系統(tǒng)來看,可能需要幾十年的時(shí)間,目前對(duì)“弱”目標(biāo)的檢測算法和檢測性能難以驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。檢測性能評(píng)價(jià)需要完整的測量數(shù)據(jù)和相應(yīng)的工程處理方法。不同的測試環(huán)境和不同類型的低速小目標(biāo)對(duì)不同的雷達(dá)頻率、偏振等參數(shù)有不同的響應(yīng)第。因此,很難進(jìn)行全面的分析和驗(yàn)證;其次,公共數(shù)據(jù)很少。測量數(shù)據(jù)庫的建設(shè)需要雷達(dá)、低速小目標(biāo)、測試場地、采集設(shè)備、輔助設(shè)備等軟硬件的建設(shè)和數(shù)據(jù)的積累。評(píng)論。一個(gè)長期的系統(tǒng),這可能需要幾十年的時(shí)間。

三、現(xiàn)有探測“低、慢、小”方法

(一)雷達(dá)探測。雷達(dá)的基本組成部分包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、收/發(fā)天線、天線收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)和顯示設(shè)備。以及電源設(shè)備、數(shù)據(jù)錄取設(shè)備、抗干擾設(shè)備等輔助設(shè)備。應(yīng)用泛探體質(zhì)雷達(dá)、全態(tài)勢感知雷達(dá)、多任務(wù)雷達(dá)、紅外傳感器、光電傳感器、無線WLAN傳感器等多類探測技術(shù)進(jìn)行分布式組網(wǎng)預(yù)警。其中全態(tài)勢感知雷達(dá)與現(xiàn)有的雷達(dá)相比,其優(yōu)點(diǎn)在于,采用Digital Beam Forming技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)360°全方位的態(tài)勢感知,可以針對(duì)不同方向來襲的無人機(jī)進(jìn)行捕捉跟蹤。另外采用多任務(wù)雷達(dá),可以同時(shí)跟蹤多批次、多架次無人機(jī),避免了漏跟、錯(cuò)跟的情況。采用分布式的組網(wǎng)探測、可以提高各個(gè)雷達(dá)的有源抗干擾的能力,提高各個(gè)雷達(dá)在戰(zhàn)場上的生存能力。利用雷達(dá)來探測“低慢小”無人機(jī)技術(shù)可以從以下兩點(diǎn)進(jìn)行突破:(1)設(shè)計(jì)合適的雷達(dá)體制、信號(hào)頻率等;(2)開發(fā)更高效的雜波抑制、自適應(yīng)恒虛警檢測、點(diǎn)跡聚集、脈沖壓縮和單脈沖測角等關(guān)鍵算法。

(二)激光探測。激光探測系統(tǒng)主要組成設(shè)備包括:發(fā)射源、接收裝置、處理裝置和顯示裝置。根據(jù)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(tǒng)和目標(biāo)之間來回傳輸一次所使用的時(shí)間計(jì)算出目標(biāo)的距離。相位式的測距原理是利用調(diào)制的連續(xù)光波在探測系統(tǒng)和目標(biāo)之間來回一次所發(fā)生的相移計(jì)算出目標(biāo)的距離。2004年,李大社等人進(jìn)行試驗(yàn),在激光探測器的引導(dǎo)下,通過計(jì)算驗(yàn)證了功率10mw、重頻10pps的激光在激光探測器的引導(dǎo)下可以跟蹤較大的無人機(jī)[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(nèi)對(duì)“低慢小”無人機(jī)進(jìn)行跟蹤,測量的相對(duì)誤差能夠達(dá)到10-5量級(jí)。

(三)金屬探測。基本上所有的“低慢小”無人機(jī)都含有金屬架構(gòu),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(yīng)用范圍較廣的類型是電磁感應(yīng)型探測設(shè)備,它的探測原理是利用金屬會(huì)在交變電磁場中產(chǎn)生干擾效應(yīng)來檢測金屬,從而達(dá)到探測“低、慢、小”無人機(jī)的目標(biāo)。