四川九洲集團有限責任公司 楊浩欽

小型無人機的在線航跡需要在規(guī)定的時間內(nèi)到達目標有效的航跡，小型無人機的規(guī)劃航跡必須要滿足無人機的運動學原理，在地雜波環(huán)境的背景下，低空小型無人機的檢測得到了較大的關注，對于檢測也具有一定的挑戰(zhàn)性，采用電磁仿真的方式對小型無人機的雷達散射面積（RCS）進行計算，并建立雷達仿真，實現(xiàn)在地雜波背景下的雷達探測距離。

我國的低空領域在近年來得到了開放，需要重點關注的就是無人機目標的探測與防范問題，在探測無人機時，由于無人機小型、低空，因此不易被發(fā)現(xiàn)，隨著科技的不斷進步與發(fā)展，小型無人機得到了快速發(fā)展，無人機的檢測與跟蹤成為了重點的空防保衛(wèi)工作。

1.低空小型無人機信號傳播的影響

低空無人機通過雷達探測的方式進行距離的探測定位，從而實現(xiàn)對目標的跟蹤，分析聲信號的特性對探測距離具有重要意義。因為現(xiàn)在的無人機類型較多，并且用途廣泛，無人機分為軍用和民用，從技術上進行分析，無人機又分為無人直升機、旋翼無人機、固定翼無人機等。固定翼無人機的機翼是固定的，需要借助跑道進行升降（李琴,黃卡瑪.低空小型無人機雷達探測距離仿真分析[J].無線電工程,2018(4).）；旋翼無人機則是由多個旋翼組成，通過動力電機的轉動使螺旋槳轉動，從而上升都空氣中；無人直升機考的是主旋翼產(chǎn)生的力量進行垂直的升降。無人機信號的傳播主要是通過空氣，常常會遇到自然環(huán)境中物體障礙的影響，或者是聲信號在空氣中的信號衰減，溫度、噪聲以及環(huán)境都會對信號造成一定的影響，為了能夠更加準的探測無人機的目標，需要對無人機的聲信號傳播影響進行分析。

1.1 聲信號在空氣中的衰減

聲信號在空氣中的衰減會隨著傳播的距離而受到影響，比如大氣的溫度、傳播的速度以及大氣的干擾等，導致空氣在接收聲波時會造成一定的衰減，因為空氣中的成分因子特別復雜，除了有氣體之外還有水以及其他的物體，聲信號的這些因素的影響下會造成信號衰減?？諝饨橘|對頻率信號較大的吸收效果較好，如果頻率較小則吸收的效果就會相對慢一點，傳播的距離也會相對的發(fā)生變化。

1.2 溫度對聲信號傳播的影響

聲波與空氣的傳播速度相關，同時與大氣的溫度也相關，特別是在低空狀態(tài)下，大氣的溫度是不平衡的，會發(fā)生梯度變化，當下面的氣溫高于（低于）上面的氣溫時（劉東青,王振華,彭賽陽.基于STK平臺下的雷達干擾可視化仿真分析[J].空軍預警學院學報,2017,31(5):360-364.），聲信號會發(fā)生向下（向上）的彎曲傳播。所以，在環(huán)境溫度的影響下，低空無人機所處的環(huán)境是不均勻的，會造成無人機的聲信號傳播存在較大的變化。

1.3 風速對聲信號傳播的影響

風速會對實際的有效聲速有影響，風速的變化會讓聲信號發(fā)生變化，導致對風速的測量存在偏差，在傳播時信號會發(fā)生一定的彎曲。當聲信號沿著風速進行傳播時，風速與地面聲速的和就是有效聲速，隨著高速的不斷增加，空氣會變得稀薄，導致無人機出現(xiàn)較小的摩擦力，風速也會隨之增加，會讓接近地層的高度有一個風力的傳播速度。如果與地面垂直的高度增加，聲波的傳播信號就會發(fā)生扭曲，在逆風的條件下有效聲速會成為聲信號傳播速度與風力傳播速度的差值，導致聲信號傳播路徑發(fā)生變化。所以，在低空狀態(tài)下無人機的探測需要將風速影響進行重點考慮。

2.無人機模型雷達散射截面積的計算方式

雷達探測主要就是通過目標的散射功率進而尋找目標，通過雷達的散射截面積描述散射功率，描述公式為：

R表示雷達接收到目標天線的距離；Es與Eo表示入射波與散射波的電場。采用電磁仿真的方式分析低空小型無人機雷達探測的距離，計算無人機的RCS，建立無人機模型，如圖1所示。在圖1中，無人機的長度與寬度分別為270mm，高度與機翼的長度為160mm，制作材料有塑料、金屬和玻璃（常文凱,胡龍飛,陳冬宇,等.輕型高機動低空監(jiān)視雷達結構技術研究[J].現(xiàn)代雷達, 2018(1):92-96.）。

圖1 小型無人機模型

通過雷達探測無人機的最大距離是本文研究的重點，因此入射角度非常重要，最好設置在目標的下放，入射的角度應該控制在0°≦a≦90°，通過電磁仿真能夠得出在不同的頻率下雷達目標的RCS值，如圖2所示。

圖2 不同頻率不同入射角度下的無人機RCS

通過圖2進行得出，波長與入射的角度是無人機的RCS值，通過改變角度能夠使無人機的截面積發(fā)生改變，原因是由于反射體會被分解成很多散射體，若干個散射體之間可以與波長進行比較，當方向發(fā)生改變后接收機輸入端的信號也會相應的發(fā)生變化，矢量也會隨之更改，這樣就會形成起伏的回波式的信號，在目前的研究中還沒有具體的標準確定目標截面積的表示值。不同頻率下的RCS值的起伏，難尋規(guī)律，只能采用在不同方向下截面積的平均值作為截面積的值進行表示。在不同頻率下得到的無人機RCS值如表1所示，采用的是平均值的方式進行計算。

表1 不同頻率下無人機的RCS值

3.大氣衰減和地雜波對雷達探測距離的影響（尤俊彬,張喆.某小型低空高速無人機控制律設計與仿真[J].科技展望,2017(11).）

3.1 大氣衰減對雷達探測距離帶來的影響

根據(jù)目標的信號進行探測，分析限制的基本因素，列出雷達方程，通過雷達方程決定雷達能夠在設定的距離范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)目標，并且能夠得出最大的探測距離，公式為：

其中，雷達的發(fā)射功率用Pt表示，雷達的發(fā)射天線應Gt表示，雷達的接收天線有Gr表示，G=Gt=Gr，表示雷達采用的收發(fā)方式是相同天線。

當目標發(fā)出的頻率較大時，大氣衰減會對雷達探測距離造成一定的影響，并且當處于低空狀態(tài)下時，雷達探測的距離會隨著氧氣和水蒸氣被損耗，當大氣壓強p=1012hpa時，氧氣和水蒸氣的損耗率為：

F表示雷達的頻率；pw表示水蒸氣的密度。

地面水蒸氣的密度為10.5g/m3時大氣衰減率如圖3所示。

當大氣衰減受到一定影響時，雷達接收的功率就會相應的發(fā)生變化，此時的雷達方程為：

最大探測的距離需要通過雷達的方程式進行求出，算出在不同頻率下的探測距離，如表2所示。

表2 大氣衰減下不同頻率的最大探測距離

圖3 大氣吸收衰減率

圖4 雷達雜波圖

3.2 地雜波對雷達探測距離帶來的影響

通過圖4可以得出，θe為雷達的夾角，θr為余角，R是雷達探測到的距離，得到地基雷達的雜波圖。如果雷達的視軸方向就是鎖定的目標方向，入射角為：θ＞θE/2。當入射角不再這個范圍內(nèi)，雷達會進入到雜波區(qū)域內(nèi)，如果無人機在雷達上方150m的高度飛行，那么可以得出（程彥杰,馬輝,徐宙.無人機分布式干擾對防空雷達探測能力的影響[J].指揮控制與仿真, 2014(3):9-12.）：

采用r-f模型進行描述，得出：

在公式a、b、c表示的是不同的地形，雷達工作的頻率會根據(jù)不同的地形進行參數(shù)的表述，在不同地形下的值如表3所示。

表3 不同地形情況下的取值

目標與地面之前存在的距離較大，容易將無人機與地面的電磁干擾忽略不計，當B=100MHZ時，城市的地形會發(fā)生變化，得到的探測距離如圖5所示。

圖5 地雜波下的信雜比

圖6 不同情況下雷達最大探測距離

4 仿真結果分析

通過對大氣衰減以及地雜波對不同頻率下雷達探測距離的影響分析，得到最大的探測距離，如圖6所示。如果只考慮大氣衰減與地雜波的影響，雷達最佳探測的頻率為25GHz，探測到的最佳距離為17366m。

結束語：在進行低空小型無人機探測的過程中，雷達探測距離會受到地雜波的干擾而無法進行準確的判斷，通過仿真的方式對地雜波對雷達探測距離干擾進行了分析。為了對小型無人機雷達探測距離分析的精確，通過電磁仿真計算無人機的雷達散射截面積，判斷在不同頻率下探射的范圍，并根據(jù)大氣衰減的情況得出雷達計算公式，得出精確的雷達探測距離。