周銘金

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所，上海 201802)

0 引 言

航空產(chǎn)業(yè)由于技術(shù)和成本的門檻較高，一直是遠(yuǎn)離普通群眾的高端領(lǐng)域。直至無(wú)人機(jī)飛行器的面世，由于其無(wú)需搭載飛行員，而是利用無(wú)線遙控設(shè)備或自動(dòng)飛控系統(tǒng)控制飛行的特性，不再需要考慮駕駛員的安全需求，使得飛行器研發(fā)的門檻大大降低。無(wú)人機(jī)在消費(fèi)級(jí)和工業(yè)級(jí)的市場(chǎng)中大出風(fēng)頭，而在軍用市場(chǎng)中，雖然目前尚未完全開(kāi)放，隨著國(guó)家軍民融合政策的實(shí)施，無(wú)人機(jī)大量進(jìn)入軍用市場(chǎng)只是時(shí)間問(wèn)題。

軍用無(wú)人機(jī)對(duì)飛行器的飛行性能有著更高的要求，其軍事用途包括偵察、誘餌、電子對(duì)抗、通信中繼、靶機(jī)和無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)等多種方向的應(yīng)用，無(wú)人機(jī)飛行器將搭載不同的軍用裝備來(lái)完成不同的任務(wù)使命。這些裝備的加入使得無(wú)人機(jī)的作用越來(lái)越豐富和重要，同時(shí)也使得無(wú)人機(jī)對(duì)敵方的威脅不斷升級(jí)，愈加吸引敵方雷達(dá)的警戒關(guān)注甚至引導(dǎo)火力打擊，無(wú)人機(jī)自身的安全問(wèn)題日益凸顯[1]。

面向無(wú)人機(jī)飛行器的安全需求，本文提出了一種無(wú)人機(jī)雷達(dá)告警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可大大提高無(wú)人機(jī)的安全性。

1 指導(dǎo)思路

無(wú)人機(jī)雷達(dá)告警系統(tǒng)與傳統(tǒng)有人機(jī)雷達(dá)告警系統(tǒng)相比，使命任務(wù)類似，對(duì)周邊空域的電磁環(huán)境進(jìn)行感知，探測(cè)雷達(dá)信號(hào)。發(fā)現(xiàn)威脅雷達(dá)信號(hào)后做出威脅告警，提示飛行員/操控員進(jìn)行規(guī)避[2]。

基于上述任務(wù)使命，告警系統(tǒng)工作時(shí)，需要接收周圍的雷達(dá)信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理提取信號(hào)特征，并判斷對(duì)應(yīng)目標(biāo)對(duì)自身平臺(tái)的威脅程度，迅速給出告警信息[3]。工作流程如圖1所示。

圖1 告警工作流程

由于告警工作流程的高度相似性，無(wú)人機(jī)雷達(dá)告警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)只需要在有人機(jī)雷達(dá)告警系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)上進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)即可。

1.1 雷達(dá)告警系統(tǒng)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷達(dá)告警系統(tǒng)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含天線、接收機(jī)、處理機(jī)、顯控界面、加卸載器等單元[4]，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 雷達(dá)告警系統(tǒng)框圖

4個(gè)天線分別安裝在機(jī)身周圍不被遮擋的位置(如機(jī)頭兩側(cè)、兩翼翼尖、垂尾上方等)，用于射頻信號(hào)的接收；接收機(jī)一般緊跟天線，用于測(cè)定目標(biāo)的頻率并對(duì)信號(hào)檢波；多路檢波視頻信號(hào)在處理機(jī)的比幅電路中進(jìn)行比幅測(cè)向；頻率和方位信息相關(guān)處理后與加卸載器輸入的目標(biāo)特征參數(shù)匹配，輸出威脅目標(biāo)的方向等信息，在顯示界面上顯示。

1.2 無(wú)人機(jī)告警系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)飛行器與有人機(jī)相比，飛行平臺(tái)自身有著較大的差異，在進(jìn)行告警系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，也必須針對(duì)這些差異性做出相應(yīng)的適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)。經(jīng)分析對(duì)比，我們認(rèn)為兩者的差異性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 無(wú)人機(jī)飛行器的承載能力在短時(shí)間內(nèi)仍然無(wú)法與有人機(jī)媲美，無(wú)人機(jī)能承受的載荷重量遠(yuǎn)小于有人機(jī)平臺(tái)，其能夠搭載的雷達(dá)告警系統(tǒng)在體積和重量上都必須進(jìn)行輕小型化、一體化設(shè)計(jì)[5]；

(2) 無(wú)人機(jī)由于本身體積小，隱蔽性高；雷達(dá)散射截面積(RCS)與有人機(jī)相比甚至可以下降一個(gè)量級(jí)，被敵方雷達(dá)發(fā)現(xiàn)并截獲的距離近，相應(yīng)地對(duì)雷達(dá)告警系統(tǒng)的作用距離等指標(biāo)要求較低。

(3) 無(wú)人機(jī)本身不搭載飛行員，也就不涉及飛行員人身安全問(wèn)題，無(wú)人機(jī)損毀造成的經(jīng)濟(jì)性損失一般僅限于飛行器及搭載的電子設(shè)備。雷達(dá)告警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本如果過(guò)高，帶來(lái)的收益可能還不如多造一架無(wú)人機(jī)，所以其雷達(dá)告警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以最小經(jīng)濟(jì)代價(jià)提供足夠的告警能力[6]。

綜上所述，本文針對(duì)無(wú)人機(jī)飛行器的上述特點(diǎn)構(gòu)建的告警系統(tǒng)采用了大量的時(shí)分復(fù)用設(shè)計(jì)，以增加處理時(shí)間為代價(jià)，換來(lái)硬件資源的集中和規(guī)?？s減。雷達(dá)告警系統(tǒng)的框圖如圖3所示。

圖3 無(wú)人機(jī)告警系統(tǒng)框圖

4個(gè)天線平均分為2組，安裝在機(jī)身兩側(cè)無(wú)遮擋的位置，如兩翼翼尖；同一組的2個(gè)天線共用一個(gè)接收通道，緊靠天線安裝，可與翼尖及附近一段機(jī)翼作共型設(shè)計(jì)；接收到的信號(hào)送至處理單元，經(jīng)信號(hào)處理后，結(jié)果通過(guò)總線接口輸出。

輸出到機(jī)上總線的告警結(jié)果可集成在無(wú)人機(jī)本身的控制系統(tǒng)中顯示，無(wú)須占用獨(dú)立的硬件資源。

1.3 工作原理

天線用于電磁信號(hào)的接收，4個(gè)天線的主波束方向成正交分布安裝，共同實(shí)現(xiàn)周圍360°全方位范圍的覆蓋。

天線直接連接到接收單元，每2個(gè)天線接入1個(gè)接收單元，通過(guò)一組單刀二擲射頻開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用。被選中的一路射頻信號(hào)隨即通過(guò)分路器分為2路，其中1路用于幅度量化，接入幅度量化電路，經(jīng)幅度量化后生成視頻信號(hào)輸出至處理單元；另一路用于頻率測(cè)量，射頻信號(hào)直接送入處理單元。

處理單元利用開(kāi)關(guān)矩陣，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)4個(gè)方向送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行時(shí)分循環(huán)處理。視頻信號(hào)進(jìn)入處理單元后，進(jìn)入比幅測(cè)向電路，量化得出幅度信息；直接送來(lái)的視頻信號(hào)，通過(guò)變頻通道和本振混頻，將頻譜搬移到中頻，經(jīng)高速量化轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)處理，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行峰值搜索得到頻率、脈寬、到達(dá)時(shí)間等信號(hào)參數(shù)；2條支路相關(guān)處理，融合信號(hào)的頻率和幅度等參數(shù)，形成完整的脈沖描述字(PDW)。對(duì)PDW經(jīng)過(guò)一系列的分選、識(shí)別和匹配處理后，就可以得到告警結(jié)果。

處理單元具備多種總線接口，如光纖RapidIO、1553B、RS422、CAN等，用于將信號(hào)告警結(jié)果上報(bào)；同時(shí)也可接收控制命令和預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)庫(kù)等。

2 系統(tǒng)組成和主要總體設(shè)計(jì)

雷達(dá)告警系統(tǒng)的組成主要包括4個(gè)天線、2個(gè)接收單元和1個(gè)處理單元。必要時(shí)2個(gè)天線可以集成到1個(gè)接收單元。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

雷達(dá)告警系統(tǒng)采用4個(gè)天線覆蓋360°、單個(gè)天線覆蓋90°的空域的設(shè)計(jì)，可使用平面螺旋天線。注意相鄰2個(gè)天線的安裝必須保證天線主波束指向?yàn)?0°夾角。天線罩采用高透波率的蜂窩材料，外形與無(wú)人機(jī)機(jī)身共型處理。

2個(gè)天線時(shí)分復(fù)用1個(gè)接收單元，需要完成信號(hào)的對(duì)數(shù)視頻檢波，具有寬頻段(不低于16 GHz)、高靈敏度(優(yōu)于-60 dBm)的要求，根據(jù)實(shí)際需求甚至需要追加大動(dòng)態(tài)范圍(大于70 dB)的需求，寬帶微波對(duì)數(shù)放大器(DLVA)是完成信號(hào)檢波的關(guān)鍵器件，該器件在電子戰(zhàn)設(shè)備的應(yīng)用中已逐漸趨于成熟，經(jīng)濟(jì)成本也可以逐漸得到控制。

2個(gè)接收單元時(shí)分復(fù)用1個(gè)處理單元，需要完成頻譜搬移和信號(hào)處理，變頻通道采用超外差體制，將整個(gè)頻帶劃分為4個(gè)子頻段，將頻譜搬移至中頻基帶。信號(hào)采集后需要進(jìn)行大量的信號(hào)量化和邏輯運(yùn)算處理，得益于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)智能芯片的高速發(fā)展，1片Xilinx K7 系列FPGA和1片TMSC320系列DSP的運(yùn)算組合可以基本滿足告警系統(tǒng)邏輯運(yùn)算處理的需求。

告警結(jié)果可通過(guò)通用總線上報(bào)，借用無(wú)人機(jī)的機(jī)上處理平臺(tái)和地-空通訊鏈路下傳到地面控制平臺(tái)。告警界面同樣集成到無(wú)人機(jī)的地面控制界面中，復(fù)用顯控硬件平臺(tái)，可以進(jìn)一步精簡(jiǎn)雷達(dá)告警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

2.2 測(cè)向體制

無(wú)人機(jī)雷達(dá)告警系統(tǒng)采用比幅測(cè)向體制對(duì)信號(hào)到達(dá)方位進(jìn)行測(cè)量，由于采用了時(shí)分復(fù)用接收通道，故而無(wú)法在同一時(shí)刻同時(shí)得到多個(gè)方位的信號(hào)幅度，不能實(shí)現(xiàn)同源脈沖同時(shí)比較處理，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)單脈沖比幅測(cè)向。

對(duì)此，無(wú)人機(jī)雷達(dá)告警系統(tǒng)將采用相鄰脈沖間的比幅測(cè)向法，通過(guò)提取輻射源的相鄰脈沖在不同通道的幅度，進(jìn)行比較后計(jì)算輻射源的信號(hào)到達(dá)角度。

對(duì)于固定目標(biāo)或慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)輻射源，在一個(gè)足夠短的時(shí)間間隔內(nèi)，可以認(rèn)為輻射源發(fā)射波形能量的空域分布近似保持不變。舉個(gè)例子，雷達(dá)的波束寬度一般為零點(diǎn)幾度到幾度，采取圓掃工作方式時(shí)，同時(shí)其掃描周期一般為10 s/轉(zhuǎn)，也就是角速度為0.036°/ms，在10 ms的時(shí)間內(nèi)該雷達(dá)的主波束轉(zhuǎn)過(guò)的角度為0.36°，遠(yuǎn)小于其主波束自身的寬度，可以認(rèn)為在同一個(gè)方向上，這一時(shí)間間隔內(nèi)該雷達(dá)發(fā)射波形的能量空域分布關(guān)系基本沒(méi)有發(fā)生改變，也就是鄰近的脈沖幅度并無(wú)波動(dòng)，在這一時(shí)間間隔內(nèi)，同一通道接收到的脈沖幅度值可認(rèn)為是保持不變的。

換而言之，當(dāng)時(shí)間間隔足夠小時(shí)，2個(gè)通道在依次收到相鄰脈沖信號(hào)幅度后可以用比幅測(cè)向法計(jì)算信號(hào)到達(dá)方向，效果等價(jià)于單脈沖比幅測(cè)向。

鄰近脈沖比幅測(cè)向理論是無(wú)人機(jī)雷達(dá)告警設(shè)備總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和重要依據(jù)。

3 系統(tǒng)工作流程

無(wú)人機(jī)雷達(dá)告警系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。

4個(gè)天線在4個(gè)方向上收到的視頻信號(hào)在接收單元經(jīng)過(guò)一次開(kāi)關(guān)選擇，時(shí)分復(fù)用2個(gè)寬帶對(duì)數(shù)檢波通道，得到2路檢波后視頻信號(hào)和2路射頻信號(hào)，送入處理單元。在處理單元內(nèi)通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣，再次進(jìn)行時(shí)分復(fù)用，選擇其中1個(gè)方向送來(lái)的1路視頻信號(hào)和1路射頻信號(hào)進(jìn)行幅度采集、頻率測(cè)量和相關(guān)融合處理。在進(jìn)行頻率測(cè)量時(shí)，經(jīng)變頻通道將大帶寬16 GHz信號(hào)搬移到4 GHz的中頻信息，在此劃分了4個(gè)頻段時(shí)分復(fù)用測(cè)頻通道，達(dá)到覆蓋16 GHz大帶寬的頻率覆蓋。

圖4 信號(hào)流程圖

在該告警系統(tǒng)中，空間覆蓋維度、俯仰面可利用平螺天線的主瓣寬度瞬時(shí)覆蓋，方位面對(duì)左前、左后、右前、右后4個(gè)方位進(jìn)行感知需要時(shí)分復(fù)用1條測(cè)幅通道；同時(shí)在頻域覆蓋維度，將16 GHz大帶寬頻域切分為4個(gè)4 GHz的子頻段進(jìn)行頻率測(cè)量，也需要時(shí)分復(fù)用1條測(cè)頻通道；系統(tǒng)中信號(hào)通道的示意圖如圖5所示。

圖5 信號(hào)通道示意圖

與傳統(tǒng)的雷達(dá)告警系統(tǒng)相比，無(wú)人機(jī)雷達(dá)告警系統(tǒng)在頻域覆蓋維度的設(shè)計(jì)基本相同，采用多頻段循環(huán)駐留的方式進(jìn)行工作；而在方位覆蓋維度，與傳統(tǒng)雷達(dá)告警設(shè)備設(shè)計(jì)的并行多通道同時(shí)覆蓋相比，無(wú)人機(jī)雷達(dá)告警系統(tǒng)同樣采用了多方位時(shí)分復(fù)用方式，除了節(jié)省硬件資源的優(yōu)點(diǎn)，也造成了目標(biāo)信號(hào)截獲概率的進(jìn)一步降低。

如果采用簡(jiǎn)單的循環(huán)駐留工作模式，多頻段循環(huán)切換加上多方位循環(huán)搜索，會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)信號(hào)的截獲概率急劇下降，達(dá)到無(wú)法接受的程度。為了保證無(wú)人機(jī)雷達(dá)告警系統(tǒng)工作的正常運(yùn)行，盡可能提高目標(biāo)截獲概率，需要設(shè)計(jì)一套與之配套的偵察策略。

3.1 偵察策略

無(wú)人機(jī)告警系統(tǒng)在進(jìn)行信號(hào)偵收時(shí)，主要包括預(yù)警搜索和鎖定測(cè)向2個(gè)工作模式。預(yù)警搜索模式工作時(shí)，無(wú)人機(jī)告警系統(tǒng)在頻域和空域聯(lián)合搜索，實(shí)現(xiàn)周邊電磁信號(hào)環(huán)境的輻射源感知。

若未感知到無(wú)人機(jī)飛行器周邊存在輻射源，無(wú)人機(jī)雷達(dá)告警系統(tǒng)將一直保持在預(yù)警搜索模式，不斷進(jìn)行循環(huán)感知。若感知到周邊輻射源，則在頻域維度和空域維度分別確認(rèn)目標(biāo)信號(hào)所在的區(qū)間，進(jìn)入鎖定測(cè)向模式，分別對(duì)每個(gè)感知到的輻射源進(jìn)行測(cè)向告警。

無(wú)人機(jī)雷達(dá)告警系統(tǒng)的預(yù)警搜索模式需要對(duì)4個(gè)空域和4個(gè)頻域進(jìn)行循環(huán)搜索，每個(gè)區(qū)間駐留1個(gè)基本駐留時(shí)間，總計(jì)16個(gè)基本駐留時(shí)間。鎖定測(cè)向模式對(duì)感知到的輻射源所在空域和頻域進(jìn)行精測(cè)向偵察，感知到的每個(gè)輻射源駐留2個(gè)基本駐留時(shí)間，最多對(duì)4個(gè)感知到的目標(biāo)進(jìn)行偵察，總計(jì)8個(gè)基本駐留時(shí)間。

在周邊電磁環(huán)境中存在輻射源的情況下，完成一個(gè)循環(huán)的威脅目標(biāo)偵察總共需要24個(gè)基本駐留時(shí)間，選擇合適的基本駐留時(shí)間，可以將告警反應(yīng)時(shí)間控制在需要的時(shí)間范圍內(nèi)。

3.2 預(yù)警搜索

預(yù)警搜索模式在對(duì)空域和頻域2個(gè)維度進(jìn)行循環(huán)搜索時(shí)，以頻域?yàn)槁兙S度、空域?yàn)榭熳兙S度進(jìn)行搜索。即先鎖定工作頻段，然后控制左/右側(cè)接收單元開(kāi)關(guān)選擇和接收單元中的天線開(kāi)關(guān)選擇，使得每個(gè)方位的天線在一個(gè)周期內(nèi)以等間隔循環(huán)切換。

具體工作時(shí)序如下：

(1) 鎖定工作頻段，使其初始工作在頻段1；

(2) 控制射頻開(kāi)關(guān)，選擇某個(gè)方位對(duì)應(yīng)的天線，停留1個(gè)基本駐留時(shí)間，對(duì)外界輻射源進(jìn)行感知；

(3) 切換到下一個(gè)方位，重復(fù)進(jìn)行步驟(2)，直至完成對(duì)空域的全向搜索；

(4) 收集一個(gè)工作頻段內(nèi)的全脈沖，根據(jù)頻率的分布特性將來(lái)自不同天線的脈沖字聚類；

(5) 對(duì)每個(gè)聚類的脈沖簇，根據(jù)輻射源信號(hào)樣式的時(shí)域模型判斷并提取輻射源發(fā)射的脈沖序列，并獲取輻射源的信號(hào)參數(shù)；

(6) 針對(duì)同一輻射源的脈沖序列，統(tǒng)計(jì)該輻射源在每個(gè)天線的幅度特性，比較2個(gè)方向相反的天線對(duì)之間的幅度關(guān)系，提取最大幅度的天線方位及幅度統(tǒng)計(jì)值和次大幅度的旁天線方位及幅度統(tǒng)計(jì)值，鎖定輻射源的空域，并記錄其所在頻域；

(7) 切換頻段，重復(fù)步驟(2)～(6)，直至完成所有頻段的搜索。

3.3 鎖定測(cè)向

對(duì)感知到的輻射源，若判斷為高威脅等級(jí)的目標(biāo)，雷達(dá)告警系統(tǒng)需要對(duì)其進(jìn)行精測(cè)向。在預(yù)警搜索模式下，雷達(dá)告警系統(tǒng)對(duì)感知到的輻射源進(jìn)行威脅等級(jí)排序，并對(duì)威脅等級(jí)最高的4個(gè)目標(biāo)進(jìn)行鎖定測(cè)向。對(duì)這些已截獲的目標(biāo)，預(yù)警搜索模式需要在頻域和空域2個(gè)維度上引導(dǎo)。

每一個(gè)感知到的目標(biāo)進(jìn)行鎖定測(cè)向的具體工作流程如下：

(1) 將工作頻段鎖定至該輻射源所在的頻段；

(2) 根據(jù)該輻射源的粗測(cè)向信息，選擇幅度最大的天線，停留1個(gè)基本駐留時(shí)間，對(duì)外界輻射源進(jìn)行偵收；

(3) 選擇幅度次大的天線，停留1個(gè)基本駐留時(shí)間，對(duì)外界輻射源進(jìn)行偵收；

(4) 收集全脈沖數(shù)據(jù)，根據(jù)頻域的分布特性將來(lái)自不同天線的脈沖字聚類；

(5) 對(duì)每個(gè)聚類的脈沖簇，根據(jù)輻射源信號(hào)樣式的時(shí)域模型判斷并提取輻射源發(fā)射的脈沖序列，并獲取輻射源的信號(hào)參數(shù)；

(6) 針對(duì)同一輻射源的脈沖序列，統(tǒng)計(jì)該輻射源在每個(gè)天線的幅度特性，比較2個(gè)天線的幅度關(guān)系，利用比幅關(guān)系推算出輻射源的方位值。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)無(wú)人機(jī)自身的特性，量身定制了適用的雷達(dá)告警系統(tǒng)，提出了鄰近脈沖比幅測(cè)向理論依據(jù)，并給出了詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)方法，工程實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)。該系統(tǒng)能滿足無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的雷達(dá)告警基本需求，同時(shí)具有自身經(jīng)濟(jì)性高的特點(diǎn)，可以大大提高無(wú)人機(jī)的安全性，也使得無(wú)人機(jī)的全壽命應(yīng)用成本大大降低，具有良好的推廣價(jià)值。