基于仿真分析低空小型无人机雷达探测距离

四川九洲集团有限责任公司 杨浩钦

小型无人机的在线航迹需要在规定的时间内到达目标有效的航迹，小型无人机的规划航迹必须要满足无人机的运动学原理，在地杂波环境的背景下，低空小型无人机的检测得到了较大的关注，对于检测也具有一定的挑战性，采用电磁仿真的方式对小型无人机的雷达散射面积（RCS）进行计算，并建立雷达仿真，实现在地杂波背景下的雷达探测距离。

我国的低空领域在近年来得到了开放，需要重点关注的就是无人机目标的探测与防范问题，在探测无人机时，由于无人机小型、低空，因此不易被发现，随着科技的不断进步与发展，小型无人机得到了快速发展，无人机的检测与跟踪成为了重点的空防保卫工作。

1.低空小型无人机信号传播的影响

低空无人机通过雷达探测的方式进行距离的探测定位，从而实现对目标的跟踪，分析声信号的特性对探测距离具有重要意义。因为现在的无人机类型较多，并且用途广泛，无人机分为军用和民用，从技术上进行分析，无人机又分为无人直升机、旋翼无人机、固定翼无人机等。固定翼无人机的机翼是固定的，需要借助跑道进行升降（李琴,黄卡玛.低空小型无人机雷达探测距离仿真分析[J].无线电工程,2018(4).）；旋翼无人机则是由多个旋翼组成，通过动力电机的转动使螺旋桨转动，从而上升都空气中；无人直升机考的是主旋翼产生的力量进行垂直的升降。无人机信号的传播主要是通过空气，常常会遇到自然环境中物体障碍的影响，或者是声信号在空气中的信号衰减，温度、噪声以及环境都会对信号造成一定的影响，为了能够更加准的探测无人机的目标，需要对无人机的声信号传播影响进行分析。

1.1 声信号在空气中的衰减

声信号在空气中的衰减会随着传播的距离而受到影响，比如大气的温度、传播的速度以及大气的干扰等，导致空气在接收声波时会造成一定的衰减，因为空气中的成分因子特别复杂，除了有气体之外还有水以及其他的物体，声信号的这些因素的影响下会造成信号衰减。空气介质对频率信号较大的吸收效果较好，如果频率较小则吸收的效果就会相对慢一点，传播的距离也会相对的发生变化。

1.2 温度对声信号传播的影响

声波与空气的传播速度相关，同时与大气的温度也相关，特别是在低空状态下，大气的温度是不平衡的，会发生梯度变化，当下面的气温高于（低于）上面的气温时（刘东青,王振华,彭赛阳.基于STK平台下的雷达干扰可视化仿真分析[J].空军预警学院学报,2017,31(5):360-364.），声信号会发生向下（向上）的弯曲传播。所以，在环境温度的影响下，低空无人机所处的环境是不均匀的，会造成无人机的声信号传播存在较大的变化。

1.3 风速对声信号传播的影响

风速会对实际的有效声速有影响，风速的变化会让声信号发生变化，导致对风速的测量存在偏差，在传播时信号会发生一定的弯曲。当声信号沿着风速进行传播时，风速与地面声速的和就是有效声速，随着高速的不断增加，空气会变得稀薄，导致无人机出现较小的摩擦力，风速也会随之增加，会让接近地层的高度有一个风力的传播速度。如果与地面垂直的高度增加，声波的传播信号就会发生扭曲，在逆风的条件下有效声速会成为声信号传播速度与风力传播速度的差值，导致声信号传播路径发生变化。所以，在低空状态下无人机的探测需要将风速影响进行重点考虑。

2.无人机模型雷达散射截面积的计算方式

雷达探测主要就是通过目标的散射功率进而寻找目标，通过雷达的散射截面积描述散射功率，描述公式为：

R表示雷达接收到目标天线的距离；Es与Eo表示入射波与散射波的电场。采用电磁仿真的方式分析低空小型无人机雷达探测的距离，计算无人机的RCS，建立无人机模型，如图1所示。在图1中，无人机的长度与宽度分别为270mm，高度与机翼的长度为160mm，制作材料有塑料、金属和玻璃（常文凯,胡龙飞,陈冬宇,等.轻型高机动低空监视雷达结构技术研究[J].现代雷达, 2018(1):92-96.）。

图1 小型无人机模型

通过雷达探测无人机的最大距离是本文研究的重点，因此入射角度非常重要，最好设置在目标的下放，入射的角度应该控制在0°≦a≦90°，通过电磁仿真能够得出在不同的频率下雷达目标的RCS值，如图2所示。

图2 不同频率不同入射角度下的无人机RCS

通过图2进行得出，波长与入射的角度是无人机的RCS值，通过改变角度能够使无人机的截面积发生改变，原因是由于反射体会被分解成很多散射体，若干个散射体之间可以与波长进行比较，当方向发生改变后接收机输入端的信号也会相应的发生变化，矢量也会随之更改，这样就会形成起伏的回波式的信号，在目前的研究中还没有具体的标准确定目标截面积的表示值。不同频率下的RCS值的起伏，难寻规律，只能采用在不同方向下截面积的平均值作为截面积的值进行表示。在不同频率下得到的无人机RCS值如表1所示，采用的是平均值的方式进行计算。

表1 不同频率下无人机的RCS值

3.大气衰减和地杂波对雷达探测距离的影响（尤俊彬,张喆.某小型低空高速无人机控制律设计与仿真[J].科技展望,2017(11).）

3.1 大气衰减对雷达探测距离带来的影响

根据目标的信号进行探测，分析限制的基本因素，列出雷达方程，通过雷达方程决定雷达能够在设定的距离范围内发现目标，并且能够得出最大的探测距离，公式为：

其中，雷达的发射功率用Pt表示，雷达的发射天线应Gt表示，雷达的接收天线有Gr表示，G=Gt=Gr，表示雷达采用的收发方式是相同天线。

当目标发出的频率较大时，大气衰减会对雷达探测距离造成一定的影响，并且当处于低空状态下时，雷达探测的距离会随着氧气和水蒸气被损耗，当大气压强p=1012hpa时，氧气和水蒸气的损耗率为：

F表示雷达的频率；pw表示水蒸气的密度。

地面水蒸气的密度为10.5g/m3时大气衰减率如图3所示。

当大气衰减受到一定影响时，雷达接收的功率就会相应的发生变化，此时的雷达方程为：

最大探测的距离需要通过雷达的方程式进行求出，算出在不同频率下的探测距离，如表2所示。

表2 大气衰减下不同频率的最大探测距离

图3 大气吸收衰减率

图4 雷达杂波图

3.2 地杂波对雷达探测距离带来的影响

通过图4可以得出，θe为雷达的夹角，θr为余角，R是雷达探测到的距离，得到地基雷达的杂波图。如果雷达的视轴方向就是锁定的目标方向，入射角为：θ＞θE/2。当入射角不再这个范围内，雷达会进入到杂波区域内，如果无人机在雷达上方150m的高度飞行，那么可以得出（程彦杰,马辉,徐宙.无人机分布式干扰对防空雷达探测能力的影响[J].指挥控制与仿真, 2014(3):9-12.）：

采用r-f模型进行描述，得出：

在公式a、b、c表示的是不同的地形，雷达工作的频率会根据不同的地形进行参数的表述，在不同地形下的值如表3所示。

表3 不同地形情况下的取值

目标与地面之前存在的距离较大，容易将无人机与地面的电磁干扰忽略不计，当B=100MHZ时，城市的地形会发生变化，得到的探测距离如图5所示。

图5 地杂波下的信杂比

图6 不同情况下雷达最大探测距离

4 仿真结果分析

通过对大气衰减以及地杂波对不同频率下雷达探测距离的影响分析，得到最大的探测距离，如图6所示。如果只考虑大气衰减与地杂波的影响，雷达最佳探测的频率为25GHz，探测到的最佳距离为17366m。

结束语：在进行低空小型无人机探测的过程中，雷达探测距离会受到地杂波的干扰而无法进行准确的判断，通过仿真的方式对地杂波对雷达探测距离干扰进行了分析。为了对小型无人机雷达探测距离分析的精确，通过电磁仿真计算无人机的雷达散射截面积，判断在不同频率下探射的范围，并根据大气衰减的情况得出雷达计算公式，得出精确的雷达探测距离。