一种无人机雷达告警系统设计

2019-07-22周铭金

舰船电子对抗 2019年3期

周铭金

(中国电子科技集团公司第五十一研究所，上海 201802)

0 引言

航空产业由于技术和成本的门槛较高，一直是远离普通群众的高端领域。直至无人机飞行器的面世，由于其无需搭载飞行员，而是利用无线遥控设备或自动飞控系统控制飞行的特性，不再需要考虑驾驶员的安全需求，使得飞行器研发的门槛大大降低。无人机在消费级和工业级的市场中大出风头，而在军用市场中，虽然目前尚未完全开放，随着国家军民融合政策的实施，无人机大量进入军用市场只是时间问题。

军用无人机对飞行器的飞行性能有着更高的要求，其军事用途包括侦察、诱饵、电子对抗、通信中继、靶机和无人战斗机等多种方向的应用，无人机飞行器将搭载不同的军用装备来完成不同的任务使命。这些装备的加入使得无人机的作用越来越丰富和重要，同时也使得无人机对敌方的威胁不断升级，愈加吸引敌方雷达的警戒关注甚至引导火力打击，无人机自身的安全问题日益凸显[1]。

面向无人机飞行器的安全需求，本文提出了一种无人机雷达告警系统设计方案，可大大提高无人机的安全性。

1 指导思路

无人机雷达告警系统与传统有人机雷达告警系统相比，使命任务类似，对周边空域的电磁环境进行感知，探测雷达信号。发现威胁雷达信号后做出威胁告警，提示飞行员/操控员进行规避[2]。

基于上述任务使命，告警系统工作时，需要接收周围的雷达信号，经过处理提取信号特征，并判断对应目标对自身平台的威胁程度，迅速给出告警信息[3]。工作流程如图1所示。

图1 告警工作流程

由于告警工作流程的高度相似性，无人机雷达告警系统的设计只需要在有人机雷达告警系统的传统设计上进行适应性改进即可。

1.1 雷达告警系统传统设计

雷达告警系统传统设计主要包含天线、接收机、处理机、显控界面、加卸载器等单元[4]，系统框图如图2所示。

图2 雷达告警系统框图

4个天线分别安装在机身周围不被遮挡的位置(如机头两侧、两翼翼尖、垂尾上方等)，用于射频信号的接收；接收机一般紧跟天线，用于测定目标的频率并对信号检波；多路检波视频信号在处理机的比幅电路中进行比幅测向；频率和方位信息相关处理后与加卸载器输入的目标特征参数匹配，输出威胁目标的方向等信息，在显示界面上显示。

1.2 无人机告警系统

无人机飞行器与有人机相比，飞行平台自身有着较大的差异，在进行告警系统设计时，也必须针对这些差异性做出相应的适应性改进设计。经分析对比，我们认为两者的差异性主要体现在以下几个方面：

(1) 无人机飞行器的承载能力在短时间内仍然无法与有人机媲美，无人机能承受的载荷重量远小于有人机平台，其能够搭载的雷达告警系统在体积和重量上都必须进行轻小型化、一体化设计[5]；

(2) 无人机由于本身体积小，隐蔽性高；雷达散射截面积(RCS)与有人机相比甚至可以下降一个量级，被敌方雷达发现并截获的距离近，相应地对雷达告警系统的作用距离等指标要求较低。

(3) 无人机本身不搭载飞行员，也就不涉及飞行员人身安全问题，无人机损毁造成的经济性损失一般仅限于飞行器及搭载的电子设备。雷达告警系统的设计成本如果过高，带来的收益可能还不如多造一架无人机，所以其雷达告警系统的设计应遵循以最小经济代价提供足够的告警能力[6]。

综上所述，本文针对无人机飞行器的上述特点构建的告警系统采用了大量的时分复用设计，以增加处理时间为代价，换来硬件资源的集中和规模缩减。雷达告警系统的框图如图3所示。

图3 无人机告警系统框图

4个天线平均分为2组，安装在机身两侧无遮挡的位置，如两翼翼尖；同一组的2个天线共用一个接收通道，紧靠天线安装，可与翼尖及附近一段机翼作共型设计；接收到的信号送至处理单元，经信号处理后，结果通过总线接口输出。

输出到机上总线的告警结果可集成在无人机本身的控制系统中显示，无须占用独立的硬件资源。

1.3 工作原理

天线用于电磁信号的接收，4个天线的主波束方向成正交分布安装，共同实现周围360°全方位范围的覆盖。

天线直接连接到接收单元，每2个天线接入1个接收单元，通过一组单刀二掷射频开关实现时分复用。被选中的一路射频信号随即通过分路器分为2路，其中1路用于幅度量化，接入幅度量化电路，经幅度量化后生成视频信号输出至处理单元；另一路用于频率测量，射频信号直接送入处理单元。

处理单元利用开关矩阵，可以实现对4个方向送来的信号进行时分循环处理。视频信号进入处理单元后，进入比幅测向电路，量化得出幅度信息；直接送来的视频信号，通过变频通道和本振混频，将频谱搬移到中频，经高速量化转变为数字信号，进行快速傅里叶变换(FFT)处理，并对结果进行峰值搜索得到频率、脉宽、到达时间等信号参数；2条支路相关处理，融合信号的频率和幅度等参数，形成完整的脉冲描述字(PDW)。对PDW经过一系列的分选、识别和匹配处理后，就可以得到告警结果。

处理单元具备多种总线接口，如光纤RapidIO、1553B、RS422、CAN等，用于将信号告警结果上报；同时也可接收控制命令和预设的数据库等。

2 系统组成和主要总体设计

雷达告警系统的组成主要包括4个天线、2个接收单元和1个处理单元。必要时2个天线可以集成到1个接收单元。

2.1 硬件设计

雷达告警系统采用4个天线覆盖360°、单个天线覆盖90°的空域的设计，可使用平面螺旋天线。注意相邻2个天线的安装必须保证天线主波束指向为90°夹角。天线罩采用高透波率的蜂窝材料，外形与无人机机身共型处理。

2个天线时分复用1个接收单元，需要完成信号的对数视频检波，具有宽频段(不低于16 GHz)、高灵敏度(优于-60 dBm)的要求，根据实际需求甚至需要追加大动态范围(大于70 dB)的需求，宽带微波对数放大器(DLVA)是完成信号检波的关键器件，该器件在电子战设备的应用中已逐渐趋于成熟，经济成本也可以逐渐得到控制。

2个接收单元时分复用1个处理单元，需要完成频谱搬移和信号处理，变频通道采用超外差体制，将整个频带划分为4个子频段，将频谱搬移至中频基带。信号采集后需要进行大量的信号量化和逻辑运算处理，得益于现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)智能芯片的高速发展，1片Xilinx K7 系列FPGA和1片TMSC320系列DSP的运算组合可以基本满足告警系统逻辑运算处理的需求。

告警结果可通过通用总线上报，借用无人机的机上处理平台和地-空通讯链路下传到地面控制平台。告警界面同样集成到无人机的地面控制界面中，复用显控硬件平台，可以进一步精简雷达告警系统硬件设计。

2.2 测向体制

无人机雷达告警系统采用比幅测向体制对信号到达方位进行测量，由于采用了时分复用接收通道，故而无法在同一时刻同时得到多个方位的信号幅度，不能实现同源脉冲同时比较处理，也就无法实现单脉冲比幅测向。

对此，无人机雷达告警系统将采用相邻脉冲间的比幅测向法，通过提取辐射源的相邻脉冲在不同通道的幅度，进行比较后计算辐射源的信号到达角度。

对于固定目标或慢速运动目标辐射源，在一个足够短的时间间隔内，可以认为辐射源发射波形能量的空域分布近似保持不变。举个例子，雷达的波束宽度一般为零点几度到几度，采取圆扫工作方式时，同时其扫描周期一般为10 s/转，也就是角速度为0.036°/ms，在10 ms的时间内该雷达的主波束转过的角度为0.36°，远小于其主波束自身的宽度，可以认为在同一个方向上，这一时间间隔内该雷达发射波形的能量空域分布关系基本没有发生改变，也就是邻近的脉冲幅度并无波动，在这一时间间隔内，同一通道接收到的脉冲幅度值可认为是保持不变的。

换而言之，当时间间隔足够小时，2个通道在依次收到相邻脉冲信号幅度后可以用比幅测向法计算信号到达方向，效果等价于单脉冲比幅测向。

邻近脉冲比幅测向理论是无人机雷达告警设备总体设计的基础和重要依据。

3 系统工作流程

无人机雷达告警系统的工作流程如图4所示。

4个天线在4个方向上收到的视频信号在接收单元经过一次开关选择，时分复用2个宽带对数检波通道，得到2路检波后视频信号和2路射频信号，送入处理单元。在处理单元内通过开关矩阵，再次进行时分复用，选择其中1个方向送来的1路视频信号和1路射频信号进行幅度采集、频率测量和相关融合处理。在进行频率测量时，经变频通道将大带宽16 GHz信号搬移到4 GHz的中频信息，在此划分了4个频段时分复用测频通道，达到覆盖16 GHz大带宽的频率覆盖。