防空体系应对“低慢小”无人机难点及措施

江 浩

空军工程大学 陕西 西安 710051

引言

由于隐身飞机的迅猛发展,以及低空/超低空在战场上的使用频率越来越高,雷达对这些目标的探测回波信号也越来越小,预警雷达往往显得束手无措。以无人机为代表的低空突防武器大多飞行在600m以下空域,利用地形、地物的遮蔽,以及强烈地/海杂波和多径效应的干扰,致使目标回波信号淹没于强海/地物杂波中,而且目标本身能量较弱难以积累,同时目标多普勒频率较低与慢速杂波在频域难以区分,致使传统检测方法难以实现此类目标探测,造成防空警戒雷达和其他防空武器对其探测性能大大降低。为了应对低慢小目标在军民领域带来的重大威胁,解决如何对此类目标进行准确探测并进行拦截和打击已成为十分具有现实意义的研究课题。而采用信号处理的方法提高对此类的检测能力不仅手段灵活,且成本较低。开展对杂噪背景下此类目标检测技术的研究,对充分发挥我国预警雷达潜力,改进现役雷达性能、研制新体制雷达和提高我国警戒雷达网的“四抗”(抗干扰、抗隐身、抗反雷达导弹和抗超低空突防)能力具有十分重要现实意义。

一、“低、慢、小”定义

学术界对于“低、慢、小”的定义并没有一个明显的界限,但形成了一个基本共识:具有飞行在低空或者超低空(h＜1000m),雷达散射截面积小(RCS＜2m2),飞行速度慢(V＜200km/h)等运动特性的一类目标。

二、“低、慢、小”探测难点

由于低慢小目标的飞行高度低、RCS小以及飞行速度慢等特点,决定了防空体系的预警装置对此类目标进行探测时主要面临有以下几个难点问题:

难点1:杂波分析难度大

低慢小目标所处的战场环境相对于正常的空域来说,杂波环境更加复杂,使得分析杂波性质的难度变大。在杂波中对雷达目标进行探测,第一是必须清楚杂波特性,包括幅度特性、空间谱特性、非线性变化特性、时空相关特性等。但由于受地/海杂波、气候、地形等其他环境因素,另外还受载雷达的平台、雷达波段、极化波、所处高度、分辨率等参数的影响,使得对杂波性质的研究变得非常困难。另外实测数据的缺乏,也为探测杂波中目标的研究带来了阻碍。

难点2:信杂比低

检测难度大的原因包括非均匀的复杂背景以及较低的信杂比回波,由于“低、慢、小”无人机的飞行高度很低,并且雷达的目标回波信号受到很强的地(海)杂波干扰,导致目标的信噪比大幅度降低。另外,由于目标的RCS比较小,所以它的回波信号能量会淹没在各种杂波以及噪声之中难以被检测到。所以在下一步需要研究如何在低信杂比的条件下累积目标回波能量。

难点3:杂波种类多

“低、慢、小”无人机的目标多普勒频率非常小,并且由于它的飞行速度小于200km/h,所以导致无人机反射给雷达的信号多普勒频率非常小,甚至接近了零频,并且与地杂波和慢杂波之间有严重的重叠,导致在经典频域的滤波手段大大降低,难以完成有效的探测。

难点4:检测手段少

目前,“低、慢、小”目标的检测算法和检测性能难以验证和评价。检测性能评估需要完整的测量数据和相应的工程处理手段,不同测试环境和不同类型的低速小目标对不同雷达频率、极化等参数的响应不同,因此,很难进行全面的分析和验证;其次,公共数据很少,建立测量数据库需要雷达、低速小目标、测试场地、采集设备等硬件和软件的建设以及观测和积累从长期的系统来看,可能需要几十年的时间,目前对“弱”目标的检测算法和检测性能难以验证和评价。检测性能评价需要完整的测量数据和相应的工程处理方法。不同的测试环境和不同类型的低速小目标对不同的雷达频率、偏振等参数有不同的响应第。因此,很难进行全面的分析和验证;其次,公共数据很少。测量数据库的建设需要雷达、低速小目标、测试场地、采集设备、辅助设备等软硬件的建设和数据的积累。评论。一个长期的系统,这可能需要几十年的时间。

三、现有探测“低、慢、小”方法

(一)雷达探测。雷达的基本组成部分包括发射机、接收机、收/发天线、天线收发转换开关和显示设备。以及电源设备、数据录取设备、抗干扰设备等辅助设备。应用泛探体质雷达、全态势感知雷达、多任务雷达、红外传感器、光电传感器、无线WLAN传感器等多类探测技术进行分布式组网预警。其中全态势感知雷达与现有的雷达相比,其优点在于,采用Digital Beam Forming技术,可以实现360°全方位的态势感知,可以针对不同方向来袭的无人机进行捕捉跟踪。另外采用多任务雷达,可以同时跟踪多批次、多架次无人机,避免了漏跟、错跟的情况。采用分布式的组网探测、可以提高各个雷达的有源抗干扰的能力,提高各个雷达在战场上的生存能力。利用雷达来探测“低慢小”无人机技术可以从以下两点进行突破:(1)设计合适的雷达体制、信号频率等;(2)开发更高效的杂波抑制、自适应恒虚警检测、点迹聚集、脉冲压缩和单脉冲测角等关键算法。

(二)激光探测。激光探测系统主要组成设备包括:发射源、接收装置、处理装置和显示装置。根据测量原理可以将激光测距分为相位式和脉冲式。脉冲式的测距原理是利用激光脉冲在系统和目标之间来回传输一次所使用的时间计算出目标的距离。相位式的测距原理是利用调制的连续光波在探测系统和目标之间来回一次所发生的相移计算出目标的距离。2004年,李大社等人进行试验,在激光探测器的引导下,通过计算验证了功率10mw、重频10pps的激光在激光探测器的引导下可以跟踪较大的无人机[1]。目前激光探测基本情况是:探测距离在100米左右,如果在0-20us的范围内对“低慢小”无人机进行跟踪,测量的相对误差能够达到10-5量级。

(三)金属探测。基本上所有的“低慢小”无人机都含有金属架构,这样理论上,我们可以采用金属探测的方法。金属探测器中应用范围较广的类型是电磁感应型探测设备,它的探测原理是利用金属会在交变电磁场中产生干扰效应来检测金属,从而达到探测“低、慢、小”无人机的目标。