MIMO雷達在城市安保防空系統(tǒng)的應用

朱文濤，宋凱，馮瑞

（中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西西安710068）

MIMO雷達在城市安保防空系統(tǒng)的應用

朱文濤，宋凱，馮瑞

（中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西西安710068）

針對城市安保面臨的低慢小目標探測難的問題，結合多輸入多輸出（Multiple-InputMultiple-output，MIMO）雷達的優(yōu)勢，提出了一種基于MIMO雷達的城市安保防空系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于利用MIMO雷達解決了小型飛行目標在強雜波干擾下的遠距離探測問題，為后續(xù)的跟蹤和打擊提供了充分的反應時間。

城市安保；防空；小型飛行器；MIMO雷達

引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，低空空域逐漸開放，未來小型私人飛機、航拍無人機等小型民用飛行器將大大增多，這就對城市的安保帶來潛在的威脅，因為這些小型飛行目標成本低廉、操作簡單、攜帶方便、容易獲取、且升空突然性強、發(fā)現(xiàn)處置困難，很容易被恐怖分子或不法分子作為運載爆炸物品、投放有毒物品、散播傳單的工具，嚴重威脅重大活動、重點區(qū)域以及人民的生命安全。如何防范這些小型飛行目標已經(jīng)成為現(xiàn)代城市安保必須解決的問題［1］。

現(xiàn)有針對小型飛行目標的安保系統(tǒng)是集雷達、聲學、光電、電磁、武器等手段于一體的系統(tǒng)［2-3］，該系統(tǒng)采用由遠及近的層次化防御，雷達手段負責目標的中遠距離探測預警，光電手段負責近距離的目標指示，而電磁和武器手段負責目標的打擊。然而，上述小型飛行目標由于飛行速度慢，飛行高度低，體積小并且所處環(huán)境復雜（建筑物林立，電磁環(huán)境、氣象環(huán)境、交通環(huán)境復雜），給現(xiàn)有安保系統(tǒng)帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)為：1）雷達探測難。目標所處城市背景越來越復雜，目標的速度越來越低，目標飛行的高速越來越低，且目標使用材料具有波透特性，因此，目標的雷達截面積很小，容易被強地物雜波和強噪聲所淹沒，導致雷達回波信號的信雜比或信噪比低，影響雷達的檢測性能［4］；2）聲學探測難。小型飛行目標的噪聲主要是由發(fā)動機和飛行過程中產(chǎn)生的空氣擾動噪聲，這些噪聲與周圍環(huán)境噪聲相比非常小，這就使得聲學探測失效；3）光電探測難。小型飛行目標動力系統(tǒng)由于體積小、效率高，其紅外輻射特征低，使得紅外探測手段較難發(fā)現(xiàn)。并且這些目標使用的材料具有吸波、透射、導光等特性，可減小激光反射，給激光探測帶來極大的困難［5］。此外，光學成像手段需要明確的目標指示，如果沒有目指信息，光學成像手段需要較長的時間進行目標的搜索，這就大大縮短了后續(xù)打擊系統(tǒng)的反應時間。

針對上述問題，本文結合MIMO雷達［6-8］在弱小目標探測的優(yōu)勢，提出了一種基于MIMO雷達的城市安保防空系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于利用MIMO雷達解決了小型飛行目標在強雜波干擾下的遠距離探測問題，為后續(xù)的跟蹤和打擊提供了充分的反應時間。

1　典型城市反無人機系統(tǒng)

典型的城市安保防空系統(tǒng)主要由雷達、聲學、光電和武器等手段構成，其流程圖如圖1所示。

圖1　城市安保防空系統(tǒng)

由圖1可以看出，城市安保防空系統(tǒng)采用由遠及近的層次化防御，首先通過雷達探測手段，在中遠距離對目標進行探測，提供目標的中遠距離的信息，并傳遞給聲學或光電探測環(huán)節(jié)；其次，聲學或光電探測手段根據(jù)雷達提供的目指信息，有針對性地對目標進行探測和跟蹤，待穩(wěn)定跟蹤目標后，將跟蹤數(shù)據(jù)傳遞給武器打擊環(huán)節(jié)；最后，武器打擊環(huán)節(jié)根據(jù)目標的跟蹤信息有選擇地使用一定手段對目標進行打擊。

由上述的處理流程可以看出，雷達探測手段在整個系統(tǒng)中起著非常重要的作用，雷達探測手段為后續(xù)探測和跟蹤手段提供了目標的預警信息。如果雷達探測手段不能有效地提供目標的預警信息，那么后續(xù)探測手段將花費很長的時間進行目標的探測，使得目標突防的概率倍增。圖2給出了歐洲blighter公司研制的一套城市安保防空系統(tǒng)，該系統(tǒng)由雷達、光學、電磁屏蔽三部分組成。

圖2　blighter反無人機系統(tǒng)

現(xiàn)有雷達探測手段采用波束掃描方式實現(xiàn)目標的探測，即雷達波束在空間依次掃描實現(xiàn)全空域覆蓋，這就意味著雷達波束在某一空間的駐留時間是有限制的。而小型飛行器目標飛行高度低、飛行速度慢、其背景雜波非常強且目標的多普勒頻率與雜波頻率混疊。由于背景雜波在短時間內(nèi)具有相關性，那么現(xiàn)有采用波束掃描方式的探測手段就不能有效檢測目標。為了有效地檢測目標，需要雷達波束對目標進行長時間照射，獲取目標的長時間觀測信息，利用長時間積累技術，在抑制雜波的同時實現(xiàn)目標能量的有效積累，從而實現(xiàn)目標的有效探測。然而，如果掃描雷達的波束在某一空間駐留時間太長，那么掃描整個空域的時間將大大增加，這就增加了目標的漏警概率。因此，如何解決掃描時間和漏檢概率的問題是小型飛行器目標探測的關鍵。

2　基于M IM O雷達的城市反無人機系統(tǒng)

MIMO雷達作為一種新型雷達在21世紀初正式提出后，引起了國內(nèi)外眾多學者和研究機構的濃厚興趣［6-8］。

MIMO雷達在發(fā)射端使用多個正交的信號實現(xiàn)空間的全域覆蓋，在接收端的每個陣元接收所有發(fā)射信號并通過匹配濾波組分選得到多路回波［9］，從而引入了遠多于實際物理陣元數(shù)目的觀測通道和自由度，與傳統(tǒng)的單/多基地或相控陣雷達相比極大地提高了雷達的總體性能。由于MIMO雷達可以同時對空間進行全域覆蓋，因此，MIMO雷達可以不用進行波束掃描對目標進行探測，而是對目標進行凝視探測。MIMO雷達的探測示意圖如圖3所示。

圖3　MIMO雷達探測示意圖

由圖3可以看出，MIMO雷達在發(fā)射端通過發(fā)射相互正交信號在空間中形成全域覆蓋的波束（圖中深色圖形），這就可以對目標進行長時間照射；在接收端利用同時多波束技術同時形成覆蓋全域空間的窄波束（圖中淺色圖形）。由于MIMO雷達可以提供目標的長時間觀測數(shù)據(jù)，那么利用長時間積累技術［10］不僅可以實現(xiàn)目標能量的有效積累，而且還可以有效抑制雜波，因為雜波在長觀測時間內(nèi)的相關性逐漸減弱，由此可以實現(xiàn)小型飛行器目標的有效探測，進而為后續(xù)跟蹤和打擊提供充分的反應時間?；诖?，本文提出一種基于MIMO雷達的城市安保防空系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4　基于MIMO雷達的城市安保防空系統(tǒng)設計

圖4所示的城市安保防空系統(tǒng)采用自下而上的設計結構，最低層為運載平臺，由下而上依次為MIMO陣列雷達、光電設備和武器系統(tǒng)、電磁設備。MIMO陣列雷達負責小型飛行器的中遠距離探測預警并給光電設備提供目標指示信息；光電設備負責目標的精確跟蹤并配合武器系統(tǒng)對目標進行打擊；電磁設備負責對小型飛行器，特別是無人機進行電磁屏蔽，擾亂目標的飛行。

3　結語

本文針對城市安保面臨的低慢小目標探測難的問題，結合MIMO雷達探測低慢小目標的優(yōu)勢，提出了一種基于MIMO雷達的城市安保防空系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于利用MIMO雷達解決了小型飛行目標在強雜波干擾下的遠距離探測問題，為后續(xù)的跟蹤和打擊環(huán)節(jié)提供充分的反應時間，進而開展有效的打擊。

［1］王忠，馬妍，王連榮.防空作戰(zhàn)中“低慢小”目標威脅度評估［J］.艦船電子對抗，2013（12）:103-105.

［2］秦清，徐毓.“低慢小”目標裝備協(xié)同探測分配問題研究［J］.空軍雷達學院學報，2012，26（1）:28-31.

［3］董建軍，周坦勝.“低慢小”目標的對抗措施研究［C］//2014（第五屆）中國無人機大會論文集，2014:28-31.

［4］徐偉，戴春華.海雜波背景下慢速小目標探測技術研究［J］.艦船電子對抗，2012，35（1）:49-51.

［5］韓曉飛，蒙文，李云霞，等.激光防御“慢速小”目標的關鍵技術分析［J］.激光與紅外，2013，35（8）:868-870.

［6］陳浩文，黎湘，莊釗文.一種新興的雷達體制—MIMO雷達［J］.電子學報，2012，40（6）:1 190-1 198.

［7］王懷軍，徐江波，陸珉，等.MIMO雷達技術及其應用分析［J］.雷達科學與技術，2009（4）:245-249.

［8］李先茂，董天臨，黃高明.MIMO雷達及其特性綜述［J］.現(xiàn)代防御技術，2015，43（4）:124-131.

［9］趙永波，董玫，張守宏.MIMO雷達的信號處理方法研究［J］.航空計算技術，2009，39（3）:103-106.

［10］夏卓卿，陸軍，陳偉建.凝視動目標相參積累技術研究［J］.中國電子科學研究院學報，2009，4（5）:498-502.

（編輯：王璐）

Application of the MIMO Radar on City Security Aerial Defense System

Zhu Wentao，Song Kai，F(xiàn)eng Rui
（China Electronics Technology Group Corporation No.20 Research Institute，Xi'an Shaanxi 710068）

Aiming at the problem of security guard against the small aircraft，an new city security aerial defense system is designed on the advantage of MIMO radar on the detection for the small aircraft.The system has the advantage that it can realize long distance detection of small targets by utilizing MIMO radar and provide sufficient reaction time for the following tracking and striking link.

City security，aerial defense，small aircraft，Multiple-Input Multiple-output（MIMO）radar

TN951

A

2095-0748（2016）10-0084-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.10.35

2015-04-23

朱文濤（1985—），男，山東省臨沂人，博士，工程師，現(xiàn)就職于中國電子科技集團公司第二十研究所。