便攜式地面監(jiān)視雷達(dá)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

萬建崗 葛代河 藺美青 周艷

(1. 空軍預(yù)警學(xué)院 武漢 430019；2. 94878部隊 蕪湖 241000)

總體工程

便攜式地面監(jiān)視雷達(dá)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

萬建崗1葛代河2藺美青1周艷1

(1. 空軍預(yù)警學(xué)院 武漢 430019；2. 94878部隊 蕪湖 241000)

便攜式地面監(jiān)視雷達(dá)是前沿作戰(zhàn)部隊獲取戰(zhàn)場信息的一種主要傳感器，同時具有邊境與海岸監(jiān)視、重要設(shè)施保護(hù)等多種用途，具有廣闊的應(yīng)用前景。介紹了便攜式地面監(jiān)視雷達(dá)的功能、特點及用途，回顧了該類雷達(dá)的技術(shù)發(fā)展概況，對比了目前國內(nèi)外典型便攜式地面監(jiān)視雷達(dá)戰(zhàn)技術(shù)性能指標(biāo)，從雷達(dá)工作體制、天線形式、收發(fā)系統(tǒng)、信號處理、數(shù)據(jù)處理和人機(jī)接口上，對當(dāng)前該類雷達(dá)的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納總結(jié)，最后展望了其技術(shù)發(fā)展趨勢。

地面監(jiān)視雷達(dá)；目標(biāo)自動識別；地理信息系統(tǒng)

Abstract: The portable ground surveillance radar is a main sensor for frontline combat troops to obtain information in battlefield, which can also provide multiple purposes simultaneously like border and coastal surveillance, important infrastructure protection, and so on; it has wider application prospect. The function, characteristics and purpose of portable ground surveillance radar is introduced, and its general technical development situation is reviewed; tactical and technical performance index of typical domestic and abroad portable ground surveillance radar is compared. The technical status of this kind of radar is summarized from aspects of radar operation system, antenna form, transceiving system, signal processing, data processing and human-machine interface. And finally, its technical development trend is viewed.

Keywords：ground surveillance radar; automatic target recognition; geographic information system

0 引言

高科技常規(guī)戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場實時信息有效獲取是贏取局部戰(zhàn)爭的決定性因素之一，交戰(zhàn)雙方誰掌握的戰(zhàn)場情報多、及時而又準(zhǔn)確，誰就能牢牢把握戰(zhàn)場主動權(quán)。便攜式地面監(jiān)視雷達(dá)是獲取戰(zhàn)場信息的一種主要傳感器，采用超輕型設(shè)計，供步兵小組便攜使用，以偵察、監(jiān)視敵方運動中的人員、車輛、坦克、直升機(jī)等活動目標(biāo)，測定其方位、距離和速度等參數(shù)，判斷其性質(zhì)和運動情況，及時掌握戰(zhàn)場態(tài)勢的變化，為己方實施火力打擊提供目標(biāo)情報，特別適合前沿作戰(zhàn)部隊實時獲取周邊戰(zhàn)場信息，與其他戰(zhàn)場偵察設(shè)備如聲測、光學(xué)、紅外器材相比，具有輕便快捷、實時偵察、大面積監(jiān)視、探測距離遠(yuǎn)、定位精確、全天候工作等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代戰(zhàn)場上不可缺少的重要偵察裝備之一。近年來，恐怖主義、非法越境、武器和毒品交易成為各國安全的主要威脅，地面監(jiān)視雷達(dá)也可用于邊境與海岸監(jiān)視、重要設(shè)施保護(hù)、緝毒、反走私偷渡和恐怖分子以及國際維和等諸多行動中，具有廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。

1 國內(nèi)外便攜式地面監(jiān)視雷達(dá)技術(shù)

國外于20世紀(jì)50年代開始研究地面監(jiān)視雷達(dá)，美國、英國、以色列等國家都先后成功研制了先進(jìn)的地面監(jiān)視雷達(dá)。70年代，微波器件功率的增加、晶體管技術(shù)、計算機(jī)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了便攜式地面監(jiān)視雷達(dá)體積、重量、機(jī)動性的有效改善，進(jìn)入90年代以后，隨著微電子技術(shù)迅猛發(fā)展和雷達(dá)技術(shù)的不斷提高，地面監(jiān)視雷達(dá)采用更先進(jìn)的技術(shù)，例如脈沖壓縮、相控陣、低截獲概率、數(shù)字地圖等技術(shù)，出現(xiàn)了一批性能優(yōu)良的便攜式地面監(jiān)視雷達(dá)，像美國的ARSS雷達(dá)、英國的MSTAR系列雷達(dá)[5，6]，如圖1、2所示。這些雷達(dá)在海灣戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭中都得到了很好的應(yīng)用，前沿部隊在作戰(zhàn)中，經(jīng)常利用地面監(jiān)視雷達(dá)捕獲目標(biāo)，并將目標(biāo)信息移交給炮兵部隊和近距離空中支援飛機(jī)，以實施火力打擊，地面監(jiān)視雷達(dá)與光電傳感設(shè)備，無人偵察機(jī)以及偵察衛(wèi)星構(gòu)成近程，中程，遠(yuǎn)程，全方位立體式的偵察系統(tǒng)。美軍的信息獲取手段相當(dāng)先進(jìn)，但還是在作戰(zhàn)部隊中配備地面監(jiān)視雷達(dá)，因為在實際作戰(zhàn)中戰(zhàn)場環(huán)境瞬息萬變，衛(wèi)星、通信難免會出現(xiàn)受到干擾中斷的情況，在作戰(zhàn)前沿通過隨隊攜帶的偵察雷達(dá)獲取戰(zhàn)場信息是最實時保險的。

另外還有以色列的EL/M-2140NG雷達(dá)如圖3所示，主要用于以色列的邊界安全防護(hù)中，由多部地面監(jiān)視雷達(dá)構(gòu)成電子防護(hù)網(wǎng)，可以晝夜全天候準(zhǔn)確探測定位和偷越邊境的恐怖分子[7]。

目前國外具有典型代表的便攜式地面監(jiān)視雷達(dá)主要有美國的ARSS、英國的MSTAR、德國的BOR2-A550、荷蘭的SQUIRE、以色列的EL/M-22140NG及南非的NgadaRSR950等，其性能對比如表1所示[8-15]。

圖1 美國ARSS雷達(dá)

圖2 英國MSTAR雷達(dá)

圖3 以色列EL/M-2140NG雷達(dá)

美國英國德國荷蘭以色列南非型號ARSSMSTARBOR-A550SQUIREEL/M-2140NGNgadaRSR950體制脈沖多普勒脈沖多普勒調(diào)頻連續(xù)波脈沖多普勒調(diào)頻連續(xù)波頻率X波段J波段I波段J波段X波段I/J波段作用距離(km)行人101115101412車輛152228152515坦克302638256027測距精度(m)2512152方位精度(°)0.30.350.60.40.25扇掃速度1.3/2.6/3.8rpm5種,最快24°/S0、12、20°/S發(fā)射峰值功率5W(脈沖壓縮)1W/10W3W10mw/100mW/1W25W2W收發(fā)電路固態(tài)固態(tài)固態(tài)固態(tài)固態(tài)固態(tài)天線形式平板拋物面拋物面平板拋物面平板天線尺寸40×60cm120×45cm天線增益(dB)3134顯示方式B顯、雜波圖、數(shù)字地圖B顯綜合顯示器彩色LCD2D/3D數(shù)字地圖彩色LCD目標(biāo)識別耳機(jī)、自動識別耳機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動識別耳機(jī)、視頻特征識別耳機(jī)、多普勒光譜圖識別重量(kg)23kg46kg75kg45kg65kg43.8kg架設(shè)時間(min)3510MTBF(h)20001400

國內(nèi)在這方面研究起步相對較晚，近二十多年來，我國成功研制了便攜式地面監(jiān)視雷達(dá)，如ST-312、JY-17，但整體性能與國外相比存在一定的差距[16，17]。ST-312雷達(dá)工作于X波段，采用準(zhǔn)相參脈沖多普勒體制，單兵探測距離15km，車輛探測距離25km，采用B顯顯示目標(biāo)的距離和方位；整個系統(tǒng)分為雷達(dá)天線，電子設(shè)備箱，顯控單元，電源設(shè)備，雷達(dá)總的重量大于65kg，其中主機(jī)35kg，機(jī)動能力一般，撤收和架設(shè)麻煩，攜帶不便。JY-17工作于X波段，采用全相參脈沖多普勒體制，探測距離對單兵2km，對車輛5km，總的重量小于30KG，采用傳統(tǒng)的聽取多普勒音頻信息來進(jìn)行目標(biāo)分類和識別，這種近程探測距離在國外都已經(jīng)實現(xiàn)手持式，單兵直接手持小型地面目標(biāo)雷達(dá)就可以實現(xiàn)對近距離范圍的目標(biāo)進(jìn)行探測。

另外，在2014年度珠海航展上，我國展出了LD-JX型地面監(jiān)視雷達(dá)，該型雷達(dá)可以對指定區(qū)域內(nèi)的人員、車輛、艦船等活動目標(biāo)進(jìn)行探測、定位，用于重要區(qū)域、邊境、海岸線監(jiān)視和戰(zhàn)場偵察，使用固態(tài)發(fā)射機(jī)，采用脈沖多普勒體制，體積小，重量輕，功耗低，自動化水平高，具有較強(qiáng)的多平臺擴(kuò)展能力[18]，如圖4所示。

圖4 LD-JX地面監(jiān)視雷達(dá)

縱觀國內(nèi)外便攜式地面監(jiān)視雷達(dá)裝備情況，結(jié)合該類型雷達(dá)功能特點和要求，可以從雷達(dá)工作體制、天線形式、收發(fā)系統(tǒng)、信號處理、數(shù)據(jù)處理和人機(jī)接口上，對當(dāng)前該類型雷達(dá)的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行一定的歸納總結(jié)。

a)在雷達(dá)工作體制上，國內(nèi)外便攜式戰(zhàn)場地面目標(biāo)雷達(dá)主要采用兩種體制，分別是調(diào)頻連續(xù)波體制，如荷蘭的SQUIRE雷達(dá)、南非的Ngada RSR950雷達(dá)等；脈沖多普勒體制，如美國的ARSS雷達(dá)、德國的BOR-A 550雷達(dá)、我國的ST-312雷達(dá)，調(diào)頻連續(xù)波地面監(jiān)視雷達(dá)的發(fā)射信號是用周期性的鋸齒波或正弦波電壓進(jìn)行頻率調(diào)制的連續(xù)波?；顒幽繕?biāo)的回波信號與發(fā)射信號的樣本進(jìn)行相關(guān)以后，在目標(biāo)所處的距離門中可檢測出它的多普勒頻率。用耳機(jī)監(jiān)聽多普勒頻率的音響，或用顯示器察看其波形，就能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并判斷其屬性。與脈沖體制相比，在同樣的探測距離下，發(fā)射功率大幅下降，具有很好的低截獲概率，但是連續(xù)波雷達(dá)的發(fā)射與接收是同時進(jìn)行的，存在信號隔離與泄漏問題，發(fā)射功率不宜加大，常用于近程地面監(jiān)視雷達(dá)中。脈沖多普勒地面監(jiān)視雷達(dá)可看成連續(xù)波雷達(dá)采用脈沖振幅調(diào)制的特例，它發(fā)射窄脈沖信號，利用一連串相鄰的回波脈沖中所包含的多普勒頻率信息來檢測活動目標(biāo)，這種雷達(dá)檢測目標(biāo)的速度快，能同時掌握多批目標(biāo)。對回波進(jìn)行相參檢波后，得到的視頻脈沖相當(dāng)于以脈沖重復(fù)頻率對多普勒信號的周期采樣，只要脈沖重復(fù)頻率足夠高，就可以濾出所關(guān)心的目標(biāo)回波多普勒頻率，所以它能用來測速，以及通過對單根譜線的濾波處理以抑制地物、海浪、氣象雜波和其他無源干擾，由于脈沖多普勒體制具有上述優(yōu)點，而且又不存在連續(xù)波雷達(dá)泄漏問題，所以中程以上的戰(zhàn)場地面目標(biāo)雷達(dá)普遍采用這種體制。但與調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)相比，在同樣探測距離條件下，所需發(fā)射功率大、容易被地方雷達(dá)對抗設(shè)備截獲，需要選擇合適的雷達(dá)信號，以改善雷達(dá)低截獲能力[19]。

b)在雷達(dá)天線形式上，主要有拋物面天線和平板天線，英國的MSTAR雷達(dá)、德國的BOR-A 550雷達(dá)，我國的ST-312雷達(dá)，采用了拋物面天線，這種天線具有高增益、低副瓣、功率容量大的特點，但存在體積大，不便于攜帶的問題，雷達(dá)的重量普遍大于50kg，其中天線占據(jù)很大比重；美國的ARSS雷達(dá)、我國的JY-17雷達(dá)采用了平板天線結(jié)構(gòu)，平板天線具有體積小、重量輕的顯著特點，但是功率容量小，增益低，大多數(shù)用于近程地面監(jiān)視雷達(dá)中。

c)在收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計上，由于便攜式地面監(jiān)視雷達(dá)在野外環(huán)境工作，生存環(huán)境相當(dāng)惡劣，系統(tǒng)普遍采用蓄電池供電，要求雷達(dá)具有低功耗的特點，為實現(xiàn)“看得準(zhǔn)，跑得快”，要求便攜式雷達(dá)運輸方便、架設(shè)快捷，整機(jī)系統(tǒng)應(yīng)滿足雙人背負(fù)。收發(fā)系統(tǒng)作為便攜式地面監(jiān)視雷達(dá)的核心部分，主要具有低功耗、小體積、輕重量的特點，國內(nèi)外地面監(jiān)視雷達(dá)廣泛采用固態(tài)集成電路、微波集成電路、低功耗電路、及模塊化設(shè)計，如全固態(tài)發(fā)射機(jī)、數(shù)字集成鎖相環(huán)頻率源、數(shù)字中頻接收、輕型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計技術(shù)，構(gòu)成集成模塊化收發(fā)通道，簡化電路和結(jié)構(gòu)形式、減小雷達(dá)的體積和重量，提高整機(jī)可靠性、機(jī)動性[20]。

d)在雷達(dá)信號處理上，國內(nèi)外便攜式地面監(jiān)視雷達(dá)普遍采用脈沖壓縮技術(shù)、動目標(biāo)顯示/檢測、恒虛警處理。脈沖壓縮技術(shù)主要解決雷達(dá)探測距離和距離分辨率的矛盾，提高雷達(dá)的探測距離和抗干擾能力；動目標(biāo)顯示/檢測用于提取強(qiáng)地物雜波中的運動目標(biāo)，以快速傅里葉變換為基礎(chǔ)，同時保證系統(tǒng)在距離和速度上的高分辨率，是雷達(dá)抗地物雜波干擾的主要措施；恒虛警技術(shù)針對地物雜波變化突然、隨機(jī)性大、范圍有限的特點，根據(jù)雜波的概率分布和強(qiáng)度的變化，自動調(diào)整檢測門限，以利于雷達(dá)對目標(biāo)的檢測[21，22]。

e) 在數(shù)據(jù)處理和人機(jī)接口上，目前國內(nèi)外先進(jìn)的地面監(jiān)視雷達(dá)普遍采用B顯、數(shù)字地圖顯示方式，如美國的ARSS雷達(dá)和以色列的EL/M-2140NG雷達(dá)，對于目標(biāo)識別，在具備傳統(tǒng)的音頻信號識別的基礎(chǔ)上，采用各種新算法、新方法進(jìn)行目標(biāo)自動識別，如德國的BOR-A 550雷達(dá)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)自動識別，能夠區(qū)分單人、人群、輪式車、履帶車、船以及直升機(jī)等，南非的Ngada RSR950雷達(dá)利用目標(biāo)多普勒光譜圖對目標(biāo)進(jìn)行識別。

2 便攜式地面監(jiān)視雷達(dá)的發(fā)展趨勢

近年來，各國在對原設(shè)備進(jìn)行輕小型化的同時，利用快速發(fā)展的雷達(dá)技術(shù)，不斷提高雷達(dá)的性能。隨著新技術(shù)和新器件的不斷出現(xiàn)，便攜式地面監(jiān)視雷達(dá)正朝著輕小型化、多功能、高分辨率、高精度、高可靠性、高生存能力、高抗干擾能力方向發(fā)展，具體體現(xiàn)在如下幾個方面。

a)向輕小型化、便攜式方向發(fā)展，除收發(fā)系統(tǒng)采用全固態(tài)集成度電路、集成模塊化設(shè)計、新型復(fù)合材料一體化設(shè)計以外[23]，天線形式趨于平板化，采用新型平板天線，如基片集成波導(dǎo)縫隙陣列天線，減小天線體積，同時具備較大的增益；采用輕型大容量電池、平板顯示器，進(jìn)一步減小雷達(dá)的體積，減輕重量，提高整機(jī)機(jī)動性和輕小型化水平。

b)提高低截獲概率及抗干擾性能。在采用脈沖壓縮技術(shù)、動目標(biāo)顯示/檢測、恒虛警處理基礎(chǔ)上，雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)采用低功率發(fā)射并集成功率管理技術(shù)，發(fā)射信號采用低截獲信號如偽隨機(jī)二相編碼信號，它類似于熱噪聲，不容易被敵方截獲，信號容易處理[24]；天線采用低副瓣天線使雷達(dá)不僅有抗地物雜波能力，而且實現(xiàn)低截獲，以提高雷達(dá)在電子戰(zhàn)環(huán)境中的生存能力，同時開辟新波段、低端向短波和超短波發(fā)展，高端向毫米波發(fā)展，以提高雷達(dá)的定位精度、分辨力、識別目標(biāo)屬性的能力，同時規(guī)避各種干擾設(shè)備的干擾頻率范圍。

c)具備目標(biāo)自動識別能力

地面監(jiān)視雷達(dá)探測目標(biāo)時，有關(guān)目標(biāo)特征的信息隱藏在反射波中，必須應(yīng)用一定的信號處理手段從反射波中提取出各種目標(biāo)的獨有特征，主要從目標(biāo)回波特征、RCS特征、運動特征以及圖像特征四個方面來考慮，地面動目標(biāo)種類很多，各種目標(biāo)又具有多種運動狀態(tài)，為此需要采集大量的、不同地形條件下各種運動目標(biāo)的獨有特征，建立特征數(shù)據(jù)庫，運用基于數(shù)據(jù)、基于模板和基于模型等識別方法進(jìn)行自動目標(biāo)識別[25，26]。

d)多種顯示方式，數(shù)字地圖具備地理信息系統(tǒng)功能

通過筆記本電腦或平板電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖形顯示，采用Windows人機(jī)接口，數(shù)字地圖具備2D和3D顯示方式，同時通過GPS測量雷達(dá)架設(shè)點的經(jīng)緯度，數(shù)據(jù)輸入雷達(dá)終端，將雷達(dá)測量出的動目標(biāo)距雷達(dá)點的角度、距離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度數(shù)據(jù)后，動目標(biāo)也在數(shù)字地圖上定位，同時將地理信息系統(tǒng)(GIS)功能集成到應(yīng)用程序中，采用高速上圖法，實現(xiàn)目標(biāo)的快速上圖，快速刷新，并形成綜合態(tài)勢圖[27，28]，如圖5、6所示。

圖5 二維數(shù)字地圖

圖6 三維數(shù)字地圖顯示

e)向系統(tǒng)組網(wǎng)方向發(fā)展

雷達(dá)組網(wǎng)既擴(kuò)大了雷達(dá)的覆蓋范圍，又提高了雷達(dá)的抗摧毀、抗干擾、反隱身能力，可實現(xiàn)各部雷達(dá)情報共享，也便于向上級指揮單位提供實時的綜合戰(zhàn)場信息，其作戰(zhàn)效能遠(yuǎn)大于單部雷達(dá)，同時將雷達(dá)輸出數(shù)據(jù)與其他傳感器如紅外、光電設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)融合在一起[29，30]，可進(jìn)一步提高目標(biāo)識別能力。

3 結(jié)束語

本文通過國內(nèi)外便攜式地面監(jiān)視雷達(dá)裝備性能介紹，從雷達(dá)工作體制、天線形式、收發(fā)系統(tǒng)、信號處理、數(shù)據(jù)處理和人機(jī)接口上，對當(dāng)前該類雷達(dá)的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納總結(jié)，隨著微電子技術(shù)迅猛發(fā)展和雷達(dá)技術(shù)的不斷提高，便攜式地面監(jiān)視雷達(dá)正朝著輕小型化、多功能、高生存能力、高抗干擾能力方向發(fā)展，同時應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，該類雷達(dá)還能以裝甲車、直升機(jī)作為平臺，同時配合地面部署，進(jìn)行實時陣地目標(biāo)偵察，可用于空降兵部隊在地面作戰(zhàn)階段對敵方縱深偵察和目標(biāo)捕獲，使其能在更短時間內(nèi)有效奪建空降基地，同時對己攻占地區(qū)實施有效防御，是現(xiàn)代戰(zhàn)場上作戰(zhàn)效能的倍增器。

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TechnicalStatusandDevelopmentTrendofPortableGroundSurveillanceRadar

Wan Jiangang1， Ge Daihe2, Lin Meiqing1， Zhou Yan1

(1. Air Force Early Warning Academy, Wuhan 430019;2. Unit 94878 of PLA, Wuhu 241000, Anhui)

TN959.1+2

A

1008-8652(2017)02-001-05

2016-03-22

萬建崗(1984-)，男，碩士研究生。主要研究方向為雷達(dá)與電子對抗技術(shù)的研究。