耿東華　尹利忠　房亮

摘要：針對中程雷達(dá)探測距離受平臺高度限制的問題，通過對比各種升高平臺，選擇合適的旋翼無人機作為升空平臺，分析雷達(dá)體制、功能、性能，對雷達(dá)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使雷達(dá)系統(tǒng)具備先進(jìn)性和高性價比。

關(guān)鍵詞：旋翼無人機;機載雷達(dá);系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TN957 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）08-0149-02

0 引言

雷達(dá)是獲取區(qū)域態(tài)勢情報的重要信息裝備，具有探測距離遠(yuǎn)、覆蓋區(qū)域大、全天候、全天時工作等特點。

隨著地面部隊機械化程度的提升，行軍、進(jìn)攻速度大大加快，留給偵察預(yù)警的時間越來越短，探測距離30km左右的雷達(dá)，直升機只需不到10min，裝甲車約20min的即可到達(dá)，預(yù)警時間太短，需要提升雷達(dá)的探測距離。

機械掃描雷達(dá)數(shù)據(jù)率低，難以實現(xiàn)對目標(biāo)的實時跟蹤，更難以識別出目標(biāo)種類，目標(biāo)信息就不夠準(zhǔn)確，需采用電掃體制。

提升探測距離后，雷達(dá)工作平臺高度需要相應(yīng)升高。

1 國外中程雷達(dá)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

美、法、英、俄、德、以色列等國家研制的中程戰(zhàn)場偵察雷達(dá)有100 余種型號產(chǎn)品。有便攜式、固定式和車載式，典型的有：

SRC公司研制的輕型監(jiān)視與跟蹤捕獲雷達(dá)LSTAR，LSTAR 工作在 L 頻段，作用距離40km，主要監(jiān)視大型防空雷達(dá)的盲區(qū)。

ARSS 工作在 X頻段，是一種輕小型、低功耗、低截獲概率、高可靠性的無人值守雷達(dá)。自動探測30km以外的人、車輛和直升機等運動目標(biāo)，通過目標(biāo)音頻信號實現(xiàn)目標(biāo)分類。

泰勒斯公司研制的SQUIRE雷達(dá)，用于地面監(jiān)視和火力校射。工作頻率為10-20GHz，調(diào)頻連續(xù)波體制，通過目標(biāo)音頻和視頻信號特征完成目標(biāo)識別。

SR Hawk雷達(dá)用在邊境和周邊安全任務(wù)中，提供廣域連續(xù)監(jiān)視能力，工作頻率在16.5GHz附近，具有頻率捷變、360度連續(xù)覆蓋能力，對單人探測距離為10km內(nèi)，對車輛探測距離為60km內(nèi)。

還有德國的BOR-A550、比利時的SCB 2130A等，如表1所示。

中程雷達(dá)的今后發(fā)展趨勢主要有以下幾個方向：

（1）提高遠(yuǎn)程偵察能力。是發(fā)展升空運載平臺，以達(dá)到“站得高，看得遠(yuǎn)”之目的。（2）進(jìn)一步輕小型化。簡化雷達(dá)電路和結(jié)構(gòu)，減小雷達(dá)的體積和重量。（3）發(fā)展雷達(dá)目標(biāo)自動識別技術(shù)。利用成像、目標(biāo)回波特征等方式提升雷達(dá)的目標(biāo)分類識別能力。（4）全陣列數(shù)字多波束形成。采用數(shù)字波束形成體制，引入陣列信號處理技術(shù)，提高方位、俯仰測角精度。（5）運動中偵察。隨著平臺機動性要求的提升，動中探測的應(yīng)用需求會越來越強烈。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

受地球曲率、地形影響，雷達(dá)探測距離受工作平臺高度的影響。

R=4.12×√（h₁+h₂）

其中：R為探測距離，單位km;

h₁為探測目標(biāo)高度，單位m，按照地面、海面目標(biāo)最低高度0m;

h₂為偵察平臺高度，單位m。

如果探測距離大于40km，h2的高度應(yīng)不小于94m，這個高度桅桿很難實現(xiàn)，如果尋找制高點，位置難以選擇并且容易暴露，最好采用升空運載平臺，如旋翼無人機、系留氣球、飛艇等。

系留氣球和飛艇存在自身重量太重，體積較大，部署時間長、隱蔽性差等特點，不適合機動性強的中程雷達(dá)系統(tǒng)。升空平臺最好的選擇為旋翼無人機。

整個雷達(dá)系統(tǒng)包括無人機、雷達(dá)主機、伺服穩(wěn)臺、操控設(shè)備、通信設(shè)備、電源、運輸設(shè)備等。

2.2 雷達(dá)主機設(shè)計

雷達(dá)主機升空工作，要進(jìn)行輕小型化、低功耗設(shè)計。采用低功耗電路、高速處理器、全固態(tài)功放，簡化電路和結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)一步減小雷達(dá)體積和重量。

雷達(dá)探測距離遠(yuǎn)、覆蓋區(qū)域廣、目標(biāo)數(shù)量多，設(shè)計中采用電掃描體制，實現(xiàn)探測目標(biāo)數(shù)據(jù)率高、快速掃描、對目標(biāo)實時跟蹤等功能。

雷達(dá)主機主要由雷達(dá)天線、信道、信號處理、電源模塊等設(shè)備組成。

雷達(dá)設(shè)計時需考慮探測距離、數(shù)據(jù)率、掃描范圍、俯仰覆蓋范圍、天線波束寬度、威力、功耗等多個指標(biāo)的相互配合。

探測距離由下式得到：

式中：R——接收噪聲限制下的探測距離;

Pt——發(fā)射峰值功率;

τ-- 發(fā)射脈沖脈寬;

Gt——發(fā)射天線增益;

Gr——接收天線增益;

λ2——雷達(dá)工作波長;

σ——目標(biāo)平均雷達(dá)散射面積;

D0（n） -- n次積累后檢測所需信噪比。

這些數(shù)據(jù)的選擇都不是孤立的，需要綜合考慮，選取最合適系統(tǒng)的值。

2.3 伺服穩(wěn)臺設(shè)計

穩(wěn)臺安裝在無人機上，連接雷達(dá)主機，俯仰調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)。主要有機械轉(zhuǎn)臺、三軸驅(qū)動器、電機、測角編碼器、綜合慣導(dǎo)等組成。

為保證無人機懸停過程中雷達(dá)天線視軸穩(wěn)定，采用三軸慣性穩(wěn)定平臺隔離載機擾動，三個穩(wěn)定軸分別是方位、橫滾和俯仰。

2.4 旋翼無人機設(shè)計

四旋翼無人機擁有四個動力組旋翼，通過不同方向旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行飛行、懸停、轉(zhuǎn)向等動作，四個旋翼作為直接動力源，對稱分布在主體四個方向，且旋翼處于同一水平面。

其優(yōu)點為隱蔽性好、機動性強、飛行平穩(wěn)、控制靈活、垂直起降等，非常適合在靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)條件下飛行。

四旋翼飛行器動力有兩種選擇，電機驅(qū)動、油機驅(qū)動。電機驅(qū)動對四旋翼飛行器的飛行控制相對簡單，目前1kw電機功率能舉升的載荷重量約為4～5kg，1kw電機自身重量約為2kg。而且無人機懸停100m以上，要考慮供電線纜的重量、損耗。

油機驅(qū)動時，油機的轉(zhuǎn)速很難被精確控制，驅(qū)動四旋翼的四個燃油發(fā)動機轉(zhuǎn)速更加困難，因此采用集中式發(fā)動機的動力方案，在兩根支撐桿交叉點安裝一個燃油發(fā)動機，支撐桿通過傳動來控制四旋翼飛行器的四個旋翼。攜帶燃油要考慮冗余。

采用電機驅(qū)動或者油機驅(qū)動，要根據(jù)無人機自重、載荷重量、線纜長度重量、燃油重量、穩(wěn)定度等多方面要求綜合考慮選擇。

2.5 載車設(shè)計

選擇合適車輛底盤，合理布局改裝，裝載運輸所有設(shè)備、人員。車輛改裝設(shè)計時要考慮承載平臺、信息處理、網(wǎng)絡(luò)通信、環(huán)境保障、結(jié)構(gòu)布局、電磁兼容、行駛穩(wěn)定性、人機環(huán)工程等各方面。

設(shè)計充分運用人-機-環(huán)工程的設(shè)計準(zhǔn)則與原理，使工作環(huán)境舒適，操作維修方便，安全可靠。

載車配置消防器材、電源告警等安全器材;設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)、電壓、溫度等方面的設(shè)計，防止誤傷操作人員;載車、設(shè)備噴涂偽裝漆，增加隱蔽性;載車改裝后滿足行駛、抗風(fēng)、逃生等安全要求;設(shè)備有良好的接地裝置，電源開關(guān)有明顯通斷標(biāo)識，操作簡便;接插件、印制板有防插錯、防反插措施;雷達(dá)發(fā)射功率較小，電磁輻射滿足對人員的安全性要求。

3 系統(tǒng)工作

載車到達(dá)預(yù)定地點后，進(jìn)行展開架設(shè)操作。雷達(dá)主機安裝在穩(wěn)臺并固定在旋翼無人機上，連接線纜，旋翼無人機升空到合適高度，雷達(dá)操控終端、通信設(shè)備在載車內(nèi)，展開工作。

雷達(dá)架設(shè)完畢后，加電啟動。操控終端設(shè)置各種參數(shù)到雷達(dá)主機，雷達(dá)主機按照設(shè)置的各種參數(shù)發(fā)射電磁波并接收回波信號;回波信號經(jīng)過接收機、信號處理器的處理產(chǎn)生目標(biāo)數(shù)據(jù);目標(biāo)數(shù)據(jù)送至雷達(dá)操控終端，經(jīng)過軟件的數(shù)據(jù)處理形成目標(biāo)點跡/航跡數(shù)據(jù)，顯示給操作員。

雷達(dá)工作期間，操作員通過雷達(dá)操控終端設(shè)置、修改雷達(dá)的工作參數(shù)，讀取雷達(dá)BIT自檢結(jié)果。

雷達(dá)工作完畢，關(guān)閉電源，拆收裝車。

雷達(dá)系統(tǒng)工作示意情況見圖1。

4 結(jié)語

結(jié)合實際研制需求，通過對現(xiàn)有的雷達(dá)體制、功能、性能和旋翼無人機性能的分析，采用切實可行的先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)行小型化、一體化和模塊化等優(yōu)化設(shè)計，確保設(shè)計的雷達(dá)系統(tǒng)具備先進(jìn)性和高性價比。

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Design of? Unmanned Rotorcraft Airborne Radar System

GENG Dong-hua，YIN Li-zhong，F(xiàn)ANG Liang

（The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Zhengzhou Henan? 450047）

Abstract：Aiming at the problem that the detection distance of medium-range radar is limited by the height of the platform， by comparing various elevation platforms， the appropriate rotary uav is selected as the elevation platform to analyze the radar system， function and performance， so as to optimize the design of the radar system and make the radar system advanced and cost-effective.

Key words：unmanned rotorcraft;airborne radar;system design