多功能綜合射頻技術(shù)在地面無(wú)人戰(zhàn)車上的應(yīng)用

劉 闖 杜自成 王 偉

(1.西安電子工程研究所 西安 710100； 2.陸軍裝甲兵學(xué)院 北京 100072)

0 引言

地面無(wú)人車最早被用于危險(xiǎn)環(huán)境下代替人執(zhí)行掃雷排爆、核生化處置、核爆取樣等高危任務(wù)[1]，隨著技術(shù)的發(fā)展，其逐步被用于執(zhí)行邊境巡邏、警戒監(jiān)視、情報(bào)偵察、火力引導(dǎo)、戰(zhàn)場(chǎng)救援、保障運(yùn)輸?shù)茸鲬?zhàn)任務(wù)，受到世界各國(guó)的廣泛重視[2-7]。

地面無(wú)人車用于戰(zhàn)場(chǎng)偵察，具有偵察能力強(qiáng)、隱蔽性好、機(jī)動(dòng)靈活、可長(zhǎng)時(shí)間工作、可避免人員傷亡等優(yōu)點(diǎn)，正在逐步替代有人駕駛偵察車，成為各軍事強(qiáng)國(guó)陸軍主要偵察車輛。無(wú)人偵察車通常裝配有可見(jiàn)光、紅外、激光等光電傳感器[6][8]，可以對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境進(jìn)行成像偵察。隨著無(wú)人偵察車在戰(zhàn)場(chǎng)上的應(yīng)用和技術(shù)的發(fā)展，對(duì)其提出了更多的要求，例如火力引導(dǎo)功能、低空目標(biāo)探測(cè)功能、復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的工作能力、電子對(duì)抗能力等，因此對(duì)其上的任務(wù)傳感器也提出了更高的要求。由于可見(jiàn)光、紅外、激光等光電傳感器的在濃霧天氣和揚(yáng)塵及濃煙的戰(zhàn)環(huán)境下工作性能下降嚴(yán)重，且大空域多目標(biāo)搜索與跟蹤能力不足，因此在無(wú)人偵察車上加裝毫米波雷達(dá)，用于改善復(fù)雜氣象條件和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的偵察能力以及多目標(biāo)搜索與跟蹤能力成為一種趨勢(shì)。例如，美國(guó)陸軍未來(lái)戰(zhàn)斗系統(tǒng)中的ARV-R無(wú)人偵察車可以獨(dú)立或在人員遙控下執(zhí)行偵察、監(jiān)視、巡邏、搜索、火力引導(dǎo)、目標(biāo)指示及毀傷評(píng)估等多種任務(wù)，其偵察設(shè)備包括被安裝在一個(gè)5m高的可伸縮桅桿上的可見(jiàn)光、紅外、激光等光電傳感器組件，多功能Ka波段雷達(dá)及核生化傳感器[3][6]。

本文針對(duì)無(wú)人偵察車對(duì)偵察探測(cè)傳感器的需求，結(jié)合無(wú)人偵察車的發(fā)展趨勢(shì)，提出在可見(jiàn)光、紅外、激光等光電傳感器基礎(chǔ)上增加毫米波段的雷達(dá)探測(cè)、敵我識(shí)別、電子告警、高精度無(wú)源探測(cè)、電子干擾功能的偵察探測(cè)方案，重點(diǎn)是提出了一種適用于無(wú)人戰(zhàn)車平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)、敵我識(shí)別、電子告警、高精度無(wú)源探測(cè)、電子干擾功能的輕小型、多功能、一體化的綜合射頻架構(gòu)。

1 無(wú)人戰(zhàn)車用多功能綜合射頻系統(tǒng)架構(gòu)

無(wú)人偵察車用多功能綜合射頻系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)地面運(yùn)動(dòng)車輛和低空飛機(jī)搜索和跟蹤、敵我識(shí)別詢問(wèn)和應(yīng)答、毫米波告警和干擾等功能，考慮工作頻段、空域覆蓋、極化方式等因素，將雷達(dá)探測(cè)、敵我識(shí)別詢問(wèn)、毫米波偵測(cè)與干擾綜合設(shè)計(jì)，將3mm/8mm告警綜合設(shè)計(jì)，將敵我識(shí)別詢問(wèn)和應(yīng)答的信息處理綜合設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行一體化集成。具體綜合構(gòu)架如下圖1所示。

圖1 無(wú)人車偵察引導(dǎo)用多功能綜合射頻系統(tǒng)綜合架構(gòu)

雷達(dá)探測(cè)、敵我識(shí)別詢問(wèn)、8mm干擾都需要使用定向波束工作，并且波束調(diào)度方式相同，因此可以共用一個(gè)8mm定向天線；考慮干擾需要對(duì)天線全極化的要求，將定向天線極化方式選為斜極化；雷達(dá)探測(cè)、敵我識(shí)別詢問(wèn)、毫米波干擾射頻前端綜合設(shè)計(jì)，收發(fā)信道復(fù)用；雷達(dá)探測(cè)和毫米波干擾通過(guò)軟件動(dòng)態(tài)加載或模塊化動(dòng)態(tài)配置共用一個(gè)信息處理板；敵我識(shí)別詢問(wèn)和敵我識(shí)別應(yīng)答共用一個(gè)敵我識(shí)別綜合信息處理單元。

3mm和8mm告警天線在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，接收前端綜合，接收信道復(fù)用，告警信號(hào)處理單元共用。毫米波告警需要一個(gè)全向天線，并要求能夠進(jìn)行輻射源測(cè)向，因此采用一個(gè)8陣元的全向陣列天線；告警所需接收通道較多，為了降低成本，輻射源接收采用檢波接收的技術(shù)方案。

敵我識(shí)別應(yīng)答雖然也使用全向天線，但不宜與3mm/8mm告警共用全向陣列天線，因?yàn)閿澄易R(shí)別應(yīng)答如果使用全向陣列天線，則需要多個(gè)超外差接收通道，會(huì)大大增加系統(tǒng)成本，且敵我識(shí)別應(yīng)答和毫米波告警都需要全時(shí)工作，接收通道不能復(fù)用。因此將敵我識(shí)別應(yīng)答前端獨(dú)立設(shè)計(jì)，單獨(dú)使用一個(gè)全向天線和超外差接收通道，而將信息處理與敵我識(shí)別詢問(wèn)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，共用一個(gè)敵我識(shí)別信息處理單元。

雷達(dá)探測(cè)、敵我識(shí)別詢問(wèn)和毫米波干擾綜合模塊與毫米波告警模塊及敵我識(shí)別應(yīng)答前端在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行集成，整個(gè)系統(tǒng)時(shí)序和資源進(jìn)行統(tǒng)一的管控和調(diào)度。

2 無(wú)人戰(zhàn)車用多功能綜合射頻系統(tǒng)關(guān)鍵問(wèn)題分析

1)基于任務(wù)優(yōu)先級(jí)及優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)可調(diào)整策略的多任務(wù)調(diào)度技術(shù)

多功能綜合射頻系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)雷達(dá)探測(cè)、敵我識(shí)別、全向告警、高精度被動(dòng)偵測(cè)和定向干擾等多種功能，其中雷達(dá)探測(cè)、敵我識(shí)別詢問(wèn)、高精度被動(dòng)偵測(cè)和電子干擾共用定向綜合孔徑天線、射頻前端、信號(hào)與信息處理單元等硬件資源，因此如何對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行合理的管理和調(diào)度，避免資源使用沖突，是實(shí)現(xiàn)多種功能的關(guān)鍵。

系統(tǒng)通常的工作過(guò)程有以下幾種情況：

①第一種情況：全向告警處于被動(dòng)接收狀態(tài)，當(dāng)偵收到威脅輻射源信號(hào)時(shí)，引導(dǎo)定向孔徑天線對(duì)輻射源進(jìn)行測(cè)頻和精測(cè)向，并實(shí)施干擾。在整個(gè)工作過(guò)程中，沒(méi)有觸發(fā)雷達(dá)探測(cè)和敵我識(shí)別詢問(wèn)任務(wù)。在這種情況下，系統(tǒng)時(shí)分工作，不存在資源競(jìng)爭(zhēng)的矛盾，只需要做好任務(wù)協(xié)調(diào)和管理即可。

②第二種情況：雷達(dá)開(kāi)機(jī)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)，插入敵我識(shí)別詢問(wèn)時(shí)隙，對(duì)目標(biāo)敵我屬性進(jìn)行識(shí)別。在整個(gè)過(guò)程中，沒(méi)有觸發(fā)被動(dòng)偵測(cè)和干擾任務(wù)。在這種情況下，系統(tǒng)時(shí)分工作，不存在資源競(jìng)爭(zhēng)的矛盾，只需要做好任務(wù)協(xié)調(diào)和管理即可。

③第三種情況：在整個(gè)系統(tǒng)工作過(guò)程中，出現(xiàn)需要同時(shí)進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)、敵我識(shí)別詢問(wèn)、被動(dòng)偵測(cè)及電子干擾的命令，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)資源競(jìng)爭(zhēng)的矛盾，可采用任務(wù)優(yōu)先級(jí)調(diào)度的方法來(lái)解決該問(wèn)題，任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)置具體情況為：

目標(biāo)搜索任務(wù)優(yōu)先級(jí)最低，敵我識(shí)別詢問(wèn)優(yōu)先級(jí)較高，火控跟蹤和電子干擾的任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高。若在進(jìn)行火控跟蹤時(shí)發(fā)起電子干擾任務(wù)，則火控跟蹤任務(wù)不能被打斷，必須保證火力打擊任務(wù)的執(zhí)行，此時(shí)不響應(yīng)電子干擾任務(wù)；若在進(jìn)行電子干擾時(shí)發(fā)起火控跟蹤任務(wù)，則說(shuō)明正在對(duì)威脅目標(biāo)實(shí)施干擾，來(lái)保證平臺(tái)自身安全，因此電子干擾任務(wù)不能被打斷，此時(shí)不響應(yīng)火控跟蹤任務(wù)。整個(gè)任務(wù)調(diào)度基于任務(wù)優(yōu)先級(jí)策略進(jìn)行，并結(jié)合實(shí)際戰(zhàn)術(shù)任務(wù)可動(dòng)態(tài)調(diào)整。任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)置與動(dòng)態(tài)調(diào)整策略如圖2所示。

圖2 任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)置示意圖

2)系統(tǒng)電磁互擾抑制技術(shù)

多功能綜合射頻系統(tǒng)的毫米波告警工作頻段為Ka波段,雷達(dá)探測(cè)、敵我識(shí)別詢問(wèn)、電子干擾的工作頻段也在Ka波段，完全包含在告警工作頻段內(nèi)，告警模塊全向、全時(shí)工作，且與雷達(dá)探測(cè)、敵我識(shí)別詢問(wèn)、電子干擾綜合模塊在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，因此在定向孔徑天線向外發(fā)射信號(hào)時(shí)，告警模塊有可能會(huì)受到該發(fā)射信號(hào)的干擾。

雷達(dá)對(duì)告警系統(tǒng)的電磁干擾途徑有電磁泄露和近端強(qiáng)目標(biāo)反射回波，能夠影響告警系統(tǒng)工作的情況包括將告警系統(tǒng)燒毀或飽和兩種。燒毀是必須避免的，飽和會(huì)影響告警系統(tǒng)的正常工作，原則上來(lái)說(shuō)，這兩種情況都應(yīng)該避免。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，告警前端不會(huì)被燒壞或飽和的條件如下：

不燒壞條件：進(jìn)入告警前端的連續(xù)波功率不超過(guò)20dBm；

不飽和條件：進(jìn)入告警前端的功率不超過(guò)不超過(guò)-40dBm。

①電磁泄露耦合分析

雷達(dá)與告警天線上下安裝，在雷達(dá)發(fā)射期間測(cè)量進(jìn)入告警天線的耦合信號(hào)功率，測(cè)量發(fā)現(xiàn)，耦合進(jìn)告警天線的信號(hào)主要來(lái)自與雷達(dá)天線同一方向安裝的4個(gè)8mm陣元，其它8mm陣元和3mm陣元收到的耦合信號(hào)很小，可以不考慮。根據(jù)測(cè)量，耦合信號(hào)功率最大為-22dBm，因此不會(huì)導(dǎo)致告警前端燒毀，但是會(huì)飽和。

為了解決該問(wèn)題，在雷達(dá)天線和與其同一方向的4個(gè)告警天線陣元之間加裝隔離條，加大兩者之間的隔離度。經(jīng)測(cè)試，加裝隔離條后，可以將耦合信號(hào)減小到-42dBm左右，可以避免告警前端被飽和。

②近端強(qiáng)目標(biāo)反射回波對(duì)告警系統(tǒng)的影響分析

假設(shè)雷達(dá)發(fā)射功率為75dBm，近端強(qiáng)目標(biāo)RCS=100m2，最近強(qiáng)目標(biāo)距離為100m，告警天線增益8dB，等效天線接收面積為4.5e-5m2，根據(jù)式(1)可以計(jì)算不同距離強(qiáng)目標(biāo)回波進(jìn)入告警接收機(jī)的功率大小，結(jié)果如圖3所示。

(1)

圖3 不同距離進(jìn)入告警接收機(jī)的目標(biāo)回波功率

其中，Pr為進(jìn)入告警接收機(jī)的信號(hào)功率，Pet為雷達(dá)等效輻射功率，σt為目標(biāo)等效截面積，Ae為告警天線等效面積，R為目標(biāo)距告警天線的距離。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，在100m處，RCS為100m2的目標(biāo)回波進(jìn)入告警接收機(jī)的功率為-49.5dBm，不會(huì)導(dǎo)致告警接收機(jī)的飽和。因此近距目標(biāo)回波問(wèn)題不用考慮。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)無(wú)人車戰(zhàn)場(chǎng)偵察、火力引導(dǎo)、平臺(tái)防護(hù)的應(yīng)用需求，提出將綜合射頻技術(shù)用于具有雷達(dá)目標(biāo)搜索與跟蹤、敵我識(shí)別、高精度無(wú)源探測(cè)、電子干擾、全向告警等功能的多功能綜合射頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提出了一種適用于無(wú)人戰(zhàn)車的多功能射頻系統(tǒng)綜合架構(gòu)，并對(duì)涉及的多任務(wù)管理與調(diào)度、系統(tǒng)電磁互擾與抑制問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析。該多功能射頻系統(tǒng)綜合架構(gòu)已用于某型無(wú)人戰(zhàn)車偵察引導(dǎo)系統(tǒng)的樣機(jī)研制，并完成了各項(xiàng)功能及技術(shù)指標(biāo)的試驗(yàn)驗(yàn)證，在無(wú)人車平臺(tái)上進(jìn)行了集成測(cè)試。結(jié)果表明，該多功能

射頻系統(tǒng)綜合架構(gòu)在實(shí)現(xiàn)多種功能的同時(shí)，可有效減小系統(tǒng)的體積、重量、功耗和成本，能夠很好地滿足無(wú)人戰(zhàn)車平臺(tái)的裝車要求，技術(shù)先進(jìn)、可行，對(duì)后續(xù)相似系統(tǒng)的研制具有很好的借鑒意義。