无人机航拍雷达技术研究及应用

　　近年来,随着无人机技术的商业化推动,以小微型无人机为代表的消费级无人机市场正在世界范围内掀起发展热潮,在摄影娱乐、农林作业、边境巡逻、反恐维稳、地理测绘、 管线监测与维护、应急救援等方面的应用需求快速增长,其产业化发展已成为带动国民经济增涨的一大增涨点。 然而,由于监管力量的发展滞后,加上消费级无人机的低成本使用,无人机干扰民航、非法获取公民隐私,侵袭政府大楼、 油库、电站、监狱等要地,以及扰乱重大活动现场等事件正逐年呈指数级递增。恐怖分子、罪犯、狂热分子以及其他危险人员通过对无人机进行简单改装,并搭载危险品、武器等,即可构成多功能、隐秘且廉价的机载武器,对国民经济以及民众生命安全造成危害,从而造成极坏的社会影响。

　　针对无人机违法违规使用带来的安全隐愚,各国相继开展无人机探测及反制技术和产品的研发,部分产品已投入市场。通过对国内外上百家无人机防控厂商产品的调研和比测,雷达以其全天候工作、威力远、空域覆盖广、发现概率高等特点,已成为无人机防控系统的主妥探测手段, 光电、电子侦察和声探测等探测手段一般将在雷达引导下实现目标成像取证、辅助分类识别及提供补盲等。开展无人机防控雷达的技术研究和应用研究,将为解决无人机威胁,构建成熟可用的无人机防控系统提供帮助。

　　一、无人机防控雷达探测技术发展历程和趋势

　　雷达探测技术的原理研究早于第一次世界大战之前,德国物理学家证明了无线电波可以被固体物体反射。随着研究的深入和二次世界大战的需要,1936年1月英国在索夫克海岸架起了英国第一个雷达站。 随后在冷战军备竞赛、上世纪90年代的新军事革命中,雷达的作用越来越突出,其理论、体制、方法、技术和应用都得到了充分的发展。

　　和所有的自然科学一样,雷达探测技术一直跟随着需求的变化而发展。 在雷达探测技术应用的初始阶段,主要面临着解决航空器探测的问题,随着小型无人机的广泛使用和随之带来的威胁,雷达不得不在复杂的地理和电磁等环境下面对无人化、智能化、小型化、超低空、超低速的目标,区分环境中的其他活动目标,掌握更加丰富的空间态势。 但传统雷达和现有安保监视系统很难在城市环境中发现这类低慢小目标。 近年来,国内外传统雷达厂家致力于细化地杂波和多普勒杂波的处理,推出了系列无人机探测雷达,可以发现低慢小目标,但由于城市环境下存在如汽车、自行车、飞鸟甚至随风飘动的树梢等众多运动目标带来的多普勒效应,想准确发现及识别无人机也是异常困难的。

　　国内某些厂家通过地杂波细化分析、微多普勒探测、目标方位向体散射、信杂比增强、特征提取、模式识别等技术研究,初步解决了车辆和扑翅飞鸟的分类识别和滤除,大大地提高了无人机防控雷达的目标快速识别能力。 通过分布式网络构架开展多雷达、多传感器的组网,进行综合数据融合和ATR(自动目标识别)解算,进一步提升了目标分类识别能力,为最终实现雷达ATR进行了有效的探索。

　　无人机防控雷达探测技术必须突破现有的体制和框架,结合深度学习、目标识别、环境感知等新技术,使无人机防控雷达由目标探测进入属性认知时代,最终推动全新一代雷达体制、装备和系统的发展。

　　二、无人机防控雷达的使命和任务

　　按照2017年4月美国陆军发布的《美国陆军反无人机系统技术手册》》,对无人机系统进行分类:第1类和第2类无人机是最常见同时也是很难探测的无人机,此类无人机由商业货架产品组装而成,主要通过无线电设备操控;第2、3类低慢小无人机形体相对较大,但其机体仍由尺寸小、重量轻的机身组装而成,其尺寸和后勤保障使其可由很少的人员在陌生区域内放飞,其RCS为0.02m~0.3m;第4类无人机需要更多的人力保障和更多的后勤支持,通常需要跑道实施放飞和回收。 此类无人机体积更大,航程更远,飞行高度更高;第5类无人机是战略级资产,也是无人机系统中形体最大的。 需要通过特殊改造过的跑道起飞和降落,能够通过中继方式操控,能携带可以提供目标定位功能的光学组件。第4和第5类无人机通常可以较早地被现有防空体系探测、定位、处理和防御。本文所涉及的主要作战目标为第1、2、3类低慢小无人机。

　　无人机防控雷达主要用于实现在复杂环境下向防控空域内主动发射电磁波,接收低空、超低空、慢速、小微型无人机目标反射回来的电磁波信号并进行系统处理分析,获取无人机目标的距离、方位、高度、径向速度等参数信息,完成对无人机目标的探测和稳定跟踪。在指挥系统的协调下,对多传感器(光电、无线探测、声探测或其他雷达、航管、指挥控制等设备)获取的信息进行数据融合,为无人机防控系统提供高可靠度的目标位置、航向和属性信息,并引导处置手段对威胁目标实施有效处置。其主要应具备如下能力:

　　·优良的低空、超低空探测能力,探测高度在旷野环境《10m,在城市环境<20m;

　　·优良的慢速目标检测能力,速度0.5m/s~50m/s;

　　·良好的弱小目标检测能力,在城市环境下具备对大疆四旋翼目标的远距离探测能力;

　　·良好的目标分类识别能力,具备区分运动车辆、飞鸟等非无人机物体的能力;

　　·良好的电磁兼容能力,符合国家环保要求。

　　三、多种探测手段相结合的探测方式

　　探测是无人机防控打击的关键前提和难点。 小微无人机由于其飞行高度低、速度慢、体积小,因此难以被探测和发现。 由于各种探测手段均有各自的优点及不足,因此对无人机的探测常采用多种探测手段相结合的方式。以一套无人机探测系统为例,其配备的无人机探测手段包括雷达、光电(红外)、无线电探测、声探测等。

　　探测预警系统负责目标探测、自动录取和上报。其中雷达系统具有全天时、全天候工作能力,主要担负远区目标搜索任务、兼顾目标跟踪和识别任务;光电设备可直观反映目标轮廓特征,但易受光照、气象等因素的影响,主要担负目标识别和跟踪任务;声探测设备观测盲区小,但易受城市环境噪声影响,主要担负近区补盲任务、兼顾目标定位和识别任务;无线电探测可通过无人机通信信号探测无人机,包括无人机或控制人员发出的信号,可通过信号特征或IMAC地址识别已知无人机甚至遥控设备类型;雷达系统探测到远区目标或声学系统探测到近区目标后,交由光电设备进行跟踪来提高目标跟踪数据率。

　　因此,单独依靠某种探测手段,难以有效发现小微无人机,需有效整合多种手段,形成优势互补,确保无人机的及时发现、准确定位和精确识别。

　　四、复杂环境下

　　无人机防控雷达的技术应用本文结合无人机防控三种典型环境下的使用案例,通过实际使用效果对无人机防控雷达技术的应用进行分析。

　　(一)城市环境下要地无人机防控

　　城市环境下对消费级小微无人机防控面临的主要对象是旋翼类的无人机目标,升空突然并以城市高楼和地面车辆为背景进行隐蔽飞行是其主要特征。 城市环境下对消费级小微无人机的防控是当前面临的最重要,也是最普遍的问题之一。在城市环境下,无人机防控雷达的使用面临着三个方面的考验:

　　其一,城市环境下部署,汽车、自行车、飞鸟甚至随风飘动的树梢均会在雷达上呈现目标和杂波,要求雷达需具备基本的目标分类识别和属性识别能力;

　　其二,雷达在城市环境下的部署面临地形起伏、地物遮挡等现实问题,需进行地形匹配部署解决遮挡和盲区问题,要求雷达必须具备轻便、可搬移的能力,保证在城市环境下的灵活架设;

　　其三,雷达在城市环境下的部署要求雷达辐射功率必须要满足相关国家标准对城市环境下电磁辐射的要求,保证电磁波辐射不会对人体造成影响。

　　图1所示为是国内某次重要会议和活动中无人机防控安保任务的雷达部署图,该雷达设备天线、转台、三脚架等部件可拆分,由于体积小、重量轻,具备可搬移的灵活部署能力,满足了不同条件下对雷达部署的要求。采用临时搭建脚手架台及利用小型升降机平台的方式进行部署。

　　图1城市核心区无人机防控雷达的部署

　　图2所示为某型雷达在城市环境下的使用情况。由于该部署区域存在地面车辆及飞鸟等众多干扰因素,该雷达采用了地杂波细化分析、微多普勒探测、目标方位向体散射、信杂比增强、特征提取、模式识别等多项核心技术,基本解决了车辆和飞鸟的分类识别和滤除问题,对绕圈飞行的小微无人机目标实现了连续稳定的跟踪探测,大大提高了无人机防控雷达对目标的快速识别能力。

　　城市环境下无人机防控雷达的应用可推广到重大会议/赛事/活动安保、政府要地、监所安防等领域。(二)岛礁环境下要地无人机防控

　　我国海洋资源丰富,岛礁众多,为应对恐怖威胁,岛礁的要地布防将形成较好的战略布局。 某海岛要地的无人机防控部署环境相对开阔,但同时也面临着更多类型无人机的侵袭,除了旋翼类无人机之外,固定翼小微无人机等“低慢小”目标也是其防御的重点对象。海岛四周环海,同时岛上植被茂密,无人机防控雷达将面临海杂波和植彼摇曳等带来的多种多普勒杂波影响,同时鸟类众多也将影响无人机的有效发现,如何去除干扰实现有效探测与识别成为岛礁环境下要地无人机防控的重点。

　　无人机目标防御系统。 该系统采用了无人机防控雷达和光电成像设备联动配合,无人机防控留达实现对要地周边3km范围内空中“低慢小” 目标的预警探测,并引导光电辅助进行目标识别和目标取证。 该留达采用了数字相控阵DBF技术,对发现的目标可以迅速调集分配更多的雷达波束,形成对目标的重点关注,以获取更多的目标信息,并对获取的信息进行了多种ATR技术处理,有效地解决了海杂波和植被摇曳等带来的多普勒杂波,对飞鸟也进行了初步的分类识别,同时引导光电设备对目标进行了确认和取证,提升了无人机防控系统的综合探测和目标分类识别能力。该系统的使用情况表明,采用这种技术体制的雷达设备与技术能够满足岛礁要地无人机防控的需求。

　　岛礁环境下要地无人机防控雷达还可推广应用到重要矿区、核电站、大坝等要地无人机防控系统中。

　　(三)机场净空区等环境下的无人机防控

　　机场净空区等环境下无人机防控覆盖范围大,民用机场净空保护区域一般划定距机场跑道中心线两侧各10km、跑道端外20km以内的区域,军用机场净空保护区域一般划定距机场跑道中心线两侧各15km、跑道端外20km以内的区域,并且以机场顶空和跑道两端为主要防控核心区。为实现低空与超低空的无缝覆盖,须采用分布式网络构架进行多部雷达的组网。 由于机场周边地形起伏和部分建筑物遮挡,需先期进行地形匹配优化部署仿真,采用尽量少的设备和最优搭配实现最低高度的无缝覆盖。一般采用少量的远距离预警雷达组网部署实现大范围预警,同时针对雷达顶空和地形所带来的遮蔽角盲区,采用多部近距离雷达进行补盲,并对核心重点区域的空域进行重点布防。机场净空区环境下无人机防控雷达将面临更复杂的环境和多种运动目标的干扰,要求每部无人机防控雷达均具备一定的目标分类识别能力,对上报防控系统的信息进行初步明确,防控系统对各雷达上报信息进行情报综合和ATR解算后,将引导配属的光电设备对目标进行查证识别,从而达到对机场净空区的有效防御。

　　图5所示为国内某机场无人机防御系统的指挥终端界面。 在该系统中,采用了5部雷达对机场净空区重要核心区域范围进行重点部署,包括2部远程预警雷达和3部近距离补盲雷达。 雷达组网采用了高精度时钟源和卫星定位设备,保证了系统时间和空间的同步。 通过分布式多站协同探测跟踪技术的应用,保证了当某个雷达在某方向上受到干扰或者存在目标遮蔽的情况下,雷达组网系统能够调度其他雷达进行协同探测,保证目标探测的连续性;同时采用分布式组网数据融合技术,尽可能多的获取目标信息元,使得融合后的目标信息更加准确可靠。特别是针对“低慢小”类无人机目标,通过雷达组网可有效解决复杂环境下的目标提取问题。

　　机场净空区等环境下的无人机防控雷达还可扩展应用到油田、边境等较大范围的无人机防御等领域。

　　五、结语

　　通过对现有无人机防控雷达在各种复杂环境下实际应用情况的分析,结合雷达技术发展趋势,无人机防控雷达作为目前解决无人机防控预警探测问题的主流有效手段,其还需要向网络化、智能化方向进一步发展,在深度学习、目标识别、环境感知等新型技术的突破下,逐步实现雷达自动目标识别的能力。未来无人机防控雷达的发展趋势必将由目标探测进入属性认知时代,进一步推动无人机防控雷达作为主干探测设备在复杂环境下对“低慢小”无人机目标的良好应用。

作者：范殿梁、龚海烈

编辑：广汉