低慢小目標(biāo)監(jiān)視技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

王 健

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司， 安徽合肥 230000)

0 引言

低慢小目標(biāo)是低空慢速小目標(biāo)的簡(jiǎn)稱，是指具有“低空超低空飛行(相對(duì)高度低于100 m以下為超低空，相對(duì)高度在100～1 000 m為低空)、飛行速度較小、不易被偵察和探測(cè)發(fā)現(xiàn)”等特征的各種小型航空器和空漂物的統(tǒng)稱。通常是指飛行高度在相對(duì)高度500 m以下，飛行速度(巡航速度)低于55 m/s(200 km/h)，具有較小雷達(dá)散射截面積(一般小于0.1 m2，有的甚至小于0.05 m2)、較小尺寸或紅外特征不明顯的各種空中飛行器，主要包括有人駕駛飛行器，如滑翔機(jī)、滑翔傘、輕型/超輕型飛機(jī)、旋翼機(jī)、直升機(jī)；無人駕駛飛行器，如螺旋槳推進(jìn)或旋翼推進(jìn)的航空模型、各種長(zhǎng)短航程的無人機(jī)；以及空飄氣球、有人/無人飛艇等。可通過自殺式襲擊、拋撒傳單和有毒物質(zhì)、空中偵察等手段威脅重點(diǎn)區(qū)域。

近年來，國(guó)內(nèi)外針對(duì)低慢小目標(biāo)監(jiān)視展開了深入研究[1-6]，其中，文獻(xiàn)[1]在體系層面對(duì)低慢小目標(biāo)總體處置方案進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]在新技術(shù)及算法層面對(duì)雷達(dá)探測(cè)低慢小目標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化，文獻(xiàn)[4]對(duì)低慢小目標(biāo)的攔截問題進(jìn)行了系統(tǒng)的建模與仿真，文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]對(duì)低慢小探測(cè)的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了論述。但迄今為止，對(duì)待低慢小目標(biāo)仍存在難以穩(wěn)定探測(cè)、識(shí)別難度大、情報(bào)質(zhì)量不高等難題[1]。

1 低慢小目標(biāo)威脅及特性分析

低慢小飛行器的目標(biāo)特性與常規(guī)目標(biāo)有一定區(qū)別，從技術(shù)角度看，以下幾個(gè)方面的特性存在差異。

一是體積或雷達(dá)散射截面積小，難以發(fā)現(xiàn)[1]。大多數(shù)低慢小飛行器體積較小，翼展一般不超過5 m，一些微型航模甚至在1 m以內(nèi)，氣球和飛艇的體積雖然較大，但主要采用非金屬材料制造，雷達(dá)電磁波散射能量比金屬材料的噴氣飛機(jī)小很多，因此低慢小飛行器的雷達(dá)散射截面積與常規(guī)飛機(jī)相比，大都小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。據(jù)估算，一架可程控飛行幾十千米、搭載一定載荷的無人機(jī)，其雷達(dá)散射截面積在0.5～0.05 m2之間，比常規(guī)飛行器的雷達(dá)截面積小得多，因而雷達(dá)發(fā)現(xiàn)困難。對(duì)于體積較小的低慢小飛行器，光學(xué)觀測(cè)手段發(fā)現(xiàn)的難度也很大。

二是速度低，常規(guī)多普勒方法難以檢測(cè)。低慢小飛行器的速度通常低于55 m/s，與汽車的行駛速度相當(dāng)，在反地雜波干擾頻域多普勒處理時(shí)會(huì)被作為慢動(dòng)雜波抑制掉，從而無法檢測(cè)到。如果降低速度門限，則有可能使大量慢動(dòng)雜波進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)，在高速路和大城市周邊頻繁起批，造成虛警，使慢速小目標(biāo)“淹沒”在其中，從而無法在慢動(dòng)雜波背景中有效分辨低慢小目標(biāo)。此外，地面雜波譜擴(kuò)展也使得低速多普勒通道內(nèi)往往充斥著大量的雜波回波信號(hào)，其強(qiáng)度遠(yuǎn)高于低慢小飛行器的回波，增加了頻域檢測(cè)的難度。

三是熱量輻射小，紅外特征不明顯。低慢小飛行器大多采用小型汽油或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，以螺旋槳推進(jìn)方式飛行，其發(fā)動(dòng)機(jī)體積小、輸出功率低，溫度在100℃左右，與噴氣式飛機(jī)的噴口溫度和尾焰溫度相比低得多，其作為一個(gè)輻射體的截面積也小數(shù)十倍，因此其紅外輻射遠(yuǎn)小于常規(guī)飛機(jī)；另一方面，由于飛行速度較低，機(jī)體氣動(dòng)加熱輻射很小，與音速飛行的常規(guī)飛機(jī)相比，低慢小飛行器的蒙皮溫度小得多，增加了探測(cè)難度。

四是低慢小飛行器若在相對(duì)高度10 m到100 m飛行。在平原地區(qū)，通視條件下，地基傳感器對(duì)低慢小飛行器的視距僅為13 km到40 km；而城市周邊高樓林立，部署地點(diǎn)附近的樓群會(huì)形成連片的大遮蔽角，會(huì)進(jìn)一步降低傳感器的發(fā)現(xiàn)概率。

五是低慢小飛行器的飛行速度、體積大小、RCS等特征與地面汽車和低空鳥群接近，目前的預(yù)警探測(cè)裝備缺乏有效識(shí)別低慢小目標(biāo)的手段。特別是低空監(jiān)視雷達(dá)在低仰角的測(cè)高精度較差，所以即使能夠發(fā)現(xiàn)這些低慢小目標(biāo)，也很難從復(fù)雜的背景雜波中分辨出來。

六是輕型超輕型飛機(jī)、無人機(jī)、旋翼機(jī)、飛艇、動(dòng)力三角翼通常用于運(yùn)動(dòng)、娛樂，運(yùn)用相當(dāng)廣泛；而且隨著自駕儀技術(shù)的發(fā)展及采購無人機(jī)零備件的便利性，組裝放飛無人機(jī)趨向平民化；大多數(shù)低慢小飛行器對(duì)起降場(chǎng)地沒有特別要求，只要是平坦開闊地即可，因此這些低慢小飛行器的管控難度非常大。其次，低慢小飛行器以“游擊戰(zhàn)”的形式出現(xiàn)，沒有固定航線，難以在防空區(qū)的廣大范圍內(nèi)設(shè)置重點(diǎn)防御方向，布置預(yù)設(shè)陣地。

2 探測(cè)手段現(xiàn)狀分析

低空雷達(dá)檢測(cè)性能會(huì)受到地球曲率、近程地物遮擋、多路徑效應(yīng)、地雜波、慢動(dòng)雜波和大氣衰減等因素的影響[5]。低空雷達(dá)一般把目前研究的這些飛行高度低飛行速度很慢的小目標(biāo)信號(hào)看作干擾，和慢動(dòng)雜波一起進(jìn)行處理。而且，對(duì)于速度更低的目標(biāo)，即使能夠采取各種措施進(jìn)行檢測(cè)，但是由于不具備識(shí)別能力，也很難從復(fù)雜的背景中分辨出來。

光電探測(cè)設(shè)備可以成像，具備一定的目標(biāo)識(shí)別功能，可以與雷達(dá)裝備相結(jié)合進(jìn)行低慢小目標(biāo)探測(cè)。但是現(xiàn)有的光電裝備視場(chǎng)角小，搜索能力較弱，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)困難，探測(cè)距離近。

對(duì)于重要場(chǎng)所，為了保證萬無一失，需要配合多種探測(cè)手段。目前國(guó)內(nèi)對(duì)聲探測(cè)等其他探測(cè)手段缺乏深入研究，現(xiàn)有聲探測(cè)設(shè)備受背景噪聲影響大，目前難以在都市進(jìn)行應(yīng)用。

3 系統(tǒng)層面技術(shù)發(fā)展建議

3.1 多元傳感器協(xié)同探測(cè)技術(shù)

雷達(dá)傳感器具有作用距離遠(yuǎn)、搜索效率高、測(cè)距精度高、可全天候工作等特點(diǎn)，一直是監(jiān)視系統(tǒng)的骨干裝備。對(duì)低慢小目標(biāo)，雷達(dá)傳感器存在著多路徑低空凹口、地形遮蔽等難點(diǎn)，靠單部雷達(dá)難以連續(xù)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)、跟蹤和識(shí)別。采用多部雷達(dá)組網(wǎng)協(xié)同探測(cè)，可獲取雷達(dá)頻率分集、空間分集得益，有效應(yīng)對(duì)多路徑低空凹口和地形遮蔽造成目標(biāo)發(fā)現(xiàn)不及時(shí)、跟蹤不連續(xù)、識(shí)別不準(zhǔn)確等問題。

光電傳感器具有精度高，可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像識(shí)別等技術(shù)特點(diǎn)，但同時(shí)具有作用距離短，受氣象條件影響大等缺點(diǎn)。采用雷達(dá)光電傳感器協(xié)同探測(cè)技術(shù)，雷達(dá)負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程搜索、跟蹤和粗分類，引導(dǎo)光電系統(tǒng)對(duì)高威脅等級(jí)目標(biāo)進(jìn)行截獲、高精度跟蹤和識(shí)別。

一般而言，雷達(dá)對(duì)目標(biāo)探測(cè)距離精度較高，可以達(dá)到10米量級(jí)甚至米量級(jí)，但搜索雷達(dá)測(cè)角精度一般不高，典型“低慢小”目標(biāo)探測(cè)雷達(dá)方位探測(cè)精度在1°左右，對(duì)距離較遠(yuǎn)的目標(biāo)定位精度明顯下降，例如5 km的目標(biāo)，方位定位精度在100米量級(jí)，比測(cè)距精度差了一個(gè)數(shù)量級(jí)。光電系統(tǒng)具備較高的測(cè)角精度，可達(dá)0.1°甚至更高，因此，通過雷達(dá)與光電協(xié)同探測(cè)，可大幅度提升對(duì)目標(biāo)定位精度，尤其在目標(biāo)距離較遠(yuǎn)時(shí)，效果更加明顯。

3.2 多元傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)

低慢小目標(biāo)預(yù)警監(jiān)視體系建設(shè)必須采用多平臺(tái)多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將空基、地基、車載等不同平臺(tái)，雷達(dá)、光電等不同技術(shù)體制有機(jī)結(jié)合起來，發(fā)揮各類傳感器的優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)大區(qū)域內(nèi)預(yù)警監(jiān)視的連續(xù)覆蓋，高精度、高數(shù)據(jù)率的引導(dǎo)信息流，同時(shí)融合入現(xiàn)有的民航空管信息系統(tǒng)，形成全區(qū)域的統(tǒng)一空中態(tài)勢(shì)描述。

3.3 多元傳感器綜合識(shí)別技術(shù)

低慢小飛行器種類繁多，除此之外城市上空還存在民航客機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等目標(biāo)，因此有必要把低慢小類目標(biāo)同這些目標(biāo)進(jìn)行區(qū)分，以便于分類管理。單靠某一類傳感器特征信息難以對(duì)城市上空種類繁多的飛行器進(jìn)行分類和識(shí)別，基于雷達(dá)、光電、詢問機(jī)、ADS-B等傳感器探測(cè)信息，發(fā)展多元信息綜合識(shí)別技術(shù)是解決復(fù)雜空情下威脅目標(biāo)識(shí)別的關(guān)鍵。

4 雷達(dá)層面技術(shù)發(fā)展建議

4.1 雷達(dá)低慢小探測(cè)技術(shù)

改善因子限制是制約雷達(dá)對(duì)低空慢速小目標(biāo)檢測(cè)能力提高的主要障礙。常規(guī)雷達(dá)中對(duì)改善因子制約的因素有：系統(tǒng)穩(wěn)定性、雜波分辨單元、天線掃描調(diào)制、信號(hào)處理方式等。

采用“寬帶+多普勒處理”的反雜波處理思路[1-2]，實(shí)現(xiàn)雜波有效抑制。通過仿真可知，瞬時(shí)帶寬的增加降低了改善因子需求，降低了雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，如圖1所示；信號(hào)處理采用多普勒處理方式，有效提升雜波抑制能力，如圖2所示。

圖1 不同信號(hào)帶寬需求的改善因子差異

圖2 多普勒處理濾波器改善因子圖

采用長(zhǎng)時(shí)間積累技術(shù)，進(jìn)一步有效提升小目標(biāo)探測(cè)能力。

常規(guī)相干積累方法忽略目標(biāo)在即時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)對(duì)于基帶波形包絡(luò)在不同脈沖間的延遲影響，因此利用式(1)與式(2)分別進(jìn)行處理。具體地，脈壓輸出結(jié)果和FFT輸出結(jié)果分別為

(1)

(2)

首先考慮勻速目標(biāo)信號(hào)，其表達(dá)式為

s(n,τ)=

(3)

代入式(1)與式(2)，得到目標(biāo)信號(hào)經(jīng)過常規(guī)相干方法的結(jié)果，如式(4)與式(5)所示。

Spc(n,τ)=

(4)

(5)

其中Rp(fd,τ)為發(fā)射波形p(t)的模糊函數(shù)，定義為

(6)

(7)

(8)

因此，該處理對(duì)信號(hào)部分的實(shí)際積累增益為

(9)

類似地，該系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，故噪聲通過該系統(tǒng)的增益為

(10)

故常規(guī)積累方法得到的積累增益為

G=G(Nc,v)=

(11)

當(dāng)發(fā)射波形一定時(shí)，積累增益是目標(biāo)速度v與積累脈沖數(shù)Nc的函數(shù)，且積累增益與積累脈沖數(shù)不呈現(xiàn)單調(diào)遞增的關(guān)系。圖3給出了發(fā)射波形為L(zhǎng)FM信號(hào)時(shí)，積累增益隨積累Nc脈沖數(shù)和目標(biāo)速度變化的曲線，其中雷達(dá)中心載頻fc為1.2 GHz，脈沖重復(fù)頻率Tr設(shè)為1 000 μs，LFM信號(hào)時(shí)寬Tp為70 μs,帶寬B為2.5 MHz，噪聲帶寬等于LFM信號(hào)帶寬。

圖3 常規(guī)處理方法對(duì)不同速度目標(biāo)在不同積累時(shí)間內(nèi)的積累增益

4.2 雷達(dá)低慢小識(shí)別技術(shù)

首先采用數(shù)字地圖過濾技術(shù)，即通過高精度數(shù)字地圖對(duì)雷達(dá)探測(cè)點(diǎn)跡是否為公路、鐵路等地面點(diǎn)跡進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)無目標(biāo)特征信息的雷達(dá)探測(cè)點(diǎn)的初步分類，并對(duì)目標(biāo)在該區(qū)域的起始進(jìn)行限制，然后采用多幀積累運(yùn)動(dòng)學(xué)特征過濾公路航跡。

基于窄帶時(shí)、頻域相結(jié)合的目標(biāo)分類識(shí)別方法可以有效地解決目標(biāo)分類識(shí)別問題。該方法主要提取和利用時(shí)域運(yùn)動(dòng)特征、RCS起伏統(tǒng)計(jì)特征和頻域譜特征進(jìn)行綜合隸屬度分析，最終達(dá)到對(duì)目標(biāo)的分類和識(shí)別，如在圖4中，通過上述方法可清晰分辨空飄球、民航、三角翼、無人機(jī)等目標(biāo)。時(shí)域RCS統(tǒng)計(jì)特征對(duì)雷達(dá)工作狀態(tài)的穩(wěn)定性要求較高，相比較而言，電掃/相掃雷達(dá)機(jī)內(nèi)穩(wěn)定度要好于機(jī)械掃描體制雷達(dá)；頻域譜特征獲取則需要雷達(dá)波位可長(zhǎng)時(shí)間駐留，以獲取較細(xì)致的頻域譜特性，如圖5所示，旋翼目標(biāo)由于對(duì)多普勒調(diào)制，出現(xiàn)了頻域擴(kuò)散現(xiàn)象。

圖4 時(shí)域運(yùn)動(dòng)特征圖

圖5 頻域譜特征

5 結(jié)束語

低慢小目標(biāo)監(jiān)視技術(shù)是近期研究的熱點(diǎn)，由于低慢小獨(dú)特的目標(biāo)特性，現(xiàn)有監(jiān)視技術(shù)能力仍難以完全解決問題，本文給出了兩類技術(shù)發(fā)展路線，一是系統(tǒng)層面多源探測(cè)、跟蹤、識(shí)別，二是雷達(dá)層面通過寬帶+多普勒處理+長(zhǎng)時(shí)間積累方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定探測(cè)，時(shí)域與頻域結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別。