多功能綜合射頻技術在地面無人戰車上的應用

劉 闖 杜自成 王 偉

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

0 引言

地面無人車最早被用于危險環境下代替人執行掃雷排爆、核生化處置、核爆取樣等高危任務[1]，隨著技術的發展，其逐步被用于執行邊境巡邏、警戒監視、情報偵察、火力引導、戰場救援、保障運輸等作戰任務，受到世界各國的廣泛重視[2-7]。

地面無人車用于戰場偵察，具有偵察能力強、隱蔽性好、機動靈活、可長時間工作、可避免人員傷亡等優點，正在逐步替代有人駕駛偵察車，成為各軍事強國陸軍主要偵察車輛。無人偵察車通常裝配有可見光、紅外、激光等光電傳感器[6][8]，可以對作戰環境進行成像偵察。隨著無人偵察車在戰場上的應用和技術的發展，對其提出了更多的要求，例如火力引導功能、低空目標探測功能、復雜戰場環境下的工作能力、電子對抗能力等，因此對其上的任務傳感器也提出了更高的要求。由于可見光、紅外、激光等光電傳感器的在濃霧天氣和揚塵及濃煙的戰環境下工作性能下降嚴重，且大空域多目標搜索與跟蹤能力不足，因此在無人偵察車上加裝毫米波雷達，用于改善復雜氣象條件和戰場環境下的偵察能力以及多目標搜索與跟蹤能力成為一種趨勢。例如，美國陸軍未來戰斗系統中的ARV-R無人偵察車可以獨立或在人員遙控下執行偵察、監視、巡邏、搜索、火力引導、目標指示及毀傷評估等多種任務，其偵察設備包括被安裝在一個5m高的可伸縮桅桿上的可見光、紅外、激光等光電傳感器組件，多功能Ka波段雷達及核生化傳感器[3][6]。

本文針對無人偵察車對偵察探測傳感器的需求，結合無人偵察車的發展趨勢，提出在可見光、紅外、激光等光電傳感器基礎上增加毫米波段的雷達探測、敵我識別、電子告警、高精度無源探測、電子干擾功能的偵察探測方案，重點是提出了一種適用于無人戰車平臺的實現雷達目標探測、敵我識別、電子告警、高精度無源探測、電子干擾功能的輕小型、多功能、一體化的綜合射頻架構。

1 無人戰車用多功能綜合射頻系統架構

無人偵察車用多功能綜合射頻系統需要實現對地面運動車輛和低空飛機搜索和跟蹤、敵我識別詢問和應答、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，將雷達探測、敵我識別詢問、毫米波偵測與干擾綜合設計，將3mm/8mm告警綜合設計，將敵我識別詢問和應答的信息處理綜合設計，整個系統進行一體化集成。具體綜合構架如下圖1所示。

圖1 無人車偵察引導用多功能綜合射頻系統綜合架構

雷達探測、敵我識別詢問、8mm干擾都需要使用定向波束工作，并且波束調度方式相同，因此可以共用一個8mm定向天線；考慮干擾需要對天線全極化的要求，將定向天線極化方式選為斜極化；雷達探測、敵我識別詢問、毫米波干擾射頻前端綜合設計，收發信道復用；雷達探測和毫米波干擾通過軟件動態加載或模塊化動態配置共用一個信息處理板；敵我識別詢問和敵我識別應答共用一個敵我識別綜合信息處理單元。

3mm和8mm告警天線在結構上進行一體化設計，接收前端綜合，接收信道復用，告警信號處理單元共用。毫米波告警需要一個全向天線，并要求能夠進行輻射源測向，因此采用一個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方案。

敵我識別應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，因為敵我識別應答如果使用全向陣列天線，則需要多個超外差接收通道，會大大增加系統成本，且敵我識別應答和毫米波告警都需要全時工作，接收通道不能復用。因此將敵我識別應答前端獨立設計，單獨使用一個全向天線和超外差接收通道，而將信息處理與敵我識別詢問進行綜合設計，共用一個敵我識別信息處理單元。

雷達探測、敵我識別詢問和毫米波干擾綜合模塊與毫米波告警模塊及敵我識別應答前端在結構上進行集成，整個系統時序和資源進行統一的管控和調度。

2 無人戰車用多功能綜合射頻系統關鍵問題分析

1)基于任務優先級及優先級動態可調整策略的多任務調度技術

多功能綜合射頻系統要實現雷達探測、敵我識別、全向告警、高精度被動偵測和定向干擾等多種功能，其中雷達探測、敵我識別詢問、高精度被動偵測和電子干擾共用定向綜合孔徑天線、射頻前端、信號與信息處理單元等硬件資源，因此如何對系統資源進行合理的管理和調度，避免資源使用沖突，是實現多種功能的關鍵。

系統通常的工作過程有以下幾種情況：

①第一種情況：全向告警處于被動接收狀態，當偵收到威脅輻射源信號時，引導定向孔徑天線對輻射源進行測頻和精測向，并實施干擾。在整個工作過程中，沒有觸發雷達探測和敵我識別詢問任務。在這種情況下，系統時分工作，不存在資源競爭的矛盾，只需要做好任務協調和管理即可。

②第二種情況：雷達開機進行目標探測，當發現目標時，插入敵我識別詢問時隙，對目標敵我屬性進行識別。在整個過程中，沒有觸發被動偵測和干擾任務。在這種情況下，系統時分工作，不存在資源競爭的矛盾，只需要做好任務協調和管理即可。

③第三種情況：在整個系統工作過程中，出現需要同時進行雷達探測、敵我識別詢問、被動偵測及電子干擾的命令，此時會出現系統資源競爭的矛盾，可采用任務優先級調度的方法來解決該問題，任務優先級設置具體情況為：

目標搜索任務優先級最低，敵我識別詢問優先級較高，火控跟蹤和電子干擾的任務優先級最高。若在進行火控跟蹤時發起電子干擾任務，則火控跟蹤任務不能被打斷，必須保證火力打擊任務的執行，此時不響應電子干擾任務；若在進行電子干擾時發起火控跟蹤任務，則說明正在對威脅目標實施干擾，來保證平臺自身安全，因此電子干擾任務不能被打斷，此時不響應火控跟蹤任務。整個任務調度基于任務優先級策略進行，并結合實際戰術任務可動態調整。任務優先級設置與動態調整策略如圖2所示。

圖2 任務優先級設置示意圖

2)系統電磁互擾抑制技術

多功能綜合射頻系統的毫米波告警工作頻段為Ka波段,雷達探測、敵我識別詢問、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，告警模塊全向、全時工作，且與雷達探測、敵我識別詢問、電子干擾綜合模塊在結構上進行一體化設計，因此在定向孔徑天線向外發射信號時，告警模塊有可能會受到該發射信號的干擾。

雷達對告警系統的電磁干擾途徑有電磁泄露和近端強目標反射回波，能夠影響告警系統工作的情況包括將告警系統燒毀或飽和兩種。燒毀是必須避免的，飽和會影響告警系統的正常工作，原則上來說，這兩種情況都應該避免。

根據系統設計指標，告警前端不會被燒壞或飽和的條件如下：

不燒壞條件：進入告警前端的連續波功率不超過20dBm；

不飽和條件：進入告警前端的功率不超過不超過-40dBm。

①電磁泄露耦合分析

雷達與告警天線上下安裝，在雷達發射期間測量進入告警天線的耦合信號功率，測量發現，耦合進告警天線的信號主要來自與雷達天線同一方向安裝的4個8mm陣元，其它8mm陣元和3mm陣元收到的耦合信號很小，可以不考慮。根據測量，耦合信號功率最大為-22dBm，因此不會導致告警前端燒毀，但是會飽和。

為了解決該問題，在雷達天線和與其同一方向的4個告警天線陣元之間加裝隔離條，加大兩者之間的隔離度。經測試，加裝隔離條后，可以將耦合信號減小到-42dBm左右，可以避免告警前端被飽和。

②近端強目標反射回波對告警系統的影響分析

假設雷達發射功率為75dBm，近端強目標RCS=100m2，最近強目標距離為100m，告警天線增益8dB，等效天線接收面積為4.5e-5m2，根據式(1)可以計算不同距離強目標回波進入告警接收機的功率大小，結果如圖3所示。

(1)

圖3 不同距離進入告警接收機的目標回波功率

其中，Pr為進入告警接收機的信號功率，Pet為雷達等效輻射功率，σt為目標等效截面積，Ae為告警天線等效面積，R為目標距告警天線的距離。

由計算結果可以看出，在100m處，RCS為100m2的目標回波進入告警接收機的功率為-49.5dBm，不會導致告警接收機的飽和。因此近距目標回波問題不用考慮。

3 結束語

本文針對無人車戰場偵察、火力引導、平臺防護的應用需求，提出將綜合射頻技術用于具有雷達目標搜索與跟蹤、敵我識別、高精度無源探測、電子干擾、全向告警等功能的多功能綜合射頻系統的設計，提出了一種適用于無人戰車的多功能射頻系統綜合架構，并對涉及的多任務管理與調度、系統電磁互擾與抑制問題進行了詳細分析。該多功能射頻系統綜合架構已用于某型無人戰車偵察引導系統的樣機研制，并完成了各項功能及技術指標的試驗驗證，在無人車平臺上進行了集成測試。結果表明，該多功能

射頻系統綜合架構在實現多種功能的同時，可有效減小系統的體積、重量、功耗和成本，能夠很好地滿足無人戰車平臺的裝車要求，技術先進、可行，對后續相似系統的研制具有很好的借鑒意義。