旋翼无人机载雷达系统设计

耿东华　尹利忠　房亮

摘要：针对中程雷达探测距离受平台高度限制的问题，通过对比各种升高平台，选择合适的旋翼无人机作为升空平台，分析雷达体制、功能、性能，对雷达进行优化设计，使雷达系统具备先进性和高性价比。

关键词：旋翼无人机;机载雷达;系统设计

中图分类号：TN957 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）08-0149-02

0 引言

雷达是获取区域态势情报的重要信息装备，具有探测距离远、覆盖区域大、全天候、全天时工作等特点。

随着地面部队机械化程度的提升，行军、进攻速度大大加快，留给侦察预警的时间越来越短，探测距离30km左右的雷达，直升机只需不到10min，装甲车约20min的即可到达，预警时间太短，需要提升雷达的探测距离。

机械扫描雷达数据率低，难以实现对目标的实时跟踪，更难以识别出目标种类，目标信息就不够准确，需采用电扫体制。

提升探测距离后，雷达工作平台高度需要相应升高。

1 国外中程雷达现状及发展趋势

美、法、英、俄、德、以色列等国家研制的中程战场侦察雷达有100 余种型号产品。有便携式、固定式和车载式，典型的有：

SRC公司研制的轻型监视与跟踪捕获雷达LSTAR，LSTAR 工作在 L 频段，作用距离40km，主要监视大型防空雷达的盲区。

ARSS 工作在 X频段，是一种轻小型、低功耗、低截获概率、高可靠性的无人值守雷达。自动探测30km以外的人、车辆和直升机等运动目标，通过目标音频信号实现目标分类。

泰勒斯公司研制的SQUIRE雷达，用于地面监视和火力校射。工作频率为10-20GHz，调频连续波体制，通过目标音频和视频信号特征完成目标识别。

SR Hawk雷达用在边境和周边安全任务中，提供广域连续监视能力，工作频率在16.5GHz附近，具有频率捷变、360度连续覆盖能力，对单人探测距离为10km内，对车辆探测距离为60km内。

还有德国的BOR-A550、比利时的SCB 2130A等，如表1所示。

中程雷达的今后发展趋势主要有以下几个方向：

（1）提高远程侦察能力。是发展升空运载平台，以达到“站得高，看得远”之目的。（2）进一步轻小型化。简化雷达电路和结构，减小雷达的体积和重量。（3）发展雷达目标自动识别技术。利用成像、目标回波特征等方式提升雷达的目标分类识别能力。（4）全阵列数字多波束形成。采用数字波束形成体制，引入阵列信号处理技术，提高方位、俯仰测角精度。（5）运动中侦察。随着平台机动性要求的提升，动中探测的应用需求会越来越强烈。

2 系统设计

2.1 系統组成和总体结构设计

受地球曲率、地形影响，雷达探测距离受工作平台高度的影响。

R=4.12×√（h₁+h₂）

其中：R为探测距离，单位km;

h₁为探测目标高度，单位m，按照地面、海面目标最低高度0m;

h₂为侦察平台高度，单位m。

如果探测距离大于40km，h2的高度应不小于94m，这个高度桅杆很难实现，如果寻找制高点，位置难以选择并且容易暴露，最好采用升空运载平台，如旋翼无人机、系留气球、飞艇等。

系留气球和飞艇存在自身重量太重，体积较大，部署时间长、隐蔽性差等特点，不适合机动性强的中程雷达系统。升空平台最好的选择为旋翼无人机。

整个雷达系统包括无人机、雷达主机、伺服稳台、操控设备、通信设备、电源、运输设备等。

2.2 雷达主机设计

雷达主机升空工作，要进行轻小型化、低功耗设计。采用低功耗电路、高速处理器、全固态功放，简化电路和结构形式，进一步减小雷达体积和重量。

雷达探测距离远、覆盖区域广、目标数量多，设计中采用电扫描体制，实现探测目标数据率高、快速扫描、对目标实时跟踪等功能。

雷达主机主要由雷达天线、信道、信号处理、电源模块等设备组成。

雷达设计时需考虑探测距离、数据率、扫描范围、俯仰覆盖范围、天线波束宽度、威力、功耗等多个指标的相互配合。

探测距离由下式得到：

式中：R——接收噪声限制下的探测距离;

Pt——发射峰值功率;

τ-- 发射脉冲脉宽;

Gt——发射天线增益;

Gr——接收天线增益;

λ2——雷达工作波长;

σ——目标平均雷达散射面积;

D0（n） -- n次积累后检测所需信噪比。

这些数据的选择都不是孤立的，需要综合考虑，选取最合适系统的值。

2.3 伺服稳台设计

稳台安装在无人机上，连接雷达主机，俯仰调节可调节。主要有机械转台、三轴驱动器、电机、测角编码器、综合惯导等组成。

为保证无人机悬停过程中雷达天线视轴稳定，采用三轴惯性稳定平台隔离载机扰动，三个稳定轴分别是方位、横滚和俯仰。

2.4 旋翼无人机设计

四旋翼无人机拥有四个动力组旋翼，通过不同方向旋转而进行飞行、悬停、转向等动作，四个旋翼作为直接动力源，对称分布在主体四个方向，且旋翼处于同一水平面。

其优点为隐蔽性好、机动性强、飞行平稳、控制灵活、垂直起降等，非常适合在静态和准静态条件下飞行。

四旋翼飞行器动力有两种选择，电机驱动、油机驱动。电机驱动对四旋翼飞行器的飞行控制相对简单，目前1kw电机功率能举升的载荷重量约为4～5kg，1kw电机自身重量约为2kg。而且无人机悬停100m以上，要考虑供电线缆的重量、损耗。

油机驱动时，油机的转速很难被精确控制，驱动四旋翼的四个燃油发动机转速更加困难，因此采用集中式发动机的动力方案，在两根支撑杆交叉点安装一个燃油发动机，支撑杆通过传动来控制四旋翼飞行器的四个旋翼。携带燃油要考虑冗余。

采用电机驱动或者油机驱动，要根据无人机自重、载荷重量、线缆长度重量、燃油重量、稳定度等多方面要求综合考虑选择。

2.5 载车设计

选择合适车辆底盘，合理布局改装，装载运输所有设备、人员。车辆改装设计时要考虑承载平台、信息处理、网络通信、环境保障、结构布局、电磁兼容、行驶稳定性、人机环工程等各方面。

设计充分运用人-机-环工程的设计准则与原理，使工作环境舒适，操作维修方便，安全可靠。

载车配置消防器材、电源告警等安全器材;设备进行结构、电压、温度等方面的设计，防止误伤操作人员;载车、设备喷涂伪装漆，增加隐蔽性;载车改装后满足行驶、抗风、逃生等安全要求;设备有良好的接地装置，电源开关有明显通断标识，操作简便;接插件、印制板有防插错、防反插措施;雷达发射功率较小，电磁辐射满足对人员的安全性要求。

3 系统工作

载车到达预定地点后，进行展开架设操作。雷达主机安装在稳台并固定在旋翼无人机上，连接线缆，旋翼无人机升空到合適高度，雷达操控终端、通信设备在载车内，展开工作。

雷达架设完毕后，加电启动。操控终端设置各种参数到雷达主机，雷达主机按照设置的各种参数发射电磁波并接收回波信号;回波信号经过接收机、信号处理器的处理产生目标数据;目标数据送至雷达操控终端，经过软件的数据处理形成目标点迹/航迹数据，显示给操作员。

雷达工作期间，操作员通过雷达操控终端设置、修改雷达的工作参数，读取雷达BIT自检结果。

雷达工作完毕，关闭电源，拆收装车。

雷达系统工作示意情况见图1。

4 结语

结合实际研制需求，通过对现有的雷达体制、功能、性能和旋翼无人机性能的分析，采用切实可行的先进技术，进行小型化、一体化和模块化等优化设计，确保设计的雷达系统具备先进性和高性价比。

参考文献

[1] 丁鹭飞，耿富录.雷达原理（第三版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，2002.

[2] 张尧.无人机载雷达结构轻型化设计与成型技术研究[D].电子科技大学，2016.

[3] 李嘉诚，马彦恒，董健，等.小型无人机载战场侦察雷达关键技术研究[J].飞航导弹，2015（8）：37-41.

[4] 赵为伟，宋晓伟.机载雷达技术的发展现状及趋势[J].电子科技，2018，31（1）：79-82.

Design of  Unmanned Rotorcraft Airborne Radar System

GENG Dong-hua，YIN Li-zhong，FANG 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