低慢小目标监视技术现状及发展

王 健

(安徽四创电子股份有限公司， 安徽合肥 230000)

0 引言

低慢小目标是低空慢速小目标的简称，是指具有“低空超低空飞行(相对高度低于100 m以下为超低空，相对高度在100～1 000 m为低空)、飞行速度较小、不易被侦察和探测发现”等特征的各种小型航空器和空漂物的统称。通常是指飞行高度在相对高度500 m以下，飞行速度(巡航速度)低于55 m/s(200 km/h)，具有较小雷达散射截面积(一般小于0.1 m2，有的甚至小于0.05 m2)、较小尺寸或红外特征不明显的各种空中飞行器，主要包括有人驾驶飞行器，如滑翔机、滑翔伞、轻型/超轻型飞机、旋翼机、直升机；无人驾驶飞行器，如螺旋桨推进或旋翼推进的航空模型、各种长短航程的无人机；以及空飘气球、有人/无人飞艇等。可通过自杀式袭击、抛撒传单和有毒物质、空中侦察等手段威胁重点区域。

近年来，国内外针对低慢小目标监视展开了深入研究[1-6]，其中，文献[1]在体系层面对低慢小目标总体处置方案进行了分析，文献[2]、文献[3]在新技术及算法层面对雷达探测低慢小目标进行了优化，文献[4]对低慢小目标的拦截问题进行了系统的建模与仿真，文献[5]、文献[6]对低慢小探测的技术发展进行了论述。但迄今为止，对待低慢小目标仍存在难以稳定探测、识别难度大、情报质量不高等难题[1]。

1 低慢小目标威胁及特性分析

低慢小飞行器的目标特性与常规目标有一定区别，从技术角度看，以下几个方面的特性存在差异。

一是体积或雷达散射截面积小，难以发现[1]。大多数低慢小飞行器体积较小，翼展一般不超过5 m，一些微型航模甚至在1 m以内，气球和飞艇的体积虽然较大，但主要采用非金属材料制造，雷达电磁波散射能量比金属材料的喷气飞机小很多，因此低慢小飞行器的雷达散射截面积与常规飞机相比，大都小一个数量级以上。据估算，一架可程控飞行几十千米、搭载一定载荷的无人机，其雷达散射截面积在0.5～0.05 m2之间，比常规飞行器的雷达截面积小得多，因而雷达发现困难。对于体积较小的低慢小飞行器，光学观测手段发现的难度也很大。

二是速度低，常规多普勒方法难以检测。低慢小飞行器的速度通常低于55 m/s，与汽车的行驶速度相当，在反地杂波干扰频域多普勒处理时会被作为慢动杂波抑制掉，从而无法检测到。如果降低速度门限，则有可能使大量慢动杂波进入雷达接收机，在高速路和大城市周边频繁起批，造成虚警，使慢速小目标“淹没”在其中，从而无法在慢动杂波背景中有效分辨低慢小目标。此外，地面杂波谱扩展也使得低速多普勒通道内往往充斥着大量的杂波回波信号，其强度远高于低慢小飞行器的回波，增加了频域检测的难度。

三是热量辐射小，红外特征不明显。低慢小飞行器大多采用小型汽油或柴油发动机，以螺旋桨推进方式飞行，其发动机体积小、输出功率低，温度在100℃左右，与喷气式飞机的喷口温度和尾焰温度相比低得多，其作为一个辐射体的截面积也小数十倍，因此其红外辐射远小于常规飞机；另一方面，由于飞行速度较低，机体气动加热辐射很小，与音速飞行的常规飞机相比，低慢小飞行器的蒙皮温度小得多，增加了探测难度。

四是低慢小飞行器若在相对高度10 m到100 m飞行。在平原地区，通视条件下，地基传感器对低慢小飞行器的视距仅为13 km到40 km；而城市周边高楼林立，部署地点附近的楼群会形成连片的大遮蔽角，会进一步降低传感器的发现概率。

五是低慢小飞行器的飞行速度、体积大小、RCS等特征与地面汽车和低空鸟群接近，目前的预警探测装备缺乏有效识别低慢小目标的手段。特别是低空监视雷达在低仰角的测高精度较差，所以即使能够发现这些低慢小目标，也很难从复杂的背景杂波中分辨出来。

六是轻型超轻型飞机、无人机、旋翼机、飞艇、动力三角翼通常用于运动、娱乐，运用相当广泛；而且随着自驾仪技术的发展及采购无人机零备件的便利性，组装放飞无人机趋向平民化；大多数低慢小飞行器对起降场地没有特别要求，只要是平坦开阔地即可，因此这些低慢小飞行器的管控难度非常大。其次，低慢小飞行器以“游击战”的形式出现，没有固定航线，难以在防空区的广大范围内设置重点防御方向，布置预设阵地。

2 探测手段现状分析

低空雷达检测性能会受到地球曲率、近程地物遮挡、多路径效应、地杂波、慢动杂波和大气衰减等因素的影响[5]。低空雷达一般把目前研究的这些飞行高度低飞行速度很慢的小目标信号看作干扰，和慢动杂波一起进行处理。而且，对于速度更低的目标，即使能够采取各种措施进行检测，但是由于不具备识别能力，也很难从复杂的背景中分辨出来。

光电探测设备可以成像，具备一定的目标识别功能，可以与雷达装备相结合进行低慢小目标探测。但是现有的光电装备视场角小，搜索能力较弱，发现目标困难，探测距离近。

对于重要场所，为了保证万无一失，需要配合多种探测手段。目前国内对声探测等其他探测手段缺乏深入研究，现有声探测设备受背景噪声影响大，目前难以在都市进行应用。

3 系统层面技术发展建议

3.1 多元传感器协同探测技术

雷达传感器具有作用距离远、搜索效率高、测距精度高、可全天候工作等特点，一直是监视系统的骨干装备。对低慢小目标，雷达传感器存在着多路径低空凹口、地形遮蔽等难点，靠单部雷达难以连续准确地发现、跟踪和识别。采用多部雷达组网协同探测，可获取雷达频率分集、空间分集得益，有效应对多路径低空凹口和地形遮蔽造成目标发现不及时、跟踪不连续、识别不准确等问题。

光电传感器具有精度高，可对目标进行成像识别等技术特点，但同时具有作用距离短，受气象条件影响大等缺点。采用雷达光电传感器协同探测技术，雷达负责远程搜索、跟踪和粗分类，引导光电系统对高威胁等级目标进行截获、高精度跟踪和识别。

一般而言，雷达对目标探测距离精度较高，可以达到10米量级甚至米量级，但搜索雷达测角精度一般不高，典型“低慢小”目标探测雷达方位探测精度在1°左右，对距离较远的目标定位精度明显下降，例如5 km的目标，方位定位精度在100米量级，比测距精度差了一个数量级。光电系统具备较高的测角精度，可达0.1°甚至更高，因此，通过雷达与光电协同探测，可大幅度提升对目标定位精度，尤其在目标距离较远时，效果更加明显。

3.2 多元传感器数据融合技术

低慢小目标预警监视体系建设必须采用多平台多传感器数据融合技术，将空基、地基、车载等不同平台，雷达、光电等不同技术体制有机结合起来，发挥各类传感器的优势，取长补短，实现大区域内预警监视的连续覆盖，高精度、高数据率的引导信息流，同时融合入现有的民航空管信息系统，形成全区域的统一空中态势描述。

3.3 多元传感器综合识别技术

低慢小飞行器种类繁多，除此之外城市上空还存在民航客机、战斗机、运输机等目标，因此有必要把低慢小类目标同这些目标进行区分，以便于分类管理。单靠某一类传感器特征信息难以对城市上空种类繁多的飞行器进行分类和识别，基于雷达、光电、询问机、ADS-B等传感器探测信息，发展多元信息综合识别技术是解决复杂空情下威胁目标识别的关键。

4 雷达层面技术发展建议

4.1 雷达低慢小探测技术

改善因子限制是制约雷达对低空慢速小目标检测能力提高的主要障碍。常规雷达中对改善因子制约的因素有：系统稳定性、杂波分辨单元、天线扫描调制、信号处理方式等。

采用“宽带+多普勒处理”的反杂波处理思路[1-2]，实现杂波有效抑制。通过仿真可知，瞬时带宽的增加降低了改善因子需求，降低了雷达系统设计的难度，如图1所示；信号处理采用多普勒处理方式，有效提升杂波抑制能力，如图2所示。

图1 不同信号带宽需求的改善因子差异

图2 多普勒处理滤波器改善因子图

采用长时间积累技术，进一步有效提升小目标探测能力。

常规相干积累方法忽略目标在即时间内的运动对于基带波形包络在不同脉冲间的延迟影响，因此利用式(1)与式(2)分别进行处理。具体地，脉压输出结果和FFT输出结果分别为

(1)

(2)

首先考虑匀速目标信号，其表达式为

s(n,τ)=

(3)

代入式(1)与式(2)，得到目标信号经过常规相干方法的结果，如式(4)与式(5)所示。

Spc(n,τ)=

(4)

(5)

其中Rp(fd,τ)为发射波形p(t)的模糊函数，定义为

(6)

(7)

(8)

因此，该处理对信号部分的实际积累增益为

(9)

类似地，该系统为线性系统，故噪声通过该系统的增益为

(10)

故常规积累方法得到的积累增益为

G=G(Nc,v)=

(11)

当发射波形一定时，积累增益是目标速度v与积累脉冲数Nc的函数，且积累增益与积累脉冲数不呈现单调递增的关系。图3给出了发射波形为LFM信号时，积累增益随积累Nc脉冲数和目标速度变化的曲线，其中雷达中心载频fc为1.2 GHz，脉冲重复频率Tr设为1 000 μs，LFM信号时宽Tp为70 μs,带宽B为2.5 MHz，噪声带宽等于LFM信号带宽。

图3 常规处理方法对不同速度目标在不同积累时间内的积累增益

4.2 雷达低慢小识别技术

首先采用数字地图过滤技术，即通过高精度数字地图对雷达探测点迹是否为公路、铁路等地面点迹进行判断，实现对无目标特征信息的雷达探测点的初步分类，并对目标在该区域的起始进行限制，然后采用多帧积累运动学特征过滤公路航迹。

基于窄带时、频域相结合的目标分类识别方法可以有效地解决目标分类识别问题。该方法主要提取和利用时域运动特征、RCS起伏统计特征和频域谱特征进行综合隶属度分析，最终达到对目标的分类和识别，如在图4中，通过上述方法可清晰分辨空飘球、民航、三角翼、无人机等目标。时域RCS统计特征对雷达工作状态的稳定性要求较高，相比较而言，电扫/相扫雷达机内稳定度要好于机械扫描体制雷达；频域谱特征获取则需要雷达波位可长时间驻留，以获取较细致的频域谱特性，如图5所示，旋翼目标由于对多普勒调制，出现了频域扩散现象。

图4 时域运动特征图

图5 频域谱特征

5 结束语

低慢小目标监视技术是近期研究的热点，由于低慢小独特的目标特性，现有监视技术能力仍难以完全解决问题，本文给出了两类技术发展路线，一是系统层面多源探测、跟踪、识别，二是雷达层面通过宽带+多普勒处理+长时间积累方式实现稳定探测，时域与频域结合的方式实现目标识别。