曹秋生，劉賀軍，馬建超，王 勇

(中國電子科技集團公司第27 研究所，鄭州 450047)

0 引 言

在邊境監(jiān)視、叢林作戰(zhàn)等軍事/準(zhǔn)軍事應(yīng)用，以及山區(qū)救援、森林防護、非法偷獵打擊等民用活動中，如何對隱藏于叢林中的各類目標(biāo)進行探測、識別、定位、跟蹤，一直是困擾人們的難題，因為目標(biāo)部分或全部被樹叢遮蔽，普通技術(shù)手段難以透過樹叢“看見”目標(biāo)。

紅外熱像儀基于目標(biāo)與周圍環(huán)境的溫差可透過稀疏樹叢探測到目標(biāo)，但受霧的影響較大，且不適合稠密樹叢環(huán)境，而超寬帶(UWB，ultra-wide band)雷達其信號具有豐富的低頻分量，可穿透葉簇探測叢林目標(biāo)，并不太受霧的影響，結(jié)合合成孔徑處理，可以實現(xiàn)成像和目標(biāo)識別。

無人機具有無人員傷亡風(fēng)險、制造和使用成本低、留空時間長等優(yōu)點，適合執(zhí)行空中偵察與監(jiān)視任務(wù)。將無人機和叢林目標(biāo)探測傳感器結(jié)合，可有效解決目標(biāo)低可探測性和目標(biāo)區(qū)域難以抵達性的雙重難題。因此，具有成像功能和葉簇穿透能力的超寬帶地面動目標(biāo)顯示/合成孔徑雷達(GMTI/SAR)及與無人機平臺的系統(tǒng)集成研究和試驗驗證得到重視，美國在研發(fā)和應(yīng)用方面走在世界的前列［1］。

從介紹國外典型系統(tǒng)研發(fā)情況和描述超寬帶雷達的工作原理和特點出發(fā)，研究超寬帶SAR 無人機的系統(tǒng)集成，分析并討論其難點技術(shù)問題和工作方向及重點。

1 國外典型系統(tǒng)研發(fā)情況

瑞典第一代機載傳感器SARABAS(1992 年)用于研究超寬帶機理及受衍射極限限制的散射模型，改進后的SARABAS II(1996 年)用于穿透葉簇檢測人工隱藏目標(biāo)［2］;2002 年研制成功工作在20 ～90 MHz(SAR)和200 ～800 MHz(SAR/GMTI)的LORA(Low Frequency Radar)系統(tǒng)，安裝于“軍刀(Sabreliner)”客機上，2005 ～2010 年間開展了一系列可穿透葉簇的SAR 成像和動目標(biāo)檢測試驗。法國宇航實驗室(ONERA)在星基多波段特征提取雷達RAMSES 系統(tǒng)基礎(chǔ)上研制出三通道L 波段合成孔徑雷達/地面動目標(biāo)顯示(SAR/GMTI)系統(tǒng)，法國宇航中心(DLR)的E-SAR 系統(tǒng)也具有葉簇穿透能力。1997 年意大利開始ARCHEO 計劃，其ALS-SAR 系統(tǒng)工作在100 ～500 MHz 波段，帶寬200 ～400 MHz，若增加接收天線也可具有葉簇穿透能力。

GeoSAR(C-12 噴氣機載)和FOPENSAR(全球鷹無人機載)是美國空軍發(fā)展的兩種雙波段超寬帶目標(biāo)監(jiān)測和地形測繪合成孔徑雷達［3］，均工作于較低頻段以有效穿透樹叢，獲得高質(zhì)量的地面圖像，檢測在樹木或叢林掩蓋下的目標(biāo)或地形分布。DARPA 的“樹葉穿透偵察、監(jiān)視、跟蹤和交戰(zhàn)雷達”(FORESTER)據(jù)稱可從約50 km 遠處透過稀疏的樹冠、約30 km 遠處透過稠密的樹冠進行觀測，具有地面動目標(biāo)顯示/合成孔徑(GMTI/SAR)功能，由Syracuse 公司研制，工作在P 波段(225 ～390 MHz)，采用近6m 長的線性陣列天線進行機械定向和電子掃描，重272 kg，方位角探測范圍±45°，部署在無人機上，空中盤旋工作時，天線對準(zhǔn)目標(biāo)區(qū)域，在6186 m高空其地面探測范圍為400 km2。2010 年9 月，F(xiàn)ORESTER 在波音公司A160T(軍方代號YMQ-18A)無人直升機上進行了飛行試驗(如圖1 所示)，盡管無人機在著陸時意外墜毀。

圖1 A160 無人直升機加裝天線

洛克希德·馬丁公司為美國陸軍的情報和信息站指揮部開發(fā)了TRACER，一種雙波段(VHF/UHF)戰(zhàn)術(shù)監(jiān)視和反隱藏合成孔徑雷達，可抑制地面雜波和固定目標(biāo)的回波，探測隱藏于植被下、叢林和森林中的車輛、建筑和大型金屬目標(biāo)，定位移動和便攜目標(biāo)位置。其功耗不到2 kW，重約91 kg，可加裝于空中平臺，實時處理信號，繪制3D 合成孔徑雷達圖像并及時下傳到地面站。

法國《防務(wù)宇航》網(wǎng)站2011 年4 月19 日報道，TRACER 安裝在MQ-9“捕食者”B 無人機上，完成了歷時4 個月、100 小時的飛行測試，在為無人機系統(tǒng)構(gòu)建的苛刻環(huán)境中試驗了對威脅目標(biāo)的識別能力，驗證了雷達性能，演示了用衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈控制無人機平臺和雷達系統(tǒng)，降低了雷達安裝在4 級無人機或其他平臺上的技術(shù)風(fēng)險，例如YMQ-18A 無人直升機。

2 超寬帶雷達及其特點

超寬帶技術(shù)的最初發(fā)展可追溯到20 世紀(jì)50 年代末［2］，而超寬帶雷達的系統(tǒng)性研究始于20 世紀(jì)90 年代［4］，其一般定義為雷達發(fā)射信號的分數(shù)帶寬，或雷達輻射信號的帶寬指數(shù)(信號頻譜寬度與其中心頻率的比值)，或系統(tǒng)和信號的瞬時相對帶寬大于0.25 的雷達。超寬帶雷達呈現(xiàn)出稱之為超寬帶無線電信號頻率二重性的特殊性質(zhì)，即低頻信息與高分辨率，使超寬帶雷達可以獲得更多更精細的目標(biāo)信息。

系統(tǒng)具有許多優(yōu)點，(1)高距離分辨率:可達亞米級;(2)目標(biāo)成像能力:窄帶雷達一個目標(biāo)通常只形成一個集中回波，而UWB 雷達形成一系列攜帶不同角度信息的回波，通過合成孔徑處理，結(jié)合高分辨距離信息，可提供高分辨率(數(shù)十厘米級)目標(biāo)三維圖像;(3)目標(biāo)識別能力:UWB 雷達的回波由目標(biāo)的早期響應(yīng)和晚期響應(yīng)組成，利用早期響應(yīng)可得到目標(biāo)的一維距離像，利用晚期響應(yīng)可得到目標(biāo)的極點信息，而大多數(shù)雷達目標(biāo)的極點具有不變性，與目標(biāo)的形狀、結(jié)構(gòu)、材料相關(guān)，與視角無關(guān)，是目標(biāo)的固有特性。如果獲得的高分辨率三維圖像具有足夠多的細節(jié)以區(qū)別于其他目標(biāo)，就能實現(xiàn)目標(biāo)識別;(4)強電磁穿透能力:低頻電磁波對非金屬介質(zhì)具有強穿透性，而UWB 雷達信號包含幾乎從直流到高頻幾千兆赫茲的頻率分量，其中豐富的低頻分量使得超寬帶雷達具有穿透叢林、樹葉、非金屬墻的能力，可用于探測叢林地區(qū)的地形地貌、隱藏于叢林中的目標(biāo)及地表和墻后目標(biāo)。雷達的中心頻率越低，穿透能力越強。

UWB 雷達的基本組成如圖2 所示，與其他雷達沒有本質(zhì)區(qū)別，主要包括寬帶信號產(chǎn)生器、寬帶發(fā)射機、寬帶接收機、寬帶收/發(fā)天線和信息處理機等。

圖2 超寬帶雷達組成原理框圖

(1)超寬帶信號產(chǎn)生和發(fā)射:在指定頻段和頻帶上產(chǎn)生規(guī)定形式并達到規(guī)定功率水平的信號。UWB 雷達根據(jù)發(fā)射信號形式不同分為兩類［5］，一類為UWB 微波雷達，帶寬指數(shù)在25%以上，采用頻率/相位調(diào)制獲得超寬帶信號，采用線性調(diào)頻、偽隨機碼等常規(guī)的信號形式，而以線性調(diào)頻(LFM)方式最為普遍，技術(shù)較為成熟;另一類是UWB 沖激雷達，頻帶從直流到GHz，帶寬指數(shù)達75% ～100%。沖激信號是一種無載波信號，有單極脈沖、單周波和多周波等形式，脈寬一般為納秒級。UWB 沖激雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，沖激源直接輸出激勵天線，不需任何變換和放大，不需脈沖壓縮處理，簡化了信號處理系統(tǒng)，但由于發(fā)射功率不易做得很高會限制雷達的作用距離。

(2)超寬帶天線:在指定頻段和頻帶上滿足增益和波束角的要求，具有良好的幅相特性并能承受高峰值功率，并要綜合考慮其空間特性、時域特性和頻域特性。對于沖激雷達，時域天線有圓柱形天線、雙錐天線、加載蝴蝶形天線和TEM 喇叭天線、Vivaldi 天線等［6］。通常葉簇穿透雷達采用接近全向的天線以有利于高分辨成像，但同時會降低運動目標(biāo)的信雜比。對于GMTI，需要長天線來提供大的SAR積累角，實現(xiàn)目標(biāo)探測和抑制掩蓋地面動目標(biāo)的平臺雜波擴散。天線長度尺寸與平臺速度和最小可檢測速度(MDV)有關(guān)［7］。天線外形可參見圖1。

(3)超寬帶信號接收:在指定頻段和頻帶上滿足超寬帶信號的低噪聲放大和信號變換。接收機必須具備良好的雜波抑制能力，以從復(fù)雜背景中提取有用信號。接收通道可以是單通道、雙通道或多通道，沿航線方向放置。單通道系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，但雜波抑制能力較弱。

(4)超寬帶信號處理:以高速并行方式實時或事后處理大容量數(shù)據(jù)流，獲取目標(biāo)信息，形成目標(biāo)圖像。目標(biāo)成像算法有后向投影成像算法［8］和時間反轉(zhuǎn)成像技術(shù)［9］等。運動補償處理可以基于飛行平臺傳感器數(shù)據(jù)，也可基于回波數(shù)據(jù)。實際工作中是將成像算法與運動補償算法進行組合。

衰減和后向散射是影響雷達探測性能的主要因素，葉簇衰減、雜波和去相關(guān)效應(yīng)在較低頻段上相對較小，盡管與叢林的茂密程度等密切相關(guān)。理論和試驗均表明，葉簇穿透UWB 雷達的首選波段是VHF(30 ～300 MHz)和UHF(300 ～1000 MHz)波段。VHF 波段在穿透葉簇時的雙程衰減平均小于UHF 波段2 dB，小于L 波段15 dB，小于C 波段30 dB 以上，并且葉簇衰減隨頻率降低呈單調(diào)下降趨勢。VHF 波段的平均后向散射系數(shù)比UHF 波段低9 ～10 dB，但與頻率間不是簡單的單調(diào)增/減關(guān)系。然而在VHF 波段射頻干擾更嚴(yán)重，而且頻率越低，合成孔徑時間越長，運動目標(biāo)的信雜比相對越低，實現(xiàn)高分辨率SAR 圖像越困難，也不利于檢測運動目標(biāo)。為此，系統(tǒng)通常選用VHF 和UHF 雙波段。

距離向分辨率由發(fā)射信號帶寬決定，帶寬越寬，距離分辨率越高，還受各種信號展寬因素的影響。方位分辨率是通過飛行過程中形成的大的合成孔徑來加長相干積累時間，采用“多普勒銳化”(非聚焦處理)方法，或?qū)⒃谙喔蓵r間內(nèi)由于雷達至目標(biāo)距離變化而引起的相位非線性變化和包絡(luò)平移通過補償作處理的聚焦處理方法而實現(xiàn)的［10］。

發(fā)射信號的脈寬應(yīng)保證最小作用距離大于盲距，重復(fù)頻率上限受到距離無模糊條件的約束，下限受SAR 成像方位分辨率的約束。雷達峰值發(fā)射功率與作用距離的關(guān)系由雷達方程［11］確定。

3 無人機平臺選擇

SAR 要得到較高方位成像分辨率，需要較窄的波束寬度，因而理論上需要相當(dāng)大尺寸的天線，而實際上難以實現(xiàn)。因此，將無人機與SAR 結(jié)合，利用飛行軌跡等效天線在飛行方向的尺寸延伸，達到“合成”的目的。

無人機的種類很多，性能特點也不盡相同［12］。中低空領(lǐng)域往往為小型無人機，技術(shù)和產(chǎn)品都相對成熟，中高空領(lǐng)域往往為中大型無人機，雖已有不少相當(dāng)成熟的裝備，如美國的捕食者和全球鷹等，但總體上在平臺和系統(tǒng)層面都還在持續(xù)發(fā)展之中。

無人機的系統(tǒng)設(shè)計和參數(shù)選擇主要依據(jù)使用要求、技術(shù)水平、任務(wù)性質(zhì)和成本等來確定。無人機的規(guī)模與要搭載的載荷的重量密切相關(guān)，其有效載荷與起飛重量之比大致為1 ∶5，平臺升限越高，續(xù)航時間越長，有效載荷越小。此外，超寬帶SAR 為高價值設(shè)備，選擇成熟的無人機平臺，適當(dāng)進行適應(yīng)性改進，有利于降低風(fēng)險，加快進度。

叢林目標(biāo)探測任務(wù)往往在山區(qū)作業(yè)，其海拔和山頂高度是必須考慮的因素。因此一般選擇具有一定升限和續(xù)航時間并具備足夠有效載荷能力的中高空固定翼無人機，或中、大型無人直升機作為平臺，后者起降方便，可懸停和沿山谷或山勢走向、抵近目標(biāo)飛行，以獲得更清晰的目標(biāo)圖像和更精確的目標(biāo)信息，同時降低發(fā)射功率需求。

理想運動狀況下雷達在無人機飛行過程中以確定指向和恒定速度作平行于地面的直線運動，而實際上無人機的飛行受氣流影響會產(chǎn)生位置變化和偏航角、橫滾角及俯仰角等姿態(tài)變化，前者影響到目標(biāo)的距離，進而影響回波相位，后者則影響波束指向，其結(jié)果都是導(dǎo)致成像精度變差。因此，無人機裝有高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)(INS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)來改善和測量位置誤差，支持基于儀表測量的運動補償處理。

對于固定翼無人機，采用較大展弦比的機翼及較高的升阻比可延長續(xù)航時間，并具有較好的縱向、橫向穩(wěn)定性，可降低運動補償處理難度。對于無人直升機，其飛行控制系統(tǒng)應(yīng)能在大氣擾動時保持其平穩(wěn)飛行。此外，無人機以較低速度飛行有利于檢測慢速運動目標(biāo)。

作為參考，列出搭載FORESTER 雷達進行飛行試驗的波音公司A160T(軍方代號YMQ-18A)無人直升機［12，13］及搭載TRACER 的MQ-9“捕食者”B無人機［12］的主要性能指標(biāo)和參數(shù)，見表1。

表1 MQ-9“捕食者”B 和A160T (YMQ-18A)主要指標(biāo)和參數(shù)

4 系統(tǒng)實現(xiàn)及技術(shù)分析

無人機應(yīng)用系統(tǒng)的實現(xiàn)通常是將任務(wù)載荷加裝于無人機平臺，基本要求是在結(jié)構(gòu)和電氣方面二者適配，即在確保無人機平臺正常飛行前提下任務(wù)載荷能夠正常工作并實現(xiàn)既定的指標(biāo)和性能。以常見的搭載光電吊艙的偵察無人機為例，見表2，由于典型的光電吊艙重量通常在幾kg 至50 kg 范圍內(nèi)，最大物理尺寸一般不超過50 mm，且形狀基本為圓球(柱)形，供電最大不會超過幾百瓦，因此通常光電偵察無人機起飛重量在200 ～300 kg 以下，任務(wù)載荷的供電需求容易滿足且在掃描旋轉(zhuǎn)工作時對飛行器平臺的性能影響可忽略不計。

表2 無人機超寬帶SAR 和光電吊艙的典型特征比較

相比之下(見表2)，超寬帶SAR 在重量、物理尺寸、供電等特征上與光電吊艙差異巨大，要實現(xiàn)葉簇穿透超寬帶SAR 和無人機的系統(tǒng)集成面臨許多難題。

首先，超寬帶SAR 重達百千克量級或以上，因而無人機平臺應(yīng)是中大型的，起飛重量甚至需要達到噸級以上(參見表1)，這意味著較大的經(jīng)費投入、較長的研制周期和較高的研制、試驗風(fēng)險。

其次，超寬帶SAR 的天線物理尺寸達幾米，可與固定翼無人機的機翼或無人直升機的旋翼尺寸相比擬，在天線的布置、安裝及機械掃描工作時可能影響無人機平臺的飛行性能，必要時應(yīng)對加裝天線后無人機的空氣動力學(xué)特性進行核算，以確保飛行穩(wěn)定、可靠和安全。

第三，雷達載荷的供電要求高，對無人機平臺是不小的壓力。在保證系統(tǒng)靈敏度的前提下，應(yīng)精心設(shè)計天線增益和工作頻率以盡量降低雷達發(fā)射功率。機械掃描和雷達發(fā)射機脈沖高壓工作時可能產(chǎn)生較強電源沖擊和電磁輻射，需要采取有效的電磁兼容措施，確保飛行安全和全系統(tǒng)正常工作。

第四，對于無人直升機，由變化的速度和槳距引起的交變氣動載荷及由槳葉與尾渦之間交叉干擾引起的振動載荷導(dǎo)致直升機振動［14］，而這種振動無法被濾掉，因此，雷達必須有較好的抗振能力，并且安裝時要有減振措施。即便如此，這種振動對無人機的姿態(tài)和位置的擾動也可能影響SAR 的成像精度，增加運動補償處理的復(fù)雜性。

第五，系統(tǒng)往往在山區(qū)使用，不僅要滿足大容量高速數(shù)據(jù)傳輸對帶寬和實時性的要求，還必須考慮山區(qū)復(fù)雜環(huán)境對測控和信息傳輸鏈路的影響，必要時應(yīng)采用中繼或衛(wèi)星通信手段。

5 結(jié) 語

基于UWB 雷達的叢林目標(biāo)探測無人機系統(tǒng)復(fù)雜，技術(shù)難度大，要在工程上實現(xiàn)并可實際應(yīng)用，不僅要求雷達重量輕、體積小、耗電少、探測能力強、信息處理速度快和環(huán)境適應(yīng)性好，而且無人機平臺應(yīng)具有一定的規(guī)模，足夠的載荷、航時、升限、供電能力和良好的山區(qū)測控通信能力。雷達與無人機平臺的良好匹配是系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵。

總之，具有穿透葉簇能力的UWB 雷達其技術(shù)還在發(fā)展當(dāng)中，而與無人機結(jié)合用于叢林目標(biāo)探測更是處在初步階段。除UWB 雷達自身的發(fā)展還面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)外［7］，從系統(tǒng)集成和應(yīng)用角度出發(fā)，需關(guān)注的工作方向和重點包括以下六點。

(1)進一步提高成像分辨率:米級成像分辨率可滿足對車輛、建筑物探測及地形地貌勘測的要求，但若要分辨出更小的目標(biāo)，則需將成像分辨率提高至分米量級。

(2)合理選擇無人機平臺:固定翼無人機可在探測區(qū)域上空飛行，實現(xiàn)大范圍覆蓋普查;無人直升機無需專用起降條件，機動性好，可懸停工作，可接近地面飛行，適合局部小范圍詳查和戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用。

(3)雷達小型化:以適用于中小型無人機平臺，降低系統(tǒng)規(guī)模和研制、試驗、使用風(fēng)險，便于推廣應(yīng)用。對于使用固定翼無人機的情況，研究天線與機翼共形技術(shù)，降低由于加裝天線而帶來的對無人機飛行特性的影響。

(4)高分辨實時圖像處理技術(shù):開展高速并行處理技術(shù)及算法研究以實時獲得高分辨目標(biāo)圖像，消除樹干、樹葉遮擋或隨風(fēng)運動對成像的影響，實時發(fā)現(xiàn)、識別、定位并跟蹤感興趣的目標(biāo)，實時給出目標(biāo)的運動軌跡。

(5)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建立:針對叢林環(huán)境開展深入的理論和試驗研究，進行典型植被的衰減特性和典型目標(biāo)的電磁散射和回波特性分析建模和測試，支持雷達的系統(tǒng)設(shè)計。

(6)防撞設(shè)計:確保無人機特別是無人直升機在山區(qū)的飛行安全。

［1］梁甸龍，陸仲良. 超寬帶雷達技術(shù)［J］. 國防科技參考，1998，19(1):71-73.

［2］李海英，楊汝良. 超寬帶雷達的發(fā)展、現(xiàn)狀及應(yīng)用［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2001，16(3):178-183.

［3］TOMLINSON P G，et al.Technical Challenges in Ultra-wide Band Radar Development for Target Detection and Terrain Mapping［C］//International Radar Conference，1999:1-6.

［4］JAMES D TAYLOR.Introduction to Ultra-Wide Band Radar System［M］. USA:CRC Press Boca Raton，1995.

［5］張直中.雷達信號的選擇與處理［M］. 北京:國防工業(yè)出版社，1979.

［6］伊洋. 沖擊脈沖雷達天線設(shè)計與成像試驗初步研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2009.

［7］MARK E DAVIS. 超寬帶多模雷達面臨的挑戰(zhàn)［C］.2011 國際雷達會議，成都，2011.

［8］CUI G，et al.A Back-Projection Algorithm to Stepped-Frequency Synthetic Aperture Through-the Wall Radar Imaging［C］//Process of 1st Asia-pacific Conference on Synthetic Aperture Radar，2007:123-126.

［9］LIU D，et al. Electro-Magnetic Time-Reversal Imaging of a Target in a Cluttered Environment［C］//IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2005，53:3058-3066.

［10］保錚，邢孟道，王彤.雷達成像技術(shù)［M］. 北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［11］M I 斯科爾尼克.雷達手冊［M］. 謝卓，譯.北京:國防工業(yè)出版社，1978.

［12］《國外無人機大全》編寫組.國外無人機大全［M］. 北京:航空工業(yè)出版社，2001.

［13］徐云.A160“蜂鳥”無人直升機的新進展［J］. 無人機雜志，2010(5):37-41.

［14］肯·格林那.直升機設(shè)計［M］. 高正，等，譯. 南京:南京航空學(xué)院直升機技術(shù)研究所.