车载传感器的装备及应用

在现代战争中，随着信息化技术和各型武器装备的不断发展，一方面，陆军武器装备尤其是地面坦克装甲车辆将面临多种战场威胁。如图5-7所示，装甲平台需要面对敌方地面火力和无人机、固定翼飞机等空中火力打击，自身必须具备一定的防空威慑能力；需要在各类电子对抗手段不断加强的战场中应对愈加复杂的电磁环境；需要不断提升自身的防护能力以应对精确打击武器的攻击，同时其自身应具备精确打击能力，以适应精确打击作战的需求。因此，坦克装甲平台信息化设备必须具备探测与感知、对抗与防护、火力打击与精确制导、指挥控制、多维通信、敌我识别等多种功能，以应对未来复杂战场环境和战场对抗的需要。另一方面，在未来的信息化战争中，陆军作战平台将不再是一个孤立的作战单元，也不再只是搭载、投放武器的工具，而是作为整个网络体系的一个节点（终端），担负着不同的作战任务。坦克装甲平台必须具备侦察、感知、通信、对抗、指挥控制、火力打击等多种功能，从而作为信息化装备体系中的一个节点，不仅在火力网中发挥作用，而且在传感器网和通信网中发挥作用。

图5-7　坦克装甲平台面临的威胁示意

在陆军网络信息体系中，各陆军作战平台作为网络节点，担负着不同的作战任务，在侦察、感知、通信、对抗、指挥控制、火力打击等方面有不同侧重。针对坦克、步兵战车、装甲侦察车等坦克装甲车辆装备，各类远程压制式火炮、反坦克火炮及导弹等炮兵装备，高炮、防空导弹及防空单元等防空装备，无人车、无人机等无人平台和武装/侦察直升机等陆航装备，表5-1给出了其功能需求和应当具备的能力。从表中可以看出，坦克装甲平台电子信息装备必须具备多任务多功能的能力，从而最大化地实现其战场作战效能。射频综合化正是通过对多种任务的统一规划和整合，以数个宽带综合孔径、共用/复用射频前端、综合信息处理的架构，对这些功能进行综合集成，从根本上提升信息化装备的作战效能。

表5-1　陆军各类装备综合射频系统功能配置

续表

1.综合感知与战场目标探测传感器装备

当前，各军事强国陆军装甲平台初步形成了以指挥所为中心，辅以电子战、防空火控雷达、装甲侦察车、无源告警设备、光电稳瞄等多频谱、多传感器的通信、探测、干扰手段，具备了全天候的作战能力。表5-2描述了车载射频探测感知传感器的特点。

表5-2　各种探测感知传感器探测特点

随着现代战争技术的发展，车载作战平台面临的威胁日益增多，其工作的电磁环境也日渐复杂，同时车载武器打击系统不断向远程化、精确化、智能化方向发展，要求未来车载传感器系统必须能够在复杂电磁环境下也具有远距离和高精度的探测和识别能力。传统的单传感器探测系统由于以下两方面的缺陷，已经无法满足现代战争的需求。

（1）所获取的数据不精确、不完整、不一致，仅利用目标的某些特征对其进行探测，分类和识别存在很大的局限性。

（2）单传感器易受敌方干扰，在复杂环境下探测能力大大下降。例如，针对雷达和激光等主动有源探测系统，敌方可实施强大的电子干扰；针对无源侦察，敌方可保持电磁静默等。

美国早在20世纪70年代就提出了多传感器探测的技术途径，而多传感器信息融合处理，则是其中的一项关键技术；经过探索和实践，至20世纪80年代，逐步形成了较为完整的信号融合处理技术，解决了多传感器探测融合中的关键问题。美国国防部和海军于1986年成立了专门的数据融合/发展战略小组，负责这项研究工作；美国三军及有关公司同时建立了研究实验室，从事多种系统的开发研究；1987年，美国国会军事委员会把数据融合明确为国防发展21项关键技术之一。目前多传感器融合技术已经在各个系统上得到了广泛应用。

多传感器融合技术最为成功的应用是在战斗机上。美国F-22战机的光电传感器综合系统是综合电子战系统（INEWS）的重要组成部分，具有光电和雷达探测、雷达告警、导弹告警、电子侦察、干扰释放等多种功能，其覆盖范围包括毫米波、红外和可见光。飞机上所有的传感器和显示器一起工作，采集的数据经过信息融合系统处理后可向驾驶员提供战术态势单一、完整的图像。俄罗斯的米格-29、米格-31战斗机以及美国最新研制的联合战斗机（JSF）都利用了多传感器融合技术。

在车辆多传感器融合探测方面，美国和欧洲都已形成自己的典型在研产品，如美国海军陆战队的复合电驱动侦察监视标的车（RST-V），美国陆军的远程高级监视侦察系统（LRAS3），美、英合作的战术侦察装甲战斗设备（TRACER/FSCS），荷、德合作开发的“菲耐克”装甲侦察系统，英国阿尔维斯车辆公司的“甲虫”系统，德国的“鼬鼠-AOZ”侦察系统，法国的Panhard轻型装甲侦察车，加拿大的“山狗”侦察车，捷克的“斯内泽卡”侦察车，土耳其的“眼镜蛇-ARSV”侦察系统，以色列的“军猫”监视/侦察系统等，都利用多传感器进行融合探测，并在实际中得到了很好的应用。

2.电子对抗与主动防护装备

目前，装甲平台的防护主要依靠各种复合装甲等被动防护手段，但此类防护手段仅能抵御早期的穿甲、破甲类弹药。随着装甲防护能力的提升，车辆的自重也在急剧增加，严重限制了装甲平台的机动性能，且被动防护手段对现代战场大量出现的精确制导弹药缺乏足够的防护能力。智能化弹药自问世之日起，就对陆军装备尤其是装甲平台构成了严重的威胁。现阶段，多个国家的装备体系中均已装备了各类精确制导弹药。目前能够打击装甲平台的精确制导弹药的典型代表有以“海尔法”“硫磺石”为代表的反坦克导弹，以及以“SMArt”为代表的末敏弹。

现代战争中各种精确制导弹药的大量使用，使传统的装甲平台被动防护体系难以应对，为提升装甲平台战场生存能力，发展主动防护技术已是大势所趋。目前，可适应装甲集群作战特点的电子对抗与主动防护技术包括随队支援干扰以及平台自卫干扰。随队支援干扰利用专用大功率支援干扰车，形成干扰区域，掩护装甲集群。但专用大功率支援干扰车存在结构复杂、成本高昂等缺点，且由于辐射功率较大，容易成为反辐射弹药的攻击目标，因此战场生存能力较弱。平台自卫干扰设备，结构较为简单、成本低廉，对火控雷达有着较为理想的干扰效果。但由于平台自卫干扰设备安装于平台内，因此对精确制导弹药只能使其圆概率误差增大，而无法像干扰雷达那样达到稳定的干扰效果。随着战场电磁环境的复杂化，战场上的威胁辐射源数目也越来越多，虽然我方装甲集群也同时存在多个干扰机，但目前各干扰机仍处于单打独斗的状态，因此对多个目标的干扰依然是以单个干扰机的干扰决策为依据，这容易形成对某些目标的过度干扰，从而导致对某些目标的干扰不足，甚至于干扰机之间相互干扰，使其不能正常工作。

因此，为了应对日益严峻的战场电磁环境，适应装甲集群作战的电子对抗与主动防护手段应具备以下条件：①能够利用平台自卫干扰设备对精确制导弹药形成稳定可靠的干扰效果，诱使精确制导弹药攻击假目标；②多车之间能够协同干扰，以应对越来越复杂的战场电磁环境；③能够对末敏弹实施有效干扰。同时，考虑到来自顶部的威胁，现代坦克装甲车辆必须能够对多模复合末敏弹进行有效防护。

近年来，满足装甲集群作战的分布式电子干扰与对抗系统逐渐成为研究和发展的重点。

2000年，美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）对外宣布开始进行“狼群”（Wolf Pack）网络化电子战研究。“狼群”电子战系统使用大量相互协作的小型干扰机，采用干扰机联网技术，通过分布式网络结构进行数据交换，以分布式干扰方式来破坏敌人通信链路和雷达系统工作，对敌方的辐射源进行“围攻”，就像狼群围攻猎物一样，对攻击目标进行“湮没”式轮番攻击，因而得名。“狼群”将通过对敌方关键的指挥、控制和通信节点实施精确干扰，并使网络失效来阻止敌方各节点之间的联络，攻击其无线电和雷达系统。它还利用压制式干扰进行定向攻击，或利用信号欺骗和雷达假目标来破坏敌方的通信和雷达系统，降低敌方侦察接收机灵敏度，同时确定目标系统的位置和意图。“狼群”攻击系统的工作频率为20～2 500 MHz，将来可能会扩展到15 GHz或更高频率，以干扰敌方的防空雷达。“狼群”攻击系统具有高度的适用性，能够满足不断变化的战场或作战优先级，适用于多种投送、部署方式，如直升机、火炮、无人机、战斗机和轰炸机等，部署距离灵活多变，克服了现役分布式对抗装备功能单一（主要就是对战术通信电台实施拦截式干扰），缺乏侦察定位及信息传输功能，以及部署平台单一（火炮投掷）、部署手段少、投送距离近等缺点，可充分发挥分布式雷达对抗装备的作战潜能和优势。

目前美国BAE公司已用3架飞机进行过“飞狼”试验，截获、分析威胁信号，并发射干扰信号，实现电子伪装，模拟数百个目标飞行。

鉴于末敏弹对坦克装甲车辆的威胁程度较高，因此可以断定国外肯定有机构在研究末敏弹对抗技术，但由于保密等诸多原因，末敏弹对抗技术尚未见公开报道。

3.无人平台传感器装备(www.xing528.com)

无人平台（包括车辆、船体和飞机）因其能够在战场上协助作战人员并与之互补，适于完成常规而单调的任务，增强士兵在战场上的战斗效能以减少人员的伤亡而受到各国的关注。当前，陆军由以重装甲、强火力为特征的军事力量向更轻便、反应迅速、具有高杀伤力与高生存性的目标部队转型的迫切需要，已使实用的无人地面车辆和无人机系统的发展成为未来的急需。美国陆军计划将无人地面车辆用于武器平台、后勤运输车及侦察、监控与目标获取等替代装置，以提高战斗效能并减少危险环境下士兵的数量。纵观美军近年来的战事，通过大量的无人系统获得了前所未有的对战场的感知能力、参战部队的整体协调和控制能力，以及对目标的远程精确打击能力，同时为参战人员提供了从未有过的安全保障，大大降低了人员的伤亡。

坦克在地面执行作战任务时，平台自身高度的限制导致其携带的各种侦察设备的作用距离一般较近。微型无人机的出现，将会在很大程度上提高坦克自身的远距离探测能力。微型无人机可在坦克前方数千米的低空巡飞，利用自身携带的机载侦察设备探测附近空间的敌情变动情况，把获得的侦察信息通过数据链路及时地传递给坦克，扩大坦克的搜索范围，延长预警时间，提高坦克对战场的感知能力。坦克根据微型无人机提供的侦察信息可以及时制定作战方案、确定目标攻击参数，做到先发制人。此外，微型无人机还可以利用其机载设备对目标的毁伤程度进行评估，确定是否继续攻击或转移火力。微型无人机一般体积小、重量轻，携带起来比较方便，可将其放置在坦克的内部；由于其发射和接收不需要专门的起飞或着陆场地，因此坦克乘员可在坦克内部对其进行灵活操控。

无人平台是无人化与信息化高度结合的载体，其信息系统的改进和提高是平台综合效能提高的关键。尤其是在复杂电磁环境下，平台需要装备综合信息系统来抗衡敌方电磁干扰，感知战场态势，远距离、高精度地侦察目标，进行与指挥所、协同作战单元间的通信联络，有效打击敌方威胁，提高自身生存能力，最终在战场上达到“全天候全战场态势感知、综合数据评估、制定和施行与作战目标相一致的自主机动和自主打击”的自主无人能力。

目前各国在无人平台传感器方面主要着重发展无人环境传感器。地面无人平台对环境的感知能力，对其自主机动非常重要，由于环境多变和地图数据不准确，所以不能只依靠单一导航方法（如GPS）。车辆必须能利用车载传感器的数据来规划和跟踪一条路径，穿过其环境，必要时检测和避开障碍。早期的无人平台环境感知系统严重依赖于某一类型的传感器，如立体视觉和激光雷达。随着无人平台所面临环境的日益复杂和执行任务的种类增多，雷达由于具有全天候工作能力、作用距离远、穿透能力强、可直接对目标测距测速等优势，越来越多地在无人平台中得到应用。现有无人平台中使用的多是光学/红外摄像头、激光雷达和雷达等多传感器集成的智能环境感知系统。

1）运动车辆

对运动车辆径向速度的检测也可以采用毫米波雷达测速来实现。通过发射多个具有不同调频率的线性调频连续波（Linear Frequency Modulated Continuous Wave，LFMCW）波形来获得目标距离和速度的不同线性组合，进而求解出目标的距离和速度。在多目标场景下这类方法需要首先进行目标的配对（图5-8）。另外，也可以利用各个波形发射周期间的相位变化来检测多普勒频率，进而获得目标的速度。

图5-8　三角波LFMCW波形配对测速

对于在城市道路上行驶的车辆，获取目标的切向速度显得尤为重要。在传统的雷达系统中，目标的切向速度是通过航迹跟踪获取的，而目标航迹需要经过一段时间的观测才能够建立，从而限制了应用范围。扩展雷达目标（例如车辆）具有多个不同的雷达散射点，而对于平稳行驶的汽车，其车身各处（车轮除外）的速度应是一致的，因此雷达可以利用同一车辆多个散射点径向移动速度的不同估计整车速度（图5-9）。

图5-9　速度分解与估计

（a）车身各处速度分解示意；（b）车辆切向速度估计

日本日立公司还研制了77 GHz低成本单片雷达用于本车测速。该雷达以固定入射角照射地面，通过测量地面回波的多普勒频移来获得本车速度，测速误差在1.5%以内（图5-10）。

图5-10　雷达外观与测速原理

（a）雷达外观；（b）测速原理

2）行人

考虑到行人在走动过程中身体各个部位间的相对运动要比运动车辆复杂得多，因此在多普勒谱上与运动车辆相比会有较大的展宽。根据这一特征，德国汉堡工业大学的团队从24 GHz毫米波雷达获取的回波数据中提取多普勒谱和一维距离像，并进行运动车辆和行人的区分（图5-11）。

图5-11　行人与车辆多普勒谱对比

3）道路边界

对于大多数的道路，由于道路边缘存在护栏、防护障、绿化带等具有强雷达回波的物体，因此可以根据这些物体的回波来检测道路边缘。Daimler汽车公司与德国慕尼黑工业大学合作研制的雷达道路识别系统在雷达高分辨成像结果中可检测连续的道路边界，图5-12展示了在冰雪覆盖的道路上利用雷达成像结果实现对车道线的检测。

4）路况探测

芬兰的研究人员采用24 GHz汽车雷达来检测柏油路面上水、冰和雪的覆盖情况，并对干、湿、冰和雪覆盖的柏油路面的后向散射系数进行了外场测试。测试证明不同极化方式的后向散射系数的比值σvv/σhh、σvh/σhh和σhv/σhh可以用于不同路况的有效区分，而且不易受观测距离、柏油路面特性和天气状况等的影响。与干燥路面相比，在大入射角下，水覆盖路面的σvv/σhh会提高3～9 dB，冰覆盖路面的σvv/σhh、σvh/σhh和σhv/σhh均会降低1～2 dB，雪覆盖路面的σvv/σhh、σvh/σhh和σhv/σhh则会在冰覆盖路面的基础上进一步降低1～2 dB。

图5-12　利用成像雷达在冰雪覆盖的道路上检测车道