CN112492866B - 一种基于拍波hpm的反无人机群系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于拍波HPM的反无人机群系统，该系统包括安装在方舱一的高功率微波发射及天线部分，以及安装在方舱二的控制及信息处理部分，所述方舱一和方舱二之间通过光纤通信；工作状态下，所述雷达天线开始围绕馈源旋转并进入目标搜索模式，当发现威胁目标后，方舱二向方舱一发送攻击指令和目标方位，雷达天线在提前10°转至目标方位的时候，高功率选通开关置于电磁脉冲攻击状态，本发明将HPM源产生的微波经高增益定向天线发射出去，形成高功率、能量集中且具有方向性的微波射束，使之成为一种杀伤破坏性武器，它通过毁坏敌方的电子元器件、干扰敌方的电子设备来瓦解敌方武器的作战能力，对反无人机群具有显著效果。

Description

一种基于拍波HPM的反无人机群系统

技术领域

本发明涉及反无人机领域，尤其涉及一种基于拍波HPM的反无人机群系统。

背景技术

随着武器装备的集成化越来越高，各国空军所拥有的飞机种类和数量越来越少，成本越来越高。以二战为例，在几年的时间内各国制造的战机近百万架，而每架的成本仅有数千至数万美元。但时至今日，以美国为首的军事强国，其现役战机也仅有千架左右，但每架先进战机的成本却高达数亿美元。随着科技的发展，这一趋势将更加明显，我们可以预想，几十年后，各国拥有的战机可能仅有一两种，数量仅有百余架，而每架的成本可能升至数十亿美元。

在战争理论中，有一个基础性理论Lanchester定律。战斗力=参战单位总数×单位战斗效率，而且作战单元数量是比单元作战能力更重要的战争胜负决定因素。基于单元数量的重要性和科技发展带来的系统高集成性的矛盾,以美国为例，其一方面在武器高度集成上不断引领新的作战模式，另一方面，也在多任务分解方面发展新的装备，即将原本造价高昂的多任务系统分解为若干低成本的小规模作战平台,但这一作战模式始终受距离和平台的限制,直到20世纪初,美国大力发展各式军用无人机装备后,为这一集群式的作战模式提供了广阔的平台,也随即引领了未来新的作战模式。

美军在无人机系统发展的牵引下，很快提出了无人机集群作战的概念。2000年，DARPA启动无人机群空中战役研究计划；2002年，JFCOM对无人机集群作战效能进行了研究；2005年，AFRL提出了协同空域作战的概念；2006年，AFIT研究了无人机群的自组织行为和自适应能力。

美军无人机集群作战概念一经发布，便引起了广泛关注和研究。2006年，英国奎奈蒂克公司于成功地进行了一种新型的无人机控制和管理系统验证试验，该系统可控制和自主组织多架无人机协同执行作战任务。2012年，美国宾夕法尼亚大学“格拉斯帕”实验室成功让16—20架小型四旋翼无人机在室内组成各种形状的飞行编队，具有协同飞行、轨迹规划、规避障碍等能力。

国内的民用无人机技术近几年得到了大力发展。同时，各研究机构紧盯国外发展趋势，在无人机集群作战和无人机自主技术方面也取得了重大突破。其中，中国电科集团与清华大学合作开展的多无人机自主协同技术，在航展上进行了演示飞行，获得国内外的广泛关注。

相比于功能复杂全面的某一单机作战平台，无人机集群在作战时具备以下优势：

（1）功能分布化：将单个完备作战平台所具备的各项功能如侦察监视、电子干扰、打击与评估等能力“化整为零”，分散到大量低成本、功能单一的作战平台中，通过大量异构、异型的个体来实现原本复杂的系统功能，系统的倍增效益将使无人机集群具备远超单一平台的作战能力。

（2）体系生存率：无人机集群具有“无中心”和“自主协同”的特性，集群中的个体并不依赖于某个实际存在的、特定的节点来运行。在对抗过程中，当部分个体失去作战能力时，整个无人机集群仍然具有一定的完整性，仍可继续执行作战任务。

（3）效费交换比：功能单一的无人机平台成本较低，在进行作战任务时，敌方应对大量的无人机个体需要消耗数十倍甚至上百倍的成本来进行防御，这将在战争中为我方带来显著的成本优势。

综上，无人机自主能力的不断提高，无人机集群作战必将成为未来无人机系统应用的重要作战样式。反无人机群也将成为未来战争中的重要部分。由于无人机群的特殊性，长时间累积效应的摧毁手段和精确瞄准的攻击手段，已经无法适应面对大数量无人机集群攻击的作战需求。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种基于拍波HPM的反无人机群系统，将HPM源产生的微波经高增益定向天线发射出去，形成高功率、能量集中且具有方向性的微波射束，使之成为一种杀伤破坏性武器，它通过毁坏敌方的电子元器件、干扰敌方的电子设备来瓦解敌方武器的作战能力，对反无人机群具有显著效果。

本发明的技术方案如下：

一种基于拍波HPM的反无人机群系统，该系统包括：

安装在方舱一的高功率微波发射及天线部分，以及安装在方舱二的控制及信息处理部分，所述方舱一和方舱二之间通过光纤通信；

所述高功率微波发射及天线部分包括安装在方舱一顶部的雷达天线和馈源，以及安装在方舱一内的高功率选通开关、高功率拍波产生及合成设备和雷达发射管，所述雷达发射管和高功率拍波产生及合成设备分别与高功率选通开关连接，高功率选通开关与所述馈源连接；

所述控制及信息处理部分包括雷达频率源、接收机、信号处理器、控制显示器，所述雷达频率源、接收机、控制显示器分别与信号处理器连接；

工作状态下，所述雷达天线开始围绕馈源旋转并进入目标搜索模式，当发现威胁目标后，方舱二向方舱一发送攻击指令和目标方位，雷达天线在提前10°转至目标方位的时候，高功率选通开关置于电磁脉冲攻击状态。

进一步的，所述高功率拍波产生及合成设备包括脉冲功率源以及两个相对论磁控管、微波合成器，所述脉冲功率源用于驱动相对论磁控管连接，两相对论磁控管分别与微波合成器连接用于合成拍波。

进一步的，所述电磁脉冲攻击状态下，脉冲功率源驱动两个串联的相对论磁控管，产生频率分别为f1和f2的微波，经过微波合成器之后形成拍波，最后由馈源经雷达天线形成辐射，在短时间内发射数个高能脉冲，实现对目标的攻击。

进一步的，所述高功率微波发射及天线部分还包括一个高压充电电源，所述脉冲功率源由马克斯发生器和脉冲形成线串联而成，马克斯发生器、脉冲形成线、相对论磁控管依次串联，高压充电电源提供电源支持。

进一步的，所述高压充电电源包括由EMI滤波器、三相整流桥、全桥逆变器、高频变压器、四倍压电路以及滤波电容依次串联的输出支路；

以及由采样模块、控制电路、控制电源、驱动电路、浪涌抑制器组成的反馈调节支路，所述采样模块与负载和输出支路连接，其采样数据上传至控制电路，控制电路分别与控制电源、驱动电路、浪涌抑制器连接，驱动电路输出端连接至所述全桥逆变器，浪涌抑制器输出端连接至三相整流桥输出端；

所述控制电源是移相控制模块，根据采样数据和基准信号源比较实现电压稳幅。

进一步的，所述方舱一和方舱二的舱门均设置有磁泄漏防护结构，包括：

与所述舱门配合的门框，所述舱门外侧设置有第一门型材，所述门框内侧设置有第二门型材，舱门与门框关闭状态下，所述第一门型材和第二门型材之间形成迷宫密封结构；

所述密封结构内设置有至少一条屏蔽条和密封条。

进一步的，所述舱门和门框靠近舱内所在侧均设置有隔热层。

进一步的，所述舱门靠近舱外所在侧设置有埋铁。

进一步的，所述方舱一和方舱二的间隔在1km以上。

本发明的有益效果：

（1）解决了探测打击一体化的问题，在一定空间内实现两者的融合，同时保证高功率电磁脉冲辐射不对自身系统造成损坏；

（2）解决探测雷达功能、性能与HPMW系统功能、性能之间的矛盾问题，其核心是在确保确保系统探测能力、攻击能力的前提下，避免强电磁脉冲对探测雷达及其所属电子设备的影响；

（3）利用高功率电磁脉冲辐射打击无人机群具有攻击范围广精度高的技术优势。

附图说明

图1是本发明整体系统框图；

图2是高功率微波能形成系统示意图；

图3是高压充电电源组成框图；

图4是4级马克斯发生器电路原理图；

图5是脉形成线示意图；

图6是舱门防泄漏结果示意图；

图7是门框的结构示意图。

具体实施方式

为使得本发明的技术方案阐述更为清楚，下面将结合附图做本发明做进一步详细描述。

参考图1所示，一种基于拍波HPM的反无人机群系统，该系统包括：

安装在方舱一的高功率微波发射及天线部分，以及安装在方舱二的控制及信息处理部分，方舱一和方舱二之间通过光纤通信；方舱一和方舱二的输出信号均通过电/光转换及开关后输出，输入信号均通过光/电转换及开关后输入。

高功率微波发射及天线部分包括安装在方舱一顶部的雷达天线和馈源，以及安装在方舱一内的高功率选通开关、高功率拍波产生及合成设备和雷达发射管，雷达发射管和高功率拍波产生及合成设备分别与高功率选通开关连接，高功率选通开关与馈源连接；雷达天线通过转台安装在方舱一顶部。

控制及信息处理部分包括雷达频率源、接收机、信号处理器、控制显示器，雷达频率源、接收机、控制显示器分别与信号处理器连接；

工作状态下，雷达天线开始围绕馈源旋转并进入目标搜索模式，当发现威胁目标后，方舱二向方舱一发送攻击指令和目标方位，雷达天线在提前10°转至目标方位的时候，高功率选通开关置于电磁脉冲攻击状态。

可选的，一种基于拍波HPM的反无人机群系统，高功率拍波产生及合成设备包括脉冲功率源以及两个相对论磁控管、微波合成器，脉冲功率源用于驱动相对论磁控管连接，两相对论磁控管分别与微波合成器连接用于合成拍波，其原理参考图2所示。进一步的，电磁脉冲攻击状态下，脉冲功率源驱动两个串联的相对论磁控管，产生频率分别为f1和f2的微波，经过微波合成器之后形成拍波，最后由馈源经雷达天线形成辐射，在短时间内发射数个高能脉冲，实现对目标的攻击。

系统架设在指定工作区域内，方舱一和方舱二相隔1km以上，或方舱二处于掩体内。系统工作时，由指挥人员在方舱二远程控制并开启方舱一和方舱二的设备，并开启雷达功能。此时，雷达天线开始围绕馈源旋转（馈源是固定的）并进入目标搜索模式，大功率选通开关处于雷达工作状态。由方舱二的频率源输出发射信号给发射管，发射管将雷达信号通过天线辐射出去，实现对360°方位内的无人机目标实施搜索和扫描；目标的回波信号通过光纤从方舱一传输回方舱二进行处理，并显示目标轨迹。

当发现威胁目标后，由操作员人工选择对其进行电磁脉冲攻击。此时，方舱二将向方舱一发送攻击指令和目标方位。天线在提前10°转至目标方位的时候，大功率选通开关置于电磁脉冲攻击工作状态，同时，所有连接至方舱二的开关全部关闭。此时，脉冲功率源驱动两个串联的L波段相对论磁控管，产生频率分别为1.25GHz和1.55GHz（频率可依据最后的效应调整）的微波，经过微波合成器之后形成拍波，最后由馈源经天线形成辐射，在短时间内发射数个高能脉冲，实现对目标的攻击。攻击结束后，系统重新恢复至雷达搜索状态。在整个高能脉冲攻击的过程中，所有开始、结束流程均在方舱一内部自动完成，方舱一和方舱二之间没有任何信息交互。

该系统可根据人工干预对目标方位连续多圈实施攻击后再恢复至雷达搜索状态；也可设置在指定攻击方位降低转速的方式对目标实施攻击；同样支持人工干预天线指向指定方位范围内微动持续攻击。

系统高能微波的发射直接合成输出功率为2GW，6米天线的增益为37.5dB，计算不同距离处高功率微波能量如下。

从表中可以看出，按照普通2GW发射功率，在距离系统4km处，功率密度为5.6W/cm2，本项目采用拍波合成2GW发射功率，实际可形成2倍于合成功率的峰值功率，即11.2 W/cm2，该结果达到HPM软杀伤的功率密度范围（HPM软杀伤功率密度为10-100W/cm2，效果为：壳体产生瞬态电磁场，并进入壳体内部电路，产生感应电压，出现功能紊乱；如果感应电流太大，将烧坏电路中的器件，任何工作频段的电子系统都失效。

作为一种优选实施例，参考图3所示，高功率微波发射及天线部分还包括一个高压充电电源，脉冲功率源由马克斯发生器和脉冲形成线串联而成，马克斯发生器、脉冲形成线、相对论磁控管依次串联，高压充电电源提供电源支持。

可选的，高压充电电源包括由EMI滤波器、三相整流桥、全桥逆变器、高频变压器、四倍压电路以及滤波电容依次串联的输出支路；

以及由采样模块、控制电路、控制电源、驱动电路、浪涌抑制器组成的反馈调节支路，采样模块与负载和输出支路连接，其采样数据上传至控制电路，控制电路分别与控制电源、驱动电路、浪涌抑制器连接，驱动电路输出端连接至全桥逆变器，浪涌抑制器输出端连接至三相整流桥输出端；

控制电源是移相控制模块，根据采样数据和基准信号源比较实现电压稳幅。

高压充电电源的主要作用是将来自电网或供电机组的交流电转换为直流电。高压充电电源将初级电源提升到一定电压等级，供马克斯发生器使用。

高压充电电源由EMI滤波器、三相整流桥、全桥逆变器、高频变压器、四倍压电路、采样模块、基准信号源和移相控制模块等组成。其基本组成框图如图3所示。充电电源使用三相交流电供电，交流电源经低压整流滤波后输出直流电源；高频变压器次级对两路逆变器产生的高频脉冲电压进行叠加升压，输出一定电压量级的高频脉冲电压；通过倍压电路对变压器输出电源进行整流、滤波、稳压，输出额定量级的直流高压。控制模块比较取样电压信号和基准源信号，通过移相控制方式实现电压稳幅、保护以及连续充电功能。

马克斯发生器是一种将多个电容器并联经直流电源充电后，通过一些开关使电容器串联放电的系统，得到的放电电压可以是充电电压与电容器个数的乘积。图4是一个4级马克斯发生器的电路示意图，首先，直流电源对4个并联电容器C充电到电压U然后触发火花隙开关S，4个并联电容被串联，从而产生4U的输出电压。气体火花隙开关是利用绝缘电极之间充入的压缩气体（一般为空气、氮气、六氟化硫等）在高压下被击穿形成等离子体导通道而接通电路的一种器件，它是马克斯发生器的重要部件。马克斯发生器一般浸没在变压器油中以保证足够的绝缘。

一般由马克斯发生器获得的脉冲的持续时间在us量级，如果直接连接负载，则不可能得到高功率，而且与负载往往也不匹配。因此，必须对初级脉冲发生器产生的输出脉冲进行整形和压缩，其方法是在初级脉冲发生器后接电容型或电感型脉冲储能器，再通过闭合型或断路型开关驱动负载，这就是脉冲形成线（Pulse Forming Line ,PEL）的功能。脉冲形成线示意图如图5所示。

脉冲形成线利用电压波在一定长度和一定波阻抗的传输线上的往来反射形成一定脉宽的电压脉冲，由于脉冲形成线的长度总是有限的，再长也不会超过几十米，而电压波在线上的传播速度通常与光速同一数量级，因此通过多次反射形成的电压波形很窄，一般脉宽仅几十到上百纳秒；与此同时，初级脉冲十分不规则的波形在此过程中被整形成更接近矩形形状的脉冲，这就是脉冲形成线的工作原理。

脉冲形成线可以有多种结构，目前应用最多的是布鲁姆莱茵（Blumlein）传输线，它由3个同轴圆筒组成，筒间充油或水作为绝缘介质，充油称为油线，充水则称为水线。中筒与马克斯发生器相连充电，内筒通过电感与接地的外筒连接。布鲁姆莱茵传输线可以看做是双同轴脉冲形成线，对于相同的几何尺寸，水线阻抗约为油线的1/6，电容约为油线的34倍，因此更适合低阻抗脉冲功率装置，而其储能密度则在常用液体绝缘介质中是最高的。

当脉冲形成线被充电到额定电压时，位于形成线终端的开关接通，脉冲形成线通过二极管的负载放电，放电过程也是作用于二极管上的脉冲电压的形成过程。高压脉冲加到二极管的阴、阳极之间，阴极产生强烈的爆炸式场发射，产生电子束，该电子束在阴、阳极间的高电场下被加速，形成相对论电子注器件所需要的强流相对论电子束。

相对论磁控管实际上就是传统磁控管向大电流电子注的扩展，为了产生这样的大电流，就需要相对论高压。它与传统磁控管的区别，除了电压高、电流大外，最主要的不同是以场致发射冷阴极代替了传统磁控管中的热阴极，此外，相对论磁控管中的电子运动必须考虑相对论效应。相对论磁控管能够输出极高的峰值功率，其输出峰值功率可达GW功率量级。

（1）方舱一防护设计指标

由于发射方舱的电子设备机柜无方舱屏蔽，处于电磁防护要求范围内，应满足150kHz-3MHz频段屏蔽效能为40dB-60dB,3MHz-10GHz频段屏蔽效能要求达到60dB。一般机柜很难满足此屏蔽效能要求，鉴于此种情况，对电子设备机柜提出双层机箱屏蔽要求。即机箱内设备采用屏蔽结构，机柜采用屏蔽结构。内外两层的屏蔽效能在150KHz-10GHz频段均达到40dB以上，即可满足机箱的屏蔽效能要求。

（2）方舱二防护设计指标

舱体屏蔽效能应满足150KHz-3MHz频段达到40dB-60dB，3MHz-10GHz频段≥60dB要求。为适应此要求，同时兼顾电磁脉冲防护，需对穿入/穿出方舱的传输线设计方舱滤波器并设置开关，穿入/穿出舱采用光纤连接，空调与加热器电源控制线等均加装滤波器。

舱门是屏蔽方舱电磁泄漏最大，也是最难以设计的部件之一。其原因有两个：一是处于频繁的开关状态，衬垫的耐压缩疲劳性能、抗电化学腐蚀性能、门框导电处理及导电层的耐磨性能等都对门的屏蔽效能产生很大的影响；二是由于装配、制造公差以及其他防水等要求，使得门很难保证导电衬垫处于合理的压缩、导电及变形状态。

方舱屏蔽门典型的设计结构如图6所示。图中A、B点为门上衬垫的前点和后点，C、D点为框上衬垫的前点和后点。入射电磁场首先在屏蔽方舱上产生感应电流，若门缝处不加衬垫，则电流将以场的形式耦合至舱内；若加衬垫，则形成导电通路。应在E、F、G、H、I五个面确保导电连接。实际施工时，可采用下述方案：一是加入体电阻率小于0.01Ω•cm的环氧或硅脂导电胶；二是在界面处贴装导电屏蔽胶带。

参考图6所示，方舱一和方舱二的舱门1均设置有磁泄漏防护结构，包括：

与舱门1配合的门框2，舱门1和门框2均采用内蒙皮15和外蒙皮14夹泡沫板13的结构，门框2内设置有铝型材12作为支撑。舱门1外侧设置有第一门型材3，门框2内侧设置有第二门型材4，其中第一门型材3和舱门1的门扇边框11焊接或一体成型而成，第二门型材4与门框2之间通过铝板9焊接固定，同时门扇边框11的内侧转角还固定一个弯角铝板5。舱门1与门框2关闭状态下，第一门型材3和第二门型材4之间形成迷宫密封结构；参考图6和图7所示，第一门型材3上形成至少两条凹槽分别填充一条屏蔽条6和密封条7，第二门型材4则形成两条压板分别与屏蔽条6和密封条7配合形成密封结构。舱门1和门框2靠近舱内所在侧均设置有隔热层10，舱门1靠近舱外所在侧设置有埋铁8。

Claims (6)

1.一种基于拍波HPM的反无人机群系统，其特征在于：该系统包括：

安装在方舱一的高功率微波发射及天线部分，以及安装在方舱二的控制及信息处理部分，所述方舱一和方舱二之间通过光纤通信；

所述高功率微波发射及天线部分包括安装在方舱一顶部的雷达天线和馈源，以及安装在方舱一内的高功率选通开关、高功率拍波产生及合成设备和雷达发射管，所述雷达发射管和高功率拍波产生及合成设备分别与高功率选通开关连接，高功率选通开关与所述馈源连接；

所述控制及信息处理部分包括雷达频率源、接收机、信号处理器、控制显示器，所述雷达频率源、接收机、控制显示器分别与信号处理器连接；

工作状态下，所述雷达天线开始围绕馈源旋转并进入目标搜索模式，当发现威胁目标后，方舱二向方舱一发送攻击指令和目标方位，雷达天线在提前10°转至目标方位的时候，高功率选通开关置于电磁脉冲攻击状态；

所述高功率拍波产生及合成设备包括脉冲功率源以及两个相对论磁控管、微波合成器，所述脉冲功率源用于驱动相对论磁控管连接，两相对论磁控管分别与微波合成器连接用于合成拍波；

所述电磁脉冲攻击状态下，脉冲功率源驱动两个串联的相对论磁控管，产生频率分别为f1和f2的微波，经过微波合成器之后形成拍波，最后由馈源经雷达天线形成辐射，在短时间内发射数个高能脉冲，实现对目标的攻击；

所述高功率微波发射及天线部分还包括一个高压充电电源，所述脉冲功率源由马克斯发生器和脉冲形成线串联而成，马克斯发生器、脉冲形成线、相对论磁控管依次串联，高压充电电源提供电源支持。

2.根据权利要求1所述的一种基于拍波HPM的反无人机群系统，其特征在于：所述高压充电电源包括由EMI滤波器、三相整流桥、全桥逆变器、高频变压器、四倍压电路以及滤波电容依次串联的输出支路；

以及由采样模块、控制电路、控制电源、驱动电路、浪涌抑制器组成的反馈调节支路，所述采样模块与负载和输出支路连接，其采样数据上传至控制电路，控制电路分别与控制电源、驱动电路、浪涌抑制器连接，驱动电路输出端连接至所述全桥逆变器，浪涌抑制器输出端连接至三相整流桥输出端；

所述控制电源是移相控制模块，根据采样数据和基准信号源比较实现电压稳幅。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的一种基于拍波HPM的反无人机群系统，其特征在于：所述方舱一和方舱二的舱门(1)均设置有磁泄漏防护结构，包括：

与所述舱门(1)配合的门框(2)，所述舱门(1)外侧设置有第一门型材(3)，所述门框(2)内侧设置有第二门型材(4)，舱门(1)与门框(2)关闭状态下，所述第一门型材(3)和第二门型材(4)之间形成迷宫密封结构；

所述密封结构内设置有至少一条屏蔽条(6)和密封条(7)。

4.根据权利要求3所述的一种基于拍波HPM的反无人机群系统，其特征在于：所述舱门(1)和门框(2)靠近舱内所在侧均设置有隔热层(10)。

5.根据权利要求4所述的一种基于拍波HPM的反无人机群系统，其特征在于：所述舱门(1)靠近舱外所在侧设置有埋铁(8)。

6.根据权利要求5所述的一种基于拍波HPM的反无人机群系统，其特征在于：所述方舱一和方舱二的间隔在1km以上。

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