空间目标探测雷达技术发展及启示
本文转载自微信公众号：RadarLab感知未来
空间目标探测是利用各种天、地基探测设备(卫星、光电、雷达等)对所有人造天体向空间进入、在空间运行及离开空间的过程进行探测、关联、特性测定和测轨，并结合情报资料，综合处理分析出目标轨道、功能、威胁等信息，掌握空间态势，向各类航大活动等提供空间目标信息。主要探测特点是非合作性、完备性及长期性等。目前，仅有美国和俄罗斯具备对空间目标编目数据进行定期更新能力。欧洲正在讨论未来空间目标探测系统多项计划，最终将建成‘空间态势感知系统“。
应用雷达成像结果分析卫星失效原因
雷达以其固有特点，在空间目标探测技术发展中起着重要作用，它实时性强、探测信息丰富，可以全天候、全天时对空间目标进行探测、识别和编目。在美国空间监视网中大量使用了地基探测雷达，像位于夸贾林的ALTAIR、ALCOR、MMW和TRADEX以及林肯实验室空间目标探测站的Haystack、HAX和Millstone(MHR)等雷达。欧洲也建设了GRAVES系统和TIRA雷达并充分利用法国Monge测量船Armor雷达以及英国用于大气层和电离层研究的Chilbolton雷达开展空间目标探测活动。
美国空间目标探测雷达技术发展
进入20世纪90年代，关国先后对夸贾林的ALTAIR、ALCOR、MMW和TRADEX以及林肯实验室空间目标探测站的Haystack、HAX和MilIstone(MHR）雷达进行了技术升级改造，使其现代化。目前正在对Haystack雷达进行更人的技术升级改造，完成后称为HUSIR(Haystack Ultra-wideband Satellite Imaging Radar)，即Haystack超宽带卫星成像雷达。
Haystack超宽带卫星成像雷达
这些雷达技术升级主要措施为：
> ALTAIR雷达建立了一套用于区分、辨别和跟踪中高轨目标的高分辨波形；
>TRADEX雷达改进实时积累算法、增加了凝视方式(Stare Mode)和凝视追踪方式(Stare-and—Chase)、使用更大功率速调管；
> ALCOR雷达更新信号处理器支持相参积累和实时成像、使用扩展交互作用速调管(EIK)替换原行波速调管、采用GaAs FET低噪声放人器改进灵敏度；
> 毫米波雷达(MMW)35GHz采刚波束波导天线馈源替代了波导馈线、增加了第二部发射机，95GHz系统采用先进的低温致冷固态技术与准光学馈源单元组合，有效提高系统灵敏度；
>HUSIR雷达增加了W频段，雷达同时工作在X频段（10GHz频率，1GHz带宽)和W频段(96GHz频率，8GHz带宽)，成像分辨率小于3cm。主要更新升级包括天线、伺服控制、发射机、信号处理等。
欧洲空间目标探测雷达技术发展
欧洲现有一些雷达和光学设施虽然能跟踪空间目标并拍摄其图像，但还未形成空间目标探测体系工作能力，严重依赖于美国资料。为了建立独立的空间目标监视系统，欧空局成立了空间目标探测特别工作组，规划未来欧洲空间目标探测系统(ESSS)。在此系统中，典型的探测雷达包括法国GRAVES系统和德国TIRA雷达。
法国GRAVES系统是目前欧洲唯一不配属美国空间目标探测网的雷达，可以完成典型空间目标探测任务。GRAVES归法国国防部所有，由法国空军操作。该系统可自主汇集和维持编目表。探测低轨极限目标尺寸一般为1m以上，目标总数2200个左右。2005年投入止常运行。
GRAVES系统使用VHF发射机，四个各15mX 6m的平板形相控阵天线，都位于Dijon附近。这些倾斜天线排列成面向南方的半圆，展开一个高度直剑1000km的锥形探测扇面。穿过该探测范围的目标反射同来部分发射功率，利用偶极子平面相控阵大线接收。偶极子平面阵排成一个60m直径的圆面，布在发射机南面380km的机场内。GRAVES系统利用方向角、多普勒和多普勒变化率确定大量目标的轨道根数集。
德国TIRA雷达属于Wachtberg的应用科学研究院。按其跟踪模式，TIRA系统利用各目标的方向角、距离和多普勒米确定其轨道。可探测1000km距离上小至2cm左右的目标。进行统计观测，灵敏度可提高到1cm左右。这时以舣站波求交会(beam-park)方式运行TIRA和近旁Effelsberg100m射电望远镜，TIRA刚作发射机，Effelsberg用作接收机。TIRA是一台单脉冲跟踪和成像雷达，抛物面大线直径34m，置于49m直径天线罩内。该雷达跟踪目标利用L波段(1.333GHz)，峰值功率1MW；以逆综合孔径雷达对目标成像，工作于Ku波段(16．7GHz)，峰值功率13kw。TIRA的距离一多普勒逆综合孔径Ku波段成像产生距离分辨率高于7cm的图像。
德国TIRA雷达对航天飞机成像
欧美空间目标探测雷达技术发展特点
综观欧美空间目标探测雷达廊用及技术升级发展历程，可以看出其有以下几方面的技术特点：
> 空间目标探测雷达是伴随着弹道导弹、军用卫星及空间攻防武器等系统的发展，得到逐步建立、完善和发展；
> 空间目标探测雷达全球部署，作为主要测量、探测设备，全面支撑了弹道导弹鉴定定性飞行试验、反导反卫试验、航大测控及空间目标监视等；
> 依据军事需求和相关技术的进步，对己部署的雷达系统不断地进行改进和更新；
> 注重新技术研究，力求获取目标的多样信息，在获取目标轨道信息的同时，还注重获取目标的电磁散射特性；
> 空间目标探测雷达涵盖了微波全频段，有力支持了目标识别技术发展；
> 采用多种体制雷达(如相控阵、电子篱笆等)增强空间目标探测网搜索捕获目标
能力；
> 空间目标探测雷达实现了空间碎片等微小目标，同步轨道卫星等超远距离目标超宽带成像观测。
空间目标探测雷达技术发展启示
为了适应未来获取空间目标信息优势的需要，欧美正大力扩展其雷达空间目标探测能力。未来，欧美空间目标探测网将继续改进地基监视系统，着力开发雷达和光电、红外探测技术，并大力开展空间目标探测的数据处理、算法和数据融合等技术研究。纵观美国空间目标探测雷达技术升级发展历程，每次技术升级都紧紧围绕进一步提高雷达探测能力和提升雷达使刚性能而开展。随着现代微小卫星发展和应用，空间目标尺寸越来越小，对雷达空间目标探测能力和成像观测图像分辨率的要求越米越高。今后一个时期，空间目标探测雷达必将围绕超远距离探测和高清晰成像测量两大技术主题快速发展。
超远距离(中高轨空间目标)雷达探测技术
随着科学技术的发展，轨道空间正在成为越米越被关注和大力发展的热点，世界各军事强国也纷纷将各自的军事力量越来越多的向空间延伸。除了通常以民用名义发射的大量通讯、气象等卫星(实际上这些卫星同样具有军事用途)以外，还有用于导航的GPS卫星、用于情报获取的侦察卫星、监视预警卫星，甚至还在发展具备直接进攻能力的空间武器等等。为了及时掌握这些具有战略意义的空间目标信息，欧美空间目标探测网已将发展中高轨道空间目标的超远距离雷达探测技术作为重要领域。
01
大功率发射机技术
发展超远距离雷达系统的主要制约因素是高功率微波源。美国CPI研制的Ku波段耦合腔行波管，峰值功率达到60kW，占空比30％，增益40dB，带宽2GHz；Ka波段耦合腔行波管，峰值功率达到50kW，占空比10％，增益40dB，效率16％，带宽2GHz，已经实现商品化，分别用于MIT林肯实验室的Ku波段远程成像雷达和夸贾林靶场远程雷达。在俄罗斯，Ka波段同旋速调管，峰值功率可达到250kW，带宽0.5GHz，平均功率1.2kW，效率35％，增益40dB，已应用于远程毫米波相控阵雷达‘"Ruza"。我国目前Ku波段和Ka波段耦合腔行波管远远不能满足超远距离雷达需求。
根据我国实际情况，若选择Ku波段作为同旋行波管的技术突破口，是一条既可行，又有很大发展潜力的技术线路。同旋行波管具有高功率、宽频带的特点，其功率容量可达剑100kW以上，带宽可达5％～20％，甚至更高，目前国内研制基础条件基本成熟，其主要关键技术的研究方法、理论和毫米波段同旋行波管放人器基本相同，可以相互借鉴。同时，在Ku波段同旋行波管放人器取得的新成果，义可推进毫米波同旋行波管放大器研究，进而可以发展毫米波段超远距离探测雷达。
02
大功率合成技术
大功率合成技术是满足超远距离雷达探测所需功率的有效技术途径，美国Haystack雷达使用了四台发射机并列工作，单台输出峰值功率100kW，平均功率40kW。在HUSIR雷达中，开发了一个新颖的发射机体系，频率上采用多个放大管多路复用达到需要的带宽，幅度上采用多管合成达到要求的功率。一个多路组合16个回旋放大器阵列，功率合成和频率多路复用类似于使用准光学四端混合和低通滤波器，合成后达到对同步轨道卫星成像要求的发射机功率160kW(峰值)，工作比为40％，带宽8GHz。
我国目前已实现了两路大功率发射机合成，为满足超远距离探测雷达的需求，还必须在功率合成、频率复用技术方面取得更人突破。
03
大口径天线及馈电技术
为满足空间目标探测雷达的需求，获得接收远距离微弱信号能力，多采用大口径天线以获得高增益。甚至采用了阵列天线并发展了相控阵天线技术。卡塞格伦双反射面天线具有高增益、低旁瓣、技术成熟等优点，一直在远距离探测雷达领域得到广泛应用。
馈源是影响天线效率的重要部件，通常有两种体制：多喇叭体制和多模体制。近年来，多模馈源以和差效率高，频带宽等技术特点，成功应用于我国脉冲雷达，取得较好效果。
雷达发射机功率必须通过一定路径传输至馈源经天线向空间辐射。通常采用波导传输法，对于高频段也可采用波束波导法。波导传输法是微波功率传输的经典方法，它将馈源安装在双反射面焦点，通过收发开关、功率控制器传输至俯仰关节、方位关节，再通过功率合成网络与多部发射机相连接。由此可以看出，多部发射机功率合成及高功率传输将受到限制，特别是在高功率、宽频带条件下，功率合成网络、旋转关节等存在较大的打火隐患。使其在大功率探测雷达中应用受到极大的限制。波束波导传输方法是将馈源及发射机系统放置在地面，通过多个反射镜按照准光学系统把功率传输到反射面。这种方法优点是：传输功率容量大、便于多频段共用、不受体积庞人的大功率馈源结构限制、没有射频旋转关节，不存在高功率条件下电气打火隐患等。
04
低温LNA技术
1988年12月，美国海军实验室(NRL)发起了一个高温超导空间实验(HTSSE)计划。HTSSE的一个目标是促进高温超导材料应刚于卫星电子装置的研制，从而大大提升了星载电子装置性能并且有效地减小了体积。20世纪90年代中期，地面设备开展了高温超导技术的应用研究，开发研制了高温超导宽带脉冲压缩接收机包括低噪声放大器、混频器、滤波器、延时器等装置，对Haystack雷达接收机进行了更新，显并地提高了灵敏度和动态范围。
我国高温超导技术应用方面开展了大量研究，清华大学研制了一种适用于高温超导微波接收系统的低温低噪声放人器，在60K工作温度下，具有很好的噪声特性，放大器的各项指标与设计值吻合，工作频段为800MHz～850MHz，增益大于18dB，输入输出驻波比小于1.2，噪声系数小于0．22dB。紫金山大文台在毫米波和亚毫米波段应用了超导SIS(超导．绝缘层．超导)接收技术，显著提高了毫米波、弧毫米波射电大文望远镜的灵敏度和工作作频率，成为毫米波、亚毫米波天文学进展的显著特点。目前在雷达探测领域，这些技术尚未进行开发应用。
空间目标高分辨率成像探测技术
欧美空间目标探测雷达大量采用了高分辨率成像技术，已实现对空间微小目标的精细观测，结合我国空间目标探测雷达技术基础，开展空间目标雷达高分辨率成像新技术研究。支持对空间目标高分辨率成像探测识别。
01
多站观测融合技术
美国往20世纪90年代发展了利用两台不同频段的成像雷达观测同一目标，对两台雷达信号进行融合处理，得到一个超宽带信号，大大提高成像分辨率。例如双子眼睛蛇(Cobra Gemini)S和X频段宽带雷达，前者300MHz带宽，后者1GHz带宽，通过综合处理，获得3～10GHz的超宽带信号，其成像清晰度显并提高。多站观测融合技术重点为：带宽外推技术、子频带内插和外推连接技术等。
02
频带复用(Multiplexer)技术
雷达高分辨率成像观测需要发射宽带大功率信号，现有单一射频放人器不能同时满足功率和带宽要求。美国HUSIR雷达采用16个高功放在频率和功率上合成满足功率和带宽的要求。其中4个高功放同频工作，实现功率合成。频带合成采用一个新颖的4路复用器(Multiplexer)对每路高功放中心频率均匀分开(间隔0.53GHz)，每个中心频率工作带宽为1.6GHz，混合输出达到8GHz带宽。
我国宽带大功率发射管技术远落后于国际先进水平，极大限制了成像雷达的发展，开展多路频率复用技术研究，突破宽带大功率发射的技术瓶颈，将会有力促进我国新型宽带成像雷达的发展与应用。
03
压缩感知理论
压缩感知理论是国际上近几年提出的以低于Nyquist采样率实现宽带信号的稀疏表示和重建的一种新方法。其基本思想是：通常意义下的高维信号(宽带信号)总能在某个特征域上表示为稀疏的(非零系数远小于信号长度或者系数具有快速衰减性)，因此通过一个称为“测量矩阵”与稀疏特征域上的新型“压缩采样”(低于Nyquist采样率)，达到对高维信号(宽带信号)的维数约减(大大小于信号长度)，而维数约减(低于Nyquist采样率)信号又可以通过线形规划方法高效率重建原始高维信号(宽带信号)，从而达到对高维信号(宽带信号)的压缩感知，简化了雷达接收机的硬件设计和存储资源。目前国际上已经初步将压缩感知技术应用于实孔径雷达和合成孔径雷达的研究，提出了可压缩雷达(compressed radar)新概念。
基于压缩感知的理论和方法，探索和研究宽带雷达(特别是逆合成孔径雷达ISAR)的数据采集、信息还原和成像的新方法和新技术，从而提出能在较低采样速率、较小数据率的条件下实现宽带雷达的高分辨成像处理的理论、方法，为我国新型宽带雷达系统的研制和改进提供关键技术支撑，应重点开展以下几方面研究：
> 宽带信号稀疏特征域设计与稀疏度分析与建模技术；
> 宽带信号稀疏特征域及测量矩阵构造与相干性分析技术；
> 压缩采样信号恢复为原信号最优化重建理论与智能算法；
> 压缩采样的软硬件体系结构；
> 压缩感知成像处理理论和方法等。
结束语
决定雷达技术发展的因素，一是工程任务需求的牵引，二是基础技术进步的支持。我国在雷达探测技术领域，近几年得到快速发展并在航天测控、空间目标探测等领域发挥了重要作用。
通过对欧美空间目标探测雷达技术发展状况分析，全频段、高威力和精细分辨是重要技术发展方向。超远距离、高分辨率成像雷达探测技术是当今世界雷达高新科技中极具挑战性的领域之一，是众多高新技术的高度综合。开展超远距离、高分辨率成像雷达探测技术研究将有力地促进我国空间目标监视技术发展，提升整体水平；同时，带动其它高新技术的发展，对促进我国经济社会发展具有十分重要的意义。
来源：李玉书. 空间目标探测雷达技术发展及启示[C]