遠程毫米波高分辨雷達系統關鍵問題研究*

王洋，張宇，劉丹，金勝

(1.北京跟蹤與通信技術研究所,北京 100094；2.北京無線電研究所,北京 100854)

0 引言

隨著我國對空間小目標探測與精細化分辨識別需求的快速增長，雷達作為重要傳感器，具有全天時、全天候的特點，在空間目標探測與識別中占有重要地位。為了提升對空間小目標的高精度測量能力，進一步豐富小目標探測、精細化分辨、高精度測量等方面的手段與技術，因此開展遠程毫米波高分辨雷達系統總體設計十分必要。本文分析了毫米波雷達研究的必要性，結合毫米波的特點，提出了制約我國毫米波雷達系統發展的關鍵技術問題，并給出了解決思路。

1 毫米波雷達特點及國外發展趨勢

1.1 毫米波雷達特點

(1) 極寬的頻段

通常認為毫米波頻率范圍為26.5～300 GHz，頻段寬高達273.5 GHz。目前絕大多數的應用研究集中在幾個“窗口”頻率,包括35,45,94,140,220 GHz 和3個吸收峰(60,120,200 GHz)頻率。按頻寬占中心頻率10%計算,對于中心頻率為94 GHz的毫米波雷達，頻寬可達9.4 GHz，比中心頻率為10 GHz 的微波雷達對應1 GHz的頻寬約高一個數量級。頻帶加寬將減少雷達的同頻異步干擾，使毫米波雷達具有較強的電磁兼容性，利于采用頻率捷變，分選和擴頻等抗干擾措施，從而提高抗干擾能力。另外，用于目標成像處理時的成像分辨率也將成量級地提高，支持目標分辨和識別[1-5]。

(2) 波長短，波束窄，分辨力高

由于毫米波波長短，可用特殊的高增益天線聚成方向性極強、能量極高的毫米波窄波束，毫米波雷達的天線波束寬度可做到0.1°以下，約比微波雷達窄2～20倍。雷達天線的波束寬度θ與工作波長λ和天線口徑D的比值成正比，即波長越短，同樣天線孔徑條件下天線波束越小。波束窄的毫米波雷達能有效抵抗地面雜波干擾和多路徑干擾，并具有很高的角分辨率，這些正是微波雷達難以實現的性能參數。此外，波長短的特性還可以有效提高天線增益，增強信號功率和對抗能力，獲得更多敵方目標的特征信息。同時毫米波頻率高帶寬大，能夠獲得極高的距離和方位分辨率[6-9]，圖1是對3 m×3 m的空間目標進行ISAR(inverse synthetic aperture radar)成像的仿真結果，模型中，散射點的距離為10 cm，可以看出，X波段1 GHz帶寬的信號無法將相鄰散射點區分開，而Ka波段4 GHz帶寬則能夠實現相鄰散射點的高分辨。說明雷達工作頻率越高，發射信號帶寬越大，對目標的成像分辨率就越高，成像結果就能夠具有較高的細節辨識能力。

圖1 不同頻段和帶寬對空間目標成像的仿真結果

(3) 與激光、紅外相比，毫米波的傳播受氣候的影響要小得多，毫米波雷達具有準全天候工作能力

對頻段位于前述幾個大氣窗口的毫米波，大氣吸收和散射損耗均較低。在雨、霧、煙塵和大氣懸浮微粒中的衰減主要是散射和吸收(其中霧的功率損耗與濕度成正比并與溫度有關)，而其損耗均比中波和長波紅外(1.54，2～5，10.6 μm)低一個數量級以上。在晴天，氧和水蒸汽中的吸收衰減與紅外波段接近。

圖2給出了Ku,Ka,W 3個波段在晴朗天氣下的5°仰角進行空間探測時的大氣傳輸衰減隨距離的關系曲線，Ku波段約2.2 dB，Ka波段約5.0 dB，W波段約18.3 dB。在毫米波段，相同條件下Ka波段的衰減遠小于W波段，基于現階段的器件水平，在Ka波段實施空間目標探測較為可行。圖3給出了Ka波段不同仰角進行空間探測的大氣衰減，隨著仰角的增大，總衰減量減小，5°以下仰角探測衰減較大，建議探測起始仰角設置在5°以上。

圖2 5°仰角下不同頻段大氣衰減

圖3 Ka波段不同仰角大氣衰減

(4) 有利于開展小目標探測

對小尺寸目標的RCS(radar cross section)測量，毫米波雷達更加具有優勢。圖4為理想導電球的RCS隨球周長與波長比值的趨勢，x軸為球周長與波長的比值，y軸為歸一化后的RCS。從圖中可以看出，對于小尺寸目標，采用波長短的頻段，回波信號起伏更小。對直徑1 cm以上的碎片，X頻段回波信號有大于10 dB的起伏，而在Ka頻段，RCS起伏小于3.5 dB；同時X頻段易產生盲徑，RCS測量時產生對應的測量誤差。從圖1仿真結果也可以看出，對太陽能帆板上鉚釘等小散射點成像結果看，毫米波幅度起伏影響小，分辨力高，散射點孤立，容易分離。

圖4 直徑0.2～5 cm金屬球在不同頻段的RCS值

如果散射體表面存在一定的顆粒粗糙度，會影響散射回波的強度和極化特性。根據電磁散射理論，在滿足Kirchhoff近似條件下，粗糙面上任意一點處的表面場可以用該點的切面場來近似。Kirchhoff近似是指隨機粗糙表面的任意一點的曲率半徑大于入射波長和粗糙面的相關長度，數學上可以表達為

kl>6.28,l2>2.76σλ,

式中:k和λ分別為電磁波的波數和波長;σ和l分別為粗糙面的均方根高度和相關長度。

圖5給出了頻率與表面粗糙度對后向散射特性的影響曲線，圖中陰影區為滿足Kirchhoff近似的條件區域，可以看出工作頻段越高，實現Kirchhoff散射所需的表面粗糙度要求越小，即在較小的粗糙度條件下即可實現較強的后向散射測量。

圖5 目標散射特性計算曲線

綜合上述分析，毫米波雷達具有高天線增益、高分辨力、寬工作頻帶、高多普勒響應靈敏度、短波長特點，易獲得目標細節特征和清晰輪廓成像等特點，適于目標分類和識別的重要要求。可以通過毫米波雷達的高分辨力能力對空間目標進行一維像處理，其數據可以被用來進行快速目標的識別。毫米波雷達波長短，具有很好的ISAR特性功能，能夠對空間目標進行二維像的處理，通過二維像可完成目標識別功能。

1.2 毫米波雷達國外發展情況

近年來美國、俄羅斯、西歐，日本等國家大力發展毫米波雷達。早在1983年,美國就研制成功第1套Ka頻段和W頻段雙頻段毫米波雷達，裝備于夸加林島，主要用于支持BMD(ballistic missile defense)計劃：在毫米頻段收集再入飛行器(reentry vehicle,RV)的寬帶特征數據，量化毫米波探導器對攔截器的性能，同時也用于空間目標監視和編目。受技術水平的限制，最初的作用距離僅600 km，后不斷經歷升級改造，在最近的一次升級改造中，作用距離達到3 000 km以上，增加了4 GHz帶寬能力(33.0～37.0 GHz)，距離分辨率達到0.06 m。目前正在進行5 GHz帶寬的能力升級。

隨著毫米波雷達技術的成熟，美國又研制了多套單脈沖遠程毫米波雷達。2001年11月，在美國海軍研究實驗室(naval research laboratory,NRL)主導下，歷時6年研制成功了可車載運輸的單脈沖體制W頻段雷達，作用距離1 000 km以上，命名為WARLOC雷達(圖6b))。WARLOC目前正服役于海軍研究實驗室切薩皮克灣特遣隊(NRL/CBD)，其主要用途為目標識別和成像、低仰角跟蹤，大氣研究。

2004年，美國啟動了Haystack遠距離成像雷達(LRIR)(圖6c))的升級工作，2010年雷達系統正在安裝，已經于2011年底完成升級工作。LRIR原建于1978年，工作于X頻段，天線口徑36.6 m。升級后雷達可同時工作于X頻段和W頻段，主要用于跟蹤太空飛行物(衛星、飛彈以及太空碎片等)及其成像。

俄羅斯20世紀90年代研制了大型毫米波無源相控陣RUZA雷達(圖6d))，安裝在哈薩克斯坦的“薩雷-沙甘”試驗靶場，蘇聯解體后被拆除。由于RUZA雷達的饋線功率傳輸損耗大和耐功率受限，很難進一步提高雷達能力，因此，俄羅斯在全球空間目標監視毫米波雷達系統開始采用有源相控陣體制。該雷達共有594個子陣收發模塊，每個子陣收發模塊有2個發射功率為20 kW速調管，因此總輻射功率達到17 MW。天線采用小拋物面形式的輻射單元組成的八角形陣列，波束寬度為0.066°，可進行約0.9°的電掃，從而提高了目標捕獲及觀察多目標的能力。表1給出了國外相關毫米波雷達的基本指標參數。

表1 美國和俄羅斯主要毫米波雷達性能參數

從國外空間監視雷達的現狀和發展趨勢，可以發現：美國等發達國家用于空間目標監視、識別的骨干雷達設備均開始有向更高頻段、更遠距離發展的趨勢，以獲得更高的測量精度、超分辨的寬帶分辨率，實現對更小尺寸目標的探測和精細識別。

2 我國遠程毫米波雷達系統設計關鍵技術

隨著我國對太空目標探測的不斷深入，對遠距離、小尺寸目標的探測需求亟待增強，現有以X頻段及其以下頻段為主的測量雷達系統已經不能滿足中高軌目標及厘米級空間碎片的探測需求，需要開展更高頻段、分辨能力更精細、探測精度更高的雷達系統建設。因此，需要開展毫米波頻段雷達系統總體設計，使雷達具有遠距離、大功率、高增益、大帶寬、高精度等能力，這也給整個毫米波雷達系統的設計研制帶來一系列關鍵技術的挑戰。本文通過對國內毫米波雷達器件的基礎和能力著手分析，分別從雷達體制、發射、接收、數據處理等關鍵技術進行分析研究，給出適合于我國現階段發展的毫米波雷達系統總體設計技術解決途徑。

2.1 雷達體制

大型毫米波雷達系統主要有2種體制：單脈沖機械跟蹤體制和相控陣體制。單脈沖體制雷達研制的技術難點在于：低損耗、耐高功率的毫米波波導傳輸系統，耐高功率的準光學雙工器，高增益低副瓣的精密天線系統等關鍵技術。缺點是天線波束窄、目標捕獲困難。相控陣體制雷達可以有效解決功率孔徑積和大功率傳輸線之間的矛盾，較好地解決了引導捕獲和多目標處理問題，但成本高。該類型雷達研制的技術難點在于：高穩定、寬帶、小型化微波源技術，毫米波微波傳輸技術，低損耗耐高功率的微波器件等關鍵技術。目前，對于單脈沖體制，國內在大功率發射技術、低損耗傳輸技術上已相對成熟，而相控陣體制，國內在小型高功率大帶寬固態收發模塊技術還不夠成熟，而且在降低傳輸損耗等方面還有待進一步深化研究[10-11]。因此，從國內的器件及技術發展水平上，采用單脈沖體制的遠程毫米波雷達系統是較成熟的。

圖6 國外毫米波雷達

2.2 關鍵技術

2.2.1 寬帶大功率毫米波器件技術

(1) 高功率大帶寬發射技術

發射機的功率和帶寬能力是決定雷達能力的關鍵指標之一，其中微波電真空管放大器又是大功率毫米波發射機的核心器件，在遠程毫米波雷達中，目前可以采用行波管或回旋行波管作為發射機末級放大器，其中，美國毫米波雷達以行波管放大器為主，例如夸加林MMW雷達采用的VTA-5700系列行波管，經過不斷升級改進，最新的VTA-5700C行波管峰值功率提高到目前的30 kW，帶寬達到4GHz，工作比達到20%，并且實現雙管功率合成。在大功率寬帶毫米波行波管方面，國內目前還很難達到美國水平，不具備工程化應用能力。

毫米波回旋行波管是我國在該領域實現突破的切入口，作為一種新型毫米波輻射源，近年來受到很大重視。回旋行波管能夠在毫米波、亞毫米波頻段產生高峰值功率、高平均功率和寬頻帶(5%～20%)，是國內目前最有應用潛力的大功率毫米波源[12-14]。目前，通過多管合成的方式可實現美國MMW雷達的性能指標，可滿足遠程毫米波雷達寬帶大功率發射的需求。

(2) 低噪聲超導接收技術

在雷達接收機設計中，常規做法是：為了提高接收機的抗干擾性，通常將預選濾波器置于低噪聲放大器前面，但常規預選濾波器的插損會惡化接收機的噪聲性能，降低了接收機工作靈敏度，影響雷達威力；若將預選濾波器置于低噪放后面，雖然噪聲性能得以保障，但強干擾信號可直接導致第1級低噪聲放大器飽和阻塞，接收機的抗干擾性能無法保障。

采用超導接收前端則可以很好地解決這一矛盾。超導接收前端如圖7所示，該技術以超導濾波器和低溫放大器等超導/低溫電子器件為核心，以小型制冷機、真空杜瓦為支撐的接收機前端技術。超導接收前端的優勢包括:①極低的噪聲系數：由于超導器件無損耗，且放大器在超導低溫環境下噪聲大大降低，因此整個接收機噪聲系數與常溫相比能降低1～3 dB；②極高的帶外抑制特性：由于超導濾波器近乎理想的濾波特性，其矩形系數可達1.1以下，帶外抑制可達90 dB以上。

圖7 超導接收機的原理框圖

2.2.2 毫米波大氣傳播影響補償技術

(1) 大氣折射效應

電波的折射是由于地球大氣層折射指數在空間(主要隨高度)變化造成無線電波在大氣層傳播速度發生變化而產生的一種效應，由于折射使傳播射線彎曲，雷達測得的是目標的視在仰角、視在距離、視在高度，而不是目標的真實仰角、真實距離、真實高度。根據雷達的功能用途及特點，主要需要對下列因素進行修正：①雷達測量仰角的修正；②雷達測量高度的修正；③雷達測量斜距的修正。

(2) 大氣衰減效應

雷達電波傳播損耗包括擴散損耗與衰減，電波在自由空間傳播只有擴散損耗，但在大氣中和地(海)面上傳播時除有擴散損耗外，還有傳播環境造成的衰減。擴散損耗只和傳播距離(即雷達探測距離)有關；衰減則包括吸收、散射、干涉與繞射、云雨霧等多種衰減，它們和環境參數、電波頻率、電波極化、雷達天線與目標的高度、傳播距離等因素有關。

對于空間目標監視雷達，需要精確探測目標RCS。對于毫米波雷達而言，大氣衰減較為嚴重，且頻率越高衰減越大，在低仰角探測時(5°仰角)，標準大氣衰減達到了5 dB以上，在云、霧、陰天衰減將會更大。且當雷達探測仰角不同時，大氣衰減也變化較大，為了獲取精確目標RCS，在雷達探測時，需要精確估計出大氣衰減并予以修正補償。

另外,降雨衰減是影響毫米波雷達威力的最主要的因素之一。雷達探測仰角越低,降雨越大，降雨引起的衰減越大，暴雨時可引起高達數十dB的信號衰減，這將大大降低雷達的探測距離和性能。同時，雷達觀測路徑上的降雨衰減還會降低雷達的探測精度。因此,需要對降雨衰減及其引起的雷達探測精度的影響予以預警和評估，以保障降雨時期雷達的精確探測。

(3) 傳播影響補償技術

雷達電波信號穿過對流層和電離層高度區域，獲取雷達探測區域對流層和電離層大氣特性參數是關鍵。通常情況下可以利用雷達站當地或附近地區多年歷史數據，再結合大氣環境參數測量系統實際測得的地面氣壓、氣溫和濕度等環境參量，構建折射率模型。

通過微波輻射計和外圍檢測數據，實時測量傳播路徑上的宇宙亮溫，反演獲取對流層折射率剖面，計算對流層折射誤差、大氣衰減、雨衰減；基于地基單站GNSS(global navigation satellite system)信號和外圍檢測數據，實時計算電離層總電子含量TEC(total electron content)，并反演電離層電子密度剖面計算電離層折射誤差。通過誤差計算，形成方位-俯仰-距離三維網格化的補償參數，對雷達測量數據進行修正。

2.2.3 雷達標校技術

常規精密測量雷達的標校一般會采用地面標校塔或標校架標校。但對于大型雷達來說，雷達帶寬寬,天線口徑大，波束寬度非常窄，利用傳統的標校塔標校遇到以下困難：①為了獲得更準確的標定結果，通常希望標校設備架設在雷達天線的遠場。符合本雷達遠場條件的距離達到30 km，而且需要建設至少高80 m的標校塔且保持通視，對靶場保障建設提出了特殊的要求。②多徑效應比較明顯，由于天線在低仰角進行標校，標校信號在轉發機和測量天線之間易受到干擾。③大帶寬與長延時對精度保證的困難，毫米波段雷達瞬時帶寬超過3 GHz，同時為了達到大威力，最大脈沖寬度達到毫秒級，最大脈寬對應的探測距離盲區達到上百千米，地面上無法使用無源標校裝置。為了避開探測盲區，標校源的延遲轉發時間也需要達到毫秒級[15-16]。同時，系統要求很好的帶內平坦度、相位線性度和幅相穩定性。因此，在地面不論是采用光纖延時轉發還是采用數字儲頻轉發的方式，實現難度都很大，因此需要研究更易實現、易操作的雷達參數標定方法。

(1) 射電星標定

利用射電星體進行角度標校的原理是：以經過天文測量已精確測定位置的射電星體為基準，對電軸進行精確標校。角度標校工作分為2步：第1步是利用射電星進行角度零值標定；第2步是利用射電星對軸系誤差修正系數進行精確標定。由于射電星數量較多，每一顆星運行范圍比較大，通過合理選取不同的星座及同一星座不同時刻的位置，使得射電星(信號源)均勻分布在天球上，可以確保對天線角度及軸系誤差進行精確標校。射電星可以選擇太陽、月亮以及一些亮度較大的恒星。圖8給出了太陽和仙后座輻射流量密度隨頻率變化的曲線。

圖8 太陽和仙后座流量密度隨頻率變化曲線

(2) 衛星標定

利用衛星進行雷達參數標定的思路是：雷達跟蹤測量特定的衛星目標，獲取測量數據；同時獲取該衛星對應于雷達測量弧段的精密軌道數據，將雷達測量數據與衛星精密軌道數據進行比對，利用最優化方法解算雷達誤差系數，達到校準設備的目的。

3 結束語

毫米波雷達具有寬工作頻帶、高多普勒響應靈敏度、短波長特點，成像能力強，更易獲得目標細節特征和清晰輪廓信息，可以彌補現有我國空間目標監視系統寬帶成像能力的不足。研制和發展大型毫米波雷達是滿足我國空間目標精細化探測和先進雷達技術發展的必然趨勢。本文通過分析毫米波雷達特點及國外毫米波雷達發展情況，針對我國空間目標探測需求，梳理分析了制約雷達系統設計的關鍵技術，提出了技術解決途徑。