空間目標(biāo)探測雷達(dá)技術(shù)發(fā)展及啟示

1、空間目標(biāo)探測雷達(dá)技術(shù)發(fā)展及啟示空間目標(biāo)探測是利用各種天、地基探測設(shè)備(衛(wèi)星、光電、雷達(dá)等)對所有人造天體向空間進(jìn)入、在空間運(yùn)行及離開空間的過程進(jìn)行探測、關(guān)聯(lián)、特性測定和測軌，并結(jié)合情報資料，綜合處理分析出目標(biāo)軌道、功能、威脅等信息，掌握空間態(tài)勢，向各類航大活動等提供空間目標(biāo)信息。主要探測特點(diǎn)是非合作性、完備性及長期性等。目前，僅有美國和俄羅斯具備對空間目標(biāo)編目數(shù)據(jù)進(jìn)行定期更新能力。歐洲正在討論未來空間目標(biāo)探測系統(tǒng)多項計劃，最終將建成空間態(tài)勢感知系統(tǒng)“。應(yīng)用雷達(dá)成像結(jié)果分析衛(wèi)星失效原因雷達(dá)以其固有特點(diǎn)，在空間目標(biāo)探測技術(shù)發(fā)展中起著重要作用，它實時性強(qiáng)、探測信息豐富，可以全天候、全天時對空間目標(biāo)進(jìn)

2、行探測、識別和編目。在美國空間監(jiān)視網(wǎng)中大量使用了地基探測雷達(dá)，像位于夸賈林的ALTAIR、ALCOR、MMW和TRADEX以及林肯實驗室空間目標(biāo)探測站的Haystack、HAX和Millstone(MHR)等雷達(dá)。歐洲也建設(shè)了GRAVES系統(tǒng)和TIRA雷達(dá)并充分利用法國Monge測量船Armor雷達(dá)以及英國用于大氣層和電離層研究的Chilbolton雷達(dá)開展空間目標(biāo)探測活動。美國空間目標(biāo)探測雷達(dá)技術(shù)發(fā)展進(jìn)入20世紀(jì)90年代，關(guān)國先后對夸賈林的ALTAIR、ALCOR、MMW和TRADEX以及林肯實驗室空間目標(biāo)探測站的Haystack、HAX和MilIstone(MHR)雷達(dá)進(jìn)行了技術(shù)升級改造，

3、使其現(xiàn)代化。目前正在對Haystack雷達(dá)進(jìn)行更人的技術(shù)升級改造，完成后稱為HUSIR(HaystackUltra-widebandSatelliteImagingRadar),即Haystack超寬帶衛(wèi)星成像雷達(dá)。Haystack超寬帶衛(wèi)星成像雷達(dá)這些雷達(dá)技術(shù)升級主要措施為：>ALTAIR雷達(dá)建立了一套用于區(qū)分、辨別和跟蹤中高軌目標(biāo)的高分辨波形；>TRADEX雷達(dá)改進(jìn)實時積累算法、增加了凝視方式(StareMode)和凝視追蹤方式(Stare-andChase)、使用更大功率速調(diào)管；>ALCOR雷達(dá)更新信號處理器支持相參積累和實時成像、使用擴(kuò)展交互作

4、用速調(diào)管(EIK)替換原行波速調(diào)管、采用GaAsFET低噪聲放人器改進(jìn)靈敏度；>毫米波雷達(dá)(MMW)35GHz采剛波束波導(dǎo)天線饋源替代了波導(dǎo)饋線、增加了第二部發(fā)射機(jī)，95GHz系統(tǒng)采用先進(jìn)的低溫致冷固態(tài)技術(shù)與準(zhǔn)光學(xué)饋源單元組合,有效提高系統(tǒng)靈敏度；>HUSIR雷達(dá)增加了W頻段，雷達(dá)同時工作在X頻段(10GHz頻率,1GHz帶寬)和W頻段(96GHz頻率，8GHz帶寬)，成像分辨率小于3cm。主要更新升級包括天線、伺服控制、發(fā)射機(jī)、信號處理等。歐洲空間目標(biāo)探測雷達(dá)技術(shù)發(fā)展歐洲現(xiàn)有一些雷達(dá)和光學(xué)設(shè)施雖然能跟蹤空間目標(biāo)并拍攝其圖像，但還未形成空間目標(biāo)探測體系工作能力，嚴(yán)重

5、依賴于美國資料。為了建立獨(dú)立的空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)，歐空局成立了空間目標(biāo)探測特別工作組，規(guī)劃未來歐洲空間目標(biāo)探測系統(tǒng)(ESSS)。在此系統(tǒng)中，典型的探測雷達(dá)包括法國GRAVES系統(tǒng)和德國TIRA雷達(dá)。法國GRAVES系統(tǒng)是目前歐洲唯一不配屬美國空間目標(biāo)探測網(wǎng)的雷達(dá)，可以完成典型空間目標(biāo)探測任務(wù)。GRAVES歸法國國防部所有，由法國空軍操作。該系統(tǒng)可自主匯集和維持編目表。探測低軌極限目標(biāo)尺寸一般為1m以上，目標(biāo)總數(shù)2200個左右。2005年投入止常運(yùn)行。GRAVES系統(tǒng)使用VHF發(fā)射機(jī)，四個各15mX6m的平板形相控陣天線，都位于Dijon附近。這些傾斜天線排列成面向南方的半圓，展開一個高度直劍10

6、00km的錐形探測扇面。穿過該探測范圍的目標(biāo)反射同來部分發(fā)射功率，利用偶極子平面相控陣大線接收。偶極子平面陣排成一個60m直徑的圓面，布在發(fā)射機(jī)南面380km的機(jī)場內(nèi)。GRAVES系統(tǒng)利用方向角、多普勒和多普勒變化率確定大量目標(biāo)的軌道根數(shù)集。德國TIRA雷達(dá)屬于Wachtberg的應(yīng)用科學(xué)研究院。按其跟蹤模式，TIRA系統(tǒng)利用各目標(biāo)的方向角、距離和多普勒米確定其軌道?？商綔y1000km距離上小至2cm左右的目標(biāo)。進(jìn)行統(tǒng)計觀測，靈敏度可提高到lcm左右。這時以艤站波求交會(beam-park)方式運(yùn)行TIRA和近旁EffelsberglOOm射電望遠(yuǎn)鏡，TIRA剛作發(fā)射機(jī)，Effelsberg用

7、作接收機(jī)。TIRA是一臺單脈沖跟蹤和成像雷達(dá)，拋物面大線直徑34m,置于49m直徑天線罩內(nèi)。該雷達(dá)跟蹤目標(biāo)利用L波段(l.333GHz)，峰值功率1MW；以逆綜合孔徑雷達(dá)對目標(biāo)成像，工作于Ku波段(16.7GHz)，峰值功率13kw。TIRA的距離一多普勒逆綜合孔徑Ku波段成像產(chǎn)生距離分辨率高于7cm的圖像。德國TIRA雷達(dá)對航天飛機(jī)成像歐美空間目標(biāo)探測雷達(dá)技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)綜觀歐美空間目標(biāo)探測雷達(dá)廊用及技術(shù)升級發(fā)展歷程，可以看出其有以下幾方面的技術(shù)特點(diǎn)：&gt；空間目標(biāo)探測雷達(dá)是伴隨著彈道導(dǎo)彈、軍用衛(wèi)星及空間攻防武器等系統(tǒng)的發(fā)展，得到逐步建立、完善和發(fā)展；&gt；空間目標(biāo)探測雷達(dá)全

8、球部署，作為主要測量、探測設(shè)備，全面支撐了彈道導(dǎo)彈鑒定定性飛行試驗、反導(dǎo)反衛(wèi)試驗、航大測控及空間目標(biāo)監(jiān)視等；&gt；依據(jù)軍事需求和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，對己部署的雷達(dá)系統(tǒng)不斷地進(jìn)行改進(jìn)和更新；&gt；注重新技術(shù)研究，力求獲取目標(biāo)的多樣信息，在獲取目標(biāo)軌道信息的同時，還注重獲取目標(biāo)的電磁散射特性；&gt；空間目標(biāo)探測雷達(dá)涵蓋了微波全頻段，有力支持了目標(biāo)識別技術(shù)發(fā)展；&gt；采用多種體制雷達(dá)(如相控陣、電子籬笆等)增強(qiáng)空間目標(biāo)探測網(wǎng)搜索捕獲目標(biāo)能力；&gt；空間目標(biāo)探測雷達(dá)實現(xiàn)了空間碎片等微小目標(biāo)，同步軌道衛(wèi)星等超遠(yuǎn)距離目標(biāo)超寬帶成像觀測?？臻g目標(biāo)探測雷達(dá)技術(shù)發(fā)展

9、啟示為了適應(yīng)未來獲取空間目標(biāo)信息優(yōu)勢的需要，歐美正大力擴(kuò)展其雷達(dá)空間目標(biāo)探測能力。未來，歐美空間目標(biāo)探測網(wǎng)將繼續(xù)改進(jìn)地基監(jiān)視系統(tǒng)，著力開發(fā)雷達(dá)和光電、紅外探測技術(shù)，并大力開展空間目標(biāo)探測的數(shù)據(jù)處理、算法和數(shù)據(jù)融合等技術(shù)研究?？v觀美國空間目標(biāo)探測雷達(dá)技術(shù)升級發(fā)展歷程，每次技術(shù)升級都緊緊圍繞進(jìn)一步提高雷達(dá)探測能力和提升雷達(dá)使剛性能而開展。隨著現(xiàn)代微小衛(wèi)星發(fā)展和應(yīng)用，空間目標(biāo)尺寸越來越小，對雷達(dá)空間目標(biāo)探測能力和成像觀測圖像分辨率的要求越米越高。今后一個時期，空間目標(biāo)探測雷達(dá)必將圍繞超遠(yuǎn)距離探測和高清晰成像測量兩大技術(shù)主題快速發(fā)展。超遠(yuǎn)距離（中高軌空間目標(biāo)）雷達(dá)探測技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，軌道空間正

10、在成為越米越被關(guān)注和大力發(fā)展的熱點(diǎn)，世界各軍事強(qiáng)國也紛紛將各自的軍事力量越來越多的向空間延伸。除了通常以民用名義發(fā)射的大量通訊、氣象等衛(wèi)星（實際上這些衛(wèi)星同樣具有軍事用途）以外，還有用于導(dǎo)航的GPS衛(wèi)星、用于情報獲取的偵察衛(wèi)星、監(jiān)視預(yù)警衛(wèi)星，甚至還在發(fā)展具備直接進(jìn)攻能力的空間武器等等。為了及時掌握這些具有戰(zhàn)略意義的空間目標(biāo)信息，歐美空間目標(biāo)探測網(wǎng)已將發(fā)展中高軌道空間目標(biāo)的超遠(yuǎn)距離雷達(dá)探測技術(shù)作為重要領(lǐng)域。01大功率發(fā)射機(jī)技術(shù)發(fā)展超遠(yuǎn)距離雷達(dá)系統(tǒng)的主要制約因素是高功率微波源。美國CPI研制的Ku波段耦合腔行波管，峰值功率達(dá)到60kW占空比30%，增益40dB，帶寬2GHz；Ka波段耦合腔行波管，

11、峰值功率達(dá)到50kW,占空比10%，增益40dB，效率16%，帶寬2GHz，已經(jīng)實現(xiàn)商品化，分別用于MIT林肯實驗室的Ku波段遠(yuǎn)程成像雷達(dá)和夸賈林靶場遠(yuǎn)程雷達(dá)。在俄羅斯，Ka波段同旋速調(diào)管，峰值功率可達(dá)到250kW，帶寬0.5GHz，平均功率1.2kW，效率35%，增益40dB，已應(yīng)用于遠(yuǎn)程毫米波相控陣?yán)走_(dá)'Ruza'。我國目前Ku波段和Ka波段耦合腔行波管遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足超遠(yuǎn)距離雷達(dá)需求。根據(jù)我國實際情況，若選擇Ku波段作為同旋行波管的技術(shù)突破口，是一條既可行，又有很大發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)線路。同旋行波管具有高功率、寬頻帶的特點(diǎn)，其功率容量可達(dá)劍100kW以上，帶寬可達(dá)5%20%，甚至

12、更高，目前國內(nèi)研制基礎(chǔ)條件基本成熟，其主要關(guān)鍵技術(shù)的研究方法、理論和毫米波段同旋行波管放人器基本相同，可以相互借鑒。同時，在Ku波段同旋行波管放人器取得的新成果，義可推進(jìn)毫米波同旋行波管放大器研究，進(jìn)而可以發(fā)展毫米波段超遠(yuǎn)距離探測雷達(dá)。02大功率合成技術(shù)大功率合成技術(shù)是滿足超遠(yuǎn)距離雷達(dá)探測所需功率的有效技術(shù)途徑，美國Haystack雷達(dá)使用了四臺發(fā)射機(jī)并列工作，單臺輸出峰值功率lOOkW,平均功率40kW。在HUSIR雷達(dá)中，開發(fā)了一個新穎的發(fā)射機(jī)體系，頻率上采用多個放大管多路復(fù)用達(dá)到需要的帶寬，幅度上采用多管合成達(dá)到要求的功率。一個多路組合16個回旋放大器陣列，功率合成和頻率多路復(fù)用類似于使

13、用準(zhǔn)光學(xué)四端混合和低通濾波器，合成后達(dá)到對同步軌道衛(wèi)星成像要求的發(fā)射機(jī)功率160kW（峰值），工作比為40，帶寬8GHz。我國目前已實現(xiàn)了兩路大功率發(fā)射機(jī)合成，為滿足超遠(yuǎn)距離探測雷達(dá)的需求，還必須在功率合成、頻率復(fù)用技術(shù)方面取得更人突破。03大口徑天線及饋電技術(shù)為滿足空間目標(biāo)探測雷達(dá)的需求，獲得接收遠(yuǎn)距離微弱信號能力，多采用大口徑天線以獲得高增益。甚至采用了陣列天線并發(fā)展了相控陣天線技術(shù)。卡塞格倫雙反射面天線具有高增益、低旁瓣、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，一直在遠(yuǎn)距離探測雷達(dá)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。饋源是影響天線效率的重要部件，通常有兩種體制：多喇叭體制和多模體制。近年來，多模饋源以和差效率高，頻帶寬等技術(shù)特點(diǎn)

14、，成功應(yīng)用于我國脈沖雷達(dá)，取得較好效果。雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率必須通過一定路徑傳輸至饋源經(jīng)天線向空間輻射。通常采用波導(dǎo)傳輸法，對于高頻段也可采用波束波導(dǎo)法。波導(dǎo)傳輸法是微波功率傳輸?shù)慕?jīng)典方法，它將饋源安裝在雙反射面焦點(diǎn)，通過收發(fā)開關(guān)、功率控制器傳輸至俯仰關(guān)節(jié)、方位關(guān)節(jié)，再通過功率合成網(wǎng)絡(luò)與多部發(fā)射機(jī)相連接。由此可以看出，多部發(fā)射機(jī)功率合成及高功率傳輸將受到限制，特別是在高功率、寬頻帶條件下，功率合成網(wǎng)絡(luò)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等存在較大的打火隱患。使其在大功率探測雷達(dá)中應(yīng)用受到極大的限制。波束波導(dǎo)傳輸方法是將饋源及發(fā)射機(jī)系統(tǒng)放置在地面，通過多個反射鏡按照準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)把功率傳輸?shù)椒瓷涿?。這種方法優(yōu)點(diǎn)是：傳輸功率容量大、

15、便于多頻段共用、不受體積龐人的大功率饋源結(jié)構(gòu)限制、沒有射頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，不存在高功率條件下電氣打火隱患等。04低溫LNA技術(shù)1988年12月，美國海軍實驗室(NRL)發(fā)起了一個高溫超導(dǎo)空間實驗(HTSSE)計劃。HTSSE的一個目標(biāo)是促進(jìn)高溫超導(dǎo)材料應(yīng)剛于衛(wèi)星電子裝置的研制，從而大大提升了星載電子裝置性能并且有效地減小了體積。20世紀(jì)90年代中期，地面設(shè)備開展了高溫超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用研究，開發(fā)研制了高溫超導(dǎo)寬帶脈沖壓縮接收機(jī)包括低噪聲放大器、混頻器、濾波器、延時器等裝置，對Haystack雷達(dá)接收機(jī)進(jìn)行了更新，顯并地提高了靈敏度和動態(tài)范圍。我國高溫超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用方面開展了大量研究，清華大學(xué)研制了一種適用

16、于高溫超導(dǎo)微波接收系統(tǒng)的低溫低噪聲放人器，在60K工作溫度下，具有很好的噪聲特性，放大器的各項指標(biāo)與設(shè)計值吻合，工作頻段為800MHz850MHz,增益大于18dB，輸入輸出駐波比小于1.2，噪聲系數(shù)小于0.22dB。紫金山大文臺在毫米波和亞毫米波段應(yīng)用了超導(dǎo)SIS(超導(dǎo).絕緣層.超導(dǎo))接收技術(shù)，顯著提高了毫米波、弧毫米波射電大文望遠(yuǎn)鏡的靈敏度和工作作頻率，成為毫米波、亞毫米波天文學(xué)進(jìn)展的顯著特點(diǎn)。目前在雷達(dá)探測領(lǐng)域，這些技術(shù)尚未進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用?？臻g目標(biāo)高分辨率成像探測技術(shù)歐美空間目標(biāo)探測雷達(dá)大量采用了高分辨率成像技術(shù)，已實現(xiàn)對空間微小目標(biāo)的精細(xì)觀測，結(jié)合我國空間目標(biāo)探測雷達(dá)技術(shù)基礎(chǔ)，開展空間目

17、標(biāo)雷達(dá)高分辨率成像新技術(shù)研究。支持對空間目標(biāo)高分辨率成像探測識別。01多站觀測融合技術(shù)美國往20世紀(jì)90年代發(fā)展了利用兩臺不同頻段的成像雷達(dá)觀測同一目標(biāo)，對兩臺雷達(dá)信號進(jìn)行融合處理，得到一個超寬帶信號，大大提高成像分辨率。例如雙子眼睛蛇(CobraGemini)S和X頻段寬帶雷達(dá)，前者300MHz帶寬，后者1GHz帶寬，通過綜合處理，獲得310GHz的超寬帶信號，其成像清晰度顯并提高。多站觀測融合技術(shù)重點(diǎn)為：帶寬外推技術(shù)、子頻帶內(nèi)插和外推連接技術(shù)等。02頻帶復(fù)用(Multiplexer)技術(shù)雷達(dá)高分辨率成像觀測需要發(fā)射寬帶大功率信號，現(xiàn)有單一射頻放人器不能同時滿足功率和帶寬要求。美國HUSIR

18、雷達(dá)采用16個高功放在頻率和功率上合成滿足功率和帶寬的要求。其中4個高功放同頻工作，實現(xiàn)功率合成。頻帶合成采用一個新穎的4路復(fù)用器（Multiplexer）對每路高功放中心頻率均勻分開（間隔0.53GHz），每個中心頻率工作帶寬為1.6GHz,混合輸出達(dá)到8GHz帶寬。我國寬帶大功率發(fā)射管技術(shù)遠(yuǎn)落后于國際先進(jìn)水平，極大限制了成像雷達(dá)的發(fā)展，開展多路頻率復(fù)用技術(shù)研究，突破寬帶大功率發(fā)射的技術(shù)瓶頸，將會有力促進(jìn)我國新型寬帶成像雷達(dá)的發(fā)展與應(yīng)用。03壓縮感知理論壓縮感知理論是國際上近幾年提出的以低于Nyquist采樣率實現(xiàn)寬帶信號的稀疏表示和重建的一種新方法。其基本思想是：通常意義下的高維信號（寬帶信號）總能在某個特征域上表示為稀疏的（非零系數(shù)遠(yuǎn)小于信號長度或者系數(shù)具有快速衰減性），因此通過一個稱為“測量矩陣”與稀疏特征域上的新型“壓縮采樣”（低于Nyquist采樣率），達(dá)到對高維信號（寬帶信號）的維數(shù)約減（大大小于信號長度），而維數(shù)約減（低于Nyquist采樣率）信號又可以通過線形規(guī)劃方法高效率重建原始高維信號（寬帶信號），從而達(dá)到對高維信號（寬帶信號）的壓縮感知，簡化了雷達(dá)接收機(jī)的