空間目標(biāo)小型相控陣?yán)走_(dá)探測(cè)技術(shù)

郭宇華，夏正歡，張 濤，趙志龍，石慧峰，岳富占，彭 濤

（1. 天地一體化信息技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 2. 北京衛(wèi)星信息工程研究所：北京 100095）

0 引言

越來(lái)越多的空間碎片、失效航天器等太空垃圾給高價(jià)值衛(wèi)星的空間安全帶來(lái)威脅。為此，需要對(duì)空間非合作目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視與測(cè)量[1]。目前，空間目標(biāo)探測(cè)基本可以分為地基探測(cè)和天基探測(cè)2 種途徑。我國(guó)的地基探測(cè)站大多分布在國(guó)內(nèi)，探測(cè)點(diǎn)和探測(cè)空域有限，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的全空域、全天時(shí)探測(cè)。而天基探測(cè)則可以擺脫此類(lèi)限制，實(shí)現(xiàn)全空域空間目標(biāo)的探測(cè)與跟蹤[2-5]。

天基空間目標(biāo)探測(cè)是利用包括衛(wèi)星、飛船和空間站等天基平臺(tái)上的探測(cè)設(shè)備和探測(cè)期間對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)的方法，其中主要的探測(cè)設(shè)備包括光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、微波雷達(dá)和激光雷達(dá)等。光學(xué)設(shè)備進(jìn)行探測(cè)時(shí)對(duì)光照條件有一定的要求，此外光學(xué)測(cè)量只能測(cè)角而難以高精度測(cè)距的限制增加了其對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位的難度。天基雷達(dá)通常搭載在衛(wèi)星平臺(tái)上，其特點(diǎn)是體積大、功耗高。其中激光雷達(dá)具有定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但目前空間大功率激光信號(hào)的產(chǎn)生與接收技術(shù)還不成熟，僅適合對(duì)中近距離空間目標(biāo)的探測(cè)。天基雷達(dá)可以搭載于專(zhuān)用的觀測(cè)衛(wèi)星或者負(fù)責(zé)執(zhí)行其他任務(wù)的衛(wèi)星、飛船和空間站上，也可以采用小衛(wèi)星組網(wǎng)的方式搭載于多個(gè)小衛(wèi)星上，分布在所期望觀測(cè)的整個(gè)軌道層[6-9]。

目前國(guó)際上對(duì)空間目標(biāo)實(shí)行天基觀測(cè)的雷達(dá)主要有：美國(guó)在國(guó)際空間站上搭載的專(zhuān)用空間目標(biāo)監(jiān)視雷達(dá)；法國(guó)空間研究中心研制的小型衛(wèi)星群搭載的微波雷達(dá)；俄羅斯的毫米波相控陣?yán)走_(dá)；加拿大的空間目標(biāo)觀測(cè)雷達(dá)。我國(guó)于2000 年開(kāi)始對(duì)天基雷達(dá)探測(cè)進(jìn)行研究，并且提出了空間多波束測(cè)量雷達(dá)的思路，但是目前的雷達(dá)探測(cè)能力仍十分有限，需要對(duì)在軌測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行深入研究[10-11]。

為對(duì)高價(jià)值航天器鄰域空間目標(biāo)進(jìn)行全時(shí)探測(cè)與跟蹤，本文提出基于伴隨微納衛(wèi)星的小型化相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)；分析不同波段雷達(dá)對(duì)大范圍空間目標(biāo)搜索與精細(xì)跟蹤的性能，并綜合考慮系統(tǒng)復(fù)雜度與功耗等因素，最終選擇C 波段作為雷達(dá)工作頻段。下面詳細(xì)闡述小型化相控陣?yán)走_(dá)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、目標(biāo)搜索與跟蹤的信號(hào)處理方法、測(cè)距與測(cè)角誤差分析等。

1 雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工作波段選擇與分析

微納衛(wèi)星搭載的相控陣?yán)走_(dá)需要同時(shí)滿足大范圍空間目標(biāo)搜索與精細(xì)跟蹤等任務(wù)需求。根據(jù)搜索模式下的雷達(dá)方程可知，搜索性能取決于雷達(dá)的功率孔徑積，圖1 給出雷達(dá)的功率孔徑積為4 W·m2、1.5 s 內(nèi)搜索距離為25 km、空域覆蓋范圍為40°×40°時(shí)的信噪比（SNR）與RCS（雷達(dá)散射截面）關(guān)系曲線，可知X、C、S波段雷達(dá)的SNR 幾乎一致。根據(jù)目標(biāo)跟蹤模式下的雷達(dá)方程可知，跟蹤性能取決于雷達(dá)的功率孔徑增益積，圖2 給出了相同雷達(dá)參數(shù)下，同時(shí)跟蹤3 個(gè)目標(biāo)、目標(biāo)跟蹤幀率為10 Hz 的SNR 與RCS 關(guān)系曲線，可以看出X 波段與C 波段雷達(dá)能基本滿足RCS 為0.5 m2以上目標(biāo)的跟蹤SNR 要求（約20 dB）。

圖1 大范圍搜索模式下的SNR 與RCS 關(guān)系曲線Fig. 1 Relationship between SNR and RCS in large-scale search mode

圖2 目標(biāo)跟蹤模式下的SNR 與RCS 關(guān)系曲線Fig. 2 Relationship between SNR and RCS in target tracking mode

對(duì)于相同口徑的X 波段與C 波段相控陣天線，X 波段天線陣元數(shù)更多；為了滿足同樣的空域搜索波束掃描能力，X 波段相控陣?yán)走_(dá)的TR 組件數(shù)更多、結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。可見(jiàn)，C 波段的TR 組件數(shù)相對(duì)較少、損耗較低，更容易滿足輕量化、低成本等設(shè)計(jì)要求。本文綜合考慮大范圍搜索、目標(biāo)精細(xì)跟蹤、系統(tǒng)復(fù)雜度與成本等因素，最終選擇C 波段作為微納衛(wèi)星小型化相控陣?yán)走_(dá)的工作波段。

1.2 雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出的基于微納衛(wèi)星的小型相控陣?yán)走_(dá)組成如圖3 所示，主要包括C 波段相控陣天線與電子學(xué)系統(tǒng)兩部分。C 波段相控陣天線包括100 個(gè)天線陣元與25 個(gè)TR 組件，每個(gè)TR 組件給2×2 的天線子陣進(jìn)行饋電，每個(gè)TR 組件的發(fā)射信號(hào)峰值功率為10 W，信號(hào)占空比小于10%。相控陣天線可掃描覆蓋40°×40°空域范圍，實(shí)現(xiàn)大范圍空間的目標(biāo)搜索。電子學(xué)系統(tǒng)主要包括信號(hào)發(fā)射器、中頻接收機(jī)、射頻電路、時(shí)鐘管理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）與信號(hào)處理器等，其中，F(xiàn)PGA 主要完成系統(tǒng)的信號(hào)產(chǎn)生、回波接收、回波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等時(shí)序控制，信號(hào)處理器主要完成空間目標(biāo)的檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)等。相控陣?yán)走_(dá)的主要參數(shù)如表1 所示。

圖3 相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)組成Fig. 3 The phased array radar system

表1 相控陣?yán)走_(dá)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the phased array radar

1.3 雷達(dá)工作模式

該相控陣?yán)走_(dá)通過(guò)電掃描方式實(shí)現(xiàn)大范圍的空間目標(biāo)搜索探測(cè)，根據(jù)天線波束寬度與搜索空域可知，相控陣天線在方位向與俯仰向分別掃描6 個(gè)波束；由于總搜索時(shí)間為1 s，則每個(gè)波束的駐留時(shí)間約為27.8 ms，如圖4 所示。搜索到目標(biāo)后，調(diào)整波束對(duì)目標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間跟蹤。為了滿足10 Hz 的跟蹤幀頻率需求，相比搜索模式下，相干積累時(shí)間為100 ms 時(shí)SNR 將提升5.5 dB。對(duì)于多個(gè)目標(biāo)，為了保證SNR 要求，需要適當(dāng)降低每個(gè)目標(biāo)的跟蹤幀頻率，例如，若對(duì)3 個(gè)目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行跟蹤，每個(gè)目標(biāo)的跟蹤幀頻率約為3.3 Hz。此外，為了盡量縮小探測(cè)盲區(qū)，并降低信號(hào)之間的相互干擾，采用小時(shí)間帶寬積與時(shí)間帶寬積的時(shí)頻正交收發(fā)工作模式，其時(shí)序如圖5 所示。

圖4 目標(biāo)搜索模式Fig. 4 Target search mode

圖5 目標(biāo)搜索模式時(shí)序Fig. 5 Time sequence of the target search

2 信號(hào)處理流程

對(duì)高價(jià)值航天器鄰域空間目標(biāo)進(jìn)行全時(shí)探測(cè)與跟蹤，需要采取的步驟包括目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)測(cè)量與目標(biāo)跟蹤，流程如圖6 所示。在進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)時(shí)，首先進(jìn)行測(cè)距分析，對(duì)目標(biāo)回波進(jìn)行距離向壓縮處理以及方位向FFT，然后進(jìn)行恒虛警（CFAR）檢測(cè)。在進(jìn)行目標(biāo)方位測(cè)量時(shí)，首先進(jìn)行波束掃描，再進(jìn)行和差波束處理以及和差比幅度查找表查找，最終確定目標(biāo)的位置。目標(biāo)確定后開(kāi)始進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，即進(jìn)行下一時(shí)間目標(biāo)檢測(cè)（距離向壓縮、方位向FFT 和CFAR 檢測(cè)）以及目標(biāo)軌跡關(guān)聯(lián)處理。

圖6 信號(hào)處理流程Fig. 6 The signal processing flowchart

3 實(shí)驗(yàn)仿真

對(duì)C 波段雷達(dá)測(cè)距、測(cè)角誤差進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真分析，包括測(cè)距精度分析和測(cè)角精度分析。假設(shè)衛(wèi)星和目標(biāo)的幾何關(guān)系如圖7 所示，設(shè)衛(wèi)星的坐標(biāo)為(104, 0, 0)，目標(biāo)相對(duì)于衛(wèi)星的位置為(1.5×104,1.8×104, 1.5×104)、相對(duì)飛行速度為2 m/s。

圖7 衛(wèi)星與目標(biāo)的幾何關(guān)系示意Fig. 7 The geometric relationship between the satellite and the target

3.1 測(cè)距精度

首先利用MATLAB 軟件對(duì)近距離（70～1000 m）目標(biāo)探測(cè)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真參數(shù)見(jiàn)表2 所示。當(dāng)目標(biāo)與雷達(dá)相對(duì)距離為100 m 時(shí)，對(duì)接收到的原始回波（圖8(a)）進(jìn)行距離向壓縮處理，結(jié)果如圖8(b)所示，從圖中橫坐標(biāo)可以看出目標(biāo)與衛(wèi)星的距離；然后進(jìn)行方位向FFT，結(jié)果如圖9 所示。從點(diǎn)目標(biāo)的距離與方位切片（圖10）可以看出，SNR 可以達(dá)到15 dB 以上。對(duì)目標(biāo)進(jìn)行500 次試驗(yàn)，得到的測(cè)距均方根誤差都小于0.3 m，達(dá)到指標(biāo)要求，如圖11 所示。

圖8 距離向壓縮處理Fig. 8 Range compressed data

圖9 方位向FFT 結(jié)果Fig. 9 FFT result in the azimuth

圖10 近距離目標(biāo)點(diǎn)的距離和方位切片F(xiàn)ig. 10 Range and azimuth profiles of close range target

圖11 近距離目標(biāo)測(cè)距的均方根誤差Fig. 11 RMS error of ranging of close range target

表2 近距離目標(biāo)探測(cè)仿真試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Simulation parameters for close-range target detection

接著對(duì)遠(yuǎn)距離（20～30 km）目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距精度仿真實(shí)驗(yàn)。以探測(cè)目標(biāo)距離23 km 為例，對(duì)目標(biāo)回波進(jìn)行方位向FFT，結(jié)果如圖12 所示。從點(diǎn)目標(biāo)的距離與方位切片（圖13）可以看出，SNR 可以達(dá)到10 dB 以上。對(duì)目標(biāo)進(jìn)行500 次試驗(yàn)，得到的測(cè)距均方根誤差都小于0.4 m，達(dá)到指標(biāo)要求，如圖14所示。

圖12 方位向FFT 結(jié)果Fig. 12 FFT result in the azimuth

圖13 遠(yuǎn)距離目標(biāo)點(diǎn)的距離和方位切片F(xiàn)ig. 13 Range and azimuth profiles of distant target

圖14 遠(yuǎn)距離目標(biāo)測(cè)距的均方根誤差Fig. 14 RMS error of ranging of distant target

3.2 測(cè)角精度

當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)，我們需要對(duì)測(cè)角精度進(jìn)行分析。以表3 所示的仿真參數(shù)對(duì)測(cè)角精度進(jìn)行仿真分析。

表3 測(cè)角精度仿真參數(shù)Table 3 Simulation parameters of angle measurement

假設(shè)掃描波束方向如圖15 所示，波束寬度4.3°，掃描間隔4°，共15 個(gè)波束，覆蓋60°范圍。

圖15 掃描波束方向Fig. 15 Scanning wave number pattern

假定各波束的方向性函數(shù)完全相同，設(shè)為F(θ)，相鄰兩波束接收到的信號(hào)電壓振幅為E1、E2，則其和信號(hào)的振幅為E∑=|E1+E2|，差信號(hào)的振幅為EΔ=|E1-E2|。經(jīng)計(jì)算可以得到各個(gè)波束的差和比，圖16 給出部分相鄰波束的差和比。由圖可見(jiàn)，差和比在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)為近似線性的單調(diào)函數(shù)。

圖16 部分相鄰波束的差和比Fig. 16 Difference and ratio of part of the adjacent wave numbers

利用上述波束方向圖和表3 所示的仿真參數(shù)，對(duì)距離為15 km，方位角分別為-27°、-15°、0°、13°和25°的5 個(gè)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行500 次重復(fù)測(cè)角仿真，5 個(gè)目標(biāo)的距離壓縮信號(hào)如圖17 所示。

圖17 5 個(gè)目標(biāo)的距離壓縮信號(hào)Fig. 17 Range compression signal of five targets

5 個(gè)目標(biāo)的測(cè)角仿真分析結(jié)果如表4 所示，均方根誤差都＜0.031°。

表4 5 個(gè)目標(biāo)的測(cè)角仿真分析結(jié)果Table 4 Simulation analysis results of angle measurement for five targets單位：(°)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)空間目標(biāo)的探測(cè)應(yīng)用需求，提出基于伴隨微納衛(wèi)星的小型化相控陣?yán)走_(dá)探測(cè)與測(cè)量技術(shù)，分析不同波段雷達(dá)對(duì)大范圍空域目標(biāo)搜索與測(cè)量跟蹤的性能，綜合考慮系統(tǒng)復(fù)雜度與功耗等因素后選用C 波段雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)，并詳細(xì)闡述小型化相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)近目標(biāo)分時(shí)探測(cè)收發(fā)時(shí)序、目標(biāo)搜索與測(cè)量的信號(hào)處理方法。仿真分析證明，該小型化相控陣?yán)走_(dá)能對(duì)25 km 范圍內(nèi)的40°×40°的三維空間目標(biāo)進(jìn)行搜索與測(cè)量，實(shí)現(xiàn)0.4 m的測(cè)距精度與0.03°的測(cè)角精度，可以滿足空間目標(biāo)大范圍搜索與跟蹤應(yīng)用需求，為地基探測(cè)手段提供補(bǔ)充。