航天返回艙雷達探測技術(shù)研究

劉偉 郝艷軍 葛頁 邱風 周偉奇 劉志棟 許輝 夏凌昊楊予昊 饒江濱 汪潤生 張景東

（1.南京電子技術(shù)研究所, 南京 210039；2.中國電子科技集團公司智能感知技術(shù)重點實驗室, 南京 210039；3.江蘇省探測感知技術(shù)重點實驗室, 南京 210039；4.中國人民解放軍63610部隊, 庫爾勒 841000）

0 引 言

航天返回艙再入大氣層時速度在10馬赫以上，與大氣劇烈摩擦會在表面產(chǎn)生一層等離子體鞘套，對電磁波產(chǎn)生吸收、散射和反射等效應(yīng)，從而形成黑障[1]。黑障區(qū)由于存在高動態(tài)的等離子體鞘套和尾流，同樣導(dǎo)致雷達探測時出現(xiàn)檢測困難、探測精度差、跟蹤不穩(wěn)定等一系列問題，無法精準獲取返回艙位置和速度，難以確認返回艙狀態(tài)是否異常，給保障航天員安全帶來挑戰(zhàn)[2-3]。

黑障區(qū)雷達探測歷來都是一個技術(shù)難題，目前國際上公開發(fā)表的相關(guān)技術(shù)報道很少，應(yīng)用情況更加未知。對返回艙再入段的等離子體對電磁波傳播特性的分析集中于采用時域有限差分(finitedifference time-domain, FDTD)法等數(shù)值方法進行模擬，研究電磁波與等離子體之間的相互作用規(guī)律[4-6]。文獻[7]建立了適用于包括風在內(nèi)的各種干擾作用下六自由度再入彈道仿真數(shù)學模型，并開發(fā)了綜合仿真軟件。文獻[8]使用軟件COMSOL仿真了電磁波在非均勻等離子體鞘套中的傳播特征，研究了返回艙再入大氣層時等離子體電子密度對電磁波傳播的影響。文獻[9]通過設(shè)計可抗高溫的單向接收探測器，顯著降低了常規(guī)探測器的多徑效應(yīng)，對等離子體中的電磁場進行了測量。在雷達探測方面，文獻[3]提出了針對新型返回艙的C頻段雷達跟蹤策略。文獻[10]針對發(fā)射場單脈沖雷達設(shè)計實現(xiàn)了一種粒子濾波檢測前跟蹤方法，可以實現(xiàn)對非合作弱目標的穩(wěn)定跟蹤。文獻[11]提出了著陸場傘降軌跡的計算方法，利用精細風資料預(yù)測飛船傘降軌跡。文獻[12]從臨空高超的物理特性出發(fā)，分析了雷達探測中的關(guān)鍵技術(shù)，提出了檢測、跟蹤、目標識別等問題的技術(shù)解決路徑。文獻[13]建立了等離子鞘套再入目標的雷達回波模型，分析了等離子鞘套特征參數(shù)和電磁波參數(shù)對雷達回波特性的影響，提出了頻率分集方法，對鞘套目標回波中的“多干擾目標”現(xiàn)象進行抑制。文獻[14]提出了多種波形多通道復(fù)制跟蹤策略，針對鞘套目標特性設(shè)計復(fù)雜波形、工作方式和跟蹤策略，來解決強等離子鞘套環(huán)境下雷達對再入航天器的跟蹤問題。

目前對于返回艙黑障區(qū)雷達探測的研究，均是針對某個具體問題，尚未見完整、系統(tǒng)的解決方案。因此針對黑障區(qū)雷達探測問題，我們從機理出發(fā)，深入分析等離子體鞘套產(chǎn)生機制、空間分布和運動特性，自主研發(fā)了一種針對黑障區(qū)雷達探測的模擬仿真方法，并在大量的模擬仿真和有限的實測數(shù)據(jù)中總結(jié)規(guī)律，清晰獲取了返回艙黑障區(qū)的信號特征；通過設(shè)計返回艙黑障區(qū)認知探測流程，使雷達可以智能判斷黑障區(qū)等離子體鞘套狀態(tài)，實時選擇最優(yōu)的工作模式和發(fā)射波形，實現(xiàn)不同狀態(tài)下對返回艙的精準探測。本文所提出的方法和技術(shù)可應(yīng)用于返回艙探測雷達設(shè)計及驗證，參與各頻段雷達對空間目標返回探測任務(wù)，為載人航天、探月工程等重大任務(wù)提供技術(shù)支撐，提升雷達對航天返回艙目標探測的穩(wěn)定性和可靠性。

1 黑障區(qū)目標電磁特性仿真方法

數(shù)值模擬方法是研究黑障區(qū)等離子體鞘套電磁特性的主要手段，其中最主要的方法就是利用FDTD直接求解時域Maxwell旋度方程，并在等離子體環(huán)境中進行了一系列改進[15-16]。但針對常規(guī)雷達波段探測返回艙黑障區(qū)問題，與探測波長相比，返回艙及其產(chǎn)生的等離子體鞘套電尺寸很大，計算需要極大的計算量和存儲量且效率極低，更重要的是，采用FDTD方法難以模擬等離子體鞘套由于復(fù)雜運動狀態(tài)對電磁波的影響。高頻算法雖可有效解決計算速度等問題，但是當目標體包裹在各向異性非均勻介質(zhì)中時其應(yīng)用就會有所限制。我們考慮到黑障區(qū)等離子體鞘套的時變效應(yīng)，包括介電常數(shù)隨時間變化引起的寄生調(diào)制、目標運動群多普勒引起的信號色散、脈動周期導(dǎo)致的電離參數(shù)分布等，引入了蒙特卡洛方法，通過大量隨機仿真模擬上述時變效應(yīng)。進一步考慮到實際工程問題對目標電磁特性的仿真要求以及可實現(xiàn)性，設(shè)計一種基于蒙特卡洛和物理光學法的快速模擬電磁波與航天返回艙及其等離子體鞘套相互作用的仿真方法，實現(xiàn)對動態(tài)黑障區(qū)返回艙的高置信度電磁仿真。

物理光學法一般可以簡述為如下三個基本過程：

1)通過幾何光學法估計出散射體上每個面元上的場分布；

2)通過散射體表面上的場分布獲得面電流、磁流的分布；

3)通過面電流、磁流計算出散射體的遠場分布。

但是，由于黑障區(qū)等離子體鞘套是非均勻介質(zhì)，電磁波不再沿直線傳播，因此不能簡單將均勻介質(zhì)散射場求解方法直接應(yīng)用到黑障區(qū)仿真。我們提出的方法可用來解決非均勻介質(zhì)中面元場分布估計：首先，將仿真區(qū)間按照不同系統(tǒng)參數(shù)分割成相應(yīng)元胞，同時按電磁波入射方向，將垂直于入射方向的入射平面投影到仿真區(qū)間的外邊界，構(gòu)建等效入射面；然后，根據(jù)幾何光學法中光線獨立傳播的假定，電磁波從等效入射面到目標體的傳播過程可以視為一束在空間上均勻分布的粒子流沖擊目標體，通過追蹤粒子流的狀態(tài)模擬電磁波的傳播過程；最后通過粒子統(tǒng)計分布等價獲得面元場分布，過程如圖1所示。另外該仿真方法中所用的網(wǎng)格剖分可與流場仿真一致，減少了空間插值，進一步提升了仿真精度，并且為了減少計算過程中無用粒子對計算資源的占用，通過粒子流傳輸情況動態(tài)調(diào)整粒子等效空間分布，算法流程如圖2所示。

圖1 基于蒙特卡洛的返回艙黑障區(qū)仿真方法示意圖Fig.1 Schematic of simulation method of reentry capsule in blackout area based on Monte Carlo method

圖2 基于蒙特卡洛的返回艙黑障區(qū)仿真方法流程圖Fig.2 Flow of simulation method of reentry capsule in blackout area based on Monte Carlo method

算法流程主要包含以下幾個步驟：

1)在基于計算方位俯仰角構(gòu)建的粒子入射面上隨機生成若干入射粒子并計算初始相位。

2)記錄粒子傳輸經(jīng)過元胞的信息及判斷與下層元胞的反射界面分類。

3)基于界面分類決定傳播路徑：若為內(nèi)邊界，則采用物理光學法計算散射路徑的幅度和相位，并進入第4步；若為中間元胞界則生成隨機數(shù)，基于隨機數(shù)與反射率的大小決定粒子的行進狀態(tài)(反射或繼續(xù)前進)，若反射則附加當前元胞的趨附深度吸收后再以物理光學法計算散射路徑，若繼續(xù)前進則直接進入第4步；若為外邊界則進入第5步。

4)計算粒子的當前運動方向及穿過該元胞的幅度和相位變化，并返回第2步。

5)將出射出模擬范圍的粒子在遠場中疊加并判斷計算結(jié)果是否穩(wěn)定，若不穩(wěn)定則返回第1步繼續(xù)隨機生成若干入射粒子進行計算，穩(wěn)定則輸出結(jié)果。

整體而言，該方法在粒子的初始位置及分布、傳輸過程中經(jīng)過介質(zhì)界面的透射/反射狀態(tài)、穿過元胞時等離子體參數(shù)的變化(包括電子密度、碰撞頻率和時變參數(shù))均貫徹了蒙特卡洛思想，利用大量隨機粒子綜合的效應(yīng)模擬電磁波與復(fù)雜分布等離子體的相互作用。

基于上述方法，我們設(shè)計了一款軟件，并仿真了典型返回艙在不同狀態(tài)下的目標特性結(jié)果，圖3是高度40 km、速度16馬赫狀態(tài)下，不同方位角的動態(tài)單站目標特性仿真結(jié)果，頻段覆蓋P至X波段。從仿真結(jié)果可以看出：隨著頻率的增加，等離子體鞘套的強度明顯降低，其中P、L、S波段鞘套能量對目標特性影響較大；另外，等離子體鞘套多普勒域的分布也會隨著頻段的上升發(fā)生變化，能量最強的多普勒分布隨著頻率的上升逐漸變大，例如在迎頭觀測視角下，等離子體鞘套在L波段雷達散射截面積(radar cross section, RCS)最大分布在1～2 km/s的多普勒范圍，在C波段則上升至2～3 km/s。

圖3 返回艙及等離子體鞘套分布模型與典型狀態(tài)下不同頻段返回艙黑障區(qū)目標RCS仿真結(jié)果Fig.3 A reentry capsule and plasma sheath distribution model, and target RCS simulation results in blackout area at different frequency bands with a typical state

2 黑障區(qū)探測場景及回波仿真方法

航天返回艙目標的返回過程是經(jīng)過提前設(shè)計的，返回過程中制動、再入、著陸以及狀態(tài)調(diào)整和控制都有嚴格的時間表，因此可以很詳細地獲得其模擬航跡[17]?；谀M航跡數(shù)據(jù)和目標特性仿真方法，可以完整地對雷達探測場景及探測過程中的黑障區(qū)回波進行仿真。仿真結(jié)果可以作為雷達保障演練的輸入，具有重要意義。我們提出基于再入場景的航天返回艙目標單站特性生成方法，并設(shè)計了航天返回艙黑障區(qū)雷達探測場景設(shè)計軟件。

采用仿真手段生成航天返回艙目標雷達回波時主要需要解決的問題是復(fù)雜時變等離子體鞘套的特性及回波仿真。由于其回波強度及速度分布與飛行狀態(tài)高度耦合，需要基于若干狀態(tài)下航天返回艙的電磁特性仿真結(jié)果，對鞘套強度分布、速度分布和時變特性進行參數(shù)化表征，從而實現(xiàn)大跨度高度速度范圍、多視角探測場景下的鞘套目標回波一體化生成，并以目標飛行軌跡為輸入生成場景回波。航天返回艙目標單站特性參數(shù)化表征及多視角一體化生成流程如圖4所示。

圖4 航天返回艙目標單站特性參數(shù)化表征及多視角一體化生成流程圖Fig.4 Flow of parameterization representation of single station characteristic of reentry capsules and multi-angle integration generation

我們在“神舟十二號”返回艙任務(wù)之前，基于仿真方法對某C波段雷達探測場景進行了仿真，并與實測數(shù)據(jù)對比(如圖5所示)，可以看出在大部分時間段仿真和實測的符合度很高，只有當目標遠離雷達時，仿真RCS與實測的起伏特性差距稍大。原因是仿真模型尾部的結(jié)構(gòu)準確度有待提高，但由于主要產(chǎn)生等離子體鞘套的迎風面準確度較高，尾部結(jié)構(gòu)準確度對等離子體鞘套分布影響不大?；谀繕颂匦苑抡娼Y(jié)果生成不同狀態(tài)下的雷達信號，如圖6所示。目標特性、仿真場景和全過程回波仿真可為后續(xù)載人航天返回任務(wù)預(yù)案設(shè)計、模擬演練等工作提供技術(shù)支撐。

圖5 “神舟十二號”返回艙C波段雷達仿真與實測RCS序列對比Fig.5 Comparison between C-band simulation RCS and measured RCS of the “Shenzhou 12” reentry capsule

圖6 不同狀態(tài)下雷達回波仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of radar signal with different states

3 基于圖像學的返回艙黑障區(qū)檢測方法

3.1 返回艙黑障區(qū)時變特性對雷達信號的影響

黑障區(qū)產(chǎn)生的等離子體鞘套特性嚴重干擾了雷達對目標本體的檢測跟蹤[18]。在湍流作用下，等離子體鞘套電子密度等參數(shù)是不穩(wěn)定和隨機變化的，具有時變特性。我們通過風洞試驗和實測數(shù)據(jù)分析(圖7)，基本可以認為等離子體鞘套時變頻率集中在50 kHz以下，且當?shù)入x子體鞘套強到覆蓋本體目標回波時，在百微秒及以上的時間尺度內(nèi)回波相參性基本消失。

圖7 風洞試驗中鞘套層流區(qū)和湍流區(qū)的頻譜圖Fig.7 Frequency spectrums of the laminar region and turbulent region of sheath in the wind tunnel experiment

因為等離子體鞘套的快速時變周期快于一般信號脈沖寬度，導(dǎo)致回波信號失真，脈壓結(jié)果呈現(xiàn)嚴重的拓展現(xiàn)象，而傳統(tǒng)恒虛警率(constant false-alarm rate, CFAR)檢測方法會出現(xiàn)多目標和距離誤差大等問題，測距誤差可達數(shù)千米，給航天返回艙目標本體檢測帶來嚴重影響，導(dǎo)致跟蹤過程中出現(xiàn)跟錯、跟丟、混批等問題。為了準確檢測出等離子體鞘套中目標本體，需要正確判別等離子體鞘套環(huán)境，提出全新的檢測方法。

3.2 基于圖像學的檢測方法

為了解決目標本體的高精度檢測和定位問題，我們提出可以對回波信號中所包含目標本體和鞘套的時間調(diào)制特性進行分析，通過時變性差異來檢測目標本體位置的方法。

對于返回艙目標窄帶跟蹤回波，通過精細切分滑窗，并將形成的一組雷達一維距離像按照時間順序排列，形成時間-距離二維圖像。一組仿真的時間-距離二維圖像如圖8(a)所示，分別對應(yīng)于噪聲、鞘套和目標區(qū)域，從時序上看，目標回波區(qū)域穩(wěn)定性較好，而鞘套回波區(qū)域的時變性較強，回波呈現(xiàn)雜亂無序的狀態(tài)。因此，基于時間-距離二維圖像，從目標本體與鞘套的脈內(nèi)時變特征出發(fā)，可以通過構(gòu)建表征時變特征的檢測統(tǒng)計量，對中、高能量鞘套中的目標進行檢測?；跀?shù)學形態(tài)學，對圖像進行形狀與結(jié)構(gòu)的分析和處理，來提取目標本體與鞘套時變特征。

圖8 返回艙目標雷達時間-距離二維圖像及圖像特征Fig.8 Time-distance 2D images and image features of radar signals of a reentry capsule

本文提出兩種基于形態(tài)學特征的時變表征方法。第一種是輪廓特征，即檢測圖像局部區(qū)域的邊緣輪廓。用標準差為σ的二維高斯函數(shù)G(x,y)=exp的濾波器對圖像進行濾波，計算濾波后圖像的拉普拉斯，得到原始圖像的二值化輪廓圖像。第二種是紋理特征，其描述了圖像局部區(qū)域的光滑程度。選取合適的紋理濾波器，比如局部熵濾波器，對圖像進行濾波獲得紋理圖像，并進一步獲得紋理的邊界。圖8(b)和圖8(c)分別給出了噪聲、鞘套和目標區(qū)域的輪廓和紋理特征，三者的圖像特征有明顯區(qū)別，由于目標本體在子脈沖間相比噪聲和鞘套更加穩(wěn)定，目標所在位置的輪廓和紋理更加清晰，從而可對目標本體進行準確檢測。

3.3 黑障區(qū)檢測跟蹤一體化方法

常規(guī)雷達檢測跟蹤方法在對目標進行探測時，檢測和跟蹤是互相獨立的過程，航天返回艙目標在有鞘套時檢測虛警點多、距離誤差大，導(dǎo)致跟蹤精度低。因此如何將檢測和跟蹤算法結(jié)合起來，形成檢測跟蹤一體的探測過程，降低檢測和跟蹤誤差，對于黑障區(qū)目標探測具有很大意義。我們提出了一種根據(jù)檢測和跟蹤之間互動反饋情況的反饋跟蹤方法，傳統(tǒng)的檢測跟蹤模式和反饋跟蹤模式的流程如圖9所示。

圖9 無反饋跟蹤模式和反饋跟蹤模式流程Fig.9 Flow of the non-feedback and feedback tracking mode

無反饋跟蹤模式工作流程由雷達進行目標檢測生成觀測點，將觀測點輸送給跟蹤算法生成航跡估計結(jié)果，沒有從跟蹤算法到雷達目標檢測的信息反饋。主要步驟為：

1) 根據(jù)雷達回波信息計算檢驗統(tǒng)計量。

2) 根據(jù)給定的閾值和檢驗統(tǒng)計量生成觀測點。

3) 使用點跡凝聚算法對觀測點進行凝聚。

4) 依據(jù)凝聚后的觀測點運行點跡跟蹤程序，生成航跡估計結(jié)果。

反饋跟蹤模式由雷達進行目標檢測生成觀測點，將觀測點輸送給跟蹤算法生成航跡估計結(jié)果，如果使用的觀測點不是通過反饋獲得的，則根據(jù)該估計結(jié)果反饋出新閾值，并生成新的觀測點進行跟蹤。主要步驟中，前3個步驟與無反饋跟蹤模式相同，后續(xù)步驟為：

5) 依據(jù)觀測點運行點跡跟蹤程序，生成航跡估計結(jié)果。

6) 判斷該航跡估計結(jié)果使用的觀測是否是通過反饋生成的。如果是，則輸出航跡估計結(jié)果；如果否，則執(zhí)行下一步。

7) 根據(jù)航跡估計結(jié)果計算新的閾值，跳轉(zhuǎn)至步驟2。

在跟蹤算法中，針對檢測虛警點多的問題，進一步可采用隨機參數(shù)矩陣來描述可能的多種運動物理規(guī)律，構(gòu)建隨機參數(shù)矩陣多模型動態(tài)系統(tǒng)，描述目標運動和模型參數(shù)的不確定性，克服傳統(tǒng)卡爾曼框架的局限性。圖10為我們基于仿真數(shù)據(jù)在傳統(tǒng)檢測跟蹤模式和反饋跟蹤模式下給出的測距誤差和跟蹤誤差對比，其中(a)分別是傳統(tǒng)模式和反饋模式下的檢測距離誤差，(b)分別是傳統(tǒng)模式和反饋模式下的跟蹤距離誤差。經(jīng)仿真驗證，反饋跟蹤模式比無反饋跟蹤模式的檢測距離誤差降低了35%以上，跟蹤距離誤差降低了20%以上。

圖10 無反饋跟蹤模式和反饋跟蹤模式距離誤差對比Fig.10 The comparison of distance error between the nonfeedback and feedback tracking mode

4 返回艙黑障區(qū)認知探測技術(shù)

基于不同波形對目標、等離子體鞘套和尾流的探測性能差異，我們設(shè)計了航天返回艙目標黑障區(qū)認知探測流程，如圖11所示，通過對航天返回艙目標特性、回波特征、環(huán)境特征實時認知和測距、測速、跟蹤誤差等性能的估計，乒乓迭代實時生成下一時刻的優(yōu)化波形及對應(yīng)檢測跟蹤算法，實現(xiàn)對航天返回艙目標自適應(yīng)探測波形和處理優(yōu)化設(shè)計。

圖11 返回艙黑障區(qū)認知探測流程Fig.11 Flow of cognitive detection of reentry capsules in blackout

為了驗證黑障區(qū)認知探測方法的效能，我們設(shè)計了實驗室環(huán)境下返回艙目標信號級波形/處理/調(diào)度自主尋優(yōu)實時閉環(huán)驗證系統(tǒng)，采用線饋方式將模擬雷達功能的組件和目標模擬系統(tǒng)在射頻端連接起來形成閉環(huán)。通過對航天返回艙目標再入場景的實時波形處理優(yōu)化模擬，比較基于圖像的檢測方法和自適應(yīng)波形認知探測方法的探測性能，結(jié)果如圖12所示。由于傳統(tǒng)方法的檢測概率只有27%，無法形成連續(xù)跟蹤軌跡，測量誤差在圖中無法顯示，因此圖中只有基于圖像和認知探測方法的探測性能對比?？梢钥闯?，基于圖像的檢測方法和認知探測方法均可實現(xiàn)黑障段的跟蹤，尤其是認知探測可將黑障段的測量和跟蹤誤差降低一個數(shù)量級以上，測距誤差降低至10 m量級。具體結(jié)果如表1所示。

表1 三種方法黑障區(qū)探測性能統(tǒng)計Tab.1 The performance statistics of detection in blackout for three methods

圖12 基于圖像的檢測方法和自適應(yīng)波形認知探測方法的探測性能對比Fig.12 Detection performance comparison between detection method based on image feature and adaptive waveform cognition detection method

5 應(yīng)用及總結(jié)

本文提出的黑障區(qū)雷達探測的模擬仿真方法和航天返回艙黑障區(qū)認知探測技術(shù)從2020年“嫦娥五號”返回艙探測任務(wù)開始初步應(yīng)用，并歷經(jīng)多次載人飛船返回艙探測任務(wù)不斷迭代優(yōu)化，目前已成功應(yīng)用于多頻段雷達裝備中，大幅提升了雷達對返回艙黑障區(qū)的探測精度和跟蹤穩(wěn)定性，圓滿完成“神舟十二號”至“神舟十五號”返回艙探測任務(wù)。其中以某型雷達探測“神舟十三號”為例，采用上述方法后黑障段目標高精度檢測概率從36.9%提升至90.6%，與航跡擬合后對比，距離測量隨機誤差為11.19 m。

探測任務(wù)的成功標志著目前雷達已基本解決了返回艙黑障區(qū)探測問題。但隨著我國空間站常態(tài)化乘組輪換和未來載人登月規(guī)劃推進，載人飛船任務(wù)將保持高密度狀態(tài)，本文提出的方法可繼續(xù)為保障返回艙探測做出貢獻，也可為未來新一代返回艙探測提供技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用經(jīng)驗。