远程毫米波高分辨雷达系统关键问题研究*

王洋，张宇，刘丹，金胜

(1.北京跟踪与通信技术研究所,北京 100094；2.北京无线电研究所,北京 100854)

0 引言

随着我国对空间小目标探测与精细化分辨识别需求的快速增长，雷达作为重要传感器，具有全天时、全天候的特点，在空间目标探测与识别中占有重要地位。为了提升对空间小目标的高精度测量能力，进一步丰富小目标探测、精细化分辨、高精度测量等方面的手段与技术，因此开展远程毫米波高分辨雷达系统总体设计十分必要。本文分析了毫米波雷达研究的必要性，结合毫米波的特点，提出了制约我国毫米波雷达系统发展的关键技术问题，并给出了解决思路。

1 毫米波雷达特点及国外发展趋势

1.1 毫米波雷达特点

(1) 极宽的频段

通常认为毫米波频率范围为26.5～300 GHz，频段宽高达273.5 GHz。目前绝大多数的应用研究集中在几个“窗口”频率,包括35,45,94,140,220 GHz 和3个吸收峰(60,120,200 GHz)频率。按频宽占中心频率10%计算,对于中心频率为94 GHz的毫米波雷达，频宽可达9.4 GHz，比中心频率为10 GHz 的微波雷达对应1 GHz的频宽约高一个数量级。频带加宽将减少雷达的同频异步干扰，使毫米波雷达具有较强的电磁兼容性，利于采用频率捷变，分选和扩频等抗干扰措施，从而提高抗干扰能力。另外，用于目标成像处理时的成像分辨率也将成量级地提高，支持目标分辨和识别[1-5]。

(2) 波长短，波束窄，分辨力高

由于毫米波波长短，可用特殊的高增益天线聚成方向性极强、能量极高的毫米波窄波束，毫米波雷达的天线波束宽度可做到0.1°以下，约比微波雷达窄2～20倍。雷达天线的波束宽度θ与工作波长λ和天线口径D的比值成正比，即波长越短，同样天线孔径条件下天线波束越小。波束窄的毫米波雷达能有效抵抗地面杂波干扰和多路径干扰，并具有很高的角分辨率，这些正是微波雷达难以实现的性能参数。此外，波长短的特性还可以有效提高天线增益，增强信号功率和对抗能力，获得更多敌方目标的特征信息。同时毫米波频率高带宽大，能够获得极高的距离和方位分辨率[6-9]，图1是对3 m×3 m的空间目标进行ISAR(inverse synthetic aperture radar)成像的仿真结果，模型中，散射点的距离为10 cm，可以看出，X波段1 GHz带宽的信号无法将相邻散射点区分开，而Ka波段4 GHz带宽则能够实现相邻散射点的高分辨。说明雷达工作频率越高，发射信号带宽越大，对目标的成像分辨率就越高，成像结果就能够具有较高的细节辨识能力。

图1 不同频段和带宽对空间目标成像的仿真结果

(3) 与激光、红外相比，毫米波的传播受气候的影响要小得多，毫米波雷达具有准全天候工作能力

对频段位于前述几个大气窗口的毫米波，大气吸收和散射损耗均较低。在雨、雾、烟尘和大气悬浮微粒中的衰减主要是散射和吸收(其中雾的功率损耗与湿度成正比并与温度有关)，而其损耗均比中波和长波红外(1.54，2～5，10.6 μm)低一个数量级以上。在晴天，氧和水蒸汽中的吸收衰减与红外波段接近。

图2给出了Ku,Ka,W 3个波段在晴朗天气下的5°仰角进行空间探测时的大气传输衰减随距离的关系曲线，Ku波段约2.2 dB，Ka波段约5.0 dB，W波段约18.3 dB。在毫米波段，相同条件下Ka波段的衰减远小于W波段，基于现阶段的器件水平，在Ka波段实施空间目标探测较为可行。图3给出了Ka波段不同仰角进行空间探测的大气衰减，随着仰角的增大，总衰减量减小，5°以下仰角探测衰减较大，建议探测起始仰角设置在5°以上。

图2 5°仰角下不同频段大气衰减

图3 Ka波段不同仰角大气衰减

(4) 有利于开展小目标探测

对小尺寸目标的RCS(radar cross section)测量，毫米波雷达更加具有优势。图4为理想导电球的RCS随球周长与波长比值的趋势，x轴为球周长与波长的比值，y轴为归一化后的RCS。从图中可以看出，对于小尺寸目标，采用波长短的频段，回波信号起伏更小。对直径1 cm以上的碎片，X频段回波信号有大于10 dB的起伏，而在Ka频段，RCS起伏小于3.5 dB；同时X频段易产生盲径，RCS测量时产生对应的测量误差。从图1仿真结果也可以看出，对太阳能帆板上铆钉等小散射点成像结果看，毫米波幅度起伏影响小，分辨力高，散射点孤立，容易分离。

图4 直径0.2～5 cm金属球在不同频段的RCS值

如果散射体表面存在一定的颗粒粗糙度，会影响散射回波的强度和极化特性。根据电磁散射理论，在满足Kirchhoff近似条件下，粗糙面上任意一点处的表面场可以用该点的切面场来近似。Kirchhoff近似是指随机粗糙表面的任意一点的曲率半径大于入射波长和粗糙面的相关长度，数学上可以表达为

kl>6.28,l2>2.76σλ,

式中:k和λ分别为电磁波的波数和波长;σ和l分别为粗糙面的均方根高度和相关长度。

图5给出了频率与表面粗糙度对后向散射特性的影响曲线，图中阴影区为满足Kirchhoff近似的条件区域，可以看出工作频段越高，实现Kirchhoff散射所需的表面粗糙度要求越小，即在较小的粗糙度条件下即可实现较强的后向散射测量。

图5 目标散射特性计算曲线

综合上述分析，毫米波雷达具有高天线增益、高分辨力、宽工作频带、高多普勒响应灵敏度、短波长特点，易获得目标细节特征和清晰轮廓成像等特点，适于目标分类和识别的重要要求。可以通过毫米波雷达的高分辨力能力对空间目标进行一维像处理，其数据可以被用来进行快速目标的识别。毫米波雷达波长短，具有很好的ISAR特性功能，能够对空间目标进行二维像的处理，通过二维像可完成目标识别功能。

1.2 毫米波雷达国外发展情况

近年来美国、俄罗斯、西欧，日本等国家大力发展毫米波雷达。早在1983年,美国就研制成功第1套Ka频段和W频段双频段毫米波雷达，装备于夸加林岛，主要用于支持BMD(ballistic missile defense)计划：在毫米频段收集再入飞行器(reentry vehicle,RV)的宽带特征数据，量化毫米波探导器对拦截器的性能，同时也用于空间目标监视和编目。受技术水平的限制，最初的作用距离仅600 km，后不断经历升级改造，在最近的一次升级改造中，作用距离达到3 000 km以上，增加了4 GHz带宽能力(33.0～37.0 GHz)，距离分辨率达到0.06 m。目前正在进行5 GHz带宽的能力升级。

随着毫米波雷达技术的成熟，美国又研制了多套单脉冲远程毫米波雷达。2001年11月，在美国海军研究实验室(naval research laboratory,NRL)主导下，历时6年研制成功了可车载运输的单脉冲体制W频段雷达，作用距离1 000 km以上，命名为WARLOC雷达(图6b))。WARLOC目前正服役于海军研究实验室切萨皮克湾特遣队(NRL/CBD)，其主要用途为目标识别和成像、低仰角跟踪，大气研究。

2004年，美国启动了Haystack远距离成像雷达(LRIR)(图6c))的升级工作，2010年雷达系统正在安装，已经于2011年底完成升级工作。LRIR原建于1978年，工作于X频段，天线口径36.6 m。升级后雷达可同时工作于X频段和W频段，主要用于跟踪太空飞行物(卫星、飞弹以及太空碎片等)及其成像。

俄罗斯20世纪90年代研制了大型毫米波无源相控阵RUZA雷达(图6d))，安装在哈萨克斯坦的“萨雷-沙甘”试验靶场，苏联解体后被拆除。由于RUZA雷达的馈线功率传输损耗大和耐功率受限，很难进一步提高雷达能力，因此，俄罗斯在全球空间目标监视毫米波雷达系统开始采用有源相控阵体制。该雷达共有594个子阵收发模块，每个子阵收发模块有2个发射功率为20 kW速调管，因此总辐射功率达到17 MW。天线采用小抛物面形式的辐射单元组成的八角形阵列，波束宽度为0.066°，可进行约0.9°的电扫，从而提高了目标捕获及观察多目标的能力。表1给出了国外相关毫米波雷达的基本指标参数。

表1 美国和俄罗斯主要毫米波雷达性能参数

从国外空间监视雷达的现状和发展趋势，可以发现：美国等发达国家用于空间目标监视、识别的骨干雷达设备均开始有向更高频段、更远距离发展的趋势，以获得更高的测量精度、超分辨的宽带分辨率，实现对更小尺寸目标的探测和精细识别。

2 我国远程毫米波雷达系统设计关键技术

随着我国对太空目标探测的不断深入，对远距离、小尺寸目标的探测需求亟待增强，现有以X频段及其以下频段为主的测量雷达系统已经不能满足中高轨目标及厘米级空间碎片的探测需求，需要开展更高频段、分辨能力更精细、探测精度更高的雷达系统建设。因此，需要开展毫米波频段雷达系统总体设计，使雷达具有远距离、大功率、高增益、大带宽、高精度等能力，这也给整个毫米波雷达系统的设计研制带来一系列关键技术的挑战。本文通过对国内毫米波雷达器件的基础和能力着手分析，分别从雷达体制、发射、接收、数据处理等关键技术进行分析研究，给出适合于我国现阶段发展的毫米波雷达系统总体设计技术解决途径。

2.1 雷达体制

大型毫米波雷达系统主要有2种体制：单脉冲机械跟踪体制和相控阵体制。单脉冲体制雷达研制的技术难点在于：低损耗、耐高功率的毫米波波导传输系统，耐高功率的准光学双工器，高增益低副瓣的精密天线系统等关键技术。缺点是天线波束窄、目标捕获困难。相控阵体制雷达可以有效解决功率孔径积和大功率传输线之间的矛盾，较好地解决了引导捕获和多目标处理问题，但成本高。该类型雷达研制的技术难点在于：高稳定、宽带、小型化微波源技术，毫米波微波传输技术，低损耗耐高功率的微波器件等关键技术。目前，对于单脉冲体制，国内在大功率发射技术、低损耗传输技术上已相对成熟，而相控阵体制，国内在小型高功率大带宽固态收发模块技术还不够成熟，而且在降低传输损耗等方面还有待进一步深化研究[10-11]。因此，从国内的器件及技术发展水平上，采用单脉冲体制的远程毫米波雷达系统是较成熟的。

图6 国外毫米波雷达

2.2 关键技术

2.2.1 宽带大功率毫米波器件技术

(1) 高功率大带宽发射技术

发射机的功率和带宽能力是决定雷达能力的关键指标之一，其中微波电真空管放大器又是大功率毫米波发射机的核心器件，在远程毫米波雷达中，目前可以采用行波管或回旋行波管作为发射机末级放大器，其中，美国毫米波雷达以行波管放大器为主，例如夸加林MMW雷达采用的VTA-5700系列行波管，经过不断升级改进，最新的VTA-5700C行波管峰值功率提高到目前的30 kW，带宽达到4GHz，工作比达到20%，并且实现双管功率合成。在大功率宽带毫米波行波管方面，国内目前还很难达到美国水平，不具备工程化应用能力。

毫米波回旋行波管是我国在该领域实现突破的切入口，作为一种新型毫米波辐射源，近年来受到很大重视。回旋行波管能够在毫米波、亚毫米波频段产生高峰值功率、高平均功率和宽频带(5%～20%)，是国内目前最有应用潜力的大功率毫米波源[12-14]。目前，通过多管合成的方式可实现美国MMW雷达的性能指标，可满足远程毫米波雷达宽带大功率发射的需求。

(2) 低噪声超导接收技术

在雷达接收机设计中，常规做法是：为了提高接收机的抗干扰性，通常将预选滤波器置于低噪声放大器前面，但常规预选滤波器的插损会恶化接收机的噪声性能，降低了接收机工作灵敏度，影响雷达威力；若将预选滤波器置于低噪放后面，虽然噪声性能得以保障，但强干扰信号可直接导致第1级低噪声放大器饱和阻塞，接收机的抗干扰性能无法保障。

采用超导接收前端则可以很好地解决这一矛盾。超导接收前端如图7所示，该技术以超导滤波器和低温放大器等超导/低温电子器件为核心，以小型制冷机、真空杜瓦为支撑的接收机前端技术。超导接收前端的优势包括:①极低的噪声系数：由于超导器件无损耗，且放大器在超导低温环境下噪声大大降低，因此整个接收机噪声系数与常温相比能降低1～3 dB；②极高的带外抑制特性：由于超导滤波器近乎理想的滤波特性，其矩形系数可达1.1以下，带外抑制可达90 dB以上。

图7 超导接收机的原理框图

2.2.2 毫米波大气传播影响补偿技术

(1) 大气折射效应

电波的折射是由于地球大气层折射指数在空间(主要随高度)变化造成无线电波在大气层传播速度发生变化而产生的一种效应，由于折射使传播射线弯曲，雷达测得的是目标的视在仰角、视在距离、视在高度，而不是目标的真实仰角、真实距离、真实高度。根据雷达的功能用途及特点，主要需要对下列因素进行修正：①雷达测量仰角的修正；②雷达测量高度的修正；③雷达测量斜距的修正。

(2) 大气衰减效应

雷达电波传播损耗包括扩散损耗与衰减，电波在自由空间传播只有扩散损耗，但在大气中和地(海)面上传播时除有扩散损耗外，还有传播环境造成的衰减。扩散损耗只和传播距离(即雷达探测距离)有关；衰减则包括吸收、散射、干涉与绕射、云雨雾等多种衰减，它们和环境参数、电波频率、电波极化、雷达天线与目标的高度、传播距离等因素有关。

对于空间目标监视雷达，需要精确探测目标RCS。对于毫米波雷达而言，大气衰减较为严重，且频率越高衰减越大，在低仰角探测时(5°仰角)，标准大气衰减达到了5 dB以上，在云、雾、阴天衰减将会更大。且当雷达探测仰角不同时，大气衰减也变化较大，为了获取精确目标RCS，在雷达探测时，需要精确估计出大气衰减并予以修正补偿。

另外,降雨衰减是影响毫米波雷达威力的最主要的因素之一。雷达探测仰角越低,降雨越大，降雨引起的衰减越大，暴雨时可引起高达数十dB的信号衰减，这将大大降低雷达的探测距离和性能。同时，雷达观测路径上的降雨衰减还会降低雷达的探测精度。因此,需要对降雨衰减及其引起的雷达探测精度的影响予以预警和评估，以保障降雨时期雷达的精确探测。

(3) 传播影响补偿技术

雷达电波信号穿过对流层和电离层高度区域，获取雷达探测区域对流层和电离层大气特性参数是关键。通常情况下可以利用雷达站当地或附近地区多年历史数据，再结合大气环境参数测量系统实际测得的地面气压、气温和湿度等环境参量，构建折射率模型。

通过微波辐射计和外围检测数据，实时测量传播路径上的宇宙亮温，反演获取对流层折射率剖面，计算对流层折射误差、大气衰减、雨衰减；基于地基单站GNSS(global navigation satellite system)信号和外围检测数据，实时计算电离层总电子含量TEC(total electron content)，并反演电离层电子密度剖面计算电离层折射误差。通过误差计算，形成方位-俯仰-距离三维网格化的补偿参数，对雷达测量数据进行修正。

2.2.3 雷达标校技术

常规精密测量雷达的标校一般会采用地面标校塔或标校架标校。但对于大型雷达来说，雷达带宽宽,天线口径大，波束宽度非常窄，利用传统的标校塔标校遇到以下困难：①为了获得更准确的标定结果，通常希望标校设备架设在雷达天线的远场。符合本雷达远场条件的距离达到30 km，而且需要建设至少高80 m的标校塔且保持通视，对靶场保障建设提出了特殊的要求。②多径效应比较明显，由于天线在低仰角进行标校，标校信号在转发机和测量天线之间易受到干扰。③大带宽与长延时对精度保证的困难，毫米波段雷达瞬时带宽超过3 GHz，同时为了达到大威力，最大脉冲宽度达到毫秒级，最大脉宽对应的探测距离盲区达到上百千米，地面上无法使用无源标校装置。为了避开探测盲区，标校源的延迟转发时间也需要达到毫秒级[15-16]。同时，系统要求很好的带内平坦度、相位线性度和幅相稳定性。因此，在地面不论是采用光纤延时转发还是采用数字储频转发的方式，实现难度都很大，因此需要研究更易实现、易操作的雷达参数标定方法。

(1) 射电星标定

利用射电星体进行角度标校的原理是：以经过天文测量已精确测定位置的射电星体为基准，对电轴进行精确标校。角度标校工作分为2步：第1步是利用射电星进行角度零值标定；第2步是利用射电星对轴系误差修正系数进行精确标定。由于射电星数量较多，每一颗星运行范围比较大，通过合理选取不同的星座及同一星座不同时刻的位置，使得射电星(信号源)均匀分布在天球上，可以确保对天线角度及轴系误差进行精确标校。射电星可以选择太阳、月亮以及一些亮度较大的恒星。图8给出了太阳和仙后座辐射流量密度随频率变化的曲线。

图8 太阳和仙后座流量密度随频率变化曲线

(2) 卫星标定

利用卫星进行雷达参数标定的思路是：雷达跟踪测量特定的卫星目标，获取测量数据；同时获取该卫星对应于雷达测量弧段的精密轨道数据，将雷达测量数据与卫星精密轨道数据进行比对，利用最优化方法解算雷达误差系数，达到校准设备的目的。

3 结束语

毫米波雷达具有宽工作频带、高多普勒响应灵敏度、短波长特点，成像能力强，更易获得目标细节特征和清晰轮廓信息，可以弥补现有我国空间目标监视系统宽带成像能力的不足。研制和发展大型毫米波雷达是满足我国空间目标精细化探测和先进雷达技术发展的必然趋势。本文通过分析毫米波雷达特点及国外毫米波雷达发展情况，针对我国空间目标探测需求，梳理分析了制约雷达系统设计的关键技术，提出了技术解决途径。