空间目标小型相控阵雷达探测技术

郭宇华，夏正欢，张 涛，赵志龙，石慧峰，岳富占，彭 涛

（1. 天地一体化信息技术国家重点实验室； 2. 北京卫星信息工程研究所：北京 100095）

0 引言

越来越多的空间碎片、失效航天器等太空垃圾给高价值卫星的空间安全带来威胁。为此，需要对空间非合作目标进行监视与测量[1]。目前，空间目标探测基本可以分为地基探测和天基探测2 种途径。我国的地基探测站大多分布在国内，探测点和探测空域有限，不能实现对空间目标的全空域、全天时探测。而天基探测则可以摆脱此类限制，实现全空域空间目标的探测与跟踪[2-5]。

天基空间目标探测是利用包括卫星、飞船和空间站等天基平台上的探测设备和探测期间对空间目标进行探测的方法，其中主要的探测设备包括光学望远镜、微波雷达和激光雷达等。光学设备进行探测时对光照条件有一定的要求，此外光学测量只能测角而难以高精度测距的限制增加了其对目标进行定位的难度。天基雷达通常搭载在卫星平台上，其特点是体积大、功耗高。其中激光雷达具有定位精度高、抗干扰能力强的特点，但目前空间大功率激光信号的产生与接收技术还不成熟，仅适合对中近距离空间目标的探测。天基雷达可以搭载于专用的观测卫星或者负责执行其他任务的卫星、飞船和空间站上，也可以采用小卫星组网的方式搭载于多个小卫星上，分布在所期望观测的整个轨道层[6-9]。

目前国际上对空间目标实行天基观测的雷达主要有：美国在国际空间站上搭载的专用空间目标监视雷达；法国空间研究中心研制的小型卫星群搭载的微波雷达；俄罗斯的毫米波相控阵雷达；加拿大的空间目标观测雷达。我国于2000 年开始对天基雷达探测进行研究，并且提出了空间多波束测量雷达的思路，但是目前的雷达探测能力仍十分有限，需要对在轨测量系统进行深入研究[10-11]。

为对高价值航天器邻域空间目标进行全时探测与跟踪，本文提出基于伴随微纳卫星的小型化相控阵雷达技术；分析不同波段雷达对大范围空间目标搜索与精细跟踪的性能，并综合考虑系统复杂度与功耗等因素，最终选择C 波段作为雷达工作频段。下面详细阐述小型化相控阵雷达的系统设计、目标搜索与跟踪的信号处理方法、测距与测角误差分析等。

1 雷达系统设计

1.1 工作波段选择与分析

微纳卫星搭载的相控阵雷达需要同时满足大范围空间目标搜索与精细跟踪等任务需求。根据搜索模式下的雷达方程可知，搜索性能取决于雷达的功率孔径积，图1 给出雷达的功率孔径积为4 W·m2、1.5 s 内搜索距离为25 km、空域覆盖范围为40°×40°时的信噪比（SNR）与RCS（雷达散射截面）关系曲线，可知X、C、S波段雷达的SNR 几乎一致。根据目标跟踪模式下的雷达方程可知，跟踪性能取决于雷达的功率孔径增益积，图2 给出了相同雷达参数下，同时跟踪3 个目标、目标跟踪帧率为10 Hz 的SNR 与RCS 关系曲线，可以看出X 波段与C 波段雷达能基本满足RCS 为0.5 m2以上目标的跟踪SNR 要求（约20 dB）。

图1 大范围搜索模式下的SNR 与RCS 关系曲线Fig. 1 Relationship between SNR and RCS in large-scale search mode

图2 目标跟踪模式下的SNR 与RCS 关系曲线Fig. 2 Relationship between SNR and RCS in target tracking mode

对于相同口径的X 波段与C 波段相控阵天线，X 波段天线阵元数更多；为了满足同样的空域搜索波束扫描能力，X 波段相控阵雷达的TR 组件数更多、结构更为复杂。可见，C 波段的TR 组件数相对较少、损耗较低，更容易满足轻量化、低成本等设计要求。本文综合考虑大范围搜索、目标精细跟踪、系统复杂度与成本等因素，最终选择C 波段作为微纳卫星小型化相控阵雷达的工作波段。

1.2 雷达系统设计

本文提出的基于微纳卫星的小型相控阵雷达组成如图3 所示，主要包括C 波段相控阵天线与电子学系统两部分。C 波段相控阵天线包括100 个天线阵元与25 个TR 组件，每个TR 组件给2×2 的天线子阵进行馈电，每个TR 组件的发射信号峰值功率为10 W，信号占空比小于10%。相控阵天线可扫描覆盖40°×40°空域范围，实现大范围空间的目标搜索。电子学系统主要包括信号发射器、中频接收机、射频电路、时钟管理器、现场可编程门阵列（FPGA）与信号处理器等，其中，FPGA 主要完成系统的信号产生、回波接收、回波数据存储等时序控制，信号处理器主要完成空间目标的检测与参数估计等。相控阵雷达的主要参数如表1 所示。

图3 相控阵雷达系统组成Fig. 3 The phased array radar system

表1 相控阵雷达主要参数Table 1 Main parameters of the phased array radar

1.3 雷达工作模式

该相控阵雷达通过电扫描方式实现大范围的空间目标搜索探测，根据天线波束宽度与搜索空域可知，相控阵天线在方位向与俯仰向分别扫描6 个波束；由于总搜索时间为1 s，则每个波束的驻留时间约为27.8 ms，如图4 所示。搜索到目标后，调整波束对目标进行长时间跟踪。为了满足10 Hz 的跟踪帧频率需求，相比搜索模式下，相干积累时间为100 ms 时SNR 将提升5.5 dB。对于多个目标，为了保证SNR 要求，需要适当降低每个目标的跟踪帧频率，例如，若对3 个目标同时进行跟踪，每个目标的跟踪帧频率约为3.3 Hz。此外，为了尽量缩小探测盲区，并降低信号之间的相互干扰，采用小时间带宽积与时间带宽积的时频正交收发工作模式，其时序如图5 所示。

图4 目标搜索模式Fig. 4 Target search mode

图5 目标搜索模式时序Fig. 5 Time sequence of the target search

2 信号处理流程

对高价值航天器邻域空间目标进行全时探测与跟踪，需要采取的步骤包括目标检测、目标测量与目标跟踪，流程如图6 所示。在进行目标检测时，首先进行测距分析，对目标回波进行距离向压缩处理以及方位向FFT，然后进行恒虚警（CFAR）检测。在进行目标方位测量时，首先进行波束扫描，再进行和差波束处理以及和差比幅度查找表查找，最终确定目标的位置。目标确定后开始进行目标跟踪，即进行下一时间目标检测（距离向压缩、方位向FFT 和CFAR 检测）以及目标轨迹关联处理。

图6 信号处理流程Fig. 6 The signal processing flowchart

3 实验仿真

对C 波段雷达测距、测角误差进行实验仿真分析，包括测距精度分析和测角精度分析。假设卫星和目标的几何关系如图7 所示，设卫星的坐标为(104, 0, 0)，目标相对于卫星的位置为(1.5×104,1.8×104, 1.5×104)、相对飞行速度为2 m/s。

图7 卫星与目标的几何关系示意Fig. 7 The geometric relationship between the satellite and the target

3.1 测距精度

首先利用MATLAB 软件对近距离（70～1000 m）目标探测进行仿真实验，仿真参数见表2 所示。当目标与雷达相对距离为100 m 时，对接收到的原始回波（图8(a)）进行距离向压缩处理，结果如图8(b)所示，从图中横坐标可以看出目标与卫星的距离；然后进行方位向FFT，结果如图9 所示。从点目标的距离与方位切片（图10）可以看出，SNR 可以达到15 dB 以上。对目标进行500 次试验，得到的测距均方根误差都小于0.3 m，达到指标要求，如图11 所示。

图8 距离向压缩处理Fig. 8 Range compressed data

图9 方位向FFT 结果Fig. 9 FFT result in the azimuth

图10 近距离目标点的距离和方位切片Fig. 10 Range and azimuth profiles of close range target

图11 近距离目标测距的均方根误差Fig. 11 RMS error of ranging of close range target

表2 近距离目标探测仿真试验参数Table 2 Simulation parameters for close-range target detection

接着对远距离（20～30 km）目标进行测距精度仿真实验。以探测目标距离23 km 为例，对目标回波进行方位向FFT，结果如图12 所示。从点目标的距离与方位切片（图13）可以看出，SNR 可以达到10 dB 以上。对目标进行500 次试验，得到的测距均方根误差都小于0.4 m，达到指标要求，如图14所示。

图12 方位向FFT 结果Fig. 12 FFT result in the azimuth

图13 远距离目标点的距离和方位切片Fig. 13 Range and azimuth profiles of distant target

图14 远距离目标测距的均方根误差Fig. 14 RMS error of ranging of distant target

3.2 测角精度

当发现目标时，我们需要对测角精度进行分析。以表3 所示的仿真参数对测角精度进行仿真分析。

表3 测角精度仿真参数Table 3 Simulation parameters of angle measurement

假设扫描波束方向如图15 所示，波束宽度4.3°，扫描间隔4°，共15 个波束，覆盖60°范围。

图15 扫描波束方向Fig. 15 Scanning wave number pattern

假定各波束的方向性函数完全相同，设为F(θ)，相邻两波束接收到的信号电压振幅为E1、E2，则其和信号的振幅为E∑=|E1+E2|，差信号的振幅为EΔ=|E1-E2|。经计算可以得到各个波束的差和比，图16 给出部分相邻波束的差和比。由图可见，差和比在相应区间内为近似线性的单调函数。

图16 部分相邻波束的差和比Fig. 16 Difference and ratio of part of the adjacent wave numbers

利用上述波束方向图和表3 所示的仿真参数，对距离为15 km，方位角分别为-27°、-15°、0°、13°和25°的5 个点目标进行500 次重复测角仿真，5 个目标的距离压缩信号如图17 所示。

图17 5 个目标的距离压缩信号Fig. 17 Range compression signal of five targets

5 个目标的测角仿真分析结果如表4 所示，均方根误差都＜0.031°。

表4 5 个目标的测角仿真分析结果Table 4 Simulation analysis results of angle measurement for five targets单位：(°)

4 结束语

本文针对空间目标的探测应用需求，提出基于伴随微纳卫星的小型化相控阵雷达探测与测量技术，分析不同波段雷达对大范围空域目标搜索与测量跟踪的性能，综合考虑系统复杂度与功耗等因素后选用C 波段雷达进行目标探测，并详细阐述小型化相控阵雷达系统设计、远近目标分时探测收发时序、目标搜索与测量的信号处理方法。仿真分析证明，该小型化相控阵雷达能对25 km 范围内的40°×40°的三维空间目标进行搜索与测量，实现0.4 m的测距精度与0.03°的测角精度，可以满足空间目标大范围搜索与跟踪应用需求，为地基探测手段提供补充。