星载微波跟瞄雷达系统设计特点

2013-04-20李雁斌

制导与引信 2013年4期

李雁斌，张敏

（上海无线电设备研究所，上海200090）

0 概述

星载微波跟瞄雷达技术经过近四十年的发展已经相当成熟，先后被美国、俄罗斯、欧空局应用在空间飞行器交会对接、深空探测以及军事用途中。对空间目标探测时，微波雷达安装在“追踪飞行器”上，可在指定空域内对“目标飞行器”进行搜索和跟踪，实时为“追踪飞行器”提供“目标飞行器”的测量信息，包括相对距离、相对速度、方位角、俯仰角以及角速度信息。

根据这些信息，“追踪航天器”在空间轨道上可实现与“目标航天器”的接近、对接或者绕飞。“追踪飞行器”可以是航天飞机、小型卫星以及空间飞行器等。

星载微波跟瞄雷达设计不仅要满足雷达探测性能指标要求，还要满足总体对雷达功耗、质量、体积的严格要求。同时，由于星载微波跟瞄雷达工作在外太空环境下，面对冷热交替、真空以及辐射环境，需要进行专门的热设计、力学环境设计、电磁兼容设计、防静电设计和抗辐照加固设计，以保证星载微波跟瞄雷达的可靠性［1］。

根据国内微波雷达发展水平和用户总体要求，对照国外星载微波雷达的发展状况，本文提出了星载微波跟瞄雷达系统设计的总体方案，重点分析了工作体制、工作模式和信号设计等内容，并对雷达的探测性能和指标进行了分析和验证。

1 系统方案设计

1.1 雷达体制

星载微波跟瞄雷达信号体制上一般采用连续波或者脉冲信号，天线采用机械扫描或者电扫描方式。连续波雷达优点是峰值功率要求低，但要求收发天线分置，测距要求信号采用调频或者调相方式；而脉冲雷达收发天线可以共用，并可采用简单脉冲测距。

电扫描方式具有无惯性快速扫描的优点，但相控设备复杂、接收前端的T／R 组件数量多；国外星载微波跟瞄雷达大多数采用机械扫描方式，优点是结构简单、技术成熟，缺点是需要采用伺服系统，扫描速度不及电扫描方式［2］。

综合考虑雷达系统的可靠性、质量、功耗和体积因素，建议星载微波跟瞄雷达采用技术成熟的机械扫描方式，信号采用脉冲体制。测距采用脉冲压缩法，兼顾作用距离与测距精度；测速采用脉冲多普勒雷达体制，可进行全相参积累有效提高检测前信噪比。测角采用比幅单脉冲方式，可避免回波脉冲间起伏对跟踪精度的影响。

（1）测距工作体制

星载微波跟瞄雷达的测距工作体制主要有调频法测距、脉冲法测距和脉冲压缩法测距。

对于非合作目标，星载微波跟瞄雷达的接收功率与距离R4成反比，为了获得较远的作用距离以及较高的距离分辨率和测距精度，可以选择脉冲压缩法测距，同时设计不同的测距工作模式，完成远、中、近距离的目标探测和跟踪，并有效降低雷达功耗。

例如，在远距工作模式下，微波雷达在发射时采用较大的脉冲宽度，以解决对小RCS目标的远距探测问题，并降低对发射机和馈线承受高峰值功率的要求，便于工程实现。在近距模式下，采用较小的脉冲宽度，减小收发隔离引起的盲区范围。在接收时，微波雷达通过脉冲压缩将宽脉冲压缩成窄脉冲，以满足雷达测距精度要求。

（2）测速工作体制

星载微波跟瞄雷达一般采用相参积累多普勒测速工作体制，通过测量回波信号与发射信号间的多普勒频率实现对微波雷达目标相对运动速度的直接精密测量。由于多个脉冲回波信号之间具有很好的相参特性，可以通过脉冲间相参积累实现对目标运动速度的高精度测量，同时还可以改善检测信噪比，获得更远的作用距离，并具有良好的抗干扰能力。

（3）测角工作体制

星载微波跟瞄雷达采用单脉冲天线测角，由于天线波束宽度窄，空域滤波性能好，可大大减少从主波束进入的多径信号，有利于提高航天器近距离交会测量过程中抗体目标多径反射的能力，保证微波雷达近距离测距、测角精度。

角闪烁引起的跟踪误差是单脉冲测角误差的主要来源，它和目标的距离成反比，对近距离跟踪的影响尤为严重。卫星在太空轨道的姿态调整对近距离角度跟踪精度要求较高，建议采用频率捷变体制来抑制角闪烁引起的角度跟踪误差［3］。

1.2 工作频率

工作频率的选择与雷达的功能有关。星载微波跟瞄雷达用于太空目标的搜索和跟踪，为降低系统的质量、体制和功耗，应首先选择较高的工作频率，如X 波段、Ku波段以及毫米波波段。考虑国内Ku波段微波器件、组件的引进、开发、设计较成熟，如低噪声放大器（LNA）、功率放大、接收模块等系列比较齐全，能够提供满足宇航级要求的产品，对比其他频段器件的发展水平，建议星载微波跟瞄雷达工作频率优先选择Ku波段。

1.3 工作模式

星载微波跟瞄雷达的工作模式主要包括搜索模式和跟踪模式。搜索模式用于捕获目标，跟踪模式用于目标跟踪和目标参数估计。

（1）搜索模式

对于太空目标，按照目标检测方式可分为常规检测、恒虚警检测、预定检测和积累检测等搜索模式。

常规检测即单脉冲搜索模式，用于搜索近距离目标，和通道的脉冲回波信号经混频、正交化、低通滤波、A／D 变换以后与门限比较，当超过门限若干次后（由发现概率、虚警概率决定）可确认为目标，转入跟踪模式。

由于雷达回波信号往往伴随着噪声、杂波和干扰，固定门限的检测系统难以获得恒定的虚警概率，基于自适应门限的恒虚警检测，尤其是距离-频率二维恒虚警检测技术在星载微波跟瞄雷达中得到了广泛应用。恒虚警检测主要通过直接计算参考单元的平均功率作为杂波背景的均值估计，再乘以门限因子作为检测门限，控制虚警概率。

与常规雷达检测方法不同，星载微波跟瞄雷达通常采用预定检测，根据星上计算机预先提供的目标角度、距离和速度的装订数据，在相应的空域、时域和频域内快速、有效地检测目标。

信号积累检测有两种基本方法：相参积累和非相参积累。相参积累在中频实现，N 个等幅中频脉冲信号同相累加，输出幅度增加N 倍，功率增大N2倍，而N 各独立同分布随机噪声脉冲相加后的噪声功率增加N 倍，故相参积累使信噪比改善N 倍。

相参积累也可以在零中频复包络实现。非相参积累在包络检波后实施。由于检波器的非线性处理使信号与噪声混杂在仪器中，故非相参积累的信噪比改善要差些。

（2）跟踪模式

在跟踪模式下，系统同时要处理和、差三个通道的回波信号。跟踪时采用频率捷变方式来提高测角精度，可同时在距离和角度上进行跟踪。

卫星控制系统对雷达发出工作指令，雷达根据指令进行全域搜索或预订区域搜索。搜索时先进行角度搜索，发现目标后进行角度捕获和距离捕获，目标确认后，雷达进入跟踪模式，进行角跟踪和距离跟踪，可进行跟踪过滤波，按照数据率要求提供距离、角度、速度和角速度信息。如果出现目标丢失，微波雷达将保持目标丢失时刻的天线波束指向，在保持时间内，若目标重新出现，微波雷达会立即锁定目标并重新进入跟踪状态；否则，微波雷达将以目标丢失时刻的天线波束指向角度为中心，启动角度搜索功能［4］。

2 信号参数设计

星载微波跟瞄雷达在探测近距离目标时，一般采用短脉冲提高测距分辨力和精度，采用高脉冲重复频率提高占空比；探测远距离目标时，采用长脉冲提高单个脉冲的信噪比，采用低脉冲重复频率避免距离模糊。

根据这一原理，方案中对星载微波跟瞄雷达整个探测距离进行分段，各段距离采用不同的信号参数来优化探测性能，分为近距离、中距离、远距离测距。为保证不丢失目标，根据目标的运动速度和区段搜索时间来确定各距离范围的重叠区域。近距离信噪比高，目标距离近，搜索时间要求短，可以采用单脉冲进行搜索和跟踪；中、远距离为提高信噪比，采用相参积累和非相参积累的混合方式进行搜索和跟踪［5］。

2.1 脉冲宽度

假设雷达探测范围为（100～15 000）m，探测远距离目标时，脉冲宽度由最大探测距离决定，脉宽取20μs。当输入信噪比较低的情况下，为了正确检测目标，可采用相参积累技术以提高信噪比。

在发射机开机期间，为了保护接收通道，必须将接收通道关闭。由于远距模式的发射脉冲宽度较宽，因此由接收通道关闭引起的作用距离盲区较大。为了解决检测盲区问题，必须进行模式切换，将发射信号的脉冲宽度减小。

探测近距离目标时，脉冲宽度由最小探测距离决定，还需考虑收发开关时间延迟对遮蔽距离的影响，但是减小后的发射脉冲宽度必须保证微波的最大作用距离。

2.2 脉冲重复频率

假设根据目标测速的范围要求，最大多普勒频率为fdmax＝5kHz。最小脉冲重复频率至少是其两倍，即frmin＝10kHz。考虑有效多普勒单元比例，计算时脉冲重复频率取fr＝12kHz。探测远端目标时，最大探测距离决定最大脉冲重复频率frmax＝8.33kHz。

由frmin和frmax可知，探测远距离目标时会出现距离速度模糊问题，为保证探测距离要求，应采用低脉冲重复频率fr＝8kHz，通过距离滤波来解速度模糊。

2.3 检测信噪比

假设系统要求检测概率Pd＝98%，虚警概率Pfa＝10e-6，由图1可以得出，检测目标信号所需的最小输入信噪比即检测因子D0＝12dB。

图1 雷达系统检测概率、虚警概率与检测信噪比关系图

微波雷达转入跟踪时，为满足精度要求，信噪比可适当提高。

2.4 系统损耗

搜索时采用1.5dB波束覆盖，天线双程增益损失最大为3dB，跟踪时天线增益损失可忽略。搜索和跟踪信号处理损失为1.5dB，恒虚警损失为1.5dB，线缆传输损耗为2dB。

2.5 天线波束宽度

当微波雷达的工作频率和天线口径确定以后，天线的主波束宽度也就基本确定了。假设微波雷达的发射信号波长为λ 和天线口径为D，微波雷达天线的和波束（主波束）-3dB 宽度约为0.89λ／D。

2.6 扫描驻留时间

扫描驻留时间主要由微波雷达的脉冲重复频率、脉冲积累数和跳频点数决定。假设微波雷达的脉冲重复频率为fr，脉冲积累数为N 个，脉内调频点有M 个，则微波雷达对目标回波完成一次检测处理所需的时间ΔT＝NM／fr，而扫描驻留时间也必须大于ΔT。

为实现对非合作目标高的截获概率和低的虚警概率，微波雷达目标截获确认可以采用二项式积累检测方法以提高雷达的检测性能。目标截获准则为连续判断2帧，若连续2帧检测到目标即初步确认有目标存在，即“2取2”准则。

如图1所示，如果取单帧截获门限为12dB，即单帧截获概率为0.975，虚警概率为10-3，通过连续2 帧检测均过门限，即可实现捕获概率≥95%，虚警概率≤10-5的要求，等效的单次截获门限为13dB。

因此，目标在雷达天线主波束内的驻留时间必须大于2ΔT，考虑到天线波束形状对目标回波信号调制所带来的回波能量损失，应适当增加目标的驻留时间。

2.7 机构扫描速度

当雷达天线波束宽度和目标驻留时间确定以后，微波雷达驱动机构的最大扫描角速度也就确定了。

按照微波雷达设计参数，为实现对非合作目标的可靠捕获，驱动机构的扫描角速度应小于天线波束宽度与波束驻留时间的比值。

考虑到驱动机构的设计余量，搜索期间机构启动和停止干扰力矩，驱动机构搜索扫描角速度应适当减小。

3 性能分析

3.1 探测距离分析

根据雷达分系统设计的指标，借助雷达方程首先计算单个脉冲回波的探测能力，然后根据积累后的信噪比增益来分析探测能力。

采用的雷达方程如下

式中：Pt为发射脉冲峰值功率；Gt为天线增益；λ为工作波长；σ为目标反射截面积；Fn为接收机噪声系数；Ls为系统损耗；k 为波尔兹曼常数；T0为系统噪声。

根据雷达方程可得到单个脉冲信噪比随距离变化曲线，如图2所示。三条曲线分别代表近距离（曲线1）、中距离（曲线2）和远距离（曲线3）。

图2 单个脉冲信噪比随距离变化曲线

（1）近距离探测

探测近距离目标时，脉宽为0.5us，脉冲重复频率为12kHz。如图2曲线1所示，单个脉冲最大探测距离为1.274km，信噪比为13dB。跟踪时相干积累时间为1.333 ms，包含16 个脉冲，5个跳频点对应总时间为6.667ms，信噪比总增益为15dB，满足跟踪要求的信噪比。近距离探测总共为16个距离门。

（2）中距离探测

探测中距离目标时，根据目标运动速度和近距离目标搜索时间，近、中距离覆盖应大于50m。考虑雷达参数变换时间，探测脉冲宽度取6.667μs，脉冲重复频率为12kHz。搜索积累时间为10.667ms，包含128个脉冲、5个跳频点对应总时间为53.3ms，信噪比增益为24dB，由图2曲线2 可知最大探测距离为9.7km。跟踪时积累时间提高两倍，包含256个脉冲、5个跳频点对应总时间为106.7ms，信噪比增益为27dB，最大跟踪距离为8km。中距离探测范围为1km ～8km，总共8个距离门。

（3）远距离探测

探测远距离目标时，距离覆盖应大于100m，脉宽应小于52μs。考虑距离门个数至少要3个，脉宽不宜太宽，取20μs。脉冲重复频率为8kHz。搜索积累时间为64ms，含512个脉冲，信噪比增益为27dB，由图2 曲线3 可知最大探测距离为15km。跟踪时积累时间提高四倍，信噪比增益为33dB，最大跟踪距离为15km。远距离探测范围为7.75km～15km，总共有4个距离门。

3.2 分辨率和精度

（1）测角精度

雷达系统的测角精度可以用系统输入端的等效角噪声的均方值来描述。微波雷达将采用单脉冲测角工作体制，其测角随机误差主要是由热噪声、单脉冲电轴抖动、伺服控制系统噪声、目标角闪烁四种因素引起的。

除了上述随机误差以外还有地杂波引起的角误差、多径误差、跟踪动态滞后误差等其他误差，但考虑到太空应用环境以及该项目的应用背景，地杂波、多径、跟踪动态滞后、大气折射等其他随机误差的影响都可以忽略不计。

测角误差是随机误差，其概率分布函数为正态分布，因此其值可用均方根表示，由以上四种因素引起的测角误差可由下面公式求出：

（2）测距精度

微波雷达测距精度主要是由热噪声、目标距离闪烁、脉冲抖动、距离量化误差、接收机延迟五种因素引起的。

测距误差是随机误差，其概率分布函数为正态分布，因此其值可用均方根表示，由以上五种因素引起的测距误差可由下面公式求出：

（3）测速精度

微波雷达测速精度主要由热噪声、雷达频率稳定度、速度量化误差、动态滞后误差四种因素引起。

测速误差是随机误差，其概率分布函数为正态分布，因此其值可用均方根表示，由以上四种因素引起的测速误差可由下面公式求出：

4 可靠性设计

基于航天应用特别是载人航天应用雷达系统的特殊性、可靠性的问题始终贯穿整个研制及应用过程，在各个阶段有不同的侧重点。在技战术指标论证阶段，要论证并确定系统的可靠性指标。在方案论证与设计阶段，要进行可靠性预计与分配。在初样阶段要开展可靠性设计、可靠性试验和可靠性评估，并采取可靠性保障措施。在正样阶段，根据初样阶段可靠性试验及初步评估的情况，进行修改设计，进一步提高可靠性。

4.1 可靠性框图

可靠性框图是在对系统工作方式进行认真分析的基础上绘制的。系统原理框图表示系统单元的物理关系，而可靠性框图或逻辑图则表示功能关系，它表示系统为了完成预期的功能，各单元必须成功地工作。不容许其中任何一个单元失效，否则该系统就不能完成特定的功能。系统的物理关系和可靠性功能关系是完全不同的。

对某种失效模式，当它出现时会引起系统不能完成规定功能，相当于逻辑图中的串联单元，而这种作为串联单元的表示法和实际的系统结构中是否为串联单元无关。

因此，正确构造可靠性框图是系统可靠性设计必不可少的重要步骤，只有建立了可靠性框图，才能进一步开展可靠性论证、预测与分配。

4.2 可靠性预计与分配

可靠性预计和可靠性分配是可靠性设计的两个重要环节，相互间关系密切。可靠性分配是从系统、部件到元器件，是从上而下。而可靠性预计则是从元器件直到整机和系统，是自下而上。对于一个复杂系统，往往是在预计的基础上进行分配，在分配过程中，会发现设计的薄弱环节，修改原设计，进行再预计到再分配的过程，往往要重复几次。

4.3 可靠性增长

在设计宇航应用雷达系统时，必须考虑从发射到运行全过程的可靠性，为此从设计、生产、试验各个阶段，应采用各种措施使产品的可靠性得到保障与增长，主要措施：

a）选用高可靠元器件（宇航级产品）；

b）元器件筛选，剔除早期失效；

c）印制电路板筛选；

d）部件、组合环境适应性筛选，包括温度循环、振动试验、冲击试验等；

e）整机环境适应性试验；

f）故障诊断、冗余部件的自动转换试验；

g）检查成熟技术应用情况，对不成熟技术的采用，往往是造成故障率高的重要原因；

h）在试验样机研制过程中，分阶段复查可靠性设计的正确性。

4.4 电磁兼容和防静电设计

电磁兼容性表示装置、设备或系统能在电磁环境下正常工作，且不对该环境中的其他装置、设备或系统产生不可承受的电磁骚扰的能力。微波测量雷达总是在电磁环境中工作，除本身的电磁环境外，还存在周围电子设备的电磁环境及自然环境造成的电磁环境。

为确保微波测量雷达的正常工作，要求具备抑制电磁干扰的能力，也要尽量减少电磁干扰源。为了提高星载雷达的电磁兼容能力，在各分系统设计中，尽可能采用三类抑制干扰的措施，包括抑制干扰源、抑制干扰耦合通道和提高敏感电路抗干扰能力。

ESD 即静电放电，静电可以说是无处不在的，任何两个不同材料的物体摩擦，都有可能产生静电。ESD 使电荷在两个带电物体之间进行再分配，导致电荷的传导，形成电流并产生电压降。当带静电的物体接触到有效接地的物体时，在极短时间内积累的静电荷会被泄放掉，典型的放电时间为0.2s到200ns。ESD 可以造成元器件损伤、电路板失效和信息丢失。为了保证星载微波雷达在研制过程中不因静电放电造成电路及元器件故障和异常，应充分进行防静电设计。

航天标准QJ1693-89规定，ESD 敏感度小于等于1kV 的ESD 敏感元器件称为Ⅰ类ESD敏感元器件；1kV～4kV 的ESD 敏感元器件称为Ⅱ类敏感元器件；4kV～16kV 的ESD 敏感元器件称为Ⅲ类敏感元器件。对于ESD 敏感器件，在实际的设计中，需要做专门的ESD 防护，如加装静电泄放装置。

4.5 热设计和抗力学设计

这里从可靠性的角度定性提出雷达在研制中应充分考虑热环境及机械环境，确保在运输、发射、飞行的过程中产品不出故障。

电子元器件的工作温度与可靠性关系密切，任何电子器件制造时所用材料均有一定的温度极限。当超过这个极限时，物理性能发生变化，器件不能发挥预期的作用，导致故障或失效。温度过高还会缩短产品的寿命，电子产品理想的工作温度是室温。飞船内环境温度约21°左右。

电子设备在工作过程中，必然伴随各种形式的能量损失，这些损失又不可避免地转换成热能，一般有电转化成热、空气动力加热、机械摩擦转换成热能。雷达在工作中主要是各种电子设备产生热量，而最主要的热源是发射机及二次电源。电子元器件抗热强度差，当工作温度超过80℃时就会受到较大影响，而机械部件在150 ℃时影响不大。热设计的主要目标是减少设备内部产生的热量、减小热阻、保证电气性能稳定、改善可靠性、延长使用寿命。为使设备在较低的温度下工作，应采用良好的散热措施。

抗力学设计主要应考虑在运输和发射过程中的力学环境，力学环境主要是振动、加速度、冲击和声场。机械振动频率约50 Hz ～2kHz，长期振动使元件松动、引线断裂、结构损伤，产生疲劳失效。导弹或火箭发射时冲击可达50g（6ms），易引起超载、松动、散架，造成突然失效。声噪声可达130dB以上，对电子元件均有影响，结构可能受到破坏。

4.6 抗辐照设计

星载雷达在轨运行期间，将遭遇地球辐射带、太阳宇宙射线、银河射线、等离子体等电磁辐射环境。这些离子辐射环境还随太阳活动和地磁活动而变化，可对雷达产生电离总剂量效应、位移损伤效应、单粒子效应、表面充／放电效应、内带电效应等空间辐射效应。为了保证星载雷达在轨运行期间不因空间辐射环境而造成故障和异常，应充分进行空间抗辐射设计。主要包括以下几个方面：

a）电离总剂量效应防护设计；

b）单粒子翻转防护设计；

c）单粒子锁定防护设计；

d）表面充放电效应防护设计；

e）内带电效应防护设计。