星載微波跟瞄雷達系統設計特點

李雁斌， 張 敏

（上海無線電設備研究所，上海200090）

0 概述

星載微波跟瞄雷達技術經過近四十年的發展已經相當成熟，先后被美國、俄羅斯、歐空局應用在空間飛行器交會對接、深空探測以及軍事用途中。對空間目標探測時，微波雷達安裝在“追蹤飛行器”上，可在指定空域內對“目標飛行器”進行搜索和跟蹤，實時為“追蹤飛行器”提供“目標飛行器”的測量信息，包括相對距離、相對速度、方位角、俯仰角以及角速度信息。

根據這些信息，“追蹤航天器”在空間軌道上可實現與“目標航天器”的接近、對接或者繞飛。“追蹤飛行器”可以是航天飛機、小型衛星以及空間飛行器等。

星載微波跟瞄雷達設計不僅要滿足雷達探測性能指標要求，還要滿足總體對雷達功耗、質量、體積的嚴格要求。同時，由于星載微波跟瞄雷達工作在外太空環境下，面對冷熱交替、真空以及輻射環境，需要進行專門的熱設計、力學環境設計、電磁兼容設計、防靜電設計和抗輻照加固設計，以保證星載微波跟瞄雷達的可靠性［1］。

根據國內微波雷達發展水平和用戶總體要求，對照國外星載微波雷達的發展狀況，本文提出了星載微波跟瞄雷達系統設計的總體方案，重點分析了工作體制、工作模式和信號設計等內容，并對雷達的探測性能和指標進行了分析和驗證。

1 系統方案設計

1.1 雷達體制

星載微波跟瞄雷達信號體制上一般采用連續波或者脈沖信號，天線采用機械掃描或者電掃描方式。連續波雷達優點是峰值功率要求低，但要求收發天線分置，測距要求信號采用調頻或者調相方式；而脈沖雷達收發天線可以共用，并可采用簡單脈沖測距。

電掃描方式具有無慣性快速掃描的優點，但相控設備復雜、接收前端的T／R 組件數量多；國外星載微波跟瞄雷達大多數采用機械掃描方式，優點是結構簡單、技術成熟，缺點是需要采用伺服系統，掃描速度不及電掃描方式［2］。

綜合考慮雷達系統的可靠性、質量、功耗和體積因素，建議星載微波跟瞄雷達采用技術成熟的機械掃描方式，信號采用脈沖體制。測距采用脈沖壓縮法，兼顧作用距離與測距精度；測速采用脈沖多普勒雷達體制，可進行全相參積累有效提高檢測前信噪比。測角采用比幅單脈沖方式，可避免回波脈沖間起伏對跟蹤精度的影響。

（1）測距工作體制

星載微波跟瞄雷達的測距工作體制主要有調頻法測距、脈沖法測距和脈沖壓縮法測距。

對于非合作目標，星載微波跟瞄雷達的接收功率與距離R4成反比，為了獲得較遠的作用距離以及較高的距離分辨率和測距精度，可以選擇脈沖壓縮法測距，同時設計不同的測距工作模式，完成遠、中、近距離的目標探測和跟蹤，并有效降低雷達功耗。

例如，在遠距工作模式下，微波雷達在發射時采用較大的脈沖寬度，以解決對小RCS目標的遠距探測問題，并降低對發射機和饋線承受高峰值功率的要求，便于工程實現。在近距模式下，采用較小的脈沖寬度，減小收發隔離引起的盲區范圍。在接收時，微波雷達通過脈沖壓縮將寬脈沖壓縮成窄脈沖，以滿足雷達測距精度要求。

（2）測速工作體制

星載微波跟瞄雷達一般采用相參積累多普勒測速工作體制，通過測量回波信號與發射信號間的多普勒頻率實現對微波雷達目標相對運動速度的直接精密測量。由于多個脈沖回波信號之間具有很好的相參特性，可以通過脈沖間相參積累實現對目標運動速度的高精度測量，同時還可以改善檢測信噪比，獲得更遠的作用距離，并具有良好的抗干擾能力。

（3）測角工作體制

星載微波跟瞄雷達采用單脈沖天線測角，由于天線波束寬度窄，空域濾波性能好，可大大減少從主波束進入的多徑信號，有利于提高航天器近距離交會測量過程中抗體目標多徑反射的能力，保證微波雷達近距離測距、測角精度。

角閃爍引起的跟蹤誤差是單脈沖測角誤差的主要來源，它和目標的距離成反比，對近距離跟蹤的影響尤為嚴重。衛星在太空軌道的姿態調整對近距離角度跟蹤精度要求較高，建議采用頻率捷變體制來抑制角閃爍引起的角度跟蹤誤差［3］。

1.2 工作頻率

工作頻率的選擇與雷達的功能有關。星載微波跟瞄雷達用于太空目標的搜索和跟蹤，為降低系統的質量、體制和功耗，應首先選擇較高的工作頻率，如X 波段、Ku波段以及毫米波波段。考慮國內Ku波段微波器件、組件的引進、開發、設計較成熟，如低噪聲放大器（LNA）、功率放大、接收模塊等系列比較齊全，能夠提供滿足宇航級要求的產品，對比其他頻段器件的發展水平，建議星載微波跟瞄雷達工作頻率優先選擇Ku波段。

1.3 工作模式

星載微波跟瞄雷達的工作模式主要包括搜索模式和跟蹤模式。搜索模式用于捕獲目標，跟蹤模式用于目標跟蹤和目標參數估計。

（1）搜索模式

對于太空目標，按照目標檢測方式可分為常規檢測、恒虛警檢測、預定檢測和積累檢測等搜索模式。

常規檢測即單脈沖搜索模式，用于搜索近距離目標，和通道的脈沖回波信號經混頻、正交化、低通濾波、A／D 變換以后與門限比較，當超過門限若干次后（由發現概率、虛警概率決定）可確認為目標，轉入跟蹤模式。

由于雷達回波信號往往伴隨著噪聲、雜波和干擾，固定門限的檢測系統難以獲得恒定的虛警概率，基于自適應門限的恒虛警檢測，尤其是距離-頻率二維恒虛警檢測技術在星載微波跟瞄雷達中得到了廣泛應用。恒虛警檢測主要通過直接計算參考單元的平均功率作為雜波背景的均值估計，再乘以門限因子作為檢測門限，控制虛警概率。

與常規雷達檢測方法不同，星載微波跟瞄雷達通常采用預定檢測，根據星上計算機預先提供的目標角度、距離和速度的裝訂數據，在相應的空域、時域和頻域內快速、有效地檢測目標。

信號積累檢測有兩種基本方法：相參積累和非相參積累。相參積累在中頻實現，N 個等幅中頻脈沖信號同相累加，輸出幅度增加N 倍，功率增大N2倍，而N 各獨立同分布隨機噪聲脈沖相加后的噪聲功率增加N 倍，故相參積累使信噪比改善N 倍。

相參積累也可以在零中頻復包絡實現。非相參積累在包絡檢波后實施。由于檢波器的非線性處理使信號與噪聲混雜在儀器中，故非相參積累的信噪比改善要差些。

（2）跟蹤模式

在跟蹤模式下，系統同時要處理和、差三個通道的回波信號。跟蹤時采用頻率捷變方式來提高測角精度，可同時在距離和角度上進行跟蹤。

衛星控制系統對雷達發出工作指令，雷達根據指令進行全域搜索或預訂區域搜索。搜索時先進行角度搜索，發現目標后進行角度捕獲和距離捕獲，目標確認后，雷達進入跟蹤模式，進行角跟蹤和距離跟蹤，可進行跟蹤過濾波，按照數據率要求提供距離、角度、速度和角速度信息。如果出現目標丟失，微波雷達將保持目標丟失時刻的天線波束指向，在保持時間內，若目標重新出現，微波雷達會立即鎖定目標并重新進入跟蹤狀態；否則，微波雷達將以目標丟失時刻的天線波束指向角度為中心，啟動角度搜索功能［4］。

2 信號參數設計

星載微波跟瞄雷達在探測近距離目標時，一般采用短脈沖提高測距分辨力和精度，采用高脈沖重復頻率提高占空比；探測遠距離目標時，采用長脈沖提高單個脈沖的信噪比，采用低脈沖重復頻率避免距離模糊。

根據這一原理，方案中對星載微波跟瞄雷達整個探測距離進行分段，各段距離采用不同的信號參數來優化探測性能，分為近距離、中距離、遠距離測距。為保證不丟失目標，根據目標的運動速度和區段搜索時間來確定各距離范圍的重疊區域。近距離信噪比高，目標距離近，搜索時間要求短，可以采用單脈沖進行搜索和跟蹤；中、遠距離為提高信噪比，采用相參積累和非相參積累的混合方式進行搜索和跟蹤［5］。

2.1 脈沖寬度

假設雷達探測范圍為（100～15 000）m，探測遠距離目標時，脈沖寬度由最大探測距離決定，脈寬取20μs。當輸入信噪比較低的情況下，為了正確檢測目標，可采用相參積累技術以提高信噪比。

在發射機開機期間，為了保護接收通道，必須將接收通道關閉。由于遠距模式的發射脈沖寬度較寬，因此由接收通道關閉引起的作用距離盲區較大。為了解決檢測盲區問題，必須進行模式切換，將發射信號的脈沖寬度減小。

探測近距離目標時，脈沖寬度由最小探測距離決定，還需考慮收發開關時間延遲對遮蔽距離的影響，但是減小后的發射脈沖寬度必須保證微波的最大作用距離。

2.2 脈沖重復頻率

假設根據目標測速的范圍要求，最大多普勒頻率為fdmax＝5kHz。最小脈沖重復頻率至少是其兩倍，即frmin＝10kHz。考慮有效多普勒單元比例，計算時脈沖重復頻率取fr＝12kHz。探測遠端目標時，最大探測距離決定最大脈沖重復頻率frmax＝8.33kHz。

由frmin和frmax可知，探測遠距離目標時會出現距離速度模糊問題，為保證探測距離要求，應采用低脈沖重復頻率fr＝8kHz，通過距離濾波來解速度模糊。

2.3 檢測信噪比

假設系統要求檢測概率Pd＝98%，虛警概率Pfa＝10e-6，由圖1可以得出，檢測目標信號所需的最小輸入信噪比即檢測因子D0＝12dB。

圖1 雷達系統檢測概率、虛警概率與檢測信噪比關系圖

微波雷達轉入跟蹤時，為滿足精度要求，信噪比可適當提高。

2.4 系統損耗

搜索時采用1.5dB波束覆蓋，天線雙程增益損失最大為3dB，跟蹤時天線增益損失可忽略。搜索和跟蹤信號處理損失為1.5dB，恒虛警損失為1.5dB，線纜傳輸損耗為2dB。

2.5 天線波束寬度

當微波雷達的工作頻率和天線口徑確定以后，天線的主波束寬度也就基本確定了。假設微波雷達的發射信號波長為λ 和天線口徑為D，微波雷達天線的和波束（主波束）-3dB 寬度約為0.89λ／D。

2.6 掃描駐留時間

掃描駐留時間主要由微波雷達的脈沖重復頻率、脈沖積累數和跳頻點數決定。假設微波雷達的脈沖重復頻率為fr，脈沖積累數為N 個，脈內調頻點有M 個，則微波雷達對目標回波完成一次檢測處理所需的時間ΔT＝NM／fr，而掃描駐留時間也必須大于ΔT。

為實現對非合作目標高的截獲概率和低的虛警概率，微波雷達目標截獲確認可以采用二項式積累檢測方法以提高雷達的檢測性能。目標截獲準則為連續判斷2幀，若連續2幀檢測到目標即初步確認有目標存在，即“2取2”準則。

如圖1所示，如果取單幀截獲門限為12dB，即單幀截獲概率為0.975，虛警概率為10-3，通過連續2 幀檢測均過門限，即可實現捕獲概率≥95%，虛警概率≤10-5的要求，等效的單次截獲門限為13dB。

因此，目標在雷達天線主波束內的駐留時間必須大于2ΔT，考慮到天線波束形狀對目標回波信號調制所帶來的回波能量損失，應適當增加目標的駐留時間。

2.7 機構掃描速度

當雷達天線波束寬度和目標駐留時間確定以后，微波雷達驅動機構的最大掃描角速度也就確定了。

按照微波雷達設計參數，為實現對非合作目標的可靠捕獲，驅動機構的掃描角速度應小于天線波束寬度與波束駐留時間的比值。

考慮到驅動機構的設計余量，搜索期間機構啟動和停止干擾力矩，驅動機構搜索掃描角速度應適當減小。

3 性能分析

3.1 探測距離分析

根據雷達分系統設計的指標，借助雷達方程首先計算單個脈沖回波的探測能力，然后根據積累后的信噪比增益來分析探測能力。

采用的雷達方程如下

式中：Pt為發射脈沖峰值功率；Gt為天線增益；λ為工作波長；σ為目標反射截面積；Fn為接收機噪聲系數；Ls為系統損耗；k 為波爾茲曼常數；T0為系統噪聲。

根據雷達方程可得到單個脈沖信噪比隨距離變化曲線，如圖2所示。三條曲線分別代表近距離（曲線1）、中距離（曲線2）和遠距離（曲線3）。

圖2 單個脈沖信噪比隨距離變化曲線

（1）近距離探測

探測近距離目標時，脈寬為0.5us，脈沖重復頻率為12kHz。如圖2曲線1所示，單個脈沖最大探測距離為1.274km，信噪比為13dB。跟蹤時相干積累時間為1.333 ms，包含16 個脈沖，5個跳頻點對應總時間為6.667ms，信噪比總增益為15dB，滿足跟蹤要求的信噪比。近距離探測總共為16個距離門。

（2）中距離探測

探測中距離目標時，根據目標運動速度和近距離目標搜索時間，近、中距離覆蓋應大于50m。考慮雷達參數變換時間，探測脈沖寬度取6.667μs，脈沖重復頻率為12kHz。搜索積累時間為10.667ms，包含128個脈沖、5個跳頻點對應總時間為53.3ms，信噪比增益為24dB，由圖2曲線2 可知最大探測距離為9.7km。跟蹤時積累時間提高兩倍，包含256個脈沖、5個跳頻點對應總時間為106.7ms，信噪比增益為27dB，最大跟蹤距離為8km。中距離探測范圍為1km ～8km，總共8個距離門。

（3）遠距離探測

探測遠距離目標時，距離覆蓋應大于100m，脈寬應小于52μs。考慮距離門個數至少要3個，脈寬不宜太寬，取20μs。脈沖重復頻率為8kHz。搜索積累時間為64ms，含512個脈沖，信噪比增益為27dB，由圖2 曲線3 可知最大探測距離為15km。跟蹤時積累時間提高四倍，信噪比增益為33dB，最大跟蹤距離為15km。遠距離探測范圍為7.75km～15km，總共有4個距離門。

3.2 分辨率和精度

（1）測角精度

雷達系統的測角精度可以用系統輸入端的等效角噪聲的均方值來描述。微波雷達將采用單脈沖測角工作體制，其測角隨機誤差主要是由熱噪聲、單脈沖電軸抖動、伺服控制系統噪聲、目標角閃爍四種因素引起的。

除了上述隨機誤差以外還有地雜波引起的角誤差、多徑誤差、跟蹤動態滯后誤差等其他誤差，但考慮到太空應用環境以及該項目的應用背景，地雜波、多徑、跟蹤動態滯后、大氣折射等其他隨機誤差的影響都可以忽略不計。

測角誤差是隨機誤差，其概率分布函數為正態分布，因此其值可用均方根表示，由以上四種因素引起的測角誤差可由下面公式求出：

（2）測距精度

微波雷達測距精度主要是由熱噪聲、目標距離閃爍、脈沖抖動、距離量化誤差、接收機延遲五種因素引起的。

測距誤差是隨機誤差，其概率分布函數為正態分布，因此其值可用均方根表示，由以上五種因素引起的測距誤差可由下面公式求出：

（3）測速精度

微波雷達測速精度主要由熱噪聲、雷達頻率穩定度、速度量化誤差、動態滯后誤差四種因素引起。

測速誤差是隨機誤差，其概率分布函數為正態分布，因此其值可用均方根表示，由以上四種因素引起的測速誤差可由下面公式求出：

4 可靠性設計

基于航天應用特別是載人航天應用雷達系統的特殊性、可靠性的問題始終貫穿整個研制及應用過程，在各個階段有不同的側重點。在技戰術指標論證階段，要論證并確定系統的可靠性指標。在方案論證與設計階段，要進行可靠性預計與分配。在初樣階段要開展可靠性設計、可靠性試驗和可靠性評估，并采取可靠性保障措施。在正樣階段，根據初樣階段可靠性試驗及初步評估的情況，進行修改設計，進一步提高可靠性。

4.1 可靠性框圖

可靠性框圖是在對系統工作方式進行認真分析的基礎上繪制的。系統原理框圖表示系統單元的物理關系，而可靠性框圖或邏輯圖則表示功能關系，它表示系統為了完成預期的功能，各單元必須成功地工作。不容許其中任何一個單元失效，否則該系統就不能完成特定的功能。系統的物理關系和可靠性功能關系是完全不同的。

對某種失效模式，當它出現時會引起系統不能完成規定功能，相當于邏輯圖中的串聯單元，而這種作為串聯單元的表示法和實際的系統結構中是否為串聯單元無關。

因此，正確構造可靠性框圖是系統可靠性設計必不可少的重要步驟，只有建立了可靠性框圖，才能進一步開展可靠性論證、預測與分配。

4.2 可靠性預計與分配

可靠性預計和可靠性分配是可靠性設計的兩個重要環節，相互間關系密切。可靠性分配是從系統、部件到元器件，是從上而下。而可靠性預計則是從元器件直到整機和系統，是自下而上。對于一個復雜系統，往往是在預計的基礎上進行分配，在分配過程中，會發現設計的薄弱環節，修改原設計，進行再預計到再分配的過程，往往要重復幾次。

4.3 可靠性增長

在設計宇航應用雷達系統時，必須考慮從發射到運行全過程的可靠性，為此從設計、生產、試驗各個階段，應采用各種措施使產品的可靠性得到保障與增長，主要措施：

a）選用高可靠元器件（宇航級產品）；

b）元器件篩選，剔除早期失效；

c）印制電路板篩選；

d）部件、組合環境適應性篩選，包括溫度循環、振動試驗、沖擊試驗等；

e）整機環境適應性試驗；

f）故障診斷、冗余部件的自動轉換試驗；

g）檢查成熟技術應用情況，對不成熟技術的采用，往往是造成故障率高的重要原因；

h）在試驗樣機研制過程中，分階段復查可靠性設計的正確性。

4.4 電磁兼容和防靜電設計

電磁兼容性表示裝置、設備或系統能在電磁環境下正常工作，且不對該環境中的其他裝置、設備或系統產生不可承受的電磁騷擾的能力。微波測量雷達總是在電磁環境中工作，除本身的電磁環境外，還存在周圍電子設備的電磁環境及自然環境造成的電磁環境。

為確保微波測量雷達的正常工作，要求具備抑制電磁干擾的能力，也要盡量減少電磁干擾源。為了提高星載雷達的電磁兼容能力，在各分系統設計中，盡可能采用三類抑制干擾的措施，包括抑制干擾源、抑制干擾耦合通道和提高敏感電路抗干擾能力。

ESD 即靜電放電，靜電可以說是無處不在的，任何兩個不同材料的物體摩擦，都有可能產生靜電。ESD 使電荷在兩個帶電物體之間進行再分配，導致電荷的傳導，形成電流并產生電壓降。當帶靜電的物體接觸到有效接地的物體時，在極短時間內積累的靜電荷會被泄放掉，典型的放電時間為0.2s到200ns。ESD 可以造成元器件損傷、電路板失效和信息丟失。為了保證星載微波雷達在研制過程中不因靜電放電造成電路及元器件故障和異常，應充分進行防靜電設計。

航天標準QJ1693-89規定，ESD 敏感度小于等于1kV 的ESD 敏感元器件稱為Ⅰ類ESD敏感元器件；1kV～4kV 的ESD 敏感元器件稱為Ⅱ類敏感元器件；4kV～16kV 的ESD 敏感元器件稱為Ⅲ類敏感元器件。對于ESD 敏感器件，在實際的設計中，需要做專門的ESD 防護，如加裝靜電泄放裝置。

4.5 熱設計和抗力學設計

這里從可靠性的角度定性提出雷達在研制中應充分考慮熱環境及機械環境，確保在運輸、發射、飛行的過程中產品不出故障。

電子元器件的工作溫度與可靠性關系密切，任何電子器件制造時所用材料均有一定的溫度極限。當超過這個極限時，物理性能發生變化，器件不能發揮預期的作用，導致故障或失效。溫度過高還會縮短產品的壽命，電子產品理想的工作溫度是室溫。飛船內環境溫度約21°左右。

電子設備在工作過程中，必然伴隨各種形式的能量損失，這些損失又不可避免地轉換成熱能，一般有電轉化成熱、空氣動力加熱、機械摩擦轉換成熱能。雷達在工作中主要是各種電子設備產生熱量，而最主要的熱源是發射機及二次電源。電子元器件抗熱強度差，當工作溫度超過80℃時就會受到較大影響，而機械部件在150 ℃時影響不大。熱設計的主要目標是減少設備內部產生的熱量、減小熱阻、保證電氣性能穩定、改善可靠性、延長使用壽命。為使設備在較低的溫度下工作，應采用良好的散熱措施。

抗力學設計主要應考慮在運輸和發射過程中的力學環境，力學環境主要是振動、加速度、沖擊和聲場。機械振動頻率約50 Hz ～2kHz，長期振動使元件松動、引線斷裂、結構損傷，產生疲勞失效。導彈或火箭發射時沖擊可達50g（6ms），易引起超載、松動、散架，造成突然失效。聲噪聲可達130dB以上，對電子元件均有影響，結構可能受到破壞。

4.6 抗輻照設計

星載雷達在軌運行期間，將遭遇地球輻射帶、太陽宇宙射線、銀河射線、等離子體等電磁輻射環境。這些離子輻射環境還隨太陽活動和地磁活動而變化，可對雷達產生電離總劑量效應、位移損傷效應、單粒子效應、表面充／放電效應、內帶電效應等空間輻射效應。為了保證星載雷達在軌運行期間不因空間輻射環境而造成故障和異常，應充分進行空間抗輻射設計。主要包括以下幾個方面：

a）電離總劑量效應防護設計；

b）單粒子翻轉防護設計；

c）單粒子鎖定防護設計；

d）表面充放電效應防護設計；

e）內帶電效應防護設計。

5 結語

星載微波雷達總體設計涉及機械、電子、微波、力學、流體、熱學、材料、控制等多種不同的學科，多個學科的最優并不能獲得很好的綜合性能。而且空間環境條件異常復雜，還受到空間飛行試驗機會的獲得和地面模擬技術的掌握等條件的限制，需要通過系統研究去解決。

因此，星載微波雷達設計應以成熟技術為基礎，在保證探測性能、分辨率和精度指標的前提下，應盡量簡化設計方案，提高設計的可靠性。

［1］ 位寅生，徐榮慶，張寧.星載Ku波段雷達方案設計與性能分析［J］.現代雷達，2005，27（9）：24-27.

［2］ 周冠杰，趙玉潔.星載雷達結構設計的特點［J］.電子機械工程，2008，24（2）：35-40.

［3］ 鈕心圻，楊義先.軟件無線電技術與應用［M］.北京：北京郵電大學出版社，2002.

［4］ 楊小牛，樓才義.軟件無線電原理與應用［M］.北京：電子工業出版社，2002.

［5］ 張光義.雷達技術發展前景［R］.十四所第七屆科學技術報告會特邀報告，2005.