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美國逆合成孔徑(ISAR)雷達(dá)發(fā)展歷程

發(fā)布時(shí)間:2021/1/7 8:56:07人氣:

以下文章來源于高端裝備產(chǎn)業(yè)研究中心 ,作者太陽谷

高端裝備產(chǎn)業(yè)研究中心高端裝備產(chǎn)業(yè)研究中心

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導(dǎo)讀:美國的ISAR成像技術(shù)及應(yīng)用在世界范圍內(nèi)一直處于領(lǐng)先地位,已能夠獲得大多數(shù)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)(如飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等目標(biāo))的精細(xì)圖像,成為戰(zhàn)略防御系統(tǒng)中極為重要的一種目標(biāo)識(shí)別手段。本文根據(jù)美國的ISAR發(fā)展情況將美國的ISAR發(fā)展歷程分為技術(shù)探索、技術(shù)應(yīng)用和技術(shù)初步成熟三個(gè)階段。

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技術(shù)探索階段(1950-1980年)

美國最早在1950年開始ISAR技術(shù)的研究,到1960年技術(shù)進(jìn)入驗(yàn)證階段,并著手建設(shè)美國五大靶場(chǎng)之一的夸賈林靶場(chǎng)??滟Z林靶場(chǎng)在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是世界上“唯一適合于遠(yuǎn)程洲際彈道導(dǎo)彈試驗(yàn)”的靶場(chǎng)。位于夸賈林基地的里根試驗(yàn)場(chǎng)擁有美國最先進(jìn)并且最重要的寬帶雷達(dá)探測(cè)中心,在美國國家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)(NMD,NationalMissileDefense)中起著重要的作用。在當(dāng)時(shí)該基地一方面執(zhí)行美國的反戰(zhàn)略導(dǎo)彈的任務(wù),另一方面對(duì)當(dāng)時(shí)初步形成的ISAR技術(shù)進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。

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里根試驗(yàn)場(chǎng)

隨后經(jīng)過多次擴(kuò)建和設(shè)備升級(jí),里根試驗(yàn)場(chǎng)已經(jīng)成為世界級(jí)的射程導(dǎo)彈防御和太空監(jiān)視技術(shù)的射程和測(cè)試設(shè)施。2016年,該試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)RTS光學(xué)套件進(jìn)行了幾次升級(jí),已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。目前,該處試驗(yàn)場(chǎng)主要由TRADEX、牽牛星、ALCOR和MMW四個(gè)雷達(dá)形成配套的測(cè)試試驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)。


TRADEX雷達(dá)

目標(biāo)分辨率和判別實(shí)驗(yàn)(TRADEX)系統(tǒng)是在Kwajalein為Project PRESS(太平洋電磁特征研究)建造的第一個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)。該雷達(dá)于1962年投入運(yùn)行,同年第一位林肯實(shí)驗(yàn)室工作人員抵達(dá)Kwajalein島。早期,TRADEX被用于跟蹤和收集導(dǎo)彈的測(cè)試任務(wù)數(shù)據(jù)。1995年對(duì)雷達(dá)的升級(jí)使TRADEX能夠評(píng)估低緯度地區(qū)的空間碎片數(shù)量。該模式用于收集NASA的空間碎片數(shù)據(jù)。1998年,TRADEX成為美國太空監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)貢獻(xiàn)傳感器,主要關(guān)注跟蹤外國發(fā)射,深空衛(wèi)星和低地球軌道衛(wèi)星。近年來TRADEX每周工作10小時(shí)進(jìn)行太空監(jiān)視任務(wù)。

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TRADEX雷達(dá)

ALTAIR雷達(dá)

第二個(gè)RTS雷達(dá),即ARPA遠(yuǎn)程跟蹤和儀表雷達(dá)(ALTAIR),于1969年投入使用。ALTAIR的設(shè)計(jì)主要是為了讓美國了解美國洲際彈道導(dǎo)彈對(duì)蘇聯(lián)反彈道導(dǎo)彈的對(duì)抗情況。1998年,ALTAIR和TRADEX被用于對(duì)英仙座和獅子座流星雨進(jìn)行首次測(cè)量,以了解流星如何影響航天器。ALTAIR于1982年加入太空監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)。與TRADEX一樣,ALTAIR負(fù)責(zé)跟蹤外國發(fā)射,近地軌道和深空衛(wèi)星。今天,ALTAIR每周花費(fèi)128小時(shí)進(jìn)行太空監(jiān)視任務(wù),通常每周提供1000多個(gè)深空軌道。

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ALTAIR雷達(dá)

ALCOR雷達(dá)(ISAR主要成像雷達(dá))

ALCOR在ALTAIR之后一年開始運(yùn)行,這是第一款利用寬帶波形傳輸?shù)母吖β饰⒉ɡ走_(dá)。建立ALCOR的目的是能夠生成和處理寬帶寬信號(hào),并研究寬帶數(shù)據(jù)在再入飛行器識(shí)別和空間態(tài)勢(shì)感知方面的應(yīng)用。ALCOR的寬帶能力不僅有效地產(chǎn)生導(dǎo)彈的高分辨率數(shù)據(jù),而且對(duì)于確定軌道近地衛(wèi)星的大小和形狀也非常有用。ALCOR系統(tǒng)最終適用于衛(wèi)星成像,導(dǎo)致林肯實(shí)驗(yàn)室在開發(fā)用于生成和解釋雷達(dá)圖像的技術(shù)和算法方面的開創(chuàng)性工作。

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ALCOR雷達(dá)

MMW雷達(dá)

毫米波(MMW)雷達(dá)于1983年投入使用,是RTS最后制造的雷達(dá)。MMW的原始章程是提供導(dǎo)彈再入現(xiàn)象學(xué)的毫米波特征數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫。MMW最初是作為ALCOR的附屬物設(shè)計(jì)的,后來發(fā)展成為一個(gè)完整的,自給自足的系統(tǒng)。MMW具有Kwajalein雷達(dá)的最佳射程分辨率,能夠生成近地衛(wèi)星的高分辨率圖像。多年來,MMW經(jīng)歷了一系列升級(jí),包括在20世紀(jì)90年代早期進(jìn)行的部件更換工作,這使得發(fā)射機(jī)的功率水平更高。2011年的進(jìn)一步升級(jí)使MMW成為當(dāng)今運(yùn)行最高分辨率的相干儀表雷達(dá)。

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MMW雷達(dá)


技術(shù)應(yīng)用階段(1980-2000年)

1987年,Wehner對(duì)SAR和ISAR的基本理論和現(xiàn)存的實(shí)際問題給出了較明確的論述。另外,在1987年的一篇文獻(xiàn)上報(bào)道了由美國海軍實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家研制成功的ISAR技術(shù)可使機(jī)載雷達(dá)顯示出海面上艦船的輪廓,由此,可用于識(shí)別其類型和進(jìn)行分類。


美國的戰(zhàn)略防御計(jì)劃(SDI)將陸基成像(又稱終端成像)雷達(dá)列入計(jì)劃之中。該雷達(dá)是一部X波段雷達(dá),它能在足夠高空間同時(shí)捕獲多個(gè)目標(biāo),并能實(shí)時(shí)區(qū)分和誘捕真正目標(biāo),以便在稠密大氣層內(nèi)的攔截武器進(jìn)行目標(biāo)摧毀。美國國防部在1989年向國會(huì)提交的“關(guān)鍵技術(shù)計(jì)劃”年度報(bào)告中,把ISAR技術(shù)作為發(fā)展高靈敏度雷達(dá)的重要項(xiàng)目,說明ISAR技術(shù)已進(jìn)入美國軍事應(yīng)用領(lǐng)域。


在該階段美國研發(fā)了Haystack雷達(dá)(地基)、Cobra Judy雷達(dá)(?;┖虯N/APS-137雷達(dá)(空基)等多個(gè)成功的雷達(dá)產(chǎn)品,這也宣告美國此時(shí)已經(jīng)取得了重大技術(shù)突破,ISAR技術(shù)進(jìn)入應(yīng)用階段。


林肯空間監(jiān)視中心便是在該階段建立的,其由Millstone Hill雷達(dá),HUSIR雷達(dá)和HAX輔助雷達(dá)三個(gè)雷達(dá)配套形成監(jiān)視系統(tǒng)。


Millstone Hill雷達(dá)

Millstone Hill雷達(dá)用于跟蹤太空飛行器和太空碎片。該雷達(dá)自1957年成功探測(cè)到蘇聯(lián)人造衛(wèi)星I衛(wèi)星以來一直在運(yùn)行。它是美國太空監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)貢獻(xiàn)傳感器,這是一個(gè)光學(xué)和雷達(dá)傳感器網(wǎng)絡(luò),可以探測(cè),跟蹤和表征繞地球運(yùn)行的物體,因此,Millstone Hill雷達(dá)在國家深空監(jiān)視計(jì)劃中發(fā)揮著關(guān)鍵作用 。高功率L波段Millstone Hill傳感器每年提供大約18,000個(gè)深空衛(wèi)星軌道。它支持幾乎所有美國深空衛(wèi)星發(fā)射,其中包括用于預(yù)先規(guī)劃的數(shù)據(jù)以及可能影響發(fā)射的太空活動(dòng)的雷達(dá)覆蓋。此外,它也用于大氣科學(xué)研究。

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Millstone Hill雷達(dá)

HUSIR雷達(dá)(ISAR主要成像雷達(dá))

干草堆超寬帶衛(wèi)星成像雷達(dá)(HUSIR)最初是X波段干草堆傳感器,但在2014年,林肯實(shí)驗(yàn)室完成了將這種單波段系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為雙波段雷達(dá)的過程。HUSIR現(xiàn)在是世界上分辨率最高的遠(yuǎn)程傳感器,同時(shí)產(chǎn)生X波段和W波段圖像,幫助美國研究人員更好地確定繞地球運(yùn)行的物體的大小,形狀,方向和運(yùn)動(dòng)。這種W波段操作的升級(jí)需要開發(fā)和構(gòu)造新的120英尺直徑天線。


HUSIR是美國太空監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)中的另一個(gè)傳感器。它還收集數(shù)據(jù)以協(xié)助NASA開發(fā)軌道空間碎片模型。HUSIR天線精確對(duì)準(zhǔn)的表面使該雷達(dá)成為射電天文學(xué)的寶貴工具。麻省理工學(xué)院海斯塔克天文臺(tái)使用HUSIR作為射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行單碟射電天文學(xué)和非常長基線干涉測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

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HUSIR雷達(dá)

HAX輔助雷達(dá)

HAX輔助雷達(dá)由林肯實(shí)驗(yàn)室于1993年建造,用于增強(qiáng)衛(wèi)星成像和空間碎片數(shù)據(jù)收集。配備40英尺天線的這種Ku波段雷達(dá)位于左側(cè)較小的天線罩中。大型天線罩中的HUSIR和HAX的組合為美國戰(zhàn)略司令部的需求提供了全年可用的圖像收集。

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HAX輔助雷達(dá)


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技術(shù)初步成熟階段(2000年之后)

步入21世紀(jì)以來,美國ISAR技術(shù)進(jìn)入初步成熟階段。各種ISAR雷達(dá)產(chǎn)品在上一階段的ISAR雷達(dá)的基礎(chǔ)上經(jīng)過多次技術(shù)迭代,?;走_(dá)由Cobra Judy發(fā)展到Cobra Gemini,并最終發(fā)展至Cobra King雷達(dá)系統(tǒng)。機(jī)載雷達(dá)由AN/APS-137經(jīng)過AN/APS-143,AN/APS-147兩代產(chǎn)品發(fā)展至AN/APS-153雷達(dá)。


機(jī)載AN/APS-153雷達(dá)

AN/APS-153(V)是AN/APS-147的后繼產(chǎn)品,旨在滿足海軍苛刻的任務(wù)要求,在所有天氣條件下提供全天候可靠的海域監(jiān)視。該雷達(dá)具備自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別潛望鏡功能(ARPDD),可以將潛望鏡與海洋上的雷達(dá)雜波區(qū)分開來,通過人工最終確認(rèn)的方式很大程度上提高了AN/APS-153(V)的反潛能力,此外該雷達(dá)還具有小目標(biāo)檢測(cè)、逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)成像和完全集成的識(shí)別敵友(IFF)等功能。該雷達(dá)具備的工作模式是:

◆ 大范圍搜索模式

◆ ISAR成像模式

◆ 小目標(biāo)/潛望鏡檢測(cè)模式

◆ 近距離SAR成像模式

◆ 導(dǎo)航模式

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AN/APS-153 ISAR夜間成像圖

MH-60R航電系統(tǒng)的集成度極高,AN/APS-153(V)完全集成在MH-60R的航空電子設(shè)備套件中。機(jī)載計(jì)算機(jī)通過飛機(jī)任務(wù)系統(tǒng)控制AN/APS-153(V)雷達(dá)并將顯示結(jié)果反饋到8*10英寸的多功能顯示器上,為船員提供獨(dú)立的雷達(dá)數(shù)據(jù)視圖。

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搭載了AN/APS-153(V)的MH-60R

MH-60R與AN/APS-153(V)相結(jié)合,是航空母艦—直升機(jī)系統(tǒng)中的關(guān)鍵要素。通過飛機(jī)的C波段數(shù)據(jù)鏈,艦上人員幾乎有與機(jī)組人員相同的雷達(dá)圖像。

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小結(jié):從美國最新雷達(dá)產(chǎn)品上來看,目前美國主要雷達(dá)產(chǎn)品均為SAR/ISAR混合探測(cè)模式,根據(jù)美國已有研究文獻(xiàn)來看,下一步美國將繼續(xù)沿該方向發(fā)展,并進(jìn)一步提高雷達(dá)產(chǎn)品的成像分辨率、成像精度和抗干擾能力。

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主要參考文獻(xiàn)

[1].AN/APS-153V Brochure

[2].Development of the Haystack Ultrawideband Satellite Imaging Radar

[3].Review on Interferometric ISAR 3D Imaging:Concept, Technology and Experiment

[4].李亞楠,付耀文,黎湘.多目標(biāo)ISAR成像研究綜述[J].信號(hào)處理,2009,25(07):1092-1096.

[5].高昭昭. 高分辨ISAR成像新技術(shù)研究[D].西安電子科技大學(xué),2009.


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