4GHz带宽的毫米波雷达（附下载） 留言
罗伊-那慕尔岛上的毫米波雷达是位于马绍尔群岛夸贾林环礁的里根试验场中分辨率最高、测距精度最高的雷达。
它最初的设计是一部1GHz带宽Ka波段和W波段雷达，是美国高级研究规划局的林肯C波段观测雷达的附属品，最初用来获取导弹再入段的毫米波信号特征数据库。
这部毫米波雷达在30年中已经经历了数次升级以适应不断变化的任务和需求。后来，又增加了4GHz带宽(33.0-37.0GHz)能力，从而使雷达图像的分辨率达到了6cm，这部雷达也因此成为世界上分辨率最高的相干体制雷达。
历史发展
美国高级研究规划局(ARPA)于1970年建造的林肯C波段观测雷达(ALCOR)是夸贾林环礁的标志性建筑，致力于弹道导弹防御和卫星识别领域的研究。ALCOR使用512MHz带宽获得了50厘米距离分辨率，验证了弹道导弹防御系统识别技术的有效性，并为空间研究领域提供了不可估量的情报信息。
ALCOR提供的具有革命性的卫星宽带距离-多普勒图像极大地振奋了卫星识别领域获取更高分辨率数据的信心。另外，人们对于地球同步轨道上数量不断增多的高价值卫星的成像也具有强烈的需求。
1978年，Haystack远距成像雷达(LRIR)在马萨诸塞州韦斯特福德市的磨石山上建造完成，该雷达工作于X波段具有1GHz带宽，在四万公里距离上具有25cm的距离分辨率。ALCOR和LRIR的成功引领了下一代高频宽带雷达的发展。
同时，在弹道导弹防御领域，越来越需要获取再入飞行器在毫米波段的宽带特征数据来提高拦截器上毫米波导引头的潜力。建造具有足够的灵敏度的35GHz雷达来获取极有价值的再入飞行器数据的意义是空前的。
即使这种雷达建造成功，它的波束宽度将相当小，这对目标对准提出了巨大的挑战。1979年，林肯实验室确定了附属于ALCOR的Ka和W波段雷达，这部雷达可以利用ALCOR精确的目标指示为自己服务并获取需要的特征数据。这种毫米波雷达在1980年代从概念走向现实。
毫米波雷达
为了制造一部采集再入飞行器毫米波特征数据并创建数据的雷达，需要解决几项技术问题，包括：大功率，35GHz行波管及满足误差、尺寸及刚性需求且具有超过70dB增益(单向)的毫米波抛物面天线。
ESSCO公司(现在称为L-3通信ESSCO)被选中设计一部直径45英尺，表面误差在0.1mm内的卡塞格伦天线，以满足W波段应用需求。
图1 1983年，毫米波雷达(MMW)在罗伊-那慕尔岛上安装完成。图中是雷达的基座组件和组装后的天线
它由72块0.040英寸厚的铝制反射板组合而成焦距200英寸的主抛物面天线。直径3.6英尺的次反射面的中心装有锥形导电劈以降低由发射机直接反射到接收机的能量。
天线安装在基座上，因此天线中心距离地面65英尺；这个高度使雷达天线高于当地的主要障碍物和树木，从而雷达可以精确跟踪低俯仰角目标。该天线算上次反射面和方位俯仰运动基座总重将近160,000磅。
1980年，瓦里安公司的工程师提交了一种使用新型1GHz带宽(意味着25cm距离分辨率，与Haystack 的LRIR雷达类似)和25Kw峰值功率的35GHz行波管作为高功率放大器的设计方案。VTA-5700行波管如图3所示。
虽然MMW雷达在建造时具有独立的发射机和比ALCOR还要大5英尺的天线，但是MMW雷达最初确实是作为ALCOR的附属物而设计的—这意味着这两部雷达无法独立地分别跟踪不同的目标；且如果一部雷达工作在跟踪状态，另一部雷达也需要配合跟踪。
1983年，MMW雷达演示了其初始任务能力(IOC)：Ka波段实时跟踪能力。1985年，W波段功能投入使用，也是1GHz带宽，从此MMW雷达开始执行空间物体识别任务，到1988年，它每年为美国空军空间司令部提供近60个卫星图集数据。在更远距离上采集物体更高分辨率数据，及独立于ALCOR及其它探测装置的新需求为升级MMW雷达提供了动力。
这需要加入先进的实时处理能力，高功率行波管，以及射频传输线来满足越来越严格的需求。1990年，MMW雷达正处于一系列升级之中，完工时，它的距离分辨率将翻倍，而跟踪距离则提高四倍。
图2 MMW被新的Gore-Tex天线罩所覆盖，这个天线罩消除了许多天气对灵敏度的削弱作用而衍生的问题。
MMW的升级情况
在初始任务能力演示阶段，MMW雷达的灵敏度主要受1980年代早期的计算机技术限制。雷达无法处理其接收的全部射频脉冲以供它的实时跟踪装置使用。它也无法有效地进行脉冲的相位对齐以进行相干积累或者相干脉冲的非相干积累。
从1988年到1994年，数字处理软硬件的系统化升级使雷达的跟踪距离翻了不止一倍。首先，配置了新的卡尔曼弹道跟踪滤波器，提高了系统的距离估计能力，并因此提高了雷达长时间匹配接收回波脉冲的能力，从而提高了积分增益。
同时，增加了“处理后相加”(相干积累脉冲的非相干积分)技术，这又进一步提高了灵敏度。一年后，先进的脉冲处理技术使雷达可以在跟踪回路中可以使用全部的脉冲(每秒超过2000个脉冲)；这种技术使雷达接收到的所有能量都可以用来保持对目标的跟踪，从而提高了灵敏度。
1994年安装了脉冲预处理器，增强了雷达的相干积累能力并进一步提高了跟踪距离。虽然先进的数字处理技术已经提供了最高的灵敏度，正在实施的硬件提升计划还可以提高灵敏度增益，并将带宽拓展到2GHz以提供更高的距离分辨率。
提高MMW雷达的距离分辨率的关键是新型2GHz带宽的高功率功放管。现有的功放管只有1GHz带宽，但是没有现成的高带宽管子可用。林肯实验室给功放管制造商提出了开发2GHz带宽，峰值功率50Kw功放管的挑战。
作为回应，瓦里安公司为MMW设计了VTA-5710 35GHz高功率行波管功放器。并于1991年首次安装到雷达上，这个行波管在2GHz瞬时带宽和最高10%占空比的情况下峰值功率高达50Kw。由此，雷达的灵敏度提高了3dB。然而，在新的行波管付诸实施以前，馈线系统还需要进行极大的改变。
VTA-5701管可以产生2倍于之前管子的功率，然而，用来传输功率的长矩形波导却会产生极大的衰减，把能量转换成了热量。这使波导冷却的压力翻了一倍，给整个系统带来了极大的负担。因而急需对馈线结构进行重新设计以落实高功率管带来的好处。
林肯实验室设计了一种新型的准光学波束波导技术来代替原来的矩形波导馈线。这种准光学设计于1990年首次应用。这种技术极大的降低了波导传输损耗并支持传输过程中双管功率合成，且带宽高达2GHz。图4所示为MMW雷达的波束波导系统原理框图。
图4 用来代替传统的波导馈电系统的准光学波束波导。这项技术具有更高的带宽，更高的功率，以及通过消除传统波导的损耗和色散而获得的高灵敏度。
1993年，马萨诸塞州的“干草堆”辅助雷达(HAX雷达)成为首部具有2GHz带宽波形，并继承了MMW雷达的准光学波束波导设计的跟踪雷达。MMW雷达的2GHz带宽波形于1995年投入使用，并随之进行了接收机、软件和射频信号发生器的升级。
同时为MMW雷达配置了独立跟踪系统并具有与ALCOR相当的跟踪距离，至此，MMW雷达已成为一个具有独立自主地执行任务能力的系统，不再是ALCOR的附属品。
1990年代后期，利用计算机硬件技术和数字设备的革命性进步来提升罗伊-那慕尔岛上的雷达的现代化水平的需求已经十分明确。林肯实验室启动了最大限度地利用通用货架产品和通用系统设计来代替原来的雷达硬件设施的项目。
图5 MMW雷达的ROSA硬件设置
现代化的硬件设施配合通用的现代化软件和操作显示系统，这种新的系统架构成为熟知的雷达开放系统架构(ROSA)。图5所示为MMW雷达的ROSA设备，这些设备在罗伊-那慕尔岛的ALCOR雷达设备间内。
这些雷达传感器都可以远程控制，ALCOR、ALTAIR、MMW和TRADEX雷达都由夸贾林环礁上的控制系统远程控制。这个大的系统总称为夸贾林现代化远程控制系统(KMAR)，而MMW雷达于2000年第二个完成改造(在ALCOR雷达之后)。
到20世纪早期，MMW雷达的许多关键组件都需要升级了。其雷达罩在阵雨期间发生了漏雨事件，这次漏雨事故使许多贵重的独一无二的发射机，接收机和馈线组件处于危险境地。
此外，MMW还遭遇了一系列事件，如关键任务数据无法采集，因为天线罩外表面在阵雨过去十五分钟后还是湿的(液态水对35GHz辐射的吸收作用极强)。
最终决定将原来的MMW天线罩(W波段优化的ESSCOLAM材质)替换成新的Ka波段优化的Gore-Tex材料的天线罩，这种天线罩将降低射频损耗并且在雨后会迅速干燥。
图6 MMW雷达的天线罩更换成了Gore-Tex材料的天线罩以消除水对电磁波的吸收作用带来的问题。图中为2003年MMW正在实施天线罩更换
天线罩于2003年更换，并且这次升级使雷达的灵敏度提高了2dB。这次升级显著降低了雷达的宕机时间，因为雷达罩在雨后可以迅速变干。图6所示是MMW雷达更换天线罩的过程。
进入新的世纪，计算机在处理速度和小型化方面取得了巨大的进步，使许多国家有能力将功能强大的卫星送入轨道，但这些卫星的尺寸却通常在50cm以内。
有效载荷的小型化以及获取大尺寸轨道载荷高保真图像的需求，驱动了MMW雷达的再次升级。分辨率高于10cm的雷达卫星图片对于识别新卫星的特征十分有益。同时，一些MMW雷达的组件已经逐渐淘汰，雷达需要进行一次更新以保持任务能力。
分辨率上的革命性进步：
4GHz带宽雷达
2005年，美军罗纳德.里根弹道导弹防御试验场(RTS)发起，由林肯实验室实施了一项将带宽和灵敏度提高一倍的项目，这涉及设计制造一种新的4GHz带宽行波管，增强型接收机和实验室定制的射频传输线。
这些新的硬件提高了传输的平均功率并降低了接收机的噪声，使MMW的跟踪距离几乎提高了一倍。通过升级数据处理设备和使用运行在先进计算机上的ROSA II(原始ROSA软件的升级版)，雷达的数据吞吐率提高了一倍，使其具有了捕获尺寸达60m的物体的超高分辨率4GHz带宽图像数据的能力。
原文始发于微信公众号（雷达通信电子战）
