談璐璐,盛 磊

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室,安徽合肥230088)

中軌SAR系統(tǒng)設計及關(guān)鍵技術(shù)研究

談璐璐1,2,盛 磊1,2

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室,安徽合肥230088)

中軌SAR(MeoSAR)作為低軌SAR(LeoSAR)和高軌SAR(GeoSAR)的折中,具有觀測范圍廣、時間分辨率高的特點,是極具應用前景的新型SAR系統(tǒng)。根據(jù)中軌SAR的系統(tǒng)特點及優(yōu)勢,對中軌SAR系統(tǒng)設計中的成像體制選擇、工作參數(shù)選擇、成像模式設計等進行了論述。針對中軌SAR系統(tǒng)存在的特殊問題,對中軌SAR的關(guān)鍵技術(shù)問題進行分析,提出了基于波束賦形的距離模糊抑制方法和高精度時域成像算法,并對中軌SAR天線設計和空間環(huán)境設計的難點進行了總結(jié)。研究結(jié)果為中軌SAR系統(tǒng)實現(xiàn)及應用提供有益參考。

中軌SAR;高分辨率寬覆蓋;系統(tǒng)設計;模糊抑制;成像算法

0 引 言

星載合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)作為寬幅主動微波成像設備,不僅具有可見光和紅外遙感器所不具有的全天時和全天候觀測能力,而且具有雷達高度計和微波輻射計不具有的高空間分辨率信息獲取能力,在軍事偵察,地形測繪,災害監(jiān)測,洋流、冰川、風浪監(jiān)測,路上、海上交通管制,農(nóng)林監(jiān)測等領(lǐng)域,都具有重要的應用價值和廣闊的發(fā)展前景。

隨著星載合成孔徑雷達多樣化觀測應用研究的不斷深入,對SAR提出了更高的性能指標要求,不僅要求星載SAR系統(tǒng)具有較高的空間分辨率,還要求其有更高的時間分辨率,以滿足遙感用戶對特定區(qū)域的連續(xù)監(jiān)視需求。

目前在軌的合成孔徑雷達衛(wèi)星均集中在500～1 000km的低軌道空間,為低軌道(Low Earth Orbit,LEO)SAR,受軌道特性限制,其可覆蓋區(qū)域較小,測繪帶較窄,重返周期較長,通常在若干天左右,且單次過頂可觀測時間較短,一般為幾秒到幾十秒量級。雖然低軌SAR具有技術(shù)成熟、實現(xiàn)技術(shù)難度較低的優(yōu)點,但利用低軌SAR提高時間分辨率需要多顆衛(wèi)星組網(wǎng)觀測,且其對特定區(qū)域的連續(xù)監(jiān)視能力受軌道特性制約。

為克服低軌SAR系統(tǒng)在高時間分辨率觀測方面的不足,提出了一條通過提升SAR軌道高度來提高時間分辨率的技術(shù)路線,也就是將SAR衛(wèi)星高度提升到中等軌道(Medium Earth Orbit,MEO)或者地球同步軌道(Geosynchronous Earth Orbit,GEO),以大幅提高可覆蓋區(qū)域范圍以及提高對熱點區(qū)域的時間分辨率。其中,中軌SAR(MeoSAR)通常指軌道高度處于3 000～10 000km的SAR系統(tǒng),中軌SAR具有事件覆蓋性好,可實現(xiàn)對特定區(qū)域準連續(xù)觀測的優(yōu)勢。與軌道高度約36 000km的地球同步軌道SAR(GeoSAR)系統(tǒng)相比,中軌SAR系統(tǒng)技術(shù)成熟度相對較好,是低軌SAR系統(tǒng)和高軌SAR系統(tǒng)的有益補充[1-4]。

本文針對中軌SAR的應用優(yōu)勢,對中軌SAR的系統(tǒng)特點、關(guān)鍵技術(shù)、信號處理等開展論證,為中軌SAR系統(tǒng)實現(xiàn)提供設計依據(jù)。

1 高分辨率寬覆蓋中軌SAR系統(tǒng)設計關(guān)鍵問題

1.1 軌道高度選擇

在中軌SAR系統(tǒng)的軌道高度選擇上,首先考慮的是覆蓋效率,其次還需要將工程可實現(xiàn)性及空間環(huán)境等納入考慮。覆蓋效率可以通過某特定軌道高度下可視觀測帶寬度,以及衛(wèi)星運動速度來度量,即

式中,Cr表示覆蓋效率,Ws表示在固定的入射角范圍條件,如10°～50°或者10°～65°條件下的可視觀測帶寬度,vg表示地速。根據(jù)式(1),對軌道高度3 000～10 000km范圍內(nèi)的覆蓋效率的計算結(jié)果如圖1所示。可以看出,軌道高度位于3000～4000km時,覆蓋效率最高。同時,從工程可實現(xiàn)性角度來看,3000～4000km的軌道高度相對于10 000km以上的軌道高度,對平臺資源需求更小,且空間輻射環(huán)境更優(yōu)。綜合覆蓋效率及工程可實現(xiàn)等多方面因素,3500km左右的軌道高度是相對較優(yōu)的選擇。

1.2 頻率選擇

圖1 不同軌道高度的覆蓋效率示意圖

SAR是一種工作于微波頻段的對地遙感傳感器,可以測量地面被觀測區(qū)域的后向散射系數(shù)σ0,σ0很大程度上依賴于頻段選擇。目前在軌的星載SAR以L,C以及X波段為主。其中,L波段和C波段多用于海洋觀測、環(huán)境監(jiān)測、地震監(jiān)視等應用領(lǐng)域,X波段多用于高分辨率成像。此外,對大幅寬成像來說,L波段和C波段因為波束寬度更寬,更為適用;而對高分辨率成像來說,X波段和C波段是更優(yōu)的選擇。

頻率選擇除跟系統(tǒng)應用需求密切相關(guān)之外,還與可實現(xiàn)性密切相關(guān)。分析知,要滿足高分辨率、寬覆蓋以及高靈敏度要求,X波段天線面積略小于C波段,但是,由于波長限制,X波段天線的有源通道數(shù)要遠大于C波段,天線實現(xiàn)難度遠大于C波段。

綜合應用需求及工程可實現(xiàn)性因素,C波段為L波段及X波段的折中選擇,既能滿足高分辨率寬覆蓋要求,又易于工程實現(xiàn)。因此,本文以C波段為例,開展高分辨率寬覆蓋中軌SAR系統(tǒng)設計。

1.3 工作體制選擇

星載SAR系統(tǒng)由于受到系統(tǒng)靈敏度、模糊度等條件制約,方位分辨率和距離向觀測帶寬度是一對固有矛盾。現(xiàn)有的主要高分辨率寬覆蓋體制包括方位向多通道體制、數(shù)字陣列體制及單通道滑動聚束/馬賽克拼接體制。

方位向多通道體制采用一個小孔徑天線發(fā)射,方位向采用多個通道接收回波的方式,通過方位向多通道重構(gòu)降低了系統(tǒng)實際工作的PRF,增加觀測帶寬。

數(shù)字陣列體制是高分寬幅SAR的一個重要技術(shù)方向,其中方位向單發(fā)多收結(jié)合距離向一維DBF體制是當前最具可實現(xiàn)性的技術(shù)體制。該技術(shù)體制通過在方位向上將雷達分成多個孔徑,同時將方位向單發(fā)多收與距離向DBF相結(jié)合,距離向利用多通道DBF掃描接收處理,以部分彌補由于發(fā)射孔徑減小導致的增益損失。同時,距離向DBF技術(shù)還可以通過距離向的波束賦形以及一定的零點指向技術(shù)有效抑制距離模糊。

然而,上述的兩種技術(shù)體制都存在著方位向發(fā)射孔徑較小的缺點,要滿足系統(tǒng)的靈敏度性能指標,就需要增大發(fā)射功率,這會增大對平臺的功耗需求。對中軌SAR系統(tǒng)來說,由于軌道高度高,作用距離遠,系統(tǒng)功耗需求非常大,要依靠發(fā)射功率來補償發(fā)射天線展寬帶來的增益損失,系統(tǒng)功耗代價非常大,遠超出平臺供電能力。

單通道滑動聚束/馬賽克拼接體制以方位向大角度掃描為代價,通過增加目標的合成孔徑時間提高目標方位向分辨率。在可選距離向觀測帶寬度滿足斑馬圖限制的條件下,采用單通道滑動聚束體制,可以在不減小天線增益的情況下,實現(xiàn)分辨率和觀測帶指標。對中軌SAR系統(tǒng)來說,因軌道高度提升,斑馬圖對觀測幅寬的限制大大降低,因此,選用單通道體制從指標可實現(xiàn)性、系統(tǒng)代價及費效比多方面來看,皆是更優(yōu)的選擇。

1.4 天線尺寸設計

天線尺寸設計是星載SAR最為重要的設計內(nèi)容之一,它與有效載荷系統(tǒng)的功率孔徑積設計直接相關(guān),直接決定了SAR系統(tǒng)靈敏度和圖像質(zhì)量指標。

為滿足系統(tǒng)距離向和方位向模糊度要求,天線最小不模糊面積限制[5]為

式中,k=4～8,λ為工作波長,Vst為衛(wèi)星運行速度,R為作用距離,θ為入射角。可以看出,天線最小不模糊面積和衛(wèi)星軌道高度、工作頻率密切相關(guān)。圖2給出了軌道高度3 500km條件下,C波段系統(tǒng)的最小不模糊面積曲線。

對星載SAR天線口徑設計來說,天線最小不模糊面積是系統(tǒng)設計過程中的一個參考值,并不是嚴格的限制條件。實際設計過程中,天線尺寸的設計值應保證各項關(guān)鍵指標的實現(xiàn),同時,還要充分考慮平臺體積、重量、功耗包絡。

圖2 最小不模糊面積

1.5 空間分辨率

中軌SAR的地距分辨率和低軌SAR類似,即

式中,B為信號帶寬,θ為入射角,kr為展寬系數(shù)。

中軌SAR的方位向分辨率與低軌SAR有較大的差異。由于軌道高度和地球半徑類似,不能忽略衛(wèi)星速度和波束腳印速度之差。因此,即使方位向波束不進行掃描,在成像過程中也存在著一定的聚束效應。經(jīng)推導,在條帶模式下,中軌SAR的方位分辨率可表示為

式中,Re為地球半徑,H為軌道高度,θ為入射角,La為方位向天線長度,ka為加權(quán)帶來的展寬系數(shù)。而當方位向波束掃描時,方位向分辨率取決于波束腳印速度和衛(wèi)星地速的比值。

1.6 波位選擇

中軌SAR的波位選擇和低軌SAR類似,同樣要考慮發(fā)射遮擋、星下點回波干擾等因素。中軌SAR由于衛(wèi)星運動速度慢,多普勒帶寬比低軌SAR窄,且天線口徑要遠大于低軌SAR。因此,對中軌SAR來說,PRF值要遠低于低軌SAR,同樣地,可選的觀測帶寬度也要遠大于低軌SAR。因此,中軌SAR在寬覆蓋成像上具有更大的應用潛力。

2 高分辨率寬覆蓋中軌SAR關(guān)鍵技術(shù)

由上節(jié)分析可以看出,中軌SAR系統(tǒng)特性與低軌SAR有較大的不同。軌道的提升在提升觀測能力的同時也給中軌SAR系統(tǒng)實現(xiàn)帶來了特殊的難點。

2.1 距離模糊抑制技術(shù)

中軌SAR因運行軌道高,天線波束范圍對應的范圍相對較寬,以本文提出的3 500km的軌道高度為例,在50°以上的入射角條件下,1.5°波束寬度對應的斜距變化范圍約150km,很有可能模糊信號也處在波束主瓣的范圍內(nèi),距離模糊相對于低軌SAR有較大的惡化。

針對此問題,本文提出了一種采用波束賦形的方法壓低模糊區(qū)的副瓣以抑制距離模糊的方法。在遠端波位上,對接收天線方向圖加權(quán)進行最佳設計,使天線波束中心對應有效觀測區(qū)域,而使天線零點范圍對應模糊帶視角范圍。根據(jù)距離模糊的位置,產(chǎn)生寬零點的天線方向圖,有效抑制距離模糊。

下面以入射角50°,波束寬度1.3°的波位為例,圖3所示的是賦形前后的方向圖變化,圖4所示的是通過距離向接收波束賦形,可以改善距離模糊約5 dB。

圖3 賦形前后的方向圖變化

圖4 模糊抑制前后的距離模糊曲線

2.2 中軌SAR高分辨率成像處理技術(shù)

中軌衛(wèi)星存在較高的軌道高度,衛(wèi)星運行速度較慢,高分辨率成像條件下,信號模型與傳統(tǒng)低軌SAR系統(tǒng)有很大差別,主要體現(xiàn)在以下方面[6]:

1)高分辨率成像合成孔徑時間較長。長合成孔徑時間內(nèi)衛(wèi)星軌道彎曲特性不能忽略,因此基于直線軌跡的SAR成像處理方法不再適用。

2)高的軌道高度使其回波延時較低軌衛(wèi)星長,在回波傳播過程中的衛(wèi)星運動不能忽略,傳統(tǒng)的“一步一?！奔僭O不再成立。

對中軌SAR成像來說,上述兩個特點使得整個區(qū)域的成像存在空變相位的影響,而傳統(tǒng)的頻域成像方法很難解決方位向空變的問題。此外,滑動聚束模式帶來的方位向斜視將引入距離、方位的強耦合,增大成像的難度。

針對上述問題,提出了一種基于BP算法的時域成像算法,該方法不受斜視角的限制,只要平臺的位置準確已知,適用于平臺任意運動的SAR成像。而且,還可以很方便地考慮“一步一?！奔僭O不成立,以及成像參數(shù)隨距離和方位變化的情況[7]。圖5所示的是該算法的工作流程圖。

圖5 BP算法流程圖

2.3 輕量化大口徑有源相控陣天線技術(shù)

根據(jù)上述分析,輕量化、大功率有源相控陣天線是實現(xiàn)中軌SAR系統(tǒng)的關(guān)鍵,天線一方面要滿足系統(tǒng)兩維掃描和工作帶寬要求,還要滿足運載和平臺效費比要求。為同時滿足這方面要求,天線的重量、功耗、熱設計等面臨極大挑戰(zhàn)。大口徑兩維掃描天線的實時延時補償技術(shù)也極具挑戰(zhàn)。必須基于中軌SAR系統(tǒng)的全新需求,開展高集成的輕量化大口徑兩維掃描有源相控陣天線研究。天線實現(xiàn)的難點在于:

1)大面積輕量化天線陣面的設計與制造。為了實現(xiàn)超大口徑天線輻射陣面的輕量化,輕薄型天線輻射陣面的研制是天線設計的重要任務,需針對天線單元形式、材料、結(jié)構(gòu)、熱控和安裝支撐機構(gòu)等因素進行綜合優(yōu)化,實現(xiàn)陣面輕量化的同時保證天線陣面的平面度。

2)高集成度一體化模塊設計與集成技術(shù)。為實現(xiàn)天線的低剖面、輕量化,需對傳統(tǒng)的有源相控陣天線架構(gòu)進行大幅改進,用新型的瓦片結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的磚塊式結(jié)構(gòu),將輻射陣面、結(jié)構(gòu)支撐層、高集成饋電網(wǎng)絡、熱控層以及有源器件層設計為片式結(jié)構(gòu),通過高密度的互聯(lián)方式集成起來,減輕天線重量。

2.4 空間環(huán)境適應性設計技術(shù)

中軌SAR的另一大問題是空間環(huán)境適應性設計問題。中軌的空間輻射環(huán)境和低軌有很大差別,空間輻射環(huán)境也是系統(tǒng)方案設計的一大制約。

首先,中軌SAR的熱環(huán)境與低軌SAR有很大差別,由于衛(wèi)星運行速度相對較慢,運行一圈約4～5 h,衛(wèi)星暴露在日照環(huán)境下的時間是低軌SAR的6～7倍,天線熱控難度加大。

其次,中軌SAR的輻照環(huán)境要比低軌SAR惡劣得多,研究表明,在中軌上,總粒子劑量要遠高于低軌,在系統(tǒng)設計時要考慮元器件在軌期間的輻照總劑量問題。

3 結(jié)束語

中軌SAR作為低軌SAR和高軌SAR的折中,具有觀測范圍廣、時間分辨率高的特點,是極具應用前景的新型SAR系統(tǒng)。本文對中軌SAR的概念、系統(tǒng)設計進行了研究,并討論了中軌SAR的關(guān)鍵技術(shù)問題,為中軌SAR系統(tǒng)研究提供參考。

[1]HOBBS S,MITCHELL C,FORTE B,et al.System Design for Geosynchronous Synthetic Aperture Radar Missions[J].IEEE Trans on Geoscience and Remote Sensing,2014,52(12):7750-7763.

[2]MATAR J,LOPEZ-DEKKER P,KRIEGER G.Potentials and Limitations of MEO SAR[C]∥11th European Conference on Synthetic Aperture Radar,Hamburger,Germany:VDE,2016:1035-1039.

[3]CHEN C W,MOUSSESSIAN A.MEO SAR System Concepts and Technologies for Earth Remote Sensing[C]∥Space 2004 Conference and Exhibit,San Diego,CA:AIAA,2004:1-6.

[4]ANDREA M G,CHENG H.Geosynchronous and Geostationary SAR:Face to Face Comparison[C]∥11th European Conference on Synthetic Aperture Radar,Hamburger,Germany:VDE,2016:714-717.

[5]TOMIYASU K,PACELLI J L.Synthetic Aperture Radar Imaging from an Inclined Geosynchronous Orbit[J].IEEE Trans on Geoscience and Remote Sensing,1983,21(3):324-329.

[6]FREEMAN A,JOHNSON W T K,HUNEYCUTT B,et al.The“Myth”of the MinimumSAR Antenna Area Constraint[J].IEEE Trans on Geoscience and Remote Sensing,2000,38(1):320-324.

[7]鄭經(jīng)波,宋紅軍,尚秀芹,等.地球同步軌道星載SAR多普勒特性分析[J].電子與信息學報,2011,33(4):810-815.

[8]魯加國,鐘雪蓮,陳仁元.“一步一?！奔僭O不成立時的星載聚束SAR成像[J].雷達科學與技術(shù),2015,13(5):449-456.LU Jiaguo,ZHONG Xuelian,CHEN Renyuan.Very-High-Resolution Spaceborne Spotlight SAR Imaging with the “Stop-and-Go”Assumption Invalid[J].Radar Science and Technology,2015,13(5):449-456.(in Chinese)

Investigation on MeoSAR System Design and Key Techniques

TAN Lulu1,2,SHENG Lei1,2
(1.The38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Hefei230088,China;2.Key Laboratory of Aperture Array and Space Application,Hefei230088,China)

MeoSAR is the spaceborne SAR with orbit height between 3 000km and 10 000km.MeoSAR is a compromise between GeoSAR and LeoSAR for its powerful observation capability and less challenging technology difficulties.It is very promising for earth observation.Concepts and system design considerations of MeoSAR are investigated and some technology challenges are discussed.A range ambiguity suppression method based on antenna shaping and a high precision time-domain imaging algorithm are proposed.Moreover,the difficulties of antenna design and space environment adaptability are discussed.The investigation can be referenced for the MeoSAR system design and applications.

MeoSAR;high resolution wide swath;system design;ambiguity suppression;imaging algorithm

TN958

A

1672-2337(2017)02-0148-05

10.3969/j.issn.1672-2337.2017.02.007

2016-12-28;

2017-02-20

談璐璐女,1984年生于安徽安慶,高級工程師,主要研究方向為星載SAR系統(tǒng)設計。

E-mail:sparrow_84@163.com

盛 磊男,1975年生,安徽合肥人,研究員,主要研究方向為星載SAR系統(tǒng)設計。