鄭世超，王 輝，孫志強，孔令振

(1.上海航天技術(shù)研究院 毫米波遙感技術(shù)重點實驗室，北京 100086；2. 上海航天技術(shù)研究院 毫米波遙感技術(shù)重點實驗室，上海 201109)

0 引言

與傳統(tǒng)低頻段合成孔徑雷達(SAR)相比，Ka波段SAR系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：一是分辨率更高。Ka波段可用的帶寬更大，相同波束寬度下天線尺寸更小，因此Ka波段SAR比低頻段SAR容易獲得更高的距離向和方位向分辨率。二是體積更小、重量更輕。Ka波段天線和射頻模塊的尺寸更小，具有體積小的特點。三是目標輪廓效應更加明顯。雷達工作頻段越高，目標輪廓效應越明顯，因此Ka波段目標幾何外形的輪廓能產(chǎn)生更強的回波，有利于獲取清晰的目標細節(jié)。

近幾年，隨著核心功率器件水平的不斷提升，美國、歐洲開始研究Ka波段在SAR領域尤其在干涉SAR領域的應用[1]。與低波段SAR系統(tǒng)相比，Ka波段干涉SAR能以較短的干涉基線獲得相同的干涉測量精度，大幅降低了高精度干涉測量的實現(xiàn)難度[2-3]，能夠在同一系統(tǒng)中實現(xiàn)高精度的順軌干涉與交軌干涉?；谝陨咸攸c，本文提出了1套Ka波段雙模式干涉SAR系統(tǒng)，可用于驗證雙模式干涉SAR的可行性。

該系統(tǒng)在交軌干涉模式下，針對Ka波段電磁波穿透性較弱的特點，重點驗證對水面高度、水流速度的測量能力?？紤]到Ka波段SAR系統(tǒng)的損耗較大，該驗證系統(tǒng)選取較小的工作視角。在小入射角條件下，水面較強的后向散射系數(shù)可大幅降低系統(tǒng)所需的發(fā)射功率與天線增益，且根據(jù)干涉測高原理，小視角更有利于實現(xiàn)更高的干涉測高精度[4-6]。

在順軌干涉模式下，為保證測量精度，該驗證系統(tǒng)選取較大的工作視角[7-8]。采用數(shù)字波束合成掃描接收技術(shù)(DBF-SCORE)滿足在較大工作視角下系統(tǒng)所需的功率增益積[9-10]。

本文對Ka波段雙模式干涉SAR驗證系統(tǒng)進行介紹，并給出該系統(tǒng)的參數(shù)設計與仿真結(jié)果。在此基礎上，對該系統(tǒng)在雙模式下的干涉測量精度進行了仿真分析，為后續(xù)的飛行試驗干涉測量性能提供了理論分析依據(jù)。

1 Ka波段雙模式干涉SAR系統(tǒng)

Ka波段雙模式干涉SAR系統(tǒng)主要由三部分組成：天線子系統(tǒng)、雷達數(shù)字子系統(tǒng)和穩(wěn)定平臺。系統(tǒng)的組成架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System structure

1.1 天線子系統(tǒng)

天線子系統(tǒng)由天線、頻綜接收機、內(nèi)定標器、預功放組成。為了降低天線設計難度，提高天線工作效率，該系統(tǒng)采用天線收發(fā)分置設計。發(fā)射天線尺寸為450.0 mm×33.6 mm，峰值發(fā)射功率為315 W。根據(jù)系統(tǒng)工作模式，接收天線可分為交軌天線和順軌天線兩部分。單副交軌天線陣列口徑為44.8 mm×450.0 mm，2副交軌天線沿距離向間隔排布，形成224 mm的交軌基線；單副順軌天線陣列口徑為89.6 mm×225.0 mm，2副順軌天線沿方位向間隔排布，形成225 mm的順軌基線。其中單副順軌陣列沿距離向由4個接收子陣構(gòu)成，每個子陣口徑為22.4 mm×225.0 mm。整個天線的布局如圖2所示。

圖2 天線布局示意圖Fig.2 Antenna architecture

發(fā)射天線仿真的天線方向如圖3所示。

圖3 發(fā)射天線方向圖Fig.3 Transmitting antenna pattern

交軌接收天線仿真得到的天線方向如圖4所示。

圖4 交軌接收天線方向圖Fig.4 Cross-track receiving antenna pattern

順軌接收天線單個子陣仿真得到的方向如圖5所示。

圖5 順軌接收天線方向圖Fig.5 Along-track receiving antenna pattern

1.2 雷達數(shù)字子系統(tǒng)

雷達數(shù)字子系統(tǒng)由監(jiān)控定時器、DBF數(shù)字接收機、雷達配電器組成。其中：DBF數(shù)字接收機主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、預處理、DBF實時處理及存儲等功能，由采集處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、通信接口模塊、主機模塊和電源模塊組成。

該驗證系統(tǒng)在順軌干涉模式下采用4通道DBF-SCORE技術(shù)。為了降低輸出的數(shù)據(jù)率，需要實時進行DBF處理。為滿足該需求，數(shù)字接收機選用Xilinx Virtex-6系列FPGA，將所有的功能模塊集中在單片F(xiàn)PGA中實現(xiàn)，完成所有高速數(shù)據(jù)I/O接口和外部芯片的控制，配合PCIE接口及主機平臺協(xié)同完成高達3.2 GBit/s的持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，并完成數(shù)據(jù)實時信號處理。

1.3 穩(wěn)定平臺

根據(jù)系統(tǒng)干涉測量性能仿真要求，穩(wěn)定平臺及導航系統(tǒng)應滿足姿態(tài)測量精度0.01°、位置精度0.05 m的要求。

高質(zhì)量的SAR成像是高精度干涉測量的前提，該驗證系統(tǒng)選用徠卡PAV80陀螺穩(wěn)定座架，以保證天線波束指向的穩(wěn)定性，減小波束指向不穩(wěn)定對成像質(zhì)量的影響，其垂直于偏流方向的穩(wěn)定精度均優(yōu)于0.02°(RMS)，可以很好地實現(xiàn)雷達波束的高穩(wěn)定度控制。同時，為了降低系統(tǒng)誤差對干涉測量結(jié)果的影響，穩(wěn)定平臺集成了POS AV610高精度慣性導航系統(tǒng)，實時記錄定位定向數(shù)據(jù)并經(jīng)過高效率軟件處理后，獲得了高精度的定位定向數(shù)據(jù)，后處理定位精度為0.05 m,姿態(tài)精度為0.008°。

2 系統(tǒng)參數(shù)及干涉測量精度仿真分析

為了驗證該系統(tǒng)設計及信號處理方法，開展雙模式干涉測量的機載飛行試驗，系統(tǒng)的基本工作模式為條帶模式。飛行試驗的主要參數(shù)見表1。對于機載飛行試驗，模糊度指標很容易滿足要求。因此，在SAR系統(tǒng)參數(shù)設計時重點針對分辨率和等效噪聲系數(shù)(NESZ)指標開展分析。其中：分辨率主要影響干涉測量數(shù)據(jù)的網(wǎng)格大?。籒ESZ指標主要影響系統(tǒng)信噪比，進而影響干涉處理2幅圖像之間的相干性。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 System parameters

2.1 交軌干涉模式

根據(jù)法國太空研究中心的近底視Ka波段數(shù)據(jù)采集實驗結(jié)果可得：當入射角≤15°時，Ka波段的水面后向散射系數(shù)優(yōu)于0 dB。該系統(tǒng)交軌干涉模式下的最大工作視角為13.3°，因此對應的目標后向散射系數(shù)優(yōu)于0 dB，當系統(tǒng)NESZ優(yōu)于-10 dB時，可保證系統(tǒng)獲得足夠高的信噪比和較好的干涉測量結(jié)果。交軌干涉模式工作視角范圍內(nèi)的NESZ仿真結(jié)果如圖6(a)所示。該系統(tǒng)在交軌干涉模式下的方位分辨率優(yōu)于0.3 m。地距分辨率取決于發(fā)射信號帶寬和系統(tǒng)工作視角，該系統(tǒng)在工作視角范圍內(nèi)的地距分辨率仿真結(jié)果如圖6(b)所示。

圖6 系統(tǒng)參數(shù)仿真結(jié)果Fig.6 System parameter simulation results

根據(jù)干涉測高原理，直接影響干涉高程測量精度的因素有5個：飛行高度H、雷達至目標點的作用距離R、基線長度B、基線傾角α和干涉相位φ[5]。在機載飛行試驗中，H由GPS測量信息得到；R通過雷達回波延時測得；B，α通過基線測量系統(tǒng)或間接估計所得；φ由2幅SAR圖像干涉處理獲取。假設各因素不相關，InSAR測高的總均方根誤差(高程測量的絕對精度)可表示為

(1)

式中：σH，σR，σB，σα，σφ分別為飛行高度誤差、斜距誤差、基線長度誤差、基線傾角誤差、干涉相位誤差。其中，前4項誤差可根據(jù)系統(tǒng)所采用的導航系統(tǒng)及穩(wěn)定平臺精度初步確定，基于相應參數(shù)分析其對應的高程測量誤差，并可在處理過程中進行校正，以進一步降低其對最終高程測量結(jié)果的影響。σφ主要取決于主輔圖像的相干系數(shù)和處理過程中選取的多視數(shù)，影響主輔圖像相干系數(shù)的因素主要包括體散射去相干、時間去相干、多普勒去相干、基線去相干、模糊去相干和信噪比去相干。由于該系統(tǒng)采用單次航過單平臺干涉測量，因此體散射去相干和時間去相干的影響可以忽略不計。

基于以上分析，結(jié)合該系統(tǒng)相應工作參數(shù)，對各項誤差導致的高程測量誤差和絕對高程測量精度進行了仿真分析，結(jié)果如圖7所示。在100 m網(wǎng)格條件下，絕對高程測量精度可達到0.5 m。分析各誤差因素的測高誤差貢獻量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：干涉相位誤差和基線誤差是影響高程測量精度的主要因素。

基于以上仿真分析，表2給出了交軌干涉模式下的系統(tǒng)參數(shù)及性能。

2.2 順軌干涉模式

根據(jù)順軌測速原理，目標距離向速度與干涉相位之間的關系為

(2)

式中：λ為波長；φ為干涉相位；vp為平臺速度；B為順軌干涉基線；θ為入射角。由式(2)可見，θ越大，目標距離向速度的測量精度越高。綜合考慮系統(tǒng)代價與測速精度，該驗證系統(tǒng)選取的工作視角為15.6°～28.3°。

圖7 測高誤差貢獻量與絕對測高精度的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of height error contribution and absolute height error

表2 交軌干涉模式系統(tǒng)性能參數(shù)Tab.2 System performance of XTI mode

由雷達后向散射統(tǒng)計數(shù)據(jù)可得：當θ≤30°時，Ka波段水面后向散射系數(shù)優(yōu)于-26 dB。為保證系統(tǒng)信噪比，該系統(tǒng)在順軌干涉模式下的NESZ需優(yōu)于-34 dB[11]。

經(jīng)過天線設計，該系統(tǒng)在順軌干涉模式下的方位分辨率優(yōu)于0.2 m，系統(tǒng)參數(shù)仿真結(jié)果如圖8所示。地距分辨率仿真結(jié)果如圖8(a)所示。根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)仿真得到的NESZ如圖8(b)所示。

圖8 系統(tǒng)參數(shù)仿真結(jié)果Fig.8 System parameter simulation results

根據(jù)系統(tǒng)天線設計，順軌干涉模式下的基線長度為0.225 m，據(jù)此仿真得到10 m網(wǎng)格條件下的目標速度測量精度，如圖9所示。由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于Ka波段的波長短，系統(tǒng)在基線較短、工作視角較小的情況下仍能獲得0.1 m/s的測速精度。

圖9 測速精度仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of velocity measurement accuracy

基于以上仿真分析，給出了順軌干涉模式下的系統(tǒng)參數(shù)及性能，見表3。

表3 順軌干涉模式系統(tǒng)性能參數(shù)Tab.3 System performance of ATI mode

4 結(jié)束語

高精度、高效率測量已成為現(xiàn)代遙感的重要發(fā)展方向。傳統(tǒng)低波段干涉SAR系統(tǒng)所需基線長，難以同時實現(xiàn)交軌干涉測高和順軌干涉測速，不利于高效率干涉測量。Ka波段波長較短，對干涉相位敏感，能以較短的基線獲得高精度的干涉測量結(jié)果。為此，對機載Ka波段雙模式干涉SAR系統(tǒng)開展了研究，對該驗證系統(tǒng)進行了介紹，仿真分析了系統(tǒng)參數(shù)與干涉測量精度，驗證了Ka波段雙模式干涉SAR系統(tǒng)的可行性，為后續(xù)的飛行試驗干涉測量性能提供了理論分析依據(jù)。

由于目前研究主要基于干涉理論，缺乏相應實測數(shù)據(jù)的支撐，因此后續(xù)將根據(jù)飛行試驗獲取的實測數(shù)據(jù)對系統(tǒng)仿真與設計進行進一步驗證。