張潤寧 王旭瑩 王志斌

(中國空間技術研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

合成孔徑雷達(SAR)[1]通過對距離向和方位向的回波信號進行匹配濾波來實現(xiàn)目標場景的高分辨率成像，距離向通過發(fā)射大帶寬信號并進行脈沖壓縮來獲得距離向高分辨率，方位向通過SAR平臺與目標之間的相對運動，利用合成孔徑處理使得目標回波在合成孔徑時間內(nèi)實現(xiàn)相干疊加，等效為一個長孔徑天線產(chǎn)生的回波，從而提高方位向分辨率。SAR載荷可以搭載在衛(wèi)星等平臺上，實現(xiàn)全球范圍觀測成像。我國于2012年成功發(fā)射了首顆基于反射面體制天線的S頻段SAR衛(wèi)星——環(huán)境-1C(HJ-1C)衛(wèi)星[2]，于2016年成功發(fā)射了基于相控陣體制天線的世界上成像模式最多的C頻段多極化SAR衛(wèi)星——高分三號(GF-3)衛(wèi)星[3]。

在SAR技術的發(fā)展過程中，高分辨率和寬測繪帶始終是驅動其發(fā)展的兩個重要因素。一方面，我們期望SAR具有很高的分辨率以獲得更多的目標細節(jié)信息；另一方面同時期望SAR可以對場景目標進行大范圍觀測[4]。高分辨率意味著可以更快地發(fā)現(xiàn)、識別、確認、描述目標信息或者更準確地判定目標位置。例如，為了對海面艦船、機場等大型目標進行識別，需要SAR圖像分辨率優(yōu)于1 m[5]；在未來對地觀測應用中，通常要求SAR具有全球連續(xù)覆蓋的能力，提供更為廣闊的視野，這對于SAR動態(tài)監(jiān)視快速變化的目標具有重要意義，例如大范圍地圖測繪、海洋及冰川監(jiān)測等。

可實現(xiàn)對地高分辨率成像(如分辨率優(yōu)于1 m)的同時，獲取大范圍成像幅寬(如測繪帶寬達到100 km以上)的高分寬幅SAR，更能適應未來對地遙感應用的需求。所以，高分寬幅SAR技術是未來星載SAR技術的一個極其重要的發(fā)展方向。

本文圍繞星載高分寬幅SAR技術發(fā)展趨勢展開分析，首先分析了高分寬幅SAR成像約束，指出傳統(tǒng)星載SAR無法同時實現(xiàn)方位向高分辨率和距離向寬測繪帶；接著論述了從傳統(tǒng)成像體制到高分寬幅SAR成像新體制的發(fā)展趨勢，表明新體制可以很好地解決高分和寬幅之間的矛盾；然后對高分寬幅SAR成像新體制所涉及的關鍵技術進行了梳理，并分析了高分寬幅SAR成像對衛(wèi)星平臺支撐能力的需求；最后，對星載高分寬幅SAR技術發(fā)展趨勢進行了展望。

1 高分寬幅SAR成像約束

傳統(tǒng)條帶SAR系統(tǒng)的理論方位分辨率為天線方位向尺寸的一半，因此減小方位向天線的尺寸能夠提高方位向分辨率。同時，通過減小天線俯仰向的尺寸獲得寬波束從而提高距離向測繪帶寬度。但是天線的方位向和距離向尺寸不能無限減小，為滿足一定的性能指標，SAR天線面積存在一個最小極限，小于這個天線面積的SAR將不能正常工作。SAR天線面積需滿足

(1)

式中：Vs為衛(wèi)星平臺飛行速度；R0為雷達波束中心斜距；β為俯仰向波束角；λ為波長；c為光速。最小天線面積與成像帶位置、SAR波長、衛(wèi)星平臺速度等參數(shù)有關。當這些參數(shù)確定以后，所需的天線最小面積也就確定了。這意味著在滿足天線最小面積約束的條件下，為了實現(xiàn)寬測繪帶，需要較小的天線俯仰向尺寸，這將導致較大的方位向尺寸和較低的方位分辨率，反之亦然。

2 傳統(tǒng)高分寬幅SAR成像體制

為了緩和傳統(tǒng)單孔徑SAR系統(tǒng)高分辨率和寬測繪帶之間的固有限制，使其滿足不同的應用需求，國內(nèi)外學者提出了針對高分辨率和寬測繪帶的各種成像模式[6]，包括掃描、漸進掃描(TOPS)、聚束、滑動聚束和馬賽克等。掃描模式降低了每個子測繪帶的有效合成孔徑時間，以方位分辨率降低為代價獲得寬測繪帶，但是存在扇貝效應；TOPS工作模式可以克服扇貝效應，獲得與掃描模式相同的寬測繪帶；聚束模式通過較長的方位合成孔徑時間，實現(xiàn)小場景的方位高分辨率成像；滑動聚束模式的方位分辨率優(yōu)于條帶模式，且方位向成像范圍大于聚束模式；馬賽克模式是一種行之有效的高分寬幅成像模式，但其相對于聚束/滑動聚束模式而言犧牲了方位向的分辨率，且方位向成像范圍受限。這些工作模式都僅在一定程度上解決了距離寬測繪帶和方位高分辨率之間的矛盾，要么通過犧牲方位分辨率來提升測繪帶寬度，要么在保證測繪帶寬度的同時通過犧牲測繪帶長度來提升方位分辨率。因此，傳統(tǒng)單通道SAR無法很好地在高分辨率和大測繪面積間實現(xiàn)統(tǒng)一。

3 高分寬幅SAR成像新體制

針對高分辨率和寬測繪帶，雖然提出了各類工作模式，但仍需要新體制SAR技術來滿足未來星載SAR系統(tǒng)同時實現(xiàn)高分辨率和寬測繪帶的應用需求。圖1所示為高分寬幅SAR體制的發(fā)展趨勢，由傳統(tǒng)的條帶、聚束/滑動聚束、掃描/TOPS模式向基于相控陣/反射面的多通道[7-8]、變參數(shù)(PRF)[9]、多發(fā)多收(MIMO)[10]等新體制發(fā)展，這些體制可以克服傳統(tǒng)SAR的局限性，從而同時實現(xiàn)高分辨率和寬測繪帶成像。這些新的技術體制不是孤立發(fā)展的，而是逐步融合，相互滲透。

圖1 高分寬幅SAR發(fā)展趨勢

3.1 基于相控陣的多通道體制

文獻[11]最初提出利用多通道技術解決高分辨率和寬測繪帶之間的矛盾，包括俯仰向多波束(MEB)和方位向多波束(MAB)。俯仰向多波束SAR將距離向寬測繪帶劃分為多個子測繪帶，利用不同俯仰向的子接收天線同時接收不同子測繪帶的回波，從而可以以較高的脈沖重復頻率(PRF)實現(xiàn)寬測繪帶回波接收，最終實現(xiàn)高分寬幅成像，如圖2(a)所示。該模式的不足在于所有子測繪帶均采用相同的方位向采樣率，為了避開發(fā)射脈沖干擾導致距離向出現(xiàn)盲區(qū)，所獲得的寬測繪帶是不連續(xù)的；此外，各個子測繪帶回波之間存在相互干擾，將會惡化距離模糊。

方位向多波束SAR包括單相位中心(SPC)和偏置相位中心(DPC)兩種體制。單相位中心方位向多波束SAR將方位向多普勒帶寬劃分為多個子多普勒帶寬，利用不同方位向子天線接收不同子多普勒帶寬的回波，PRF值只需大于單個子多普勒帶寬即可，從而降低了方位采樣率，對各子天線回波的多普勒帶寬進行頻移和拼接即可合成完整的方位向回波，實現(xiàn)高分寬幅成像，如圖2(b)所示。該模式的不足在于各個子接收天線波束之間存在嚴重的旁瓣干擾，會惡化方位模糊。偏置相位中心方位向多波束SAR基于相位中心偏置天線技術，通過使用沿方位向均勻分布的多個接收通道同時接收回波信號以增加等效方位采樣率，保證高分辨率成像，同時使用較低的PRF提高成像測繪帶寬，從而實現(xiàn)高分寬幅成像[11]，如圖2(c)所示。該模式的不足在于方位向必須滿足均勻采樣的條件才能獲得高分寬幅成像，因此對接收通道間距、雷達平臺速度和PRF之間的關系有著嚴格的要求。

文獻[12]基于兩維多波束技術提出了一種新型高分寬幅SAR系統(tǒng)，如圖2(d)所示。該模式采用單獨的發(fā)射天線產(chǎn)生覆蓋距離向和方位向的寬發(fā)射波束，接收時采用距離向和方位向多通道接收回波。方位向天線采用偏置相位中心方位向多波束技術提高等效方位向采樣數(shù)目以獲得無模糊多普勒譜，每個方位向天線均包含多個俯仰向子天線，通過俯仰向波束由近及遠的掃描接收提高回波信號增益，抑制距離模糊。該模式的不足在于受到偏置相位中心方位向多波束模式的影響，當方位向非均勻采樣時成像質(zhì)量下降；此外，成像場景中較大的地形起伏會導致俯仰向掃描接收波束指向錯誤，距離模糊抑制效果不理想。

圖2 多通道技術工作原理

3.2 基于反射面的多通道體制

除了平面相控陣天線外，反射面天線也可用于多波束的產(chǎn)生及掃描。反射面天線具有體積小、質(zhì)量輕、易展開、造價低、增益高等特點。與平面相控陣天線相比其主要的優(yōu)勢在于通過大型輕質(zhì)可折疊網(wǎng)狀反射器可以很容易地實現(xiàn)高增益、低副瓣和色散小的特性。

文獻[13]首次提出了將反射面天線與數(shù)字饋電陣列相結合的概念。德國宇航中心(DLR)對反射面體制進行了詳細研究，文獻[13]基于反射面天線提出了一種采用數(shù)字波束形成(DBF)的星載SAR系統(tǒng)，如圖3所示。為了保證較高的方位分辨率，通常使用較高的PRF。對于高PRF，整個測繪帶被照射，而來自測繪帶不同部分的信號由不同的饋電單元接收。發(fā)射時，激活所有饋電單元將產(chǎn)生一窄波束照射反射器的一小部分，并由此產(chǎn)生一束寬的低增益波束照射整個測繪帶；接收時，從地面一小部分返回的能量照射整個反射器，并聚焦在饋電孔徑的個別單元上。這種體制具有以下主要優(yōu)點：首先，在同樣成像參數(shù)的條件下，由于采用了窄波束高增益天線接收，可以減少2/3～3/4的發(fā)射功率；其次，可以以較低的距離模糊水平實現(xiàn)高分寬幅成像。

圖3 反射面天線的數(shù)字波束形成

L頻段Tandem-L衛(wèi)星采用這種體制實現(xiàn)成像性能增強的同時，不會過度增加雷達設備的復雜性和成本。該體制面臨的一個主要問題是基于DBF技術計算的不同時間尺度下潛在的大型可展開反射器(LDR)畸變對接收波束的影響。文獻[14]基于Tandem-L系統(tǒng)的幾何結構，討論了LDR表面畸變對最大波束增益和波束指向的影響，研究發(fā)現(xiàn)空間LDR部署的不確定性有顯著影響，而軌道間熱畸變對計算的接收波束的增益和指向影響不大。

3.3 變參數(shù)(PRF)體制

傳統(tǒng)條帶模式由于發(fā)射干擾導致距離向出現(xiàn)盲區(qū)，無法實現(xiàn)連續(xù)測繪，該問題可以通過一種新方法來解決，該方法以連續(xù)變化的PRF來工作，如圖4所示。當雷達發(fā)射脈沖的PRF固定時，盲區(qū)位置固定不變；當PRF變化時，盲區(qū)位置沿距離向發(fā)生變化。PRF變化越快，對目標位置的變化越不敏感，因此可以利用變化的PRF將盲區(qū)分散在整個成像帶寬內(nèi)，克服盲區(qū)對多個子測繪帶的分割，從而實現(xiàn)距離幅寬的大幅擴展，結合斜視聚束/滑動聚束模式能夠實現(xiàn)高分寬幅成像[15]。在此方法中，短變化周期內(nèi)必須考慮由PRF周期性變化導致SAR脈沖響應中產(chǎn)生柵瓣的問題。

圖4 變PRF體制示意圖

Staggered SAR模式基于反射面天線體制，使用俯仰維多波束和連續(xù)變化的PRF，結合DBF技術來實現(xiàn)寬測繪帶高分辨率成像。在Tandem-L衛(wèi)星的Staggered SAR模式中，脈沖重復間隔(PRI)連續(xù)變化保證獲得方位方向上的兩個連續(xù)樣本。這樣，在方位適度過采樣的情況下，可以在均勻網(wǎng)格上精確內(nèi)插數(shù)據(jù)，并獲得寬連續(xù)測繪帶上的高分辨率SAR圖像。

3.4 多輸入多輸出(MIMO)體制

MIMO SAR采用多個收發(fā)天線進行發(fā)射和接收可獲得多于天線實際孔徑數(shù)目的等效相位中心，提高了等效采樣率，在不犧牲幅寬的情況下提高方位向分辨率，突破了傳統(tǒng)單通道SAR系統(tǒng)方位高分辨率和距離寬測繪帶的限制。MIMO SAR按照收發(fā)通道是否位于同一運動平臺可分為分布式和緊湊式，如圖5所示。分布式MIMO SAR意味著收發(fā)通道位于不同的運動平臺，且相距較遠，各通道信號近似不相關。緊湊式MIMO SAR則指收發(fā)通道位于同一運動平臺，且相距較近，各通道信號相關性很強。

圖5 MIMO SAR分類示意圖

MIMO體制對編隊衛(wèi)星或多基地衛(wèi)星及其載荷的時間、空間、相位三同步提出了較高的要求，此外，需要解決的SAR載荷關鍵問題主要是發(fā)射波形設計和回波信號分離。文獻[16]提出了多維波形編碼的概念，即發(fā)射波形應該在空間和時間上進行編碼，從而成為空間和時間變量的聯(lián)合函數(shù)，隨后又提出利用短時移位正交波形實現(xiàn)波形分離的方案。

3.5 分布式星載SAR體制

文獻[16]首次提出了分布式星載SAR體制實現(xiàn)高分寬幅成像，如圖6所示。該體制使用不同的發(fā)射和接收天線，這些天線安裝在不同的衛(wèi)星平臺上。發(fā)射機和接收機這種空間分離的特點將會增加未來SAR任務的能力、可靠性和靈活性，通過使用長發(fā)射脈沖或調(diào)頻連續(xù)波避免了寬測繪帶產(chǎn)生間隙，降低了峰值功率的要求和/或提高了雷達的靈敏度。

圖6 分布式星載SAR體制示意圖

通過將各個接收機信號進行相干組合，使得系統(tǒng)PRF降低而不會影響方位模糊。不同衛(wèi)星平臺對同一目標區(qū)域成像時，視角是不同的，頻譜具有一定的相對偏移，通過將各平臺接收信號在距離向或方位向進行合成，可形成距離向大帶寬、方位向大多普勒帶寬的信號，以實現(xiàn)高分辨率成像，利用較低的方位采樣率實現(xiàn)高分辨率寬測繪帶成像。該體制可采用全有源或半有源配置：全有源配置下，星載SAR均具有發(fā)射和接收能力，如多基地的21世紀技術衛(wèi)星(TechSat 21)；半有源配置將有源發(fā)射機和一個或多個無源接收機相結合，如干涉車輪(Cartwheel)計劃雙/多基地SAR的分布式將允許有效載荷容納在低成本的微型衛(wèi)星上。衛(wèi)星星座可以采用模塊化設計，主要構件的可重復使用可以縮短開發(fā)時間、提高可靠性并降低成本。最終目標是一個高度可重構和可擴展的衛(wèi)星星座，用于實現(xiàn)高分寬幅成像、運動目標檢測、多基線干涉測量等。

4 高分寬幅SAR成像關鍵技術

在上述的多通道、變PRF等高分寬幅成像新體制中，為了實現(xiàn)聚焦成像，必須保證信號收發(fā)幅相一致性和穩(wěn)定性，此時，不僅需要星上各通道間具有較高的一致性，而且要求地面處理系統(tǒng)能夠實現(xiàn)精確的誤差補償，以確保實現(xiàn)聚焦成像。因此，本文主要對星載SAR成像幾何模型、從星上DBF技術到天線技術以及相關的信號處理等關鍵技術進行梳理。

4.1 星載SAR成像幾何模型

星載SAR的運動幾何相較于機載SAR更加復雜，彎曲的衛(wèi)星軌道和地球自轉均會影響星載SAR成像幾何模型的建立。對于方位向高分辨率星載SAR系統(tǒng)而言，較長的合成孔徑時間受到彎曲衛(wèi)星軌道和地球自轉更加顯著的影響，因此需要根據(jù)衛(wèi)星軌道建立合適的星載SAR成像幾何模型與相應的成像處理算法。對于距離向高分辨率星載SAR系統(tǒng)而言，信號帶寬越大，相應的距離分辨率越高，但信號帶寬的增加將會受到模數(shù)轉換器轉換速率極限的限制，因此星載SAR系統(tǒng)實現(xiàn)距離向高分辨率的關鍵問題是大帶寬信號的產(chǎn)生與接收。

4.2 DBF技術

DBF是高分寬幅成像支撐技術之一，在這種系統(tǒng)中，模擬接收機硬件被數(shù)字部件所取代，不需要通過T/R模塊進行模擬相位和幅度控制，從而大大降低了天線質(zhì)量和成本。此外，DBF接收的各個通道回波信號分別在射頻端被放大、降采樣和數(shù)字化，并在數(shù)字域進行加權處理形成多個接收波束。該技術極大提高了系統(tǒng)的靈活度和穩(wěn)定度，增加了動態(tài)范圍。但數(shù)字化處理需要各個接收單元都有一個數(shù)字接收機，顯著增加了處理數(shù)據(jù)量。

4.2.1 俯仰向DBF

俯仰向DBF是星載SAR實現(xiàn)高分寬幅成像的關鍵技術。俯仰向DBF產(chǎn)生照射整個成像區(qū)域的寬發(fā)射波束，通過組合子孔徑接收的信號自適應地合成跟蹤地面回波的高增益窄接收波束，以增加系統(tǒng)信噪比，補償?shù)驮鲆姘l(fā)射天線損耗，并具有抑制距離模糊的優(yōu)點。在每個時刻，通過組合子孔徑接收的信號自適應地合成接收波束，從而實現(xiàn)接收端高增益窄波束、波束掃描、低旁瓣波束和零點指向等功能。俯仰向DBF需要在星上預先處理俯仰向多通道數(shù)據(jù)，在處理過程中將會占用大量數(shù)據(jù)處理資源，因此，高效高精度實時DBF處理是實現(xiàn)星上DBF的關鍵。

4.2.2 方位向DBF

通過將線性饋電陣列擴展到二維，DBF原理也可以應用于SAR信號的方位譜。沿航方向的多個相位中心可提高方位分辨率，同時需要分別記錄來自每個方位通道的數(shù)據(jù)以進行地面處理。本文主要介紹針對反射面系統(tǒng)的方位向DBF，方位多通道反射器系統(tǒng)需要沿航向布置多個饋源，每個饋電單元覆蓋的多普勒譜不與其他單元重疊。PRF必須足夠高，以便對每個通道進行足夠的空間采樣。這是由平臺速度(V)和反射器直徑(D)之間的關系PRF>2V/D近似給出的。實際上，基于反射器的系統(tǒng)可以在高PRF值下工作，這使得多普勒頻譜過采樣，如何降低數(shù)據(jù)速率是需要解決的關鍵問題。

4.3 天線技術

星載高分寬幅SAR系統(tǒng)給傳統(tǒng)的天線技術帶來挑戰(zhàn)，新體制SAR為了同時實現(xiàn)方位向高分辨率和距離向寬測繪帶，往往要求天線在距離/方位向具有多個收發(fā)通道。星載SAR天線主要有相控陣天線和反射面天線兩種體制。高分寬幅成像需要相控陣天線具有靈活可控的二維電掃能力，主要包括波束掃描速度和波束指向精度等。隨著SAR任務的復雜度增加，相控陣天線通道數(shù)在方位向和距離向擴展，這將進一步增加T/R組件數(shù)量，導致天線整體質(zhì)量和功耗增加，對衛(wèi)星平臺的承載和供電能力提出了更高要求，因此進一步提升T/R組件的效率，并實現(xiàn)輕量化是未來的發(fā)展方向。反射面天線有利于實現(xiàn)良好的波束電氣性能，結合DBF技術的具有高精度波束指向能力的反射面天線有助于改善系統(tǒng)整體性能和后續(xù)成像質(zhì)量。拋物面反射器結合數(shù)字饋電陣列在高分寬幅成像領域是一種有潛力的天線技術，在高分寬幅的應用需求下，如何進一步實現(xiàn)天線的輕量化、高收納比、可靠展開以及數(shù)字饋電性能的提升等是未來天線技術的研究重點與關鍵。在未來星載SAR任務中，根據(jù)衛(wèi)星平臺、天線制造復雜度、成本、性能要求等多方面因素選擇相應的相控陣或反射面天線方案。

4.4 相關信號處理技術

4.4.1 多通道體制下的信號處理技術

1)方位多通道非均勻采樣信號重建

多通道SAR系統(tǒng)以較低的PRF發(fā)射寬波束信號，多個接收通道同時接收回波信號來彌補時間采樣的不足，在保證PRF不變的情況下，提高有效采樣率，從而實現(xiàn)高分寬幅成像。當PRF真實值偏離理想值時，所得到的是非均勻采樣數(shù)據(jù)，若直接對非均勻采樣數(shù)據(jù)進行成像，則會影響圖像聚焦性能。因此，多通道信號均勻化重建是多通道體制實現(xiàn)高分寬幅成像的關鍵技術。多通道信號重建就是將非均勻采樣數(shù)據(jù)重建為均勻采樣數(shù)據(jù)，以便后續(xù)利用傳統(tǒng)單通道SAR成像算法對其進行成像處理。方位多通道與不同的波束掃描相結合其對應的重建方法也不同，為了提高系統(tǒng)成像性能，研究不同工作模式下的多通道重建方法是關鍵。

2)多通道SAR誤差分析

多通道SAR系統(tǒng)在實現(xiàn)高分寬幅成像時，需要對接收信號進行解模糊(信號重建)，這就要求各接收通道特性一致。然而，對于實際的多通道星載SAR系統(tǒng)，由于加工工藝、材料、溫度和輻射等外界因素的影響，各接收通道的特性不可能完全一致。這些誤差通常隨距離和方位變化，主要有時間同步誤差、幅度誤差、相位誤差和位置誤差等。通道誤差將嚴重影響方位向多通道信號重建性能，導致距離向數(shù)字波束形成時波束指向出現(xiàn)偏差，最終惡化多通道高分寬幅SAR系統(tǒng)的成像性能。因此，對多通道SAR系統(tǒng)的通道誤差進行分析，研究通道誤差估計與校準方法和相應的內(nèi)定標技術至關重要。

4.4.2 變PRF體制下的信號處理技術

變PRF體制通過改變脈沖的PRF使得盲區(qū)位置沿距離向發(fā)生變化，結合DBF技術可以實現(xiàn)幅寬的擴展。不同的PRI周期變化將會影響盲區(qū)位置的分布，PRI的掃描周期應該小于合成孔徑時間，PRI的變化間隔應當足夠大以保證盲區(qū)有效分散在在整個測繪帶內(nèi)。此外，在設計PRI變化策略時，最小的PRI應足夠大以保證距離向測繪帶范圍，最大的PRI應足夠小以避免方位模糊。當PRI周期慢變化時，PRI變化間隔減小，盲區(qū)在觀測帶內(nèi)集中分布，導致部分目標回波信號連續(xù)丟失，惡化成像區(qū)域的目標成像結果；當PRI周期快變化時，PRI變化間隔增加，盲區(qū)在觀測帶內(nèi)被分散開，保證了觀測帶內(nèi)所有目標的回波信號不會連續(xù)丟失，提升成像區(qū)域的目標成像質(zhì)量。因此，PRI序列變化策略、PRF變化導致的非均勻采樣數(shù)據(jù)的均勻化重建及盲區(qū)內(nèi)丟失數(shù)據(jù)的恢復等是該體制信號處理中需要解決的關鍵問題。

4.4.3 MIMO體制下的信號處理技術

時間同步、空間同步、相位同步一直是多站雷達的一個技術瓶頸。在MIMO SAR中需要保證多站的不同雷達的主波束指向同一區(qū)域，需要保證多站間的時鐘嚴格同步，為了獲取高質(zhì)量的SAR圖像還需要保證多站間的相位精度足夠高。由于分布式MIMO SAR相互之間的間隔較大，并且運動參數(shù)也具有不確定性，使得同步變得相當困難。為了保證高精度的同步，可能需要在多站間建立復雜的同步鏈。此外，MIMO SAR的回波信號包含測繪帶內(nèi)大量散射體的不定延時的回波，并且散射體強度的動態(tài)方位非常大，由于非理想正交而造成的干擾可能會遮掩弱小的目標，從而降低SAR圖像質(zhì)量、動態(tài)范圍。因此正交波形設計與回波信號分離和由非理想正交因素導致的模糊抑制是MIMO SAR的一個關鍵技術。最后，分布式MIMO SAR由于系統(tǒng)本身復雜度大大增加，信號處理的復雜度也大幅提高。除了上述同步和干擾抑制以外，還必須考慮各種誤差源的估計和補償、建立適合MIMO SAR成像的算法，以及不相干圖像信息的提取、利用和融合。

5 高分寬幅SAR對衛(wèi)星系統(tǒng)的支撐能力需求分析

為了實現(xiàn)高分寬幅成像，衛(wèi)星系統(tǒng)及平臺需根據(jù)SAR載荷的成像體制及特點有相應的保證措施和能力的提升。對單星體制SAR來說，重點涉及數(shù)傳、能源以及姿態(tài)等，對多星體制SAR來說，還會涉及到“三大同步”等保障條件。鑒于篇幅限制，本文只討論了單星體制下的數(shù)傳和能源需求，其它問題將在后續(xù)專題研究中討論。

5.1 數(shù)傳能力需求分析

本質(zhì)上講，高分辨率寬測繪帶對地觀測意味著在特定的成像時間內(nèi)實現(xiàn)大信息量獲取，因此必然對衛(wèi)星數(shù)傳碼速率和數(shù)據(jù)吞吐量提出更高要求。SAR原始數(shù)據(jù)率公式如下

RD=2×B×Q×(Tw/Tp)

(2)

式中：B為雷達信號帶寬；Q為量化比特數(shù)；Tw為成像幅寬對應時間；Tp為脈沖重復周期。

從式(2)可以看出，高分辨率要求較大的B和較小的Tp，寬測繪帶要求較大的Tw，在碼速率一定的約束條件下，高分辨率和寬測繪帶需要折中選擇。在傳統(tǒng)條帶模式下，Tw與Tp之比接近1時，得到最大碼速率，這時將完全取決于距離向分辨率(由帶寬B決定)的要求。

5.2 能源能力需求分析

在特定成像時間內(nèi)同時實現(xiàn)高分辨率寬測繪帶，這也意味著雷達功率和能量需求的增加。增加幅寬將導致天線波束展寬以及增益值下降，天線方向性系數(shù)為

(3)

式中：θa和θe分別為方位向和俯仰向波束寬度，單位為(°)。

從式(3)可以看出，若幅寬增加一倍，波束寬度也增加一倍，增益將會減少1/2。在分辨率要求不變的情況下，由SAR雷達方程中的功率孔徑積因子(PavG2)可知，平均功率需增加6 dB來維持成像性能(NEσ0)的不變，因此，增加幅寬將導致功率需求以二次方的比例增加，代價巨大。此外，平均發(fā)射功率與距離向分辨率成線性約束關系，距離分辨率提升一倍，功率需求也將增加一倍。但是，由于方位分辨率的提升意味著增加合成孔徑時間，從而彌補了高分辨以后分辨單元后向散射有效面積的降低，導致條帶模式中平均發(fā)射功率與方位向分辨率無關。因此，在高分寬幅SAR系統(tǒng)功率需求任務分析時，首先要關注的是成像幅寬和距離分辨率兩個影響功率需求的主要因素。

6 結束語

傳統(tǒng)星載SAR由于最小天線面積的限制，無法同時實現(xiàn)高分寬幅成像。為了實現(xiàn)高分辨率和寬測繪帶，國內(nèi)外學者提出了掃描、TOPS、聚束、滑動聚束等成像體制，但這些體制并沒有從本質(zhì)上解決問題，而是以一個系統(tǒng)性能的降低換取另一性能的提高。隨著基于相控陣/反射面的多通道、變參數(shù)(PRF)、MIMO、分布式星載SAR等成像新體制的逐步發(fā)展，方位向高分辨率和距離向寬測繪帶之間的矛盾得到有效解決。星載高分寬幅SAR新體制中涉及的星載SAR成像幾何模型、DBF技術、天線技術及相關信號處理等關鍵技術的有效解決，為未來星載高分寬幅SAR系統(tǒng)成像性能的提高奠定了基礎。

星載SAR不同的技術體制將分別朝著各自的方向發(fā)展，追求各自極限能力的實現(xiàn)，但是傳統(tǒng)的思路和途徑即將面臨技術的發(fā)展瓶頸。從第6節(jié)的分析可以看出，若繼續(xù)追求分辨率和幅寬的同時提高，必將帶來數(shù)傳碼速率和數(shù)據(jù)容量以及功率能源需求的二次方以上非線性增加。因此，在追求傳統(tǒng)高分寬幅成像的同時，根據(jù)獲取信息場景的特點，比如信息的稀疏特性和目標的多個小區(qū)域、離散分布特性，需要SAR衛(wèi)星具有同一場景內(nèi)不同分辨率成像、壓縮感知稀疏成像和大范圍快速大角度掃描成像等能力。這些新的應用場景不再一味追求傳統(tǒng)意義上的“高分寬幅”，而是根據(jù)實際應用需求來設計和滿足“大場景、局部高分辨率”成像。在各種新技術發(fā)展的基礎上，未來星載高分寬幅SAR系統(tǒng)將朝著更強的系統(tǒng)性能、更靈活的系統(tǒng)配置和工作模式、更廣泛的應用場景等方向發(fā)展。