小型合成孔徑雷達衛(wèi)星技術一瞥

星載合成孔徑雷達（SAR）能夠全天時、全天候地獲取地面目標的高分辨率圖像，在軍事上具有極其重要的應用價值。從合成孔徑雷達衛(wèi)星的發(fā)展過程可以看出，合成孔徑雷達衛(wèi)星從開始的單頻段、單極化、固定入射角、單工作模式，逐漸向多頻段、多極化、多入射角和多工作模式方向發(fā)展，天線也經(jīng)歷了固定波束視角、機械掃描、一維電掃描及二維相控陣的發(fā)展過程。隨著合成孔徑雷達衛(wèi)星的發(fā)展，分辨率等技術指標逐漸提高，衛(wèi)星功能逐漸增強，衛(wèi)星的質量也逐漸增加，使衛(wèi)星的研制和發(fā)射成本也隨之增加，為此，衛(wèi)星的小型化就成為需要解決的問題。隨著技術的進步，元器件的小型化，成像技術的發(fā)展，使衛(wèi)星在保持高性能指標的同時實現(xiàn)小型化成為可能。與大衛(wèi)星相比，小衛(wèi)星的戰(zhàn)場生存能力和快速反應能力要強得多。從已有的小型合成孔徑雷達衛(wèi)星所發(fā)揮的作用來看，其應用的效費比明顯提高，研制費用大幅降低，在軍事和經(jīng)濟上的應用越來越重要。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

小型合成孔徑雷達衛(wèi)星是微波成像衛(wèi)星的主要發(fā)展方向之一。目前，有代表性的小型合成孔徑雷達衛(wèi)星系統(tǒng)有德國“合成孔徑雷達-放大鏡”（SAR-Lupe）衛(wèi)星、以色列“技術合成孔徑雷達”（TecSAR）衛(wèi)星。美國、俄羅斯等傳統(tǒng)軍事強國也在積極開發(fā)和部署小型的合成孔徑雷達衛(wèi)星。

2006年12月發(fā)射的“合成孔徑雷達-放大鏡”衛(wèi)星是德國第一個軍用衛(wèi)星系統(tǒng)，歐洲第一個軍用雷達衛(wèi)星系統(tǒng)，也是當時世界上質量最小的軍用雷達衛(wèi)星。該衛(wèi)星雖然很小，質量僅有770kg，但具有的監(jiān)視能力卻非常強。衛(wèi)星質量的大幅度降低并不意味著指標的大幅度降低，而是技術的進步，元器件的小型化，設備效率的提高和系統(tǒng)方案的優(yōu)化帶來的。“合成孔徑雷達-放大鏡”衛(wèi)星從系統(tǒng)的設計開始就充分考慮衛(wèi)星組網(wǎng)后要對熱點地區(qū)實現(xiàn)高時效性和高分辨率的監(jiān)視，其高分辨率關鍵指標與美國“長曲棍球”（Lacrosse）雷達衛(wèi)星的分辨率相當，而質量只約為“長曲棍球”衛(wèi)星的1/20。

以色列“技術合成孔徑雷達”項目是一項雷達衛(wèi)星星上技術驗證項目，旨在開發(fā)和評估合成孔徑雷達衛(wèi)星獲得高分辨率和大面積覆蓋所需的技術。該系統(tǒng)采用多種工作模式，在滿足質量和體積限制條件下，通過設計新穎的系統(tǒng)和分系統(tǒng)來實現(xiàn)這一目標。“技術合成孔徑雷達”衛(wèi)星的有效載荷能以掃描模式、各種條帶模式和若干聚束模式工作。采用不同的模式有不同的分辨率、覆蓋面積和處理方法。包括燃料在內“技術合成孔徑雷達”衛(wèi)星總質量只有300kg，其中有效載荷質量約100kg。極輕的質量和極小的體積不僅使衛(wèi)星具有高敏捷性，而且也會降低發(fā)射費用，使得以較低費用在較短時間內發(fā)射大量衛(wèi)星以組成星座和星群成為可能。該衛(wèi)星于2008年1月發(fā)射，是以色列的首顆雷達衛(wèi)星，也是目前世界質量最小的雷達衛(wèi)星，其設計壽命為4年，期望壽命可能長達8年。

2 在研衛(wèi)星

英國天體合成孔徑雷達－Lite衛(wèi)星

俄羅斯目前正在建造阿爾康－2、2M（Arkon－2、2M）2顆新型雷達衛(wèi)星。阿爾康－2為多功能雷達衛(wèi)星，可以為聯(lián)邦航天局和商業(yè)客戶提供高分辨率和中分辨率的圖像，衛(wèi)星擁有獨特的三頻段雷達。阿爾康－2M是由拉沃奇金科研生產(chǎn)聯(lián)合體研制的雷達成像小衛(wèi)星，衛(wèi)星質量不到1000kg。阿爾康－2M上載有X、L和P頻段合成孔徑雷達成像儀和兩坐標電子掃描波束相控陣天線。天線的256個收/發(fā)組件工作于L頻段，84個收/發(fā)組件工作于P頻段。L頻段（波長23cm）可以穿透樹葉進行觀測，P頻段（波長69cm）能探測土壤層下面。分辨率：X頻段1～1.5m，L頻段3～5m，P頻段30m。成像帶寬：X頻段2～10km，L頻段20～100km，P頻段100～450km。阿爾康－2衛(wèi)星原計劃2009年發(fā)射，現(xiàn)已推遲到2012年發(fā)射，目前尚未發(fā)射；阿爾康－2M計劃2013年發(fā)射。

英國薩瑞衛(wèi)星技術有限公司（SSTL）和阿斯特留姆公司（Astrium）共同研制的低成本、高性能小型合成孔徑雷達衛(wèi)星星座，該星座由天體合成孔徑雷達（AstroSAR）－Lite和天體合成孔徑雷達－災害監(jiān)測（AstroSAR－DMC）組成。其中，天體合成孔徑雷達－Lite是軍民兩用雷達衛(wèi)星，質量僅為400～500kg，設計壽命5年（目標壽命7年）。采用小傾角軌道，具有多種觀測角度，能夠多次重訪目標，對海上的覆蓋帶較寬。該衛(wèi)星有多種不同的運行模式，并可根據(jù)實時安全狀況快速響應執(zhí)行一系列的偵察監(jiān)視任務、生產(chǎn)大量不同類型的偵察監(jiān)視產(chǎn)品。天體合成孔徑雷達－Lite衛(wèi)星采用聚束模式、條帶模式工作。其獨特的海洋監(jiān)視模式可監(jiān)視900km范圍的海域。英國薩瑞衛(wèi)星技術有限公司研制的新型合成孔徑雷達衛(wèi)星－S（NovaSAR－S）能以等同于一個傳統(tǒng)低成本光學對地觀測任務的成本，為客戶提供天基雷達能力。新型合成孔徑雷達衛(wèi)星－S質量為400kg，衛(wèi)星預計2013年發(fā)射。

英國天體合成孔徑雷達－災害監(jiān)測衛(wèi)星

巴西和德國共同研制的“多應用目的合成孔徑雷達”（MapSAR）衛(wèi)星，質量約529kg，設計壽命4年，衛(wèi)星預計2012年發(fā)射。“多應用目的合成孔徑雷達”衛(wèi)星在設計上體現(xiàn)了小型合成孔徑雷達的創(chuàng)新，采用模塊化設計，星上載有一種輕型、創(chuàng)新性L頻段段合成孔徑雷達，天線采用橢圓形拋物面反射天線。

3 特點分析

隨著器件與合成孔徑雷達系統(tǒng)技術的發(fā)展，合成孔徑雷達衛(wèi)星的小型化不僅是元器件、材料、結構等的小型化與輕量化，更重要的是可通過優(yōu)化系統(tǒng)工作模式與系統(tǒng)技術指標來降低衛(wèi)星的研制難度，從而實現(xiàn)小型化。小型合成孔徑雷達衛(wèi)星的發(fā)展具有4個特點。

衛(wèi)星天線與器件的小型化與輕量化

在雷達衛(wèi)星的方案設計和研制中，采用輕型天線是降低整個衛(wèi)星質量，提高衛(wèi)星性能，降低研制成本的關鍵。有效載荷天線的選擇是影響衛(wèi)星方案和性能的關鍵，輕型高效的天線是降低衛(wèi)星質量的關鍵。天線主要包括兩大類，一類是相控陣天線，另一類是拋物面反射天線。相控陣天線中有代表性的有微帶天線和波導裂縫陣天線，一般情況下微帶天線的效率較低，但質量要輕一些，而波導裂縫陣天線的效率較微帶天線的要高一些，但質量較微帶天線要重一些。相控陣天線的最大優(yōu)點，就是能夠用電子方式控制雷達波束，相控陣天線還有助于消除雜波和抗電子干擾。相反，與相控陣天線相比，反射面天線通常質量較輕，造價也較低，特別是可展開的網(wǎng)狀拋物面天線質量更是輕得多，“技術合成孔徑雷達”衛(wèi)星的整個網(wǎng)狀反射器總質量不到0.5kg。“合成孔徑雷達-放大鏡”衛(wèi)星和“技術合成孔徑雷達”衛(wèi)星的天線沒有采用當今大多數(shù)先進的新型合成孔徑雷達衛(wèi)星所采用的相控陣天線，而是采用了拋物面天線，僅此一項不僅大大減輕了衛(wèi)星的質量，而且大大節(jié)約了系統(tǒng)的研制成本，5顆“合成孔徑雷達-放大鏡”衛(wèi)星的總造價才2.5億歐元。

新型合成孔徑雷達衛(wèi)星－S在軌飛行示意圖

高效太陽電池翼和蓄電池

高效太陽電池翼和蓄電池是減少衛(wèi)星體積，降低衛(wèi)星質量的另外一項關鍵技術。衛(wèi)星巨大的太陽電池翼不僅增大了衛(wèi)星的質量，而且增大了衛(wèi)星的慣性矩，使繞滾動軸轉動困難。衛(wèi)星電源是整個衛(wèi)星工作的主要能量來源。太陽電池技術的最新進展已提高了太陽電池翼的效率，并且降低了其質量，新的電池翼要比現(xiàn)有一代衛(wèi)星上具有同等輸出功率的電池翼更小、更輕。大多數(shù)現(xiàn)有近地軌道衛(wèi)星都采用鎳（鎳鎘或鎳氫）蓄電池。鋰電池每千克質量能夠儲存的電量至少是鎳電池的2倍。鋰電池現(xiàn)在已用到地球同步軌道衛(wèi)星和意大利的“宇宙-地中海”（COSMOSkyMed）近地軌道雷達衛(wèi)星上。衛(wèi)星使用容量足夠大的鋰電池，使得星載雷達在軌每圈以全功率工作的時間更長。同等輸出功率的電池板更小、更輕，可減輕衛(wèi)星的質量，減小衛(wèi)星的慣性矩。

優(yōu)化系統(tǒng)指標技術

根據(jù)衛(wèi)星合理優(yōu)化系統(tǒng)的指標要求是實現(xiàn)衛(wèi)星小型化的重要前提之一。“合成孔徑雷達-放大鏡”衛(wèi)星在方案選擇初期并不追求系統(tǒng)功能的多樣性和各種指標的全面提高，而是僅僅圍繞系統(tǒng)最終的能力和成本優(yōu)化系統(tǒng)設計。同時，也不追求所用技術的先進性，而是注重技術的實用性和成本進行設計。在保持單顆衛(wèi)星的分辨率等關鍵指標的情況下，放寬了衛(wèi)星的其他要求，但是從監(jiān)視效果上看，其所具有的能力并不比幾顆“長曲棍球”衛(wèi)星組網(wǎng)的能力差。“合成孔徑雷達-放大鏡”衛(wèi)星可根據(jù)需要轉動180°，采用左視或右視模式。由此，在衛(wèi)星監(jiān)視中極其重要的圖像分辨率、時間分辨率和系統(tǒng)反應時間等指標，“合成孔徑雷達-放大鏡”衛(wèi)星都得到了很好的實現(xiàn)。另一方面，該系統(tǒng)沒有一味地追求成像工作時間等相對次要的指標，大大降低了系統(tǒng)的研制難度和研制成本。該系統(tǒng)的設計充分體現(xiàn)了合成孔徑雷達成像的特點，充分利用合成孔徑雷達衛(wèi)星系統(tǒng)多個指標之間的密切關系，突出衛(wèi)星的關鍵指標，優(yōu)化系統(tǒng)設計，追求系統(tǒng)在整體上實現(xiàn)最優(yōu)，使全系統(tǒng)在太空監(jiān)視方面具有很高的能力。

優(yōu)化系統(tǒng)工作模式

以色列“技術合成孔徑雷達”衛(wèi)星成像模式

充分利用合成孔徑雷達的原理，優(yōu)化雷達工作模式和系統(tǒng)參數(shù)是使衛(wèi)星小型化的關鍵。一般來講隨著分辨率的提高，地面分辨單元的面積減小，所要求的發(fā)射功率急劇增加，合成孔徑雷達在距離向采用脈沖壓縮的原理獲得高分辨率，在方位向通過天線合成孔徑的原理獲得高分辨率，這就使得我們在雷達的發(fā)射峰值不太高的情況下，可以采用高占空比信號和長的合成孔徑時間獲得高的平均發(fā)射功率，從而達到高的圖像信噪比。合成孔徑雷達衛(wèi)星常用的工作模式有條帶模式（Sripmap）、掃描（ScanSAR）模式、聚束（Spotlight）模式和和鑲嵌（Mosaic）模式等。聚束模式和鑲嵌模式不但克服了分辨率指標和成像幅寬指標的相互制約，而且可充分利用合成孔徑雷達的成像原理優(yōu)化脈沖重復頻率（PRF）等參數(shù)，獲得較長的合成孔徑時間。以色列的“技術合成孔徑雷達”衛(wèi)星就充分利用了這一特點。“技術合成孔徑雷達”衛(wèi)星在系統(tǒng)設計方面也有許多自己的獨到之處，高占空比信號和長的合成孔徑時間就是其系統(tǒng)設計的特點之一。另外，在降低衛(wèi)星質量的同時還要保持衛(wèi)星具有較高的效率，“技術合成孔徑雷達”衛(wèi)星在系統(tǒng)設計上的主要措施：一是采用了質量較輕的拋物面天線等器件；二是平臺的形狀使其繞滾動軸轉動的慣性矩小，因而能提供最大的指向敏捷性；三是充分發(fā)揮衛(wèi)星高敏捷性與電子天線波束控制相結合的作用，充分利用在給定地區(qū)上空典型的8.5min過頂時間，使衛(wèi)星能以多種觀測模式對地面進行高分辨率大面積覆蓋。

4 發(fā)展趨勢

（1） 進一步小型化成為主要趨勢

隨著戰(zhàn)場環(huán)境的變化，大衛(wèi)星逐步暴露出一些明顯的弊端，主要體現(xiàn)于造價高昂、維護不便、應急發(fā)射困難、戰(zhàn)術保障和快速反應能力有限等等。隨著航天技術的發(fā)展，特別是輕型天線技術、集成電路技術和固態(tài)電子器件技術等的發(fā)展大大降低了衛(wèi)星的質量和體積，使性能高、體積小、質量輕和成本低的小星載合成孔徑雷達衛(wèi)星研制成為可能。

集成電路和固態(tài)電子器件降低了中央電子設備的質量和體積，以可展開折疊網(wǎng)狀天線技術和輕型相控陣天線技術為主的輕型天線技術發(fā)展大大降低了天線的質量，大幅度降低了衛(wèi)星有效載荷的質量，從而降低了衛(wèi)星整體和需要攜帶燃料的質量；另一方面高效率太陽電池技術和蓄電池技術的發(fā)展也相對降低了能源系統(tǒng)的質量，小衛(wèi)星系統(tǒng)及其組網(wǎng)技術的發(fā)展改變了衛(wèi)星的工作及使用模式，縮短了衛(wèi)星系統(tǒng)有效載荷的工作時間，從而也減小了對能源系統(tǒng)的要求，進一步降低了衛(wèi)星的質量和體積。

（2）技術指標將進一步提高

高性能指標的圖像始終是系統(tǒng)設計和研制的最終目的，高分辨率和大覆蓋范圍一直是研制部門和用戶努力的方向。更高的分辨率意味著更精確的目標分辨和識別能力，更精確的地形數(shù)據(jù)。近幾年來，小型合成孔徑雷達衛(wèi)星的發(fā)展非常迅速，各國紛紛開展小型合成孔徑雷達衛(wèi)星項目的研究，追求能夠獲得盡可能高的分辨率。除了分辨率指標外，其他的圖像質量指標也同樣重要。衛(wèi)星圖像質量的指標在不斷提高，合成孔徑雷達圖像的目標定位精度越來越高，從合成孔徑雷達圖像的定位原理講，合成孔徑雷達圖像的定位精度可以做到與衛(wèi)星的軌道精度在同一量級，定位精度與衛(wèi)星姿態(tài)無關，從這一點講，合成孔徑雷達衛(wèi)星圖像的定位精度優(yōu)于可見光傳感器衛(wèi)星圖像的定位精度。隨著合成孔徑雷達圖像在目標識別和民用應用越來越廣，對合成孔徑雷達圖像的定量遙感要求也越來越高，如今對合成孔徑雷達圖像不僅要求有高空間分辨率，也要求有高輻射精度。

（3）多模式、多極化是未來的主要特征

1978年美國發(fā)射的載有合成孔徑雷達的海洋衛(wèi)星－A（Seasat－A）為L頻段、固定入射角，單一的HH極化（H為水平極化），現(xiàn)在在軌或正在研制的合成孔徑雷達衛(wèi)星（或其他衛(wèi)星平臺的合成孔徑雷達）很少再是固定入射角和單一極化。多模式成像主要有條帶、掃描和聚束三種工作模式，掃描工作模式要求波束在距離向的快速掃描，一般采用電掃描的方式來實現(xiàn)。通過改變雷達收發(fā)的極化方式，可獲得HH、VV、HV和VH（V為垂直極化）不同極化的圖像。以色列僅僅300kg的“技術合成孔徑雷達”衛(wèi)星就具有多種工作模式。合成孔徑雷達衛(wèi)星正向著多模式、多極化和可變視角波束，并具有地面運動目標顯示和地面高程測量功能方向發(fā)展。

美國海洋衛(wèi)星－A在軌飛行示意圖

（4）雷達與可見光衛(wèi)星的多星組網(wǎng)是主要的使用模式

隨著航天技術的不斷進步和雷達衛(wèi)星的小型化，其成本將大幅度下降，雷達衛(wèi)星與可見光衛(wèi)星多星組網(wǎng)獲取動態(tài)信息將成為一種主要的應用模式。雷達衛(wèi)星的多星組網(wǎng)與可見光衛(wèi)星配合使用還促進了多時相數(shù)據(jù)和多源數(shù)據(jù)的融合技術的發(fā)展，使多源數(shù)據(jù)融合的圖像具有單一傳感器不具備的綜合信息，提供更豐富的目標信息，多時相數(shù)據(jù)融合能夠獲得目標區(qū)域變化的信息，并能降低噪聲等隨機干擾對圖像的影響，改善圖像質量。在“合成孔徑雷達-放大鏡”衛(wèi)星發(fā)射前，多星組網(wǎng)的衛(wèi)星是將多顆按獨立工作設計的衛(wèi)星發(fā)射上天后配合工作以提高監(jiān)視的時效性，具有代表性的是美國的鎖眼－11（KH－11）和“長曲棍球”衛(wèi)星。“合成孔徑雷達-放大鏡”衛(wèi)星從系統(tǒng)設計開始就充分考慮了多顆衛(wèi)星組網(wǎng)配合工作，有效地完成監(jiān)視任務的目標，是一個真正意義上的小衛(wèi)星組網(wǎng)系統(tǒng)。“合成孔徑雷達-放大鏡”衛(wèi)星系統(tǒng)的時間分辨率由5顆衛(wèi)星組網(wǎng)實現(xiàn)，遠高于單顆衛(wèi)星的時間分辨率，實現(xiàn)了優(yōu)于0.5m的分辨率。為了縮短衛(wèi)星的重訪周期，通過多顆衛(wèi)星組網(wǎng)，大大提高了衛(wèi)星的反應時間。對全球大部分區(qū)域的系統(tǒng)反應時間小于8h，衛(wèi)星之間具備星間鏈路能力，可以確保地面用戶在成像指令發(fā)出10h后接收到對全球任一點拍攝的圖像數(shù)據(jù)。

德國“合成孔徑雷達-放大鏡”在軌工作示意圖

（5）分布合成孔徑雷達具有發(fā)展?jié)摿?/p>

采取星座或星隊監(jiān)視方式可有效提高時間分辨率，使得小型合成孔徑雷達衛(wèi)星成為解決時間分辨率的重要途徑和手段，小型合成孔徑雷達衛(wèi)星成為各國國防部門重點追求的航天裝備之一。小衛(wèi)星系統(tǒng)及其組網(wǎng)技術的發(fā)展改變了衛(wèi)星的工作及使用模式，縮短了衛(wèi)星系統(tǒng)有效載荷的工作時間，從而減小了對能源系統(tǒng)的要求，進一步降低了衛(wèi)星的質量和體積。由于小型合成孔徑雷達衛(wèi)星的研制成本低，增加衛(wèi)星的數(shù)量較為容易，通過小衛(wèi)星的編隊飛行能形成多種觀測系統(tǒng)。德國的“合成孔徑雷達-放大鏡”項目是由5顆小合成孔徑雷達衛(wèi)星組成的專用衛(wèi)星系統(tǒng)，意大利的“宇宙-地中海”是由4顆小型合成孔徑雷達衛(wèi)星組成的系統(tǒng)。

分布合成孔徑雷達并不是簡單的衛(wèi)星組網(wǎng)，它是利用2顆或多顆軌道具有相互關系的衛(wèi)星配合工作，一顆衛(wèi)星發(fā)射多顆衛(wèi)星接收，或多顆衛(wèi)星發(fā)射多顆衛(wèi)星接收，實現(xiàn)單顆衛(wèi)星不能實現(xiàn)的功能，或獲得單顆衛(wèi)星不能達到的技術指標。如實現(xiàn)干涉合成孔徑雷達成像、地面運動目標顯示、增加成像帶寬、提高合成孔徑雷達圖像分辨率等。目前，加拿大和德國均已計劃發(fā)射分布式合成孔徑雷達以實現(xiàn)高精度測量。

6 結束語

小型合成孔徑雷達衛(wèi)星具有質量輕、體積小、成本低、性能高、多星組網(wǎng)容易等特點，成為合成孔徑雷達衛(wèi)星的重要發(fā)展方向。今后，隨著技術的不斷提高，新材料、新工藝和新器件的出現(xiàn)，雷達衛(wèi)星的進一步小型化將是一種趨勢；并且隨著新器件和新工藝水平的提高，以及新的成像理論的發(fā)展和新的成像工作模式的采用，如多通道技術和數(shù)字波束形成技術等的采用，衛(wèi)星性能和指標會進一步提高，功能也會更加強大。小型合成孔徑雷達衛(wèi)星將成為今后合成孔徑雷達衛(wèi)星的一個主要發(fā)展方向。