小衛(wèi)星合成孔徑雷達技術探究

劉小平

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥,230088)

0 引言

星載合成孔徑雷達（SAR）具有全天時、全天候?qū)Φ赜^測的優(yōu)點，其可穿透一定深度地表和植被，大范圍、快速、動態(tài)地獲取地面目標的觀測數(shù)據(jù)，在國民經(jīng)濟和國防領域廣泛應用。隨著星載SAR技術的發(fā)展，分辨率等指標逐漸提高，系統(tǒng)功能逐漸增強，但衛(wèi)星重量也在增加，其研制和發(fā)射成本隨之增加。為了解決這一問題，SAR衛(wèi)星的小型化成為研究熱點。

與大型衛(wèi)星相比，小衛(wèi)星具有快速反應能力強、可靠性高、建設周期短、投資風險小等優(yōu)點。從已有的小衛(wèi)星SAR所發(fā)揮作用來看，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。本文通過對幾種小衛(wèi)星SAR體制的分析比較，提出輕小型平面板式SAR設計方案，并給出實例仿真。

1 小衛(wèi)星SAR發(fā)展現(xiàn)狀

小衛(wèi)星SAR受到世界各航天大國的廣泛重視，美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)都對這一領域開展了相應研究工作。

200 6年，德國發(fā)射SAR-Lupe高分辨率SAR衛(wèi)星，是一顆載有X波段SAR的衛(wèi)星，最高分辨率達到0.3m。SAR-Lupe由5顆X波段雷達成像衛(wèi)星組成星座，5顆衛(wèi)星分布在兩極低地球軌道的3個高度500km軌道面上，其中2個軌道平面上有2顆衛(wèi)星運行，另1個軌道平面上有1顆衛(wèi)星。5顆衛(wèi)星的布局將能夠?qū)崿F(xiàn)圖像和命令交換，縮短反應時間。

以色列首顆雷達成像偵察衛(wèi)星TecSAR于2008年發(fā)射升空。TecSAR衛(wèi)星工作在X波段，具有多種成像模式及多種分辨率特性，最高分辨率可達1m。它具有兩大特點：一是質(zhì)量輕，衛(wèi)星發(fā)射重量只有300kg，SAR載荷不到100kg；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。同時，雷達波束具有電子切換方式。這樣利用高敏捷性與天線波束電子控制相結合，使衛(wèi)星能以多種觀測模式實現(xiàn)高分辨率、大面積地域覆蓋，在每圈軌道上獲取更多的圖像。

值得一提的還有德國于2007年發(fā)射的TerraSAR-X衛(wèi)星。該系統(tǒng)是基于有源相控陣的先進高分辨率X波段SAR，能以聚束、條帶、掃描模式以及多極化方式工作，既可獲取高分辨率圖像，又具有多極化和寬幅成像，分辨率分別為1m、3m、16m。TerraSAR-X的天線采用波導裂縫形式，與衛(wèi)星平臺共形設計，入軌后無需展開。

此外，在小衛(wèi)星SAR概念設計方面，國外提出了天線SAR，認為SAR將主要由天線和小部分外圍設備組成。2003年，Astrium公司研發(fā)出MicroSAR系統(tǒng)。基于MicroSAR技術，提出一種低成本、敏捷星載板式衛(wèi)星SAR——AstroSAR-Lite。該系統(tǒng)嵌在衛(wèi)星平臺上，衛(wèi)星機械指向可提供±45°的波束指向調(diào)節(jié)，獲得左右兩邊的成像能力，從而降低了T/R的要求，控制了成本。

2 小衛(wèi)星SAR系統(tǒng)設計

小衛(wèi)星平臺對SAR載荷重量、成本控制提出了較高要求，因此小衛(wèi)星SAR設計不應追求高的性能指標，而要從小型輕量化、模塊化、降低復雜度等方面考慮。

2.1 天線體制選擇

小衛(wèi)星SAR可采用以下三種天線體制：

（1）集中饋電的反射面體制

該體制最大優(yōu)點是反射面天線的面密度較小、質(zhì)量較輕，但天線效率較低。采用集中饋電方案，需要使用相對集中的固態(tài)發(fā)射模塊，不僅可靠性較低，且多個功率放大器件的級聯(lián)不利于提升發(fā)射效率、成本較高。

（2）有源相控陣體制

相對反射面，有源相控陣的分析綜合技術成熟，波束控制較靈活。但其最大缺點是系統(tǒng)設備量大，小衛(wèi)星平臺難以滿足載荷的重量要求。

（3）平面板式天線體制

采用輕型平面陣列天線，同時基于高集成度的設計方法，將收發(fā)系統(tǒng)、中央電子設備集成為幾個模塊，有效減輕了載荷重量。通過分布式發(fā)射，確保每個單元功率較低，有效降低發(fā)射成本。該體制既具有有源相控陣技術成熟、可靠性高、輻射效率高的特點，還具有結構簡單、易于實現(xiàn)輕量化的優(yōu)勢。

經(jīng)過上述分析，本系統(tǒng)設計選擇平面板式天線體制。

2.2 系統(tǒng)組成與工作原理設計

SAR系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：天線、發(fā)射機、射頻單機、控制與數(shù)據(jù)形成單機、電源等，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

發(fā)射機采用中功率的微波功率模塊（MPM）。由于其末級行波管輸出功率適中，工作電壓不高，相比于傳統(tǒng)的行波管發(fā)射機工作電壓可以降低一半，減小了功率處理和高壓絕緣設計的工程實現(xiàn)難度，提高了發(fā)射機可靠性。

射頻單機包括頻率源、數(shù)字波形產(chǎn)生和接收通道三個部分。它產(chǎn)生SAR的線性調(diào)頻發(fā)射激勵信號，再將激勵信號經(jīng)上變頻、濾波，送入發(fā)射機進行放大，產(chǎn)生大功率射頻信號，送至天線，并輻射到空間。射頻單機的接收通道將來自天線的SAR回波信號經(jīng)濾波、放大、下變頻、中頻濾波放大、正交解調(diào)后，形成基帶信號并送至控制與數(shù)據(jù)形成單機。

控制與數(shù)據(jù)形成單機將SAR回波基帶信號經(jīng)A/D變換，量化成數(shù)字信號并進行壓縮；再與來自衛(wèi)星的星歷表數(shù)據(jù)組成SAR原始數(shù)據(jù)，進行存儲或通過衛(wèi)星數(shù)傳下傳到地面。該單機的控制電路部分用于監(jiān)視、控制SAR載荷所有分機的工作，同時提供所有單機的定時、控制信號，產(chǎn)生SAR工作模式的各種波束形成與指向控制信號，并將監(jiān)控信號傳送到衛(wèi)星測控系統(tǒng)。

3 實例仿真

仿真的主要參數(shù)如下：工作頻段X，軌道高度500km，入射角范圍為20°～50°，擬實現(xiàn)的條帶模式分辨率2m，最大觀測帶寬20km。

天線尺寸設計是星載SAR系統(tǒng)難點之一，它受分辨率、觀測帶、靈敏度、模糊度指標以及衛(wèi)星平臺體積、重量、功耗等資源的限制。

星載SAR的方位模糊度、距離模糊度是關系圖像質(zhì)量的重要指標。由模糊度限制的最小天線口徑面積為：

式中，R為雷達斜距，Vst為衛(wèi)星速度，λ為雷達波長，θ為入射角。由此得到不同系數(shù)k（視誤差情況取值）下的最小不模糊天線面積，其隨入射角的變化曲線如圖2所示。

圖2 最小不模糊天線面積仿真

可以看出，在入射角50°下，k＝4時最小天線面積A≥2.8m2，k＝6時最小天線面積為A≥4.2m2。根據(jù)小衛(wèi)星SAR誤差情況，天線面積設計為4m2。針對方位向2m分辨率的要求，方位向天線尺寸設計為3.3m，則距離向天線尺寸為1.2m。

SAR圖像信噪比與系統(tǒng)靈敏度指標有關。系統(tǒng)靈敏度通常以等效噪聲后向散射系數(shù)（NEσ0）表示，圖像信噪比要求越高，NEσ0值越低：

其中，R為雷達斜距，F(xiàn)n為系統(tǒng)噪聲系數(shù)，k為波爾茲曼常數(shù)，T為等效噪聲溫度，Vst為衛(wèi)星與目標間相對速度，Ls為系統(tǒng)損耗，Pav為系統(tǒng)平均發(fā)射功率，λ為雷達工作波長，δrg為地距分辨率，η為天線效率，A為天線面積。

當發(fā)射平均功率為800W時，進行波位參數(shù)與系統(tǒng)靈敏度指標仿真，其結果如圖3所示。可見NEσ0≤-20dB，完全滿足成像質(zhì)量指標要求。

圖3 系統(tǒng)靈敏度仿真

由于采用平面板式天線，輻射效率更高，有利于減重和降低電源功耗。若天線采用碳纖維復合材料，重量約為30kg，加上發(fā)射機60kg、其它設備30kg，總重量可控制在120kg以內(nèi)。SAR系統(tǒng)的總功耗小于3000W。

4 結束語

小衛(wèi)星開發(fā)周期短、發(fā)射費用低、具有快速響應能力，已成為各國爭先研究的熱點。本文介紹了小衛(wèi)星SAR的發(fā)展趨勢，對幾種天線體制進行分析比較。提出輕小型平面板式SAR方案，并在系統(tǒng)設計中采用一些適應小衛(wèi)星平臺的技術手段。最后，給出實例仿真，在一定范圍內(nèi)為此類星載SAR系統(tǒng)設計和參數(shù)優(yōu)化提供了參考。

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