星載雙天線干涉SAR系統總體技術研究

王濤 于海鋒 劉杰 張慶君

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(2 哈爾濱工業大學，哈爾濱 150001)

星載雙天線干涉SAR系統總體技術研究

王濤1,2于海鋒1劉杰1張慶君1

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(2 哈爾濱工業大學，哈爾濱 150001)

干涉SAR衛星測繪方式主要有重復軌道多航過干涉SAR、雙天線單航過干涉SAR、編隊飛行干涉SAR三種方式，其中過雙天線單航干涉SAR能夠獲得較高的干涉測繪效率、較好的高程測量精度。文章針對星載雙天線干涉SAR系統開展了軌道高度與高程測繪精度的關系分析、載荷工作機理及高程測量精度分析、天線伸展臂的抖動對干涉性能的影響分析等總體技術研究，并進行了關鍵技術分析。

干涉SAR；總體技術；衛星；雙天線

1 引言

干涉SAR衛星可獲取的高精度數字高程模型(DEM)數據，是國家和全球基礎空間信息框架的核心數據之一，可廣泛應用于國民經濟與社會發展的多個行業，是國家重要的基礎信息。隨著干涉SAR技術的不斷發展，干涉雷達信息獲得更高層次的應用，并朝著更加實用化的方向發展，必將在國民經濟和社會發展中扮演著越來越重要的角色，應用領域在不斷拓展[1-4]。

實現干涉SAR的一種方式是星載雙天線干涉SAR系統，如美國的航天飛機地形探測雷達(SRTM)計劃[5]。SRTM加裝了一個60 m的大型桁架式伸展臂和一副天線，航天飛機入軌后展開伸展臂。SRTM獲取的陸地DEM覆蓋了世界95%的有人居住區域，更新了全球立體地圖，分辨率從1 km提高至30 m。SRTM從理論到實踐成功地解決了星載干涉測量的相關技術問題，把星載干涉SAR測量技術推向實用階段。目前，SRTM數據已經成為全球重要的DEM數據源，并且根據數據源網站統計，中國是其數據使用率最高的國家。

實現星載干涉SAR的另外一種方式是采用衛星編隊，是將多副SAR天線分別放置在不同的衛星上，通過軌道和構形設計使兩顆或多顆衛星保持一定的基線距離和成像視角，并對各衛星在空間的軌道相對位置進行測量和保持。近10年來典型編隊飛行干涉SAR系統包括法日合作的輪轉式編隊(Cartwheel)計劃、德國的X頻段陸地合成孔徑雷達-附加數字高程測量(TanDEM-X)計劃等[6-8]。TanDEM-X利用2006年發射的TerraSAR-X衛星和2010年6月發射的陸地雷達-X頻段(TanDEM-X)衛星以太陽同步近距離編隊飛行，2010年12月，TanDEM-X系統已經完成編隊調整，開始進入測繪作業階段。

本文比較分析了3種干涉SAR衛星測繪方式，重點針對雙天線單航過干涉SAR測繪方式，結合星載雙天線干涉SAR系統的特點開展了相關總體技術研究，并進行了關鍵技術分析。

2 星載雙天線干涉SAR系統的特點分析

2.1 測繪特點分析

目前實現干涉SAR衛星測繪的方式主要有：重復軌道多航過干涉SAR、編隊飛行干涉SAR和雙天線單航過干涉SAR，3種干涉SAR衛星測繪方式均有各自優勢，其特點如表1所示。通過分析可知，單航過雙天線干涉SAR能夠獲得較高的干涉測繪效率、較好的高程測量精度。

表1 干涉SAR衛星測繪特點

Table 1 Mapping characteristics of InSAR satellite

測繪方式優點缺點重復軌道多航過干涉SAR 衛星和SAR的設計相對簡單 ①去相關效應嚴重(時間去相關、大氣損耗去相關); ②基線一般靠事后處理反演獲得,精度有限、難以形成穩定的干涉基線; ③干涉測繪效率不高,仍然難以實現業務化運行編隊飛行干涉SAR ①單個衛星及SAR的設計相對簡單; ②利用多星同步工作獲得高時間相干、高空間相干特性的SAR圖像對; ③基線能夠在一定范圍內變化,能夠適應不同的干涉測量需求 ①需要較為復雜的衛星編隊飛行控制技術、星間同步技術以及星間基線測量等技術; ②系統不能在全軌道周期形成有效基線,干涉效率有限雙天線單航過干涉SAR ①景物相關特性好; ②具有穩定的物理基線和全軌道周期干涉成像的條件,干涉效率高 基線測量精度較高、平臺控制精度高,衛星規模大而復雜

2.2 衛星總體技術特點

雙天線干涉SAR衛星需向兩側各伸出較長的天線支撐臂，且需要滿足穩定的物理基線需求，衛星的總體技術特點主要有：

(1)構形布局收納比高。為了滿足整星發射時的收縮包絡要求，兩側較長的天線支撐臂需收攏在星體內，且由于載荷的功率需求大，較大面積的太陽電池陣也需要采用折疊的方式壓緊在衛星表面；

(2)機構數量多。機構主要包括兩副天線的壓緊釋放與展開機構、天線指向機構、支撐臂阻尼機構、太陽電池翼機械部分和支撐臂釋放機構等，較多的機構對系統的可靠性和穩定性提出了更高的要求；

(3)基線測量與控制精度要求高。雙天線干涉SAR衛星呈現大結構柔性、大環境擾動、動力學模型不確定性等特點，面向超長展開臂的高精度基線測量和控制是完成雙天線干涉成像任務的前提保障。

通過對衛星總體技術特點的分析可知，星載雙天線SAR系統的技術難點一方面來自于較長的天線展開臂帶來的布局和控制問題，另一方面來自于干涉測量精度對系統的高指標要求，因此，進行總體技術研究的前提與核心是開展軌道高度、載荷工作機理、天線伸展臂抖動等方面與測高精度的關系與影響分析，從而在系統層面對雙天線干涉SAR衛星進行設計優化。

3 星載雙天線干涉SAR系統總體技術

干涉SAR目的是獲取高精度高程數據，因此圍繞這一目標來展開影響分析是衛星總體研究的重點和關鍵。干涉SAR的高程誤差受多個因素的影響：主要包括基線長度測量誤差ΔhB、基線傾角測量誤差Δhα、干涉相位誤差Δhφ三個因素引起的高程誤差。在不考慮姿態測量誤差、定軌誤差等其他因素影響的情況下，基線長度測量誤差ΔhB、基線傾角測量誤差Δhα、干涉相位誤差Δhφ三個因素引起的總的高程誤差表達式為

(1)

基線與相位既影響測量精度又與工程實現難度相關，要折中考慮。

研究載荷工作機理是開展基線與相位精度分析的前提，可以得出基線與相位的主要影響因子，進而開展影響高程測量精度的關鍵指標誤差分配，提出對基線長度和基線角測量精度的要求；同時，通過載荷工作機理的分析可以指導雷達工作視角等關鍵系統指標的選取，有效載荷分系統的絕大部分指標都與雷達的工作視角有關系，如地距分辨率、測繪帶寬、脈沖重復頻率(PRF)的選取、噪聲等效后向散射系數(NESZ)、高程測量精度等。

由衛星發射的電磁波是通過電離層和中性大氣到達地面的，而地面回波又要通過中性大氣和電離層才能到達星載SAR的接收機，電磁波的傳播由于介質的作用而減速，所以在測定干涉SAR到地物目標的距離時會發生視伸長、不同的軌道高度將帶來不同的延遲影響。從雷達能力的角度考慮，干涉SAR對系統靈敏度的要求較高，在SAR天線發射功率有限的前提下，這就限制了雷達的作用距離不能太遠，衛星軌道高度不能太高。同時，軌道高度影響著斜距的大小和工作視角的選擇，是高程測量精度的直接影響因素。

雙天線干涉SAR系統天線間的空間基線長度由天線伸展臂來保證，由于連接結構之間的熱變形、在軌微重力釋放、在軌微振動等原因，將引起天線伸展臂的抖動，使天線的陣面產生位移，天線方向圖的相位受到振動頻率的調制，帶來回波幅度和相位畸變，嚴重影響干涉性能。

綜上所述，載荷工作機理、軌道高度和天線伸展臂抖動是影響星載雙天線干涉SAR系統高程測量精度的主要因素，下文將針對這3個因素與測高精度的關系進行重點分析。

3.1 載荷工作機理及高程測量精度分析

干涉SAR系統是通過兩部SAR從不同視角觀測同一目標所引起的相位差來獲得目標高程信息的。在干涉SAR系統中，兩部SAR位于空間不同位置，其間隔距離稱為干涉基線。干涉SAR的幾何關系如圖1所示。

圖1 干涉SAR的幾何關系示意圖Fig.1 Geometrical relation of InSAR

圖中S1和S2為干涉SAR系統的兩個天線，其干涉基線長度為B，B┴為垂直于斜距向的基線分量，基線與水平面的夾角α稱為基線傾角，T(h)表示高程為h的地面某一散射單元T，H代表軌道高度。兩天線以下視角θ0對某一地區進行觀測，其中S1作為主天線照射觀測區域，兩副天線同時接收地面散射的回波信號。利用SAR原理，S1和S2的回波數據可以形成兩幅高分辨率圖像，每個像素對應于地面上的一個散射單元。

由于兩天線S1和S2分置，它們到T(h)的距離不同，分別為R0和R0+ΔR，存在距離差ΔR，該距離差可以非常精確地反映到兩幅圖像中該象素單元的相位差φ，定義λ為天線輻射電磁波的波長，則ΔR與φ的關系如下。

(2)

由于對相位的測量可以精確到2π范圍內，因此對ΔR的測量也可以到波長量級。已知ΔR后，再根據圖中的幾何關系，可解出高程h。

(3)

(4)

本文對平地的干涉測高精度進行仿真分析，衛星運行于500 km軌道，雙天線基線長度140 m，整星采用一發兩收干涉模式，相對測高精度和絕對測高精度隨視角的變化情況如圖2所示。

圖2 平地區域的測高精度Fig.2 Measurement precision of flat area

通過仿真分析可知，當入射角小于40°時，平地區域相對測高誤差優于2.5 m，絕對測高誤差優于7 m。

3.2 軌道高度與高程測繪精度的關系研究

干涉SAR高程測量精度與基高比沒有直接的聯系，而體現在與斜距、視角和基線長度這三個量的關系上。在給定干涉參數相對測量誤差分配條件下分析相對高程誤差與軌道高度的關系。圖3給出了物理基線長度為140 m時相對高程誤差隨軌道高度變化的情況。

從圖3可以看出，基線長度一定時，軌道越低，高程重建精度越高，當軌道高度為500 km時，25°視角的相對高程誤差優于2.2 m，35°視角的相對高程誤差優于2.5 m。

3.3 天線伸展臂的抖動對干涉性能的影響分析

天線伸展臂的主要功能是形成干涉SAR系統天線間的空間基線長度，同時在其末端提供天線的安裝和支承位置，滿足干涉SAR系統測高精度需求，因此對天線伸展臂提出了高的剛度、強度和穩定度的要求[9-10]。

超長伸展臂在空間中呈大型撓性結構，各種擾動會引起伸展臂末端相對于衛星本體的運動，導致天線的位置和指向發生變化，進而影響兩副SAR天線圖像的相干性或直接引入干涉相位誤差，帶來高程測量誤差。

天線伸展臂的抖動將引起天線的波束指向抖動，導致雙天線的波束指向不一致，影響SAR復圖像對的相干性。天線伸展臂的側滾方向彎曲、偏航方向彎曲和俯仰方向扭轉對副天線波束指向的影響分別為：距離向波束指向誤差、距離向和方位向波束指向誤差、方位向波束指向誤差。

由于天線的距離向波束寬度較寬，距離向波束指向發生微小變化時對干涉性能的影響較小，通常可忽略。而方位向波束指向失配對干涉性能的影響要比距離向失配高一個數量級，因此主要分析方位向波束指向誤差對干涉性能的影響。

1)低頻抖動誤差

低頻抖動的波束指向誤差是抖動周期遠大于合成孔徑時間的慢變化誤差。這種波束指向誤差引起的頻譜偏移造成了復圖像對去相干，但不影響干涉相位。

圖4給出了相干系數和其對應的干涉相位誤差隨波束指向抖動幅度的變化曲線。從圖4可知相干系數隨波束指向誤差的變化較顯著。

圖4 相干系數和其對應的相位誤差隨抖動幅度的變化Fig.4 Variety of the coherence and phasic error with the shake range

方位向波束指向誤差引起的斜視角使得目標點脈沖響應出現旁瓣傾斜，并產生隨方位向和距離向變化的線性相位。這使得圖像對間微小的失配就將引起很大的干涉相位誤差，對系統性能影響顯著。實際上可以通過干涉處理時的配準將慢變化波束指向誤差的影響減小。

2)高頻抖動誤差

波束指向的高頻抖動將使回波信號產生附加的成對回波，成對回波對復圖像對相關系數的影響類似于熱噪聲，成對回波是圖像信號經過幅度加權并在時域和頻域平移后得到的，與圖像信號存在一定的相關性。兩者的相關程度由成對回波相對于主回波的偏移量決定，隨著波束抖動頻率增高，成對回波在時域和頻域均遠離主回波，與主回波相關性下降。因此隨著抖動頻率增大至一定程度后，復圖像對相關系數的影響逐漸減小并趨于一個穩定值。

假設天線伸展臂的快速抖動引起的方位向波束指向的抖動幅度為1/20個波束寬度，Ts表示合成孔徑時間，Tb為抖動周期，當抖動周期分別為0.1、0.5、1倍的合成孔徑時間時，受影響后的復圖像對相干系數見圖5。

圖5 相干系數和其對應的相位誤差隨方位向波束指向抖動幅度的變化關系Fig.5 Variety relation of the coherence and phasic error with the shake range of the beam pointing

圖5(a)和(b)分別給出了相干系數和相位誤差隨波束指向抖動幅度的變化。從圖5可知，方位向波束指向快速抖動對復圖像對相干性的影響很小，尤其當抖動頻率高于合成孔徑時間倒數的2倍后，成對回波完全偏離主回波，因而抖動頻率進一步增大對相干性并無顯著影響。

4 雙天線干涉SAR衛星關鍵技術分析

4.1 一體化系統集成仿真技術

綜合考慮數傳、測控、電源、熱控等約束，與衛星軌道、構形、載荷、控制及各個分系統的方案設計開展反復迭代與優化研究，該系統的能力包絡、驗證系統指標提升的匹配性、合理性、可行性，是雙天線干涉SAR衛星需要重點解決的問題。其中，尤其星地一體化指標是影響成像和測高性能等與用戶應用直接相關的技術指標，它是由天地各系統(包括衛星系統、地面接收系統、地面處理系統等)相關指標所決定和影響的。各因素間相互影響、相互耦合，必須定量化分析出天地各系統指標對最終的成像和測繪的影響。

為了驗證系統指標的合理可行性，需要研究集系統參數設計和分析、回波仿真、成像處理、圖像指標評估和高程反演等功能于一體的系統仿真技術。高精度地仿真天地各系統對干涉SAR回波的影響，定量化評估系統性能對干涉SAR應用效果的影響。

4.2 超長展開臂的在軌高精度、高穩定度控制技術

在星載雙天線干涉SAR系統中，為了滿足測高精度的要求，兩副天線的基線長度需要幾十米甚至上百米，在測繪工作模式下，干涉SAR衛星在軌受到執行機構擾動、液體晃動耦合、太陽翼撓性耦合、溫度變化、外界氣動干擾、控制系統耦合等一系列外界因素的作用下，超長天線支撐臂可能產生特定幅值的靜態與動態變形，從而影響干涉天線的相對位置關系及測繪精度，這給衛星姿態控制和結構振動抑制帶來了極大的挑戰。

同時，如何在地面仿真中準確預示天線支撐臂的動態變形量級、如何在多擾動因素耦合條件下實現衛星姿態的高精度控制以及對支撐臂動態變形的振動抑制，是雙天線干涉SAR衛星研制中需要突破的重要難點，也是干涉SAR衛星實現高精度測繪目標的核心保障。

4.3 雙通道幅相誤差測量與補償技術

在軌干涉SAR衛星在傳統SAR的基礎之上，利用兩幅SAR圖像的相干性得到干涉相位，將SAR的測量拓展到三維空間。它以不同視角對地面同一區域進行兩次觀測，通過干涉處理獲得地面的精確數字高程圖，干涉成像的系統結構模型決定了其受空間環境的影響比較大，工作過程中產生的誤差來源較多。同時，雙接收通道傳輸路徑造成通道間的信噪比不同，補償由于連接長電纜的損耗帶來的通道間幅度的不一致性，是系統誤差測量補償的難點之一。因此，對于這些系統誤差的測量與補償即為技術的關鍵所在。

5 結束語

本文針對星載雙天線SAR系統的測繪特點和總體技術特點進行了分析，開展了軌道高度與高程測繪精度的關系研究、載荷工作機理及高程測量精度分析、天線伸展臂的抖動對干涉性能的影響分析，最后進行了星載雙天線干涉SAR系統關鍵技術分析。通過仿真結果可知，當衛星軌道高度為500 km、基線長度為140 m時，25°視角的相對高程誤差優于2.2 m，35°視角的相對高程誤差優于2.5 m；在一發兩收干涉模式下，當入射角小于40°時，平地區域相對測高誤差優于2.5 m，絕對測高誤差優于7 m。本文研究結果對軌道選擇、載荷工作模式選擇及任務設計、總體指標分解等總體技術的進一步研究提供了參考，對雙天線干涉SAR衛星的工程實現亦具有參考作用。

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(編輯：張小琳)

2016年度《航天器工程》審稿專家名單

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湯恩生 唐治華 田百義 田科豐 王海紅 王 浩 王家勝

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吳國庭 謝 軍 徐 鵬 雪亞林 鄢婉娟 楊 慧 楊維廉

葉云裳 袁仕耿 張 熇 張加迅 張立華 張 猛 張慶祥

張潤寧 張云彤 張照炎 趙海濤 趙和平 趙會光 趙堅成

鐘 奇 周傲松 周 靜 周勝利 周文艷 朱毅麟

System Technologies of Spaceborne Dual-antenna InSAR

WANG Tao1,2YU Haifeng1LIU Jie1ZHANG Qingjun1

(1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)(2 Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

According to mapping ways the InSAR satellites include repeated orbit InSAR, dual-antenna InSAR and distributed InSAR. The way of dual-antenna InSAR can achieve higher interferometry mapping efficiency. This paper focuses on spaceborne dual-antenna InSAR, researching the system technologies, such as the relationship between the height of orbit and the altitude mapping precision, the payload operation mechanism and altitude mapping precision, and the impact on interferometry performance by the jitter of the antenna arm. Then it analyzes the key technologies of the spaceborne dual-antenna InSAR.

InSAR；system technologies；satellite；dual antenna

2016-10-31；

2016-11-18

王濤，男，工程師，從事衛星微波遙感衛星總體設計工作。Email：terry1860@126.com。

TN959.6

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.002