多模式小衛星SAR機載掛飛試驗的飛行路線規劃與雷達參數設計

薛 蓮, 周 鵬, 張振華, 王 影, 張 晰, 韓倩倩

多模式小衛星SAR機載掛飛試驗的飛行路線規劃與雷達參數設計

薛 蓮1, 周 鵬1, 張振華2, 王 影2, 張 晰3, 韓倩倩2

(1. 中國石油大學(華東) 海洋與空間信息學院, 山東 青島 266580; 2. 北京遙測技術研究所, 北京 100076; 3. 自然資源部第一海洋研究所, 山東 青島 266061)

多模式小衛星SAR(synthetic aperture radar, 合成孔徑雷達)是一種搭載于小衛星平臺的新體制雷達系統, 它集SAR、散射計、高度計、波譜儀4種遙感器的優勢于一身。它可以根據需求分時實現幾種工作模式的切換, 可兼顧對海洋目標和海洋動力環境的高精度測量。由于衛星發射存在諸多不確定因素, 為了在衛星發射前對多模式小衛星SAR進行檢驗, 本文對擬開展的機載掛飛試驗進行了介紹。首先, 介紹了擬開展的機載掛飛試驗的等效性原則。接下來, 介紹了各種工作模式試驗、SAR/散射計聯合反演試驗、多視向SAR試驗的飛行路線規劃。之后, 介紹了機載掛飛試驗的雷達參數設計方法。最后, 給出了各種工作模式的雷達參數設計結果。所設計的飛行路線和雷達參數可以為機載掛飛試驗服務, 并且實現了星載技術指標的準等效驗證。通過小衛星SAR衛星組網可彌補目前SAR衛星時間分辨率低的缺點。

多模式小衛星SAR; 機載掛飛試驗; 飛行路線規劃; 雷達參數設計; 衛星組網

多模式小衛星SAR是一種搭載于小衛星平臺的新型雷達系統[1-2]。它利用二維相控陣天線波束指向控制靈活的優勢, 在星上可以分時實現多種SAR成像模式, 以及高度計、散射計、波譜儀等海洋動力要素探測模式。通過小衛星SAR衛星組網可解決目前SAR衛星時間分辨率低的不足。多模式小衛星SAR具有非常高的靈活性, 既能實現高精度的目標探測, 又能實現高精度的海洋動力要素反演, 具有良好的發展前景。

在完成SAR衛星載荷的地面環境、振動、部件測試等試驗的基礎上, 在衛星載荷入軌前開展機載掛飛試驗對衛星載荷的功能和性能進行準等效驗證為國內外通行做法[3]。為完成載荷功能和性能驗證, 同時兼顧成本和效率, 需對機載試驗的飛行路線進行合理規劃。另外, 由于平臺高度和速度等方面的差異, 星載雷達的工作參數并不適用于機載試驗, 需對機載試驗中的雷達參數進行專門設計。

針對SAR、高度計、散射計、波譜儀四種模式的系統參數設計方法, 國內外學者已經開展了很多相關研究。王睿[4]比較詳細地介紹了SAR條帶模式的天線長度、PRF(pulse repetition frequency, 脈沖重復頻率)等參數的選取方法。張衛華等[5]討論了如何在條帶SAR參數設計過程中實現高分辨率指標, 給出了星載SAR幾何關系、PRF等參數的選取方法。Naderi等[6]介紹了NSCAT星載散射計的性能指標、天線子系統和分辨率的設計、風場反演精度分析等內容。Dong等[7]和Lin等[8]介紹了一種Ku波段扇形波束旋轉掃描散射計的性能指標、系統參數、風場反演精度分析等內容。楊雙寶[9]介紹了高度計的系統設計, 以及對高度計信號帶寬、PRF、脈沖寬度、峰值發射功率等參數的選擇進行了研究, 并進行了系統的仿真驗證。儲小青[10]對海浪波譜儀系統參數設置進行了研究, 主要包括入射角、波段、波束寬度、積分時間等系統參數的選取方法。總體而言, 已有文獻通常只是給出了SAR、散射計、波譜儀、高度計的系統參數設計結果, 在系統參數設計方法的論述方面敘述相對較少。

本文針對多模式小衛星SAR機載掛飛試驗的飛行線路規劃與雷達參數設計進行了研究。首先對多模式小衛星SAR機載掛飛試驗的等效性原則進行了介紹, 接下來介紹了多模式小衛星SAR機載掛飛試驗的飛行線路規劃, 之后對多模式小衛星SAR機載掛飛試驗的雷達參數設計方法進行了介紹, 最后給出了系統參數設計的結果。所設計的多模式小衛星SAR等效掛飛試驗的飛行路線規劃與雷達參數設計結果, 為擬開展的機載掛飛試驗提供了重要基礎, 并且實現了星載技術指標的準等效驗證。

1 多模式小衛星SAR機載掛飛試驗的等效性原則

1.1 工作模式對等原則

在多模式小衛星SAR中, 設計有SAR、波譜儀、散射計、高度計四種工作模式。波譜儀模式和高度計模式工作于小入射角, SAR模式和散射計模式工作于中等入射角。在小衛星SAR平臺上, 可通過天線指向控制和平臺姿態控制相結合實現上述4種工作模式。在機載掛飛試驗中, 通過在不同飛行架次上采用不同的天線安裝方式, 同時利用所搭載的二維相控陣天線子陣, 同樣可應用于SAR、波譜儀、散射計、高度計4種工作模式, 從而保證了機載掛飛試驗與小衛星SAR系統的工作模式對等。圖1展示了機載掛飛試驗過程中幾種工作模式對應的波束掃描狀態。

1.2 組網功能等效原則

在機載掛飛實驗中, 通過飛行架次和路線的設計, 以時間分辨率相當的原則模擬多顆衛星工作于SAR、波譜儀、散射計、高度計等不同工作模式, 準同步地獲取同一區域的目標和海洋動力參數信息, 從而保證了機載掛飛試驗方案的組網功能等效。例如: 通過設計飛行路線和合理控制天線波束指向, 可在短時間內分別以SAR模式和散射計模式獲取同一海域的回波數據, 然后可通過SAR和散射計的聯合反演提高風場反演精度。再如: 通過設計飛行路線, 可在短時間內以SAR模式從不同視向觀測同一海域, 然后可通過處理多視向數據降低SAR海浪反演的截斷波長效應。

圖1 不同模式下機載掛飛試驗波束掃描示意圖

1.3 SAR圖像分辨率相當原則

由于平臺尺寸等方面的限制, 機載掛飛試驗中只使用小衛星SAR的一個天線子陣, 造成小衛星SAR和機載試驗的方位分辨率指標并不相等。因此, 擬采用“多視處理后方位分辨率相當”等原則保證方位分辨率的實質等效, 通過采用相同的信號帶寬保證距離分辨率的實質等效。這里的“多視處理后方位分辨率相當”原則是指:

式中,sa和aa分別表示小衛星SAR和機載SAR的方位向天線尺寸,表示方位向多視處理倍數。

1.4 機載掛飛試驗的等效性總結

表1從工作模式數量、衛星組網功能、SAR空間分辨率、時間分辨率、載荷測試項目5個方面, 對多模式小衛星SAR機載掛飛試驗與小衛星SAR在軌工作的準等效性進行了說明。

表1 多模式小衛星SAR機載掛飛試驗的準等效性說明列表

2 多模式小衛星SAR機載掛飛試驗的飛行路線規劃

多模式小衛星SAR機載掛飛試驗的目的是驗證4種工作模式、SAR空間分辨率指標、衛星組網功能模擬。需驗證的項目較多, 同時應兼顧成本和效率, 因此需對機載試驗的飛行路線進行合理規劃。

多模式小衛星SAR采用的是二維相控陣天線, 全陣尺寸為3.75 m′0.75 m, 由5個子陣構成, 距離向和方位向的掃描能力分別為±15°和±10°。高度計和波譜儀模式均具有小入射角的特點, 在安裝天線時將法線垂直于地面安裝。SAR和散射計模式均具有中等入射角的特點, 在安裝天線時傾斜45°或60°安裝。對于天線安裝方式相同的工作模式, 為節約成本、提高效率, 在設計飛行架次時可考慮對不同模式的測試進行適當合并。

經綜合設計, 飛行試驗中規劃了5個飛行架次。第1架次為設備檢飛, 驗證設備工作狀態; 第2架次完成高度計模式、波譜儀模式的數據錄取; 第3架次完成散射計模式的數據錄取; 第4架次完成SAR模式、散射計模式的數據錄取, 為SAR/散射計聯合反演等試驗提供數據支撐; 第5架次完成SAR模式的數據錄取, 為多視向SAR等試驗提供數據支撐。

2.1 高度計模式和波譜儀模式的飛行路線規劃

第2架次工作于高度計模式和波譜儀模式, 將相控陣天線的法線垂直于地面安裝。飛行高度選取3 km。各航段的編號以帶圓圈的數字表示, 使用①—?航段飛行, 在④—⑤—⑥—⑦—⑧—⑨航段完成高度計模式和波譜儀模式數據的獲取。圖2為第2架次的掛飛航線規劃。

圖2 第2架次的掛飛航線規劃

2.2 散射計模式和SAR/散射計聯合反演試驗的飛行路線規劃

圖3 第3架次的掛飛航線規劃

第4架次工作于SAR模式、散射計模式, 開展SAR對地和海岸帶成像、SAR/散射計聯合反演等試驗, 將天線安裝角度傾斜60°安裝, 飛行高度選取3 km, 飛行軌跡點沿①—?排布。

圖4為第4架次的掛飛航線規劃。其中:

①—②航段: SAR對地成像模式。

②—③航段: SAR對地成像模式, 對海岸線成像觀測。

③—④航段: 向海洋深入飛行, 飛行距離>20 km, 并將工作模式切換為散射計模式。

圖4 第4架次的掛飛航線規劃

④—⑤航段: 散射計模式, 實現外波束的數據錄取。

⑤—⑥—⑦—⑧航段: 飛行返回。

⑧—⑨航段: 散射計模式, 錄取內波束的數據。

⑩—?航段: SAR正側視模式。

⑤—?航段: 向陸地方向飛行。

?—?航段: SAR對地成像模式。

2.3 SAR模式和多視向SAR試驗的飛行路線規劃

第5架次工作于SAR模式, 開展SAR對地和海岸帶成像、多視向SAR等試驗, 將天線安裝角度傾斜60°安裝, 飛行高度選取3 km, 飛行軌跡點沿①—?排布。

圖5為第5架次的掛飛航線規劃, 其中:

①—②航段: SAR對地成像模式。

②—③航段: SAR對地成像模式, 對海岸線成像觀測。

③—④航段: 向海洋深入飛行, 飛行距離>20 km。

④—⑤航段: SAR正側視模式, 為多視向SAR試驗錄取數據。

⑤—⑥航段: SAR正側視模式, 為多視向SAR試驗錄取數據。

⑥—⑦航段: 先后為SAR前斜視模式、正側視模式、后斜視模式, 為多視向SAR試驗錄取數據。

⑦—④航段: SAR正側視模式, 為多視向SAR試驗錄取數據。

⑧—⑨航段: 向陸地方向飛行, SAR對地成像模式。

圖5 第5架次的掛飛航線規劃

3 多模式小衛星SAR機載掛飛試驗的雷達參數設計方法

3.1 SAR模式的參數設計方法

SAR模式下機載掛飛實驗的系統參數設計需確定測繪帶寬范圍、方位向多視數、信號帶寬、RF等工作參數。試驗時天線采用的是小衛星SAR的一個天線子陣, 因此其尺寸和峰值功率為已知值。平臺高度采用載機的安全飛行高度, 可根據經驗確定。地距分辨率、方位分辨率采用的是和小衛星SAR相同的指標值。中心入射角采用機載SAR常用的60°, 因此入射角范圍可根據天線距離向的掃描能力確定。脈沖寬度、載波頻率、噪聲系數等參數均采用和小衛星SAR相同的參數值。距離模糊比、方位模糊比、系統靈敏度、數據率等是SAR系統中的重要指標, 當系統參數設計完成后, 需檢驗上述指標是否滿足指定要求[11-12]。圖6對SAR模式參數設計的流程進行了總結, 其主要步驟如下。

首先, 根據天線尺寸、波長、入射角范圍、平臺高度等, 確定近端入射角和遠端入射角對應的測繪帶寬范圍[12]。

第2步, 由式(1)計算方位向多視數。

第3步, 確定信號帶寬r下限[1]:

第4步, 確定RF(pulse repetition frequency, 脈沖重復頻率)的上限和下限[1]。在確定了RF的下限和上限后, 為使回波脈沖的時間范圍避開發射脈沖和星下點回波, 需繪制斑馬圖進行波位設計并對RF進行選擇[12]。

第5步, 計算所需的平均功率av:

式中,t為峰值發射功率,RI為脈沖重復時間,r為脈沖寬度。

第6步, 驗證距離模糊比、方位模糊比、系統靈敏度、數據率等指標是否滿足要求[12]。若不滿足指標要求, 需再作調整。

圖6 SAR模式參數設計流程圖

3.2 高度計模式的參數設計方法

高度計模式下機載掛飛實驗的系統參數設計需確定方位向波束寬度、距離向波束寬度、信號帶寬、RF范圍、峰值發射功率、雷達足跡大小等工作參數。測高精度、有效波高測量范圍采用與小衛星SAR相同的指標值。與SAR模式類似, 方位向天線尺寸、距離向天線尺寸、平臺高度、載波頻率、脈沖寬度等參數往往是已知的[13-14]。圖7對高度計模式參數設計的流程進行了總結, 其主要步驟如下:

圖7 高度計模式參數設計流程圖

第3步, 確定RF的范圍。測高精度的公式可表示為:

式中,g為形成跟蹤門的數目(一般取g=4),T為系統點目標分辨率且有T=0.426/2 (其中為壓縮后的脈沖寬度),s,min為最大均方波高(即: 有效波高測量范圍最大值s,min的四分之一),為獨立測量數(即:RF與高度測量平均時間的乘積)。利用式(4), 可計算出RF的下限。另外, 為避免出現距離模糊, 應滿足:

式中,為平臺高度。利用式(5), 可計算出RF的上限。

第4步, 利用雷達方程計算峰值發射功率t。具體的計算公式為[1]:

第5步, 根據幾何關系和波束寬度計算雷達足跡大小F[1]。

3.3 散射計模式的參數設計方法

散射計模式下機載掛飛實驗的系統參數設計需確定內外波束入射角和視角、天線旋轉速度、峰值發射功率、RF范圍等工作參數。與SAR模式類似, 方位向天線尺寸、距離向天線尺寸、平臺高度、載波頻率、脈沖寬度等參數往往是已知的。內波束刈幅、外波束刈幅、地距分辨率、方位分辨率的指標值, 可根據機載平臺的飛行高度和天線尺寸等估算后進行合理設定。信號帶寬、去調頻處理后帶寬、回波功率歸一化標準偏差采用與小衛星SAR相同的參數值。圖8對散射計模式參數設計的流程進行了總結, 其主要步驟如下:

第1步, 根據內波束刈幅、外波束刈幅的指標值, 確定天線內外波束視角和入射角[1]。

第2步, 根據距離向、方位向的天線尺寸計算距離向、方位向天線的波束寬度。

第3步, 計算天線旋轉速度的下限min。根據沿星下點軌跡連續覆蓋的要求, 可得到[1]:

第4步, 確定RF的范圍。根據沿掃描方向軌跡連續覆蓋的要求, 可得到:

類似于SAR模式中的約束關系, 當在RF的上、下限之間挑選具體的RF時, 回波的返回時間需避開發射脈沖和星下點回波的返回時間。

根據回波功率歸一化標準偏差p與信噪比NR的關系, 可計算出所需的NR[12]。

最后, 利用雷達方程計算所需的峰值功率[7]。

圖8 散射計模式參數設計流程圖

3.4 波譜儀模式的參數設計方法

波譜儀模式下機載掛飛試驗的系統參數設計需確定入射角、天線轉速、信號帶寬、RF、最大掃描半徑、峰值發射功率等工作參數。為確定上述工作參數, 距離向天線尺寸、方位向天線尺寸、平臺高度、平臺速度、載波頻率、脈沖寬度、信噪比、積分時間等參數往往是已知的或給定的[10, 15]。圖9對波譜儀模式參數設計的流程進行了總結, 其主要步驟如下:

圖9 波譜儀模式參數設計流程圖

第1步, 確定波束入射角。由準鏡面散射理論以及考慮到相控陣天線的方位向掃描能力在10°以內, 因此將入射角確定為0°和10°。

第3步, 確定天線轉速。由于只設置了1個10°的小入射角波束, 天線轉速應保證波束覆蓋不出現盲區, 即有:

式中,r為距離向波束足跡寬度。

第4步, 根據有效波高測量精度要求確定信號帶寬[15]。

第5步, 確定RF。在星載波譜儀中, 確定RF的原則主要是避免距離模糊。在機載掛飛試驗中, 由于飛機飛行高度低造成距離向波束足印小, 距離模糊的影響基本可以忽略不計。同SAR模式類似,RF的取值應保證明顯大于多普勒帶寬d≈ 2/。

第6步, 根據波長測量范圍以及信號帶寬等確定距離向平均單元個數g,avg:

第7步, 確定方位向積累脈沖數=RF×int, 式中int為積分時間[1]。

第8步, 根據天線波束入射角、視角等, 計算最大掃描半徑。

第9步, 利用雷達方程計算峰值發射功率t[1]。

最后, 計算波長測量精度、波向測量精度、后向散射系數測量精度[10]。

4 設計結果與分析

4.1 SAR模式雷達參數設計結果與分析

按照3.1節的方法對SAR模式進行了參數設計。表2、表3分別給出了SAR模式的技術指標與技術參數的設計結果。

表2 SAR模式參數設計的技術指標

表3 SAR模式的主要技術參數設計結果

為進行優化設計, 在設計過程中, 選擇了中心視角和RF分別為(60°, 500 Hz)、(60°, 2 500 Hz)、(50°, 2 000 Hz)、(50°, 500 Hz)的4種組合, 對模糊比、數據率、測繪帶等指標的理論值進行了對比。表4給出了計算結果。

為驗證分辨率等指標, 利用所設計的系統參數進行了含噪情況下的點目標成像模擬, 得到了點目標的脈沖響應函數(impulse response function, IRF), 并從IRF中進行了指標提取[16]。圖10和表5分別給出了IRF的仿真結果和技術指標的提取結果。

綜合表4中測繪帶、數據率、模糊比等指標的理論值, 以及表5的指標提取值, 最終選擇入射角60°、RF為500 Hz的組合。利用表3中的SAR參數進行面目標成像模擬, 圖11給出了面目標的原圖和成像結果。對比原圖和成像結果圖, 取得了較好的成像效果。

4.2 高度計模式雷達參數設計結果

按照3.2節的方法對高度計模式進行了參數設計, 表6給出了高度計模式的參數設計結果。

表4 SAR模式下不同波位和PRF組合的指標理論值

圖10 不同波位和PRF組合的點目標方位向脈沖響應函數和距離向脈沖響應函數

表5 從脈沖響應函數中提取的指標結果

圖11 SAR模式面目標成像仿真結果

4.3 散射計模式雷達參數設計結果

按照3.3節的方法對散射計模式進行了參數設計, 表7給出了散射計模式的參數設計結果。

4.4 波譜儀模式雷達參數設計結果與分析

按照3.4節的方法對波譜儀模式進行了參數設計, 表8給出了波譜儀模式的參數設計結果。圖12為波束足跡覆蓋示意圖。從圖中可看出, 利用所設計的天線轉速, 波束覆蓋沒有盲區。

表6 高度計模式的主要技術參數設計結果

表7 散射計模式的主要技術參數設計結果

表8 波譜儀模式的主要技術參數設計結果

圖12 波譜儀海面波束軌跡示意圖

5 結論

多模式小衛星SAR是一種具備SAR、高度計、散射計、波譜儀四種工作模式的新型體制雷達, 通過二維相控陣天線的波束控制因此具有很強的靈活性。同時目前存在SAR衛星時間分辨率低的問題可以由小衛星SAR衛星組網來解決。目前國內外通行做法是, 在載荷入軌前開展機載等效掛飛試驗, 驗證衛星載荷的功能和性能。本文先介紹了機載掛飛試驗的等效性原則, 又給出了不同工作模式的飛行路線的規劃, 最后給出了機載掛飛試驗的雷達參數設計方法。設計的飛行路線和雷達參數為機載掛飛飛行試驗提供了重要依據。

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Flight paths planning and radar parameters design of airborne flight test for multi-mode small satellite SARs

XUE Lian1, ZHOU Peng1, ZHANG Zhen-hua2, WANG Ying2, ZHANG Xi3, HAN Qian-qian2

(1. China University of Petroleum, College of Oceanography and Space Informatics, Qingdao 266580, China; 2. Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China; 3. First Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Qingdao 266061, China)

Multi-mode small satellite SAR (synthetic aperture radar) is a new type of radar which can operate in SAR, altimeter, scatterometer and spectrometer modes in time-sharing manner. It can be used to measure both marine targets and marine dynamic environment with high precision. Because of many uncertain factors in satellite launch, in order to test the multi-mode Small Satellite SAR before satellite launch, this paper introduces the airborne flying test to be carried out. Firstly, the equivalence principle of the airborne flight test is introduced. Next, the flight paths planning of various operation mode tests, SAR/scatterometer joint inversion tests and multi direction SAR tests are introduced. Then, the design method of radar parameters for the airborne flight test is introduced. Finally, the radar parameter design results of various operation modes are given. The designed flight paths and calculated radar parameters provide an important basis for the airborne flight test.It realizes the quasi equivalent verification of spaceborne technical specifications. The shortage of low temporal resolution of SAR satellites can be solved by networking small satellite SARs.

multi-mode small satellite SARs; airborne flight test; flight path planning; radar parameter design; satellite networking

Nov. 6, 2020

TP955

A

1000-3096(2021)05-0062-12

10.11759/hykx20210208003

2020-11-06;

2021-02-08

國家重點研發計劃項目(2017YFC1405600); 山東省自然科學基金(ZR2019MF004); 國家海洋局海洋遙測工程技術中心創新青年基金項目(2017003); 自然資源部第一海洋研究所資助項目(N1705037)

[National Key R&D Program of China, No. 2017YFC1405600; Shandong Provincial Natural Science Foundation, No. ZR2019MF004; the Youth Fund of China Marine Telemetry Engineering Research Center, No. 2017003; Project of the First Institute of Oceanography, MNR, No. N1705037]

薛蓮(1995—), 女, 山東青島人, 碩士研究生, 主要從事海洋微波遙感研究, E-mail: z18050027@s.upc.edu.cn; 周鵬(1976—),通信作者, E-mail: zhoupeng@upc.edu.cn

(本文編輯: 叢培秀)