一種天基監視SAR系統參數設計方法

郭子涵 李飛 張巖巖 韓碩

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2101-5640-4215

摘? 要：天基監視合成孔徑雷達（SAR）在空間信息獲取和未來空間雷達發展等方面具有重要意義。針對天基監視SAR的特點，本文以中國空間站為平臺，基于運動目標的高分辨率成像和多種約束條件研究天基監視SAR的工作模式，并且提出一種SAR系統參數設計方法。此外，本文通過仿真實驗，給出一個天基監視SAR系統參數設計案例。仿真結果驗證了本文所提出系統參數設計方法的有效性，其對后續的工程實現和應用具有一定的參考價值。

關鍵詞：天基監視雷達? 合成孔徑雷達（SAR）? 任務分析? 系統參數設計

中圖分類號：V57 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）03（c）-0005-07

A Design Method of Space-based Surveillance SAR System Parameters

GUO Zihan1，2，3? LI Fei1，2*? ZHANG Yanyan1，2，3? HAN Shuo1，2，3

（1. Aerospace Information Research Institute， Chinese Academy of Sciences， Beijing， 100190 China;? ? ? ? ? ? ? ? ? 2. Aerospace Microwave Remote Sensing System Department， Aerospace Information Research Institute， Chinese Academy of Sciences ， Beijing， 100190 China; 3.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing， 100049 China）

Abstract： Space-based surveillance synthetic aperture radar （SAR） is of great significance in space information acquisition and future space radar development. Aiming at the characteristics of space-based surveillance SAR， this paper uses China Space Station as a platform to study the working mode of space-based surveillance SAR based on high-resolution imaging of moving targets and multiple constraints， and proposes a SAR system parameter design method. In addition， this article gives a design case of space-based surveillance SAR system parameters through simulation experiments. The simulation results verify the effectiveness of the system parameter design method proposed in this paper， and it has certain reference value for subsequent engineering implementation and application.

Key Words： Space-based surveillance radar; Synthetic aperture radar （SAR）; Mission analysis; System parameter design

天基雷達（Space-based Radar）以人造衛星等空間飛行器為平臺，在太空中執行任務，進而滿足現代陸海空遙感一體化以及其他的民用需求，其主要具有空間交會、天基成像和天基監視等三方面的功能。

2020年12月17日，我國嫦娥五號返回器于內蒙古成功著陸，其通過采用空間交會技術與上升器的成功對接等，完成月球采樣。天基成像功能通過空間雷達對目標區域的全程觀測，實現任務偵查、空間遙感、危險預警等任務;其可以大范圍地跟蹤監視空域和地面目標，并且不受氣候和時間的限制，具有探測能力強的特點。代表衛星包括美國的“長曲棍球”、俄羅斯的“眼睛”，中國的“高分三號”等[1-3]。天基監視雷達包括對地監視模式和空間監視模式，其中較為成熟的對地監視模式主要是對艦船、汽車等交通工具進行運動目標檢測和成像，監視并獲取信息。雖然空間監視模式目前仍處于襁褓階段，但是也有美國SBSS，ORS-5，歐空局ESSS計劃、加拿大SoS計劃和中國伴星一、二號等空間監視任務被不斷地被實現。它們主要用于對衛星、空間站、飛行器和空間碎片等進行監視、編目和預警。

目前，在軌的天基跟蹤監視手段主要包括有源和無源兩種方式。其中，有源方式的代表是天基雷達，無源方式的代表是天基光學傳感器。天基雷達因為研發費用昂貴和技術難度大的特點，仍處于研究階段;而天基光學因其偵測范圍廣、分辨率高、傳輸信號損耗小和功耗低等多個優點已經處于試驗階段，和地基監視系統相互協調，成為目前主流的天基監視手段[4]。但是，光學系統容易受到光線和氣候等的影響;而雷達系統具有全天時、全天候工作的特點，并且其理論知識完備、發展歷史悠久、技術方式多樣。因此，天基雷達探測成為空間目標監視探測的重要發展趨勢。

本文以中國空間站為雷達平臺，基于運動目標高分辨率成像的任務目標和多種約束條件，研究天基監視SAR的工作模式，并且提出了一種SAR系統參數設計方法。此外，本文通過仿真實驗，給出了一個天基監視SAR系統參數設計的實例。其結果驗證了本文所提出系統參數設計方法的有效性，對后續的工程實現和應用具有一定的參考價值。

1? 總體工作模式設計分析

本文天基監視雷達以中國空間站為平臺。受限于工作平臺的物理屬性，雷達無法具備高荷載功率和大尺寸天線，導致雷達的作用距離和成像時間受到影響。這就要求雷達必須能夠快速、準確的完成監視目標的信息獲取。

本文天基雷達的任務目標是對其他衛星進行監視和高分辨率成像。一般來說衛星的運動特性較為簡單，沒有太多變軌操作，其運行軌道也較為規律，容易被判斷和預估。根據文獻[5]，雷達和探測目標之間的距離可用時間的低階函數進行模擬。但考慮到被監視衛星是非合作目標，存在衛星軌跡抖動和軌道參數誤差，致使先驗信息不足以提供準確、實時的成像區域和成像時段信息。同時，監視目標體積一般不大，需要對其進行高分辨率成像才能獲得詳細信息。綜上所述，天基監視SAR應該具備：能夠根據監視衛星的先驗信息，在特定時段對衛星活動區域進行搜索、獲取目標運動狀態的搜索跟蹤功能;根據搜索雷達反饋的目標運動信息，在合適的成像區域和成像時段進行高分辨率成像的功能。

天基監視SAR總體工作模式分析如圖1所示，搜索跟蹤雷達根據一定的先驗信息搜索目標可能出現的空域，對其進行捕獲并跟蹤，然后將合適的成像區域和成像時段信息反饋給成像雷達;成像雷達自適應調整波束方向和和俯仰角度，控制波門開啟時間以減小數據量，完成高分辨率成像，并把跟蹤狀態反饋給搜索跟蹤雷達，促使其決策下一步動作。

2? 成像雷達系統設計

雷達系統的設計核心在于指標體系在各約束條件互相制約下的建立，即基于任務目標、技術限制、物理條件等約束對各項參數進行取舍，以達到最好的工作效果[6]。圖2給出了系統總體設計流程圖，可以看出系統設計是一個參數不斷迭代、取舍的過程。圖3給出了系統各參數的數據流圖，分析可知，系統設計應基于任務目標、觀測性能要求和工程約束條件，對雷達系統和波位參數進行設計，然后分析雷達性能，判斷其是否滿足要求，不滿足則重新設計，循環直至完成。

雷達設計的主要指標有系統頻段、工作體制、信號帶寬和采樣率、天線口徑尺寸、功率孔徑積、脈沖重復頻率（PRF），下面依次對其具體展開分析[7]。

2.1 雷達系統頻段分析

天基雷達工作于對地監視模式時，頻段設計主要考慮因素有目標對不同頻率信號的靈敏度、電離層效應以及大氣層、云雨天氣等造成的信號衰減損失。一般來說，低頻信號（P波段、L波段等）技術實現難度低，受大氣、云雨氣候的影響較小，輸出功率上限較高，適用于小目標探測，但其容易受到電離層效應影響，硬件實現平臺也較為笨重;高頻信號（X波段、K波段等）在云雨、大氣等影響下損失較大[8]。從目前的天線、高頻收發組件、大功率微波功放器件的實現等技術可行性來說，波長越短，技術成熟度也越低，這也是工作頻率確定的一個重要因素。

本文天基雷達工作于空間監視模式，無需考慮電離層效應和大氣、云雨的影響，僅考慮技術實現難度、平臺物理條件即可。綜合考慮后，本文仿真分析選擇K波段。

2.2 雷達體制分析

本文設計目的是通過天基監視雷達對其他衛星進行高分辨率成像，算法分析上可以簡化為對高速運動目標進行成像。動目標成像可采用Keystone算法去除距離走動，但高速運動目標會導致多普勒模糊，致使該算法失效。針對這個問題，本文采用文獻[9]提出的信號處理方法來解決，進而確定本文雷達系統天線收發體制為一發三收，配置三組接收通道的信號記錄和數據處理設備。天線需要發送3個不同頻率的單頻波，采用多頻段系統的同步工作方式[10]。

2.3 信號帶寬與采樣率

本文雷達系統監視的是空間目標，可根據先驗信息選擇交會時間和交匯區域，自適應調整俯仰角度。在雷達信號帶寬參數設計中，帶寬受到目標分辨率和俯仰角的約束：

式中，為距離向分辨率;1.1為Kaiser加權窗展寬系數;B為信號帶寬;θ為俯仰角。采樣率一般取帶寬的1.2倍。

2.4 天線口徑尺寸分析

天線距離向尺寸受到SAR觀測帶寬度和俯仰角約束，存在最大尺寸限制：

式中，R為目標與雷達之間的直線距離，即斜距;Wgrd為觀測帶寬度。天線在采用有源相控陣體制時，距離向波束角度可擴大，因此天線距離向尺寸Lra實際可以取大于此約束的值[11]。

星載SAR方位向分辨率近似為天線方位向長度的一半。在引入IRW展開因子的條件下，方位向分辨率和天線方位向尺寸的公式為：

對于星載SAR成像，為了避免距離向、方位向出現模糊問題[12]，天線最小面積Amin在條帶和掃描模式下應滿足：

式中，k為系數，模糊系數代表天線面積下限的冗余度，其大小與成像模糊度成反比關系，k>1;kaz和kra為方位向、距離向加權系數，取0.886;Vs為衛星速度。考慮到光線的實際照射面積變化，天線的設計面積應至少為最小面積的兩倍[13]。

2.5 功率孔徑積

等效后向散射系數的值等于經過雷達信號處理成像后圖像的加信熱噪聲電平，通常代表圖像的噪底[14]。合成孔徑雷達的雷達方程如下：

式中：R為斜距;L1為雷達系統損耗;k是玻爾茲曼常數;F1為接收機噪聲系數;T0為標準工作溫度;Pt為雷達平均功率;G為天線增益;Ti為相參積累時間;σ為目標雷達截面積。天線增益G于天線孔徑面積A的關系為;相參積累時間，Vs為雷達運行速度。

功率孔徑積是雷達參數設計中十分重要的參數，在數學上表示為雷達功率與天線面積的乘積。由雷達公式變換得到功率孔徑平方積公式：

分析可知，功率孔徑平方積主要與探測距離、等效后向散射系數、信號波長和衛星運行速度相關。通過衡量任務可接受的等效后向散射系數 （一般取-20dB）得到功率孔徑平方積的大小，再根據由方位向分辨率決定的天線方位向尺寸，對雷達功率和天線距離向尺寸進行取舍，得到合適的參數。如圖4、圖5所示，在等效后向散射系數分別為-18dB、-19dB和-20dB時，得到功率孔徑平方積與探測距離的關系;按照探測距離設定為200km時功率孔徑平方積的值，根據由方位向分辨率決定的天線方位向尺寸，對雷達功率和天線距離向尺寸進行取舍。

2.6 脈沖重復頻率（PRF）設計

在星載SAR系統設計中，合理的脈沖重復頻率（PRF）設計能使發射脈沖回波正好落在發射窗口之間，且使干擾回波落在回波接收窗口之外。脈沖重復頻率設計根據多普勒帶寬、距離模糊度、方位模糊度來得到上下限，再考慮發射脈沖阻擋和星下點回波阻擋兩方面限制來繪制斑馬圖，進而實現波位設計[15-16]。

首先分析方位模糊度和距離模糊度對PRF設計的影響。同時兼顧兩種模糊度可得：

式中，Vst為衛星速度，ka、kr分別為方位向、距離向過采樣系數，La、Lr為方位向、距離向天線尺寸，R為斜距，θ為俯仰角。

方位向調頻率是由衛星運動引起的多普勒頻率的變化率，結合方位向天線長度，得到多普勒帶寬與方位向天線長度的一般條件：

多普勒帶寬決定了信號的采樣要求，根據文獻[17]，PRF一般取多普勒帶寬的1.2～2倍。

圖6給出了信號回波時序圖。因為發射接收機的物理限制、衛星的高速運動特性和雷達與探測目標之間的遠距離影響，信號在經過目標反射后，勢必經過多個信號發射周期才能到達接收機。如果不對脈沖重復頻率PRF進行設計，將受到雜波干擾，影響成像效果。

因為本文的應用場景是對空間目標成像，所以無需考慮星下點回波遮擋，只需考慮將脈沖信號發射時段和反射信號接受窗口錯開。

發射脈沖對PRF的約束可表示為：

式中，fr表示脈沖重復頻率，為保護時間;函數Frac（·）和Int（·）分別表示取小數和整數部分。因為采用多頻段同步工作體制，所以此處的脈沖寬度τ視為多頻段之和。

借助PRF上下限估計值和PRF約束公式（9）、（10）和（11），繪制斑馬圖，設計波位，分析方位模糊度，完成PRF參數設計。

3? 系統仿真分析結果

基于已知參數和多種約束條件，分別對信號帶寬、天線口徑尺寸、功率孔徑積、雷達功率、脈沖重復頻率進行仿真分析，得到天基監視SAR系統參數設計的一個實例，分析設計波位的方位模糊度，驗證本文提出的系統參數設計流程的有效性。

中國空間站已知參數和技術指標要求見表1～表2。

圖7為根據參數分析方法繪制的斑馬圖，可以看出，在規避發射脈沖阻擋的條件下，斑馬圖只存在一組干擾曲線。圖8是俯仰角在30°～40°范圍內設計的8個波位結果。系統設計結果如表3～表4所示，分析可得8個波位的方位模糊度大于-22dB。

通過對信號帶寬、距離分辨率、方位分辨率、天線尺寸、雷達功率、模糊度、等效后向散射系數等參數的分析驗證，證明該系統設計方法是有效的。設計結果具備科學性合理性，對后續的工程實現和應用具有一定的參考價值。

4? 結語

本文針對以中國空間站為平臺的天基雷達，基于運動目標的高分辨率成像和多種約束條件，研究了天基監視SAR的工作模式，提出一種SAR系統參數設計方法。通過仿真實驗，給出一個天基監視SAR系統參數設計案例，證明系統設計方法的有效性，具有一定工程應用價值。

根據本文對天基監視SAR總體工作模式的研究，搜索跟蹤雷達需要提供一定的先驗信息，與成像雷達模塊互相配合完成監視工作。兩者之間相互關系的研究將在后續工作中進行。雷達系統設計還包含有其它未分析的系統參數，作者將基于這點對系統設計方法進行優化。

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