谈璐璐1,2,盛 磊1,2
(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室,安徽合肥230088)
摘 要:中轨SAR(MeoSAR)作为低轨SAR(LeoSAR)和高轨SAR(GeoSAR)的折中,具有观测范围广、时间分辨率高的特点,是极具应用前景的新型SAR系统。根据中轨SAR的系统特点及优势,对中轨SAR系统设计中的成像体制选择、工作参数选择、成像模式设计等进行了论述。针对中轨SAR系统存在的特殊问题,对中轨SAR的关键技术问题进行分析,提出了基于波束赋形的距离模糊抑制方法和高精度时域成像算法,并对中轨SAR天线设计和空间环境设计的难点进行了总结。研究结果为中轨SAR系统实现及应用提供有益参考。
关键词:中轨SAR;高分辨率宽覆盖;系统设计;模糊抑制;成像算法
星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)作为宽幅主动微波成像设备,不仅具有可见光和红外遥感器所不具有的全天时和全天候观测能力,而且具有雷达高度计和微波辐射计不具有的高空间分辨率信息获取能力,在军事侦察,地形测绘,灾害监测,洋流、冰川、风浪监测,路上、海上交通管制,农林监测等领域,都具有重要的应用价值和广阔的发展前景。
随着星载合成孔径雷达多样化观测应用研究的不断深入,对SAR提出了更高的性能指标要求,不仅要求星载SAR系统具有较高的空间分辨率,还要求其有更高的时间分辨率,以满足遥感用户对特定区域的连续监视需求。
目前在轨的合成孔径雷达卫星均集中在500～1 000km的低轨道空间,为低轨道(Low Earth Orbit,LEO)SAR,受轨道特性限制,其可覆盖区域较小,测绘带较窄,重返周期较长,通常在若干天左右,且单次过顶可观测时间较短,一般为几秒到几十秒量级。虽然低轨SAR具有技术成熟、实现技术难度较低的优点,但利用低轨SAR提高时间分辨率需要多颗卫星组网观测,且其对特定区域的连续监视能力受轨道特性制约。
为克服低轨SAR系统在高时间分辨率观测方面的不足,提出了一条通过提升SAR轨道高度来提高时间分辨率的技术路线,也就是将SAR卫星高度提升到中等轨道(Medium Earth Orbit,MEO)或者地球同步轨道(Geosynchronous Earth Orbit,GEO),以大幅提高可覆盖区域范围以及提高对热点区域的时间分辨率。其中,中轨SAR(MeoSAR)通常指轨道高度处于3 000～10 000km的SAR系统,中轨SAR具有事件覆盖性好,可实现对特定区域准连续观测的优势。与轨道高度约36 000km的地球同步轨道SAR(GeoSAR)系统相比,中轨SAR系统技术成熟度相对较好,是低轨SAR系统和高轨SAR系统的有益补充[1-4]。
本文针对中轨SAR的应用优势,对中轨SAR的系统特点、关键技术、信号处理等开展论证,为中轨SAR系统实现提供设计依据。
在中轨SAR系统的轨道高度选择上,首先考虑的是覆盖效率,其次还需要将工程可实现性及空间环境等纳入考虑。覆盖效率可以通过某特定轨道高度下可视观测带宽度,以及卫星运动速度来度量,即
式中,Cr表示覆盖效率,Ws表示在固定的入射角范围条件,如10°～50°或者10°～65°条件下的可视观测带宽度,vg表示地速。根据式(1),对轨道高度3 000～10 000km范围内的覆盖效率的计算结果如图1所示。可以看出,轨道高度位于3000～4000km时,覆盖效率最高。同时,从工程可实现性角度来看,3000～4000km的轨道高度相对于10 000km以上的轨道高度,对平台资源需求更小,且空间辐射环境更优。综合覆盖效率及工程可实现等多方面因素,3500km左右的轨道高度是相对较优的选择。
图1 不同轨道高度的覆盖效率示意图
SAR是一种工作于微波频段的对地遥感传感器,可以测量地面被观测区域的后向散射系数σ0,σ0很大程度上依赖于频段选择。目前在轨的星载SAR以L,C以及X波段为主。其中,L波段和C波段多用于海洋观测、环境监测、地震监视等应用领域,X波段多用于高分辨率成像。此外,对大幅宽成像来说,L波段和C波段因为波束宽度更宽,更为适用;而对高分辨率成像来说,X波段和C波段是更优的选择。
频率选择除跟系统应用需求密切相关之外,还与可实现性密切相关。分析知,要满足高分辨率、宽覆盖以及高灵敏度要求,X波段天线面积略小于C波段,但是,由于波长限制,X波段天线的有源通道数要远大于C波段,天线实现难度远大于C波段。
综合应用需求及工程可实现性因素,C波段为L波段及X波段的折中选择,既能满足高分辨率宽覆盖要求,又易于工程实现。因此,本文以C波段为例,开展高分辨率宽覆盖中轨SAR系统设计。
星载SAR系统由于受到系统灵敏度、模糊度等条件制约,方位分辨率和距离向观测带宽度是一对固有矛盾。现有的主要高分辨率宽覆盖体制包括方位向多通道体制、数字阵列体制及单通道滑动聚束/马赛克拼接体制。
方位向多通道体制采用一个小孔径天线发射,方位向采用多个通道接收回波的方式,通过方位向多通道重构降低了系统实际工作的PRF,增加观测带宽。
数字阵列体制是高分宽幅SAR的一个重要技术方向,其中方位向单发多收结合距离向一维DBF体制是当前最具可实现性的技术体制。该技术体制通过在方位向上将雷达分成多个孔径,同时将方位向单发多收与距离向DBF相结合,距离向利用多通道DBF扫描接收处理,以部分弥补由于发射孔径减小导致的增益损失。同时,距离向DBF技术还可以通过距离向的波束赋形以及一定的零点指向技术有效抑制距离模糊。
然而,上述的两种技术体制都存在着方位向发射孔径较小的缺点,要满足系统的灵敏度性能指标,就需要增大发射功率,这会增大对平台的功耗需求。对中轨SAR系统来说,由于轨道高度高,作用距离远,系统功耗需求非常大,要依靠发射功率来补偿发射天线展宽带来的增益损失,系统功耗代价非常大,远超出平台供电能力。
单通道滑动聚束/马赛克拼接体制以方位向大角度扫描为代价,通过增加目标的合成孔径时间提高目标方位向分辨率。在可选距离向观测带宽度满足斑马图限制的条件下,采用单通道滑动聚束体制,可以在不减小天线增益的情况下,实现分辨率和观测带指标。对中轨SAR系统来说,因轨道高度提升,斑马图对观测幅宽的限制大大降低,因此,选用单通道体制从指标可实现性、系统代价及费效比多方面来看,皆是更优的选择。
天线尺寸设计是星载SAR最为重要的设计内容之一,它与有效载荷系统的功率孔径积设计直接相关,直接决定了SAR系统灵敏度和图像质量指标。
为满足系统距离向和方位向模糊度要求,天线最小不模糊面积限制[5]为
式中,k=4～8,λ为工作波长,Vst为卫星运行速度,R为作用距离,θ为入射角。可以看出,天线最小不模糊面积和卫星轨道高度、工作频率密切相关。图2给出了轨道高度3 500km条件下,C波段系统的最小不模糊面积曲线。
对星载SAR天线口径设计来说,天线最小不模糊面积是系统设计过程中的一个参考值,并不是严格的限制条件。实际设计过程中,天线尺寸的设计值应保证各项关键指标的实现,同时,还要充分考虑平台体积、重量、功耗包络。
图2 最小不模糊面积
中轨SAR的地距分辨率和低轨SAR类似,即
式中,B为信号带宽,θ为入射角,kr为展宽系数。
中轨SAR的方位向分辨率与低轨SAR有较大的差异。由于轨道高度和地球半径类似,不能忽略卫星速度和波束脚印速度之差。因此,即使方位向波束不进行扫描,在成像过程中也存在着一定的聚束效应。经推导,在条带模式下,中轨SAR的方位分辨率可表示为
式中,Re为地球半径,H为轨道高度,θ为入射角,La为方位向天线长度,ka为加权带来的展宽系数。而当方位向波束扫描时,方位向分辨率取决于波束脚印速度和卫星地速的比值。
中轨SAR的波位选择和低轨SAR类似,同样要考虑发射遮挡、星下点回波干扰等因素。中轨SAR由于卫星运动速度慢,多普勒带宽比低轨SAR窄,且天线口径要远大于低轨SAR。因此,对中轨SAR来说,PRF值要远低于低轨SAR,同样地,可选的观测带宽度也要远大于低轨SAR。因此,中轨SAR在宽覆盖成像上具有更大的应用潜力。
由上节分析可以看出,中轨SAR系统特性与低轨SAR有较大的不同。轨道的提升在提升观测能力的同时也给中轨SAR系统实现带来了特殊的难点。
中轨SAR因运行轨道高,天线波束范围对应的范围相对较宽,以本文提出的3 500km的轨道高度为例,在50°以上的入射角条件下,1.5°波束宽度对应的斜距变化范围约150km,很有可能模糊信号也处在波束主瓣的范围内,距离模糊相对于低轨SAR有较大的恶化。
针对此问题,本文提出了一种采用波束赋形的方法压低模糊区的副瓣以抑制距离模糊的方法。在远端波位上,对接收天线方向图加权进行最佳设计,使天线波束中心对应有效观测区域,而使天线零点范围对应模糊带视角范围。根据距离模糊的位置,产生宽零点的天线方向图,有效抑制距离模糊。
下面以入射角50°,波束宽度1.3°的波位为例,图3所示的是赋形前后的方向图变化,图4所示的是通过距离向接收波束赋形,可以改善距离模糊约5 dB。
图3 赋形前后的方向图变化
图4 模糊抑制前后的距离模糊曲线
中轨卫星存在较高的轨道高度,卫星运行速度较慢,高分辨率成像条件下,信号模型与传统低轨SAR系统有很大差别,主要体现在以下方面[6]:
1)高分辨率成像合成孔径时间较长。长合成孔径时间内卫星轨道弯曲特性不能忽略,因此基于直线轨迹的SAR成像处理方法不再适用。
2)高的轨道高度使其回波延时较低轨卫星长,在回波传播过程中的卫星运动不能忽略,传统的“一步一停”假设不再成立。
对中轨SAR成像来说,上述两个特点使得整个区域的成像存在空变相位的影响,而传统的频域成像方法很难解决方位向空变的问题。此外,滑动聚束模式带来的方位向斜视将引入距离、方位的强耦合,增大成像的难度。
针对上述问题,提出了一种基于BP算法的时域成像算法,该方法不受斜视角的限制,只要平台的位置准确已知,适用于平台任意运动的SAR成像。而且,还可以很方便地考虑“一步一停”假设不成立,以及成像参数随距离和方位变化的情况[7]。图5所示的是该算法的工作流程图。
图5 BP算法流程图
根据上述分析,轻量化、大功率有源相控阵天线是实现中轨SAR系统的关键,天线一方面要满足系统两维扫描和工作带宽要求,还要满足运载和平台效费比要求。为同时满足这方面要求,天线的重量、功耗、热设计等面临极大挑战。大口径两维扫描天线的实时延时补偿技术也极具挑战。必须基于中轨SAR系统的全新需求,开展高集成的轻量化大口径两维扫描有源相控阵天线研究。天线实现的难点在于:
1)大面积轻量化天线阵面的设计与制造。为了实现超大口径天线辐射阵面的轻量化,轻薄型天线辐射阵面的研制是天线设计的重要任务,需针对天线单元形式、材料、结构、热控和安装支撑机构等因素进行综合优化,实现阵面轻量化的同时保证天线阵面的平面度。
2)高集成度一体化模块设计与集成技术。为实现天线的低剖面、轻量化,需对传统的有源相控阵天线架构进行大幅改进,用新型的瓦片结构代替传统的砖块式结构,将辐射阵面、结构支撑层、高集成馈电网络、热控层以及有源器件层设计为片式结构,通过高密度的互联方式集成起来,减轻天线重量。
中轨SAR的另一大问题是空间环境适应性设计问题。中轨的空间辐射环境和低轨有很大差别,空间辐射环境也是系统方案设计的一大制约。
首先,中轨SAR的热环境与低轨SAR有很大差别,由于卫星运行速度相对较慢,运行一圈约4～5 h,卫星暴露在日照环境下的时间是低轨SAR的6～7倍,天线热控难度加大。
其次,中轨SAR的辐照环境要比低轨SAR恶劣得多,研究表明,在中轨上,总粒子剂量要远高于低轨,在系统设计时要考虑元器件在轨期间的辐照总剂量问题。
中轨SAR作为低轨SAR和高轨SAR的折中,具有观测范围广、时间分辨率高的特点,是极具应用前景的新型SAR系统。本文对中轨SAR的概念、系统设计进行了研究,并讨论了中轨SAR的关键技术问题,为中轨SAR系统研究提供参考。
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Investigation on MeoSAR System Design and Key Techniques
TAN Lulu1,2,SHENG Lei1,2
(1.The38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Hefei230088,China;2.Key Laboratory of Aperture Array and Space Application,Hefei230088,China)
Abstract:MeoSAR is the spaceborne SAR with orbit height between 3 000km and 10 000km.MeoSAR is a compromise between GeoSAR and LeoSAR for its powerful observation capability and less challenging technology difficulties.It is very promising for earth observation.Concepts and system design considerations of MeoSAR are investigated and some technology challenges are discussed.A range ambiguity suppression method based on antenna shaping and a high precision time-domain imaging algorithm are proposed.Moreover,the difficulties of antenna design and space environment adaptability are discussed.The investigation can be referenced for the MeoSAR system design and applications.
Key words:MeoSAR;high resolution wide swath;system design;ambiguity suppression;imaging algorithm
中图分类号:TN958
文献标志码:A
文章编号:1672-2337(2017)02-0148-05
DOI:10.3969/j.issn.1672-2337.2017.02.007
收稿日期:2016-12-28;
修回日期:2017-02-20
作者简介:
谈璐璐女,1984年生于安徽安庆,高级工程师,主要研究方向为星载SAR系统设计。
E-mail:sparrow_84@163.com
盛 磊男,1975年生,安徽合肥人,研究员,主要研究方向为星载SAR系统设计。