(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所孔徑陣列與空間探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥230088)

0 引言

合成孔徑雷達(dá)除具有與可見(jiàn)光、紅外等傳感器相媲美的高分辨率、連續(xù)成像功能外,其特有的全天時(shí)、全天候工作以及大面積成像等優(yōu)點(diǎn),使其在海洋監(jiān)測(cè)、地形測(cè)繪、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。也正是因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)使得SAR受到世界各國(guó)政府的高度重視與支持, SAR技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用得到了快速發(fā)展。

從美國(guó)發(fā)射了第一顆載有L頻段SAR的SeaSat-A衛(wèi)星開(kāi)始,前蘇聯(lián)、歐洲、德國(guó)、加拿大以及日本等國(guó)家也相繼發(fā)射了載有SAR探測(cè)器的遙感衛(wèi)星,如前蘇聯(lián)的S頻段ALMAZ-1SAR系統(tǒng),歐洲空間局(ESA)的C頻段ERS-1、ERS-2 SAR、ENVISAT ASAR系統(tǒng),德國(guó)的X頻段TerraSAR系統(tǒng),加拿大的C頻段RADARSAT系列,日本的L頻段JERS-1 SAR、PALSAR-1/2系統(tǒng)[1-2]?？梢钥闯?國(guó)外星載SAR分別采用了X, C,S,L等幾個(gè)不同的頻段,每個(gè)頻段的觀(guān)測(cè)效果各不相同。所以為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多種目標(biāo)的有效探測(cè)和分類(lèi),單星多頻段星載SAR是一個(gè)重要的發(fā)展方向。本文在討論多頻段星載SAR優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上,對(duì)多頻段星載SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行論述,最后給出設(shè)計(jì)實(shí)例。

1 多頻段星載SAR的優(yōu)勢(shì)

SAR是一種工作于微波頻段的對(duì)地遙感傳感器,SAR圖像的灰度是地物目標(biāo)后向散射強(qiáng)度的表現(xiàn)形式,其主要與雷達(dá)工作波長(zhǎng)(頻段)、入射角、極化方式以及地物目標(biāo)復(fù)介電常數(shù)、地表面粗糙度等有關(guān)。一般來(lái)說(shuō),SAR工作頻段高,則SAR圖像紋理特征明顯,易于獲取地物表面細(xì)微結(jié)構(gòu)信息;SAR工作頻段低,則SAR圖像紋理特征不明顯[3]。圖1是多頻段機(jī)載SAR系統(tǒng)獲得的X/ C/L三頻段雷達(dá)圖像。另一方面,低頻段的穿透樹(shù)葉、土地表面、水面等能力優(yōu)于高頻段。圖2是多頻段機(jī)載SAR系統(tǒng)獲得的C/L頻段的水庫(kù)雷達(dá)圖像,L頻段具有一定的穿透能力,可以對(duì)淺水區(qū)域的水下地形進(jìn)行觀(guān)測(cè)。另外,高頻段相對(duì)信號(hào)帶寬小,容易實(shí)現(xiàn)較高的空間分辨率,對(duì)于軍事目標(biāo)偵察有優(yōu)勢(shì)。

另外對(duì)于海洋探測(cè),海面的后向散射可以用Bragg散射模型來(lái)描述(入射角30°～85°時(shí),λB=式中,λB為Bragg散射波長(zhǎng),λR為雷達(dá)波長(zhǎng),n為共振波級(jí),θ為入射角),當(dāng)雷達(dá)的波長(zhǎng)與Bragg波長(zhǎng)匹配時(shí),便出現(xiàn)Bragg諧振現(xiàn)象,將會(huì)生成強(qiáng)的后向散射回波,不同的波長(zhǎng)將對(duì)應(yīng)不同的匹配頻段[4]。圖3是多頻段機(jī)載SAR系統(tǒng)的L頻段和X頻段對(duì)海成像結(jié)果對(duì)比。

通過(guò)實(shí)際的應(yīng)用效果分析得出,采用多頻段SAR系統(tǒng)會(huì)獲得更多的目標(biāo)信息,可以更有效地對(duì)多種目標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)和識(shí)別。

圖1 X/C/L頻段圖像對(duì)比及融合圖像

圖2 C/L頻段SAR圖像對(duì)比

圖3 L/X頻段對(duì)海成像結(jié)果對(duì)比

2 多頻段星載SAR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在星載SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,通常根據(jù)衛(wèi)星軌道參數(shù)及任務(wù)指標(biāo)要求,對(duì)系統(tǒng)參數(shù)(如發(fā)射功率、天線(xiàn)孔徑、極化、脈沖重復(fù)頻率、脈寬、信號(hào)帶寬、數(shù)據(jù)率等)和系統(tǒng)性能指標(biāo)(如空間分辨率、輻射分辨率、信噪比、輻射精度等)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于星載SAR系統(tǒng)參數(shù)之間存在相互制約關(guān)系,需要通過(guò)迭代和折中,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能指標(biāo)的最優(yōu)化。

對(duì)多頻段星載SAR系統(tǒng)來(lái)說(shuō),由于更多維度系統(tǒng)參數(shù)的引入,使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更復(fù)雜,如頻段間的互相干擾問(wèn)題、多個(gè)頻段的分辨率和觀(guān)測(cè)帶相互匹配等問(wèn)題,所以在設(shè)計(jì)時(shí),需要將更多因素納入考慮,下文將重點(diǎn)介紹多頻段SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

2.1 工作體制選擇

工作體制選擇是SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題。對(duì)于多頻段星載SAR系統(tǒng)來(lái)說(shuō),可以分為多頻段分時(shí)工作和多頻段同時(shí)工作兩種體制。多頻段分時(shí)工作的優(yōu)勢(shì)是對(duì)平臺(tái)需求低,不存在頻段間干擾的問(wèn)題,但無(wú)法實(shí)現(xiàn)同時(shí)獲取同一目標(biāo)的多頻段數(shù)據(jù),衛(wèi)星效能大大降低。多頻段同時(shí)工作可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的多頻段同時(shí)觀(guān)測(cè),并利用多頻段數(shù)據(jù)融合等方法提高目標(biāo)識(shí)別和分類(lèi)能力。多頻段同時(shí)工作又可以分為多頻同步工作與非同步工作兩種方式。非同步工作方式下,每個(gè)頻段的波位可以按照常規(guī)的星載SAR單獨(dú)設(shè)計(jì),系統(tǒng)工作靈活,但是會(huì)出現(xiàn)多個(gè)頻段之間接收和發(fā)射相互干擾的情況,特別是發(fā)射脈沖遮擋現(xiàn)象,即一個(gè)頻段脈沖發(fā)射時(shí),另一個(gè)頻段正好工作在接收窗口的情況,如圖4所示。由于發(fā)射功率較大會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)被堵塞,無(wú)法正常接收回波信號(hào)。為了解決這個(gè)問(wèn)題,一種方法是將不同頻段的天線(xiàn)分置在衛(wèi)星的不同位置上,從空間上降低相互的干擾;另一種方法是加濾波器,抑制帶外干擾。但無(wú)論采用哪種方式,都會(huì)大大增加系統(tǒng)復(fù)雜度。

圖4 非同步工作發(fā)射遮擋現(xiàn)象

同步工作方式下,各頻段統(tǒng)一設(shè)計(jì),多個(gè)頻段同脈沖重復(fù)周期工作,如圖5所示,各頻段的接收窗避開(kāi)了各頻段的發(fā)射遮擋,保證了回波的正常接收。

圖5 同步工作時(shí)序

這時(shí)PRF的選擇就要避開(kāi)多個(gè)頻段的發(fā)射脈沖、星下點(diǎn)回波。約束條件如下:

式中,τp1,τp2為多個(gè)頻段的發(fā)射脈沖寬度,PRT為脈沖重復(fù)周期,τpt為脈沖保護(hù)時(shí)間,Rn和Rf分別為觀(guān)測(cè)帶的近端和遠(yuǎn)端,H為衛(wèi)星相對(duì)地面的高度,τmax為多個(gè)頻段發(fā)射脈沖寬度的最大值,這里取星下點(diǎn)回波寬度為發(fā)射脈寬的2倍。

一般不同頻段的回波信號(hào)較弱,且一個(gè)頻段的天線(xiàn)、接收通道對(duì)其他頻段的回波都有一定的抑制能力,所以相互干擾對(duì)系統(tǒng)影響較小。只有當(dāng)幾個(gè)頻段正好是倍頻關(guān)系時(shí),影響不能完全忽略,需要在接收通道進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波。

同步工作方式中的一個(gè)特例是同發(fā)同收工作模式,如圖6所示,可實(shí)現(xiàn)對(duì)同一目標(biāo)區(qū)的同時(shí)觀(guān)測(cè)。該文后面的設(shè)計(jì)也主要是針對(duì)多頻段同步工作的方式進(jìn)行討論。

圖6 同發(fā)同收工作時(shí)序

2.2 天線(xiàn)的總體設(shè)計(jì)

天線(xiàn)是星載SAR性能的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一。這里主要討論天線(xiàn)的體制和天線(xiàn)尺寸的選擇。

1)天線(xiàn)體制

多頻段星載SAR天線(xiàn)采用的體制分為兩類(lèi):多頻段共面拼接體制、多頻段共孔徑嵌套體制。美國(guó)的SIR-C/X-SAR系統(tǒng)如圖7所示,具有L,C,X三個(gè)波段,其采用3個(gè)獨(dú)立的天線(xiàn)共面拼接的體制,天線(xiàn)總面積達(dá)到12 m×4 m,體積龐大,質(zhì)量超過(guò)3 000 kg[5]。

圖7 SIR-C/X-SAR天線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖

多頻段共孔徑嵌套天線(xiàn)是多個(gè)頻段共用一個(gè)物理孔徑且某一頻段的天線(xiàn)嵌套在其他的頻段天線(xiàn)中,如圖8所示。一般較高頻段的天線(xiàn)尺寸小,嵌套在較低頻段的天線(xiàn)中。多頻段共孔徑嵌套天線(xiàn)能有效減少天線(xiàn)的體積和質(zhì)量,同時(shí)能共享天線(xiàn)陣后面的其他子系統(tǒng),提高天線(xiàn)的效費(fèi)比。

圖8 多頻段共孔徑嵌套天線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖

2)天線(xiàn)尺寸

天線(xiàn)尺寸設(shè)計(jì)是最為重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容之一,與有效載荷系統(tǒng)的功率孔徑積設(shè)計(jì)直接相關(guān),直接決定了SAR系統(tǒng)靈敏度和圖像質(zhì)量指標(biāo)。

為滿(mǎn)足系統(tǒng)距離向和方位向模糊度要求,天線(xiàn)最小不模糊面積限制[6]為

式中,k=4～8,λ為工作波長(zhǎng),Vst為衛(wèi)星運(yùn)行速度,θ為入射角。由式(5)可以看出,天線(xiàn)面積和波長(zhǎng)緊密相關(guān)。波長(zhǎng)越長(zhǎng),所需的天線(xiàn)面積越大。

多頻段系統(tǒng)天線(xiàn)口徑設(shè)計(jì)流程如下:首先,根據(jù)最低頻段的最小不模糊面積,再通過(guò)分辨率、測(cè)繪帶、NESZ等指標(biāo)限制,初步確定最低頻段天線(xiàn)的口徑。隨后,根據(jù)不同頻段同PRF工作的條件限制,各頻段方位向天線(xiàn)尺寸應(yīng)該相當(dāng)?shù)脑瓌t,確定其他頻段的方位向口徑。最后,根據(jù)模糊面積限制、觀(guān)測(cè)帶寬度等限制條件確定其他頻段的距離向口徑。另外,天線(xiàn)尺寸的設(shè)計(jì)還要充分考慮平臺(tái)體積、重量、功耗包絡(luò)。

2.3 工作模式

在條帶模式下,多頻星載SAR的分辨率與單頻星載SAR基本沒(méi)區(qū)別。當(dāng)多頻段的方位向天線(xiàn)尺寸一致時(shí),多頻段的方位向分辨率也是一致的。距離向分辨率的計(jì)算與單頻星載SAR一樣,后面不進(jìn)行詳細(xì)討論。

在ScanSAR模式下,每個(gè)波束指向?qū)?yīng)的照射條帶稱(chēng)為“子觀(guān)測(cè)帶”,簡(jiǎn)稱(chēng)“子帶”,每個(gè)子帶的寬度都近似等于同條件下條帶模式的測(cè)繪寬度,整個(gè)測(cè)繪寬度就擴(kuò)大到了條帶模式SAR的約Ns倍。ScanSAR模式下,合成孔徑時(shí)間為

式中,v為平臺(tái)飛行速度,R0為斜距,θa為方位向波束寬度,Lsyn為合成孔徑長(zhǎng)度,La為天線(xiàn)方位向尺寸,Ns為距離向掃描子帶數(shù)。由式(6)可以看出,對(duì)于不同頻段系統(tǒng)來(lái)說(shuō),在方位向分辨率一致的條件下,在每個(gè)子帶駐留的時(shí)間不同,即每個(gè)脈沖駐留數(shù)不同。因此,在ScanSAR模式下,存在著兩個(gè)頻段不同步工作的現(xiàn)象。

為解決掃描帶來(lái)的雙頻不同步工作的問(wèn)題,本文提出采用TOPS[7](Terrain Observation by Progressive Scans)工作方式,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻段的同步工作。TOPSAR的工作原理示意圖如圖9所示。在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,采用較長(zhǎng)的子帶掃描成像區(qū)域,并且讓波束在方位向上作從后到前的均勻轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖9 TOPSAR工作原理示意圖

TOPSAR的方位向分辨率由下式確定:

式中,R0為中心斜距,v為平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度,為天線(xiàn)轉(zhuǎn)速,為方位向分辨率對(duì)應(yīng)的方位積累角。

此外,TOPSAR每個(gè)子帶駐留時(shí)間應(yīng)滿(mǎn)足如下關(guān)系:

由式(7)和式(8)可以看出,采用TOP模式,通過(guò)靈活配置分辨率和波束掃描速度,在保證分辨率指標(biāo)的同時(shí),使得兩個(gè)頻段在同一個(gè)子帶內(nèi)駐留同樣的時(shí)間,保證同步工作。

2.4 波位設(shè)計(jì)

波位設(shè)計(jì)是星載SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容之一。多頻段星載SAR的波位除了考慮要避開(kāi)星下點(diǎn)回波和發(fā)射脈沖遮擋等,還要考慮不同頻段的同波位設(shè)計(jì)問(wèn)題。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,以最大發(fā)射脈沖寬度的頻段斑馬圖作為波位設(shè)計(jì)約束,計(jì)算所有頻段的波位信息,仿真各頻段載荷性能指標(biāo),反復(fù)迭代優(yōu)化性能,直到滿(mǎn)足所有頻段下的性能指標(biāo)要求。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

為驗(yàn)證文中論述的多頻段星載SAR衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)方法的有效性,下文給出了一個(gè)L/C雙頻星載SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例。本設(shè)計(jì)實(shí)例參考已公開(kāi)的美國(guó)“海洋觀(guān)測(cè)系統(tǒng)”計(jì)劃的相關(guān)參數(shù),具有一定的參考意義。表1給出了SAR載荷任務(wù)指標(biāo)及圖像質(zhì)量指標(biāo)要求。

表1 任務(wù)指標(biāo)及圖像質(zhì)量指標(biāo)

基于上述的指標(biāo)要求以及上節(jié)介紹的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。表2給出了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果,圖10和圖11給出了波位設(shè)計(jì)的斑馬圖,為了保證雙頻段同PRF工作,兩個(gè)頻段波位完全相同。表3和表4給出了波位設(shè)計(jì)的具體結(jié)果。根據(jù)最終得到的性能指標(biāo),證明該設(shè)計(jì)實(shí)例能夠達(dá)到預(yù)期指標(biāo)要求,從而證明本文提出的設(shè)計(jì)方法是合理有效的。

表2 系統(tǒng)參數(shù)

圖10 條帶模式斑馬圖

圖11 TOPSAR模式斑馬圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹和討論了多頻段星載合成孔徑雷達(dá)的特點(diǎn)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題,給出了多頻星載SAR設(shè)計(jì)的一般思路,并給出了某個(gè)多頻段星載SAR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例,本文對(duì)星載SAR系統(tǒng)和總體設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員具有一定的參考作用。

表3 條帶模式波位設(shè)計(jì)具體結(jié)果

表4 TOPSAR模式波位設(shè)計(jì)具體結(jié)果

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