韓曉磊　張慶君　劉　杰　張潤(rùn)寧（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 00094）（航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 00094）

應(yīng)用二維電掃描的星載EAR凝視馬賽克模式研究

韓曉磊1張慶君1劉杰1張潤(rùn)寧2
（1北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）（2航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

應(yīng)用機(jī)械掃描實(shí)現(xiàn)的星載SAR馬賽克模式對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)敏捷機(jī)動(dòng)能力提出高的要求，且由于存在不完全分辨率區(qū)域，導(dǎo)致成像效率下降。文章提出一種應(yīng)用二維電掃描的星載SAR馬賽克模式實(shí)現(xiàn)方案，它利用二維電掃描，形成多個(gè)彼此相鄰的聚束圖像塊，通過(guò)拼接這些相鄰的聚束圖像實(shí)現(xiàn)成像范圍的擴(kuò)展，稱之為凝視馬賽克模式，對(duì)應(yīng)地稱采用機(jī)械掃描實(shí)現(xiàn)的馬賽克模式為滑動(dòng)馬賽克模式。文章針對(duì)凝視馬賽克模式的特點(diǎn)，提出了一種新的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)例對(duì)比分析了凝視馬賽克模式和滑動(dòng)馬賽克模式的特點(diǎn)。此外，還分析了相控陣天線不同天線結(jié)構(gòu)對(duì)凝視馬賽克模式的影響，并通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到了滿足需求的系統(tǒng)參數(shù)。

合成孔徑雷達(dá)；凝視馬賽克；電掃描；高分辨率寬測(cè)繪帶

1　引言

自從世界上第一顆合成孔徑雷達(dá)（SAR）衛(wèi)星——海洋衛(wèi)星（Seasat）問(wèn)世以來(lái)，由于其具備全天時(shí)全天候成像能力，受到世界各國(guó)的廣泛重視，并得到了快速發(fā)展。分辨率和成像范圍是SAR衛(wèi)星兩個(gè)最重要的性能指標(biāo)，分辨率反映SAR圖像的細(xì)節(jié)分辨能力，成像范圍反映SAR衛(wèi)星的成像效率和大尺度場(chǎng)景整體觀測(cè)性能。在傳統(tǒng)SAR衛(wèi)星中受限于最小天線面積等制約因素，分辨率和成像范圍不能同時(shí)提高。但是在軍事偵察、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域，須要對(duì)大場(chǎng)景進(jìn)行整體高分辨率成像，傳統(tǒng)星載SAR工作模式難以滿足此類需求。馬賽克模式是一種新興的SAR工作體制，可以看作聚束和掃描的混合模式，它在距離向通過(guò)天線波束不同子測(cè)繪帶之間切換實(shí)現(xiàn)寬測(cè)繪帶成像，在方位向通過(guò)波束反向掃描實(shí)現(xiàn)高分辨率成像［1-2］。馬賽克模式最早由以色列科學(xué)家在2004年的歐洲合成孔徑雷達(dá)會(huì)議上提出，2008年1月21日發(fā)射的以色列合成孔徑雷達(dá)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星（TECSAR）成功應(yīng)用馬賽克模式，實(shí)現(xiàn)了25km×25 km范圍內(nèi)1.8m分辨率成像［2-4］。文獻(xiàn)［1，5］對(duì)馬賽克模式的原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，同時(shí)給出了馬賽克模式子測(cè)繪帶全分辨率圖像連續(xù)的條件。文獻(xiàn)［6］提出了一種馬賽克模式的實(shí)現(xiàn)方式，它的距離向波束切換通過(guò)電掃描完成，方位向波束掃描通過(guò)機(jī)械掃描實(shí)現(xiàn)，單個(gè)成像塊成像過(guò)程中，波束中心始終指向遠(yuǎn)離地面的虛擬旋轉(zhuǎn)中心，波束的地面投影足跡緩慢向前移動(dòng)，以此擴(kuò)展方位向成像范圍，這正是TECSAR所采用的馬賽克模式的實(shí)現(xiàn)方式。

傳統(tǒng)SAR衛(wèi)星馬賽克模式實(shí)現(xiàn)方式要求衛(wèi)星平臺(tái)具有高敏捷機(jī)動(dòng)能力，成像過(guò)程中，通過(guò)衛(wèi)星平臺(tái)繞三個(gè)主軸姿態(tài)機(jī)動(dòng)，帶動(dòng)天線波束掃描，得到馬賽克模式成像所需波束指向，俯仰向機(jī)動(dòng)速度可達(dá)到0.5（o）/s以上，同時(shí)要求衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)過(guò)程中，保持較高的穩(wěn)定度，一般要求姿態(tài)指向穩(wěn)定度高于0.001（o）/s，這無(wú)疑將增加整星的實(shí)現(xiàn)難度。此外，傳統(tǒng)馬賽克模式要求波束足印在地面上滑動(dòng)，導(dǎo)致覆蓋范圍內(nèi)不完整成像區(qū)域出現(xiàn)，拼接時(shí)需要將這部分區(qū)域剔除，導(dǎo)致成像效率降低。本文提出一種新的SAR衛(wèi)星馬賽克模式實(shí)現(xiàn)方式，它充分利用相控陣天線的波束指向二維捷變能力，獲得馬賽克模式成像所需的波束指向，不須要衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)提供雷達(dá)波束掃描，降低了衛(wèi)星控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難度。由于成像過(guò)程中衛(wèi)星姿態(tài)保持不變，避免了姿態(tài)機(jī)動(dòng)導(dǎo)致的GPS天線遮擋問(wèn)題，降低了高精度測(cè)定軌實(shí)現(xiàn)難度。同時(shí)，成像過(guò)程中恒定的衛(wèi)星姿態(tài)降低了數(shù)傳天線瞄準(zhǔn)地面站的難度，保證了數(shù)據(jù)下傳效率。此外，本文提出的馬賽克模式通過(guò)二維天線電掃描角度設(shè)計(jì)，使單個(gè)成像塊成像過(guò)程中，波束足印保持不動(dòng)，避免了不完整成像區(qū)域的出現(xiàn)，最大限度地保證了SAR衛(wèi)星的成像效率。因?yàn)檫@種模式下雷達(dá)波束始終瞄準(zhǔn)地面確定點(diǎn)，處于凝視狀態(tài)，稱之為凝視馬賽克模式，對(duì)應(yīng)地稱傳統(tǒng)的馬賽克模式為滑動(dòng)馬賽克模式。

2　凝視馬賽克模式工作原理

凝視馬賽克模式在單個(gè)成像塊成像期間，波束圍繞本成像塊的地面成像場(chǎng)景中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描，波束地面足印保持不動(dòng)，處于凝視狀態(tài)，通過(guò)增加累積成像時(shí)間，提高方位向分辨率，直到滿足分辨率需求。當(dāng)一個(gè)成像塊區(qū)域成像完成后，波束切換到下一條子測(cè)繪帶進(jìn)行成像，以此提高測(cè)繪帶寬度，依次切換子測(cè)繪帶，直到距離向滿足覆蓋需求。所有子測(cè)繪帶循環(huán)一次后，跳回最初的子測(cè)繪帶進(jìn)行這個(gè)子測(cè)繪帶內(nèi)的下一個(gè)成像塊成像，此時(shí)成像塊成像場(chǎng)景中心發(fā)生改變，向前跳躍一個(gè)波束地面覆蓋區(qū)長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)方位向成像場(chǎng)景的擴(kuò)展（事實(shí)上，跳躍距離應(yīng)小于波束地面覆蓋區(qū)長(zhǎng)度，以保證同一子測(cè)繪帶內(nèi)相鄰兩個(gè)成像塊圖像能以一定的重疊度進(jìn)行拼接），工作原理如圖1所示。凝視馬賽克模式的每個(gè)成像成像塊都是一個(gè)斜視聚束，它們的成像區(qū)域相鄰，通過(guò)拼接這些相鄰的聚束圖像實(shí)現(xiàn)成像范圍的擴(kuò)展。

凝視馬賽克模式所需的雷達(dá)波束掃描可以通過(guò)相控陣天線實(shí)現(xiàn)，它具備波束指向靈活捷變能力，可以根據(jù)指向需求快速調(diào)整，增加了系統(tǒng)靈活性。同時(shí)不需要衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)姿態(tài)機(jī)動(dòng)，降低了平臺(tái)實(shí)現(xiàn)難度。凝視馬賽克模式在單個(gè)成像塊成像過(guò)程中波束地面足印不移動(dòng)，避免了因滑動(dòng)造成不完全分辨率圖像的出現(xiàn)，所以實(shí)現(xiàn)相同的成像指標(biāo)，它所需要的方位向掃描范圍較滑動(dòng)馬賽克模式少，它的成像效率更高（凝視馬賽克模式的圖像中也存在少量不完全分辨率圖像，這是由波束地面足印的旋轉(zhuǎn)造成的，這與聚束模式相同［7］）。但是由于整個(gè)成像塊成像過(guò)程中，地面目標(biāo)始終對(duì)應(yīng)天線方向圖的同一位置，缺少波束移動(dòng)的平滑作用，因此，凝視馬賽克模式的方位向不均勻現(xiàn)象較滑動(dòng)馬賽克模式更為嚴(yán)重［7-9］。

圖1　馬賽克模式工作原理示意Fig.1　Pictorial concept of mosaic mode

凝視馬賽克模式的分辨率與波束寬度無(wú)關(guān)，只由這個(gè)成像塊的成像時(shí)間和空間幾何關(guān)系決定，通過(guò)增加成像時(shí)間可以獲得遠(yuǎn)高于條帶模式的方位向分辨率。由于方位向波束掃描范圍有限，分辨率的提高是以犧牲成像場(chǎng)景為代價(jià)，通過(guò)調(diào)整每個(gè)成像塊的合成孔徑時(shí)間能實(shí)現(xiàn)分辨率和成像場(chǎng)景之間的折中權(quán)衡。由SAR的分辨率理論可知:多普勒帶寬決定最終的方位向分辨率，而多普勒帶寬由成像過(guò)程中波束轉(zhuǎn)過(guò)的角度決定；如圖2所示，根據(jù)文獻(xiàn)［10］，瞬時(shí)多普勒頻率為

式中:θs為瞬時(shí)斜視角；Vs為衛(wèi)星速度；λ為載波波長(zhǎng)。

圖2　凝視馬賽克單個(gè)成像塊空間幾何關(guān)系Fig.2　Spatial geometry relation of single burst of staring mosaic mode

凝視馬賽克模式某一成像塊成像過(guò)程中，起始掃描角為θstart，結(jié)束掃 描角為θend，則整個(gè)成像時(shí)間內(nèi)的多普勒帶寬Ba為這兩個(gè)瞬時(shí)斜視角所對(duì)應(yīng)的多普勒頻率之差:

式中:fstart，fend分別為起始和結(jié)束掃描角對(duì)應(yīng)的多普勒頻率。根據(jù)合成孔徑雷達(dá)分辨率原理，方位向分辨率ρa(bǔ)得

將式（2）代入式（3），可以得到方位向分辨率為

式中:γw_a為方位向展寬因子。

在凝視馬賽克模式中，波束除了需要在距離向不同子測(cè)繪帶間切換外，還需要在方位向?qū)崟r(shí)調(diào)整波束指向，以使波束在單個(gè)成像塊成像時(shí)間內(nèi)始終覆蓋相同地面區(qū)域。此外，為了適應(yīng)子測(cè)繪帶間切換時(shí)的視角變化，以及實(shí)現(xiàn)方位向成像場(chǎng)景擴(kuò)展，凝視馬賽克模式在成像塊切換時(shí)，波束指向在方位向也需要跳變?？梢?jiàn)，實(shí)現(xiàn)凝視馬賽克模式需要天線系統(tǒng)能靈活控制波束指向，并需要天線具有波束指向快速跳變能力，同時(shí)為了使不同成像塊圖像能準(zhǔn)確拼接，需要精確控制地面成像區(qū)域位置，這對(duì)波束指向精度又提出了非常高的要求。機(jī)械掃描天線由于慣性作用很難實(shí)現(xiàn)上述波束操作，而電掃描方式能通過(guò)控制不同天線陣元的信號(hào)相位和幅度，快速改變天線波束的指向和形狀，有利于減少波束切換時(shí)的時(shí)間損失，電掃描方式的這些特點(diǎn)使它非常適合用于實(shí)現(xiàn)凝視馬賽克模式。

3　應(yīng)用二維電掃描的凝視馬賽克模式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

根據(jù)式（4），凝視馬賽克模式的方位向分辨率由單個(gè)成像塊的起始和結(jié)束掃描角決定，在凝視馬賽克模式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)分辨率需求計(jì)算出所有成像塊的初始和結(jié)束掃描角。由于具體某一成像塊的起始和結(jié)束掃描角與它之前成像塊的掃描情況有關(guān)，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要從中間成像塊開(kāi)始設(shè)計(jì)，當(dāng)一個(gè)成像塊的系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算完成后，它們將作為下一個(gè)成像塊計(jì)算時(shí)的輸入?yún)?shù)，如此遞推計(jì)算，直到成像范圍滿足覆蓋要求。計(jì)算過(guò)程中需要判斷每個(gè)成像塊的噪聲等效后向散射系數(shù)（NESZ）和模糊度（ASR）是否滿足設(shè)計(jì)要求（其中模糊度指標(biāo)包含兩部分，分別為距離模糊度（RASR）和方位模糊度（AASR））。如不滿足，更改方位向波束寬度，重新進(jìn)行上述計(jì)算，直到滿足設(shè)計(jì)要求，具體流程如圖3所示。

所有成像塊按不同子測(cè)繪帶沿方向分配到不同組，具有奇數(shù)和偶數(shù)個(gè)子測(cè)繪帶的凝視馬賽克模式地面成像場(chǎng)景結(jié)構(gòu)如圖4所示，該圖中每個(gè)子測(cè)繪帶的第0組成像塊位于場(chǎng)景中心。圖4中成像塊符號(hào)中的數(shù)字下標(biāo)代表成像塊所在的子測(cè)繪帶號(hào)和方位向成像塊組號(hào)，如Bd_2_0代表第2條子測(cè)繪帶的第0組成像塊。具有奇數(shù)個(gè)子測(cè)繪帶的凝視馬賽克模式，零斜視角位置位于中間子測(cè)繪帶中間成像塊的中央位置，如圖4（a）中Bd_2_0成像塊。具有偶數(shù)個(gè)子測(cè)繪帶的凝視馬賽克模式零斜視角位置位于兩個(gè)中間子測(cè)繪帶中間成像塊的切換位置，如圖4（b）中的 Bd_2_0和 Bd_3_0成像塊之間的切換位置。上述兩種情況下，都是子測(cè)繪帶1的左側(cè)第一個(gè)成像塊（Bd_1_—2）被首先照射，然后其它子測(cè)繪帶被依次照射成像。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先從零斜視角位置所在的中間成像塊開(kāi)始設(shè)計(jì)，這時(shí)需要對(duì)子測(cè)繪帶的奇、偶情況進(jìn)行區(qū)分。

圖3　凝視馬賽克模式系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖Fig.3　Flow diagram of staring mosaic mode system design

圖4　凝視馬賽克模式的地面成像場(chǎng)景結(jié)構(gòu)示意Fig.4　Timeline configuration of the staring mosaic mode

1）奇數(shù)個(gè)子測(cè)繪帶

零斜視角位置在中間子測(cè)繪帶的第0組成像塊中間，如圖4（a）中Bd_2_0成像塊，系統(tǒng)設(shè)計(jì)從此成像塊開(kāi)始。第0組成像塊（Bd_2_0）的中心斜視角為0o，它的成像幾何對(duì)稱分布，因此起始和結(jié)束斜視角絕對(duì)值相同，根據(jù)式（4）容易得到起始和結(jié)束掃描角分別為計(jì)算得到這兩個(gè)掃描角后，通過(guò)空間幾何關(guān)系可以很容易得到這個(gè)成像塊的合成孔徑長(zhǎng)度和駐留時(shí)間［］。

當(dāng)中心成像塊計(jì)算完成以后，將分為照射前、后兩個(gè)方向按組計(jì)算所有成像塊的參數(shù)，注意在計(jì)算照射時(shí)間早于零斜視角位置的成像塊參數(shù)時(shí)（左側(cè)成像塊（例如Bd_2_1）及第0組成像塊位于中間子測(cè)繪帶上方的成像塊（例如Bd_1_0）），先根據(jù)中心成像塊的起始掃描位置計(jì)算前一個(gè)成像塊的結(jié)束掃描位置，在忽略波束切換時(shí)間的情況下二者是重合的。然后根據(jù)這個(gè)結(jié)束掃描位置，結(jié)合這個(gè)成像塊的地面場(chǎng)景中心位置，計(jì)算它的結(jié)束掃描角。隨后根據(jù)下式，能得到它的起始掃描角為

然后根據(jù)起始和結(jié)束掃描角，可以得到這個(gè)成像塊的合成孔徑長(zhǎng)度和駐留時(shí)間，進(jìn)而得到它的起始掃描位置，以此來(lái)計(jì)算下一個(gè)成像塊的結(jié)束掃描角，以此類推。

在計(jì)算照射時(shí)間晚于零斜視角位置的成像塊參數(shù)時(shí)（右側(cè)成像塊（例如Bd_2_1）及第0組成像塊中位于中間測(cè)繪帶下方的成像塊（例如Bd_3_0）），首先根據(jù)中心成像塊的結(jié)束掃描位置計(jì)算后一個(gè)成像塊的起始掃描位置，在忽略波束切換時(shí)間的情況下二者是重合的，隨后根據(jù)這個(gè)起始掃描位置，計(jì)算它的起始掃描角。然后根據(jù)下式，能得到這個(gè)成像塊的結(jié)束掃描角為

隨后可以計(jì)算這個(gè)成像塊的合成孔徑長(zhǎng)度和駐留時(shí)間，得到它的結(jié)束掃描位置，以此來(lái)計(jì)算下一個(gè)成像塊的起始掃描角，以此類推直到滿足覆蓋要求。

2）偶數(shù)個(gè)子測(cè)繪帶

具有兩個(gè)中間成像塊，如圖4（b）所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)從這兩個(gè)中間成像塊開(kāi)始。上方中心成像塊（如圖4中Bd_2_0成像塊）的結(jié)束掃描角為0，可以根據(jù)式（6）計(jì)算它的起始掃描角。下方中心成像塊（如圖4中Bd_3_0成像塊）的起始掃描角為0，可以根據(jù)式（7）計(jì)算它的結(jié)束掃描角。中間成像塊計(jì)算完成后，利用上方中心成像塊（如圖4中Bd_2_0成像塊）的起始掃描位置計(jì)算前一個(gè)成像塊（如圖4中Td_1_0）的結(jié)束掃描位置，利用下方中心成像塊（如圖4中Bd_3_0成像塊）的結(jié)束掃描位置計(jì)算后一個(gè)成像塊（如圖4中Bd_4_0成像塊）的起始掃描位置，計(jì)算方法與奇數(shù)個(gè)子測(cè)繪帶情況相同，這里不再累述。

計(jì)算出成像塊系統(tǒng)參數(shù)之后，需要根據(jù)它的斜視幾何，計(jì)算這個(gè)成像塊的噪聲等效散射系數(shù)和模糊度，評(píng)估是否符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，如果不滿足性能要求，需要減小波束寬度以改善這些性能參數(shù)。隨后，通過(guò)斜視幾何計(jì)算這個(gè)成像塊的圖像長(zhǎng)度，此參數(shù)將作為下一組成像塊計(jì)算的輸入?yún)?shù)，用來(lái)確定該成像塊的中心位置。隨后計(jì)算圖像的總長(zhǎng)度，如果任何一條子測(cè)繪帶的圖像總長(zhǎng)度不能滿足設(shè)計(jì)要求，則需要增加一組成像塊，然后重復(fù)上述操作，直到滿足方位向覆蓋要求。

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1凝視馬賽克模式與滑動(dòng)馬賽克模式對(duì)比分析

凝視馬賽克模式在單個(gè)成像塊成像過(guò)程中波束地面足印不移動(dòng)，避免了滑動(dòng)馬賽克模式中存在的不完全分辨率成像區(qū)域問(wèn)題，所以，它較之滑動(dòng)馬賽克模式具有更高的成像效率。凝視馬賽克模式的高效率是通過(guò)波束地面足印不移動(dòng)，使整個(gè)波束覆蓋區(qū)成為有效成像區(qū)域得到的。但是，由于波束邊緣覆蓋區(qū)的天線增益下降，且缺少波束移動(dòng)的天線方向圖平滑作用，導(dǎo)致凝視馬賽克模式相比于滑動(dòng)馬賽克模式，方位向系統(tǒng)性能指標(biāo)惡化，且起伏更為嚴(yán)重［11］。

本部分通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例與滑動(dòng)馬賽克模式作對(duì)比，分析凝視馬賽克模式的性能特點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輸入?yún)?shù)見(jiàn)表1，分別采用文獻(xiàn)［6］和本文給出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法完成滑動(dòng)馬賽克模式和凝視馬賽克模式系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。同樣設(shè)計(jì)具有三條子測(cè)繪帶的滑動(dòng)馬賽克模式和凝視馬賽克模式系統(tǒng)方案，每條子測(cè)繪帶寬度為12.0km，相鄰成像塊之間的重疊度為5%，這兩個(gè)系統(tǒng)方案的距離向覆蓋特性相同。

表1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)表Table1　Eystem design input parameters

續(xù) 表

對(duì)比分析兩種馬賽克模式的系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果，具體見(jiàn)表2。

表2　凝視馬賽克與滑動(dòng)馬賽克系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比表Table2　Design result contrast between staring mosaic and sliding mosaic

由設(shè)計(jì)結(jié)果可知，滑動(dòng)馬賽克模式通過(guò)方位向波束在±11.77o范圍內(nèi)掃描，實(shí)現(xiàn)方位向31.2km范圍內(nèi)的1.0m分辨率成像。同樣條件下，凝視馬賽克模式僅需要方位向波束在±10.99o范圍內(nèi)掃描，就能實(shí)現(xiàn)方位向35.6km范圍內(nèi)的1.0m分辨率成像。由此可見(jiàn)，凝視馬賽克模式相比于滑動(dòng)馬賽克模式具有更高的成像效率。圖5為凝視馬賽克模式與滑動(dòng)馬賽克模式圖像強(qiáng)度變化對(duì)比圖，由圖5可見(jiàn)凝視馬賽克模式的“扇貝效應(yīng)”比滑動(dòng)馬賽克模式更嚴(yán)重，在滑動(dòng)馬賽克模式中方位向圖像強(qiáng)度變化量最大，僅為1.43dB，而在凝視馬賽克模式中方位向強(qiáng)度變化量大于5.39dB（此值在圖像拼接有效范圍內(nèi)得到）。圖6為凝視馬賽克模式與滑動(dòng)馬賽克模式的方位模糊性能對(duì)比圖，由圖6可見(jiàn)凝視馬賽克模式的方位模糊比（AASR）性能不及滑動(dòng)馬賽克模式，而且沿方位向起伏嚴(yán)重，在滑動(dòng)馬賽克模式中AASR最差為—23.71dB，AASR方位向起伏小于2.47dB，而在凝視馬賽克模式中AASR最差為—14.29dB，AASR方位向起伏大于12.73dB。圖7展示了凝視馬賽克模式與滑動(dòng)馬賽克模式的NESZ性能表現(xiàn)，由圖7可知凝視馬賽克模式相比于滑動(dòng)馬賽克模式，NESZ性能指標(biāo)惡化，而且沿方位向起伏更為嚴(yán)重，在滑動(dòng)馬賽克模式中NESZ最差為—20.19dB，NESZ方位向起伏小于2.11dB，而在凝視馬賽克模式中NESZ最差為—16.28dB，NESZ方位向起伏大于5.54dB。

圖5　凝視馬賽克模式與滑動(dòng)馬賽克模式圖像強(qiáng)度變化對(duì)比圖Fig.5　Image intensity fluctuation contrast between staring mosaic and sliding mosaic

圖6　凝視馬賽克模式與滑動(dòng)馬賽克模式方位模糊性能對(duì)比圖（以第2條子測(cè)繪帶為例）Fig.6　Azimuth ambiguity performance contrast between staring mosaic and sliding mosaic （Take second subswath as an example）

圖7　凝視馬賽克模式與滑動(dòng)馬賽克模式NESZ性能對(duì)比Fig.7　NESZ performance contrast between staring mosaic and sliding mosaic

4.2凝視馬賽克模式設(shè)計(jì)實(shí)例分析

由上述分析可知，凝視馬賽克模式成像效率優(yōu)于滑動(dòng)馬賽克模式，但它的AASR和NESZ性能較之滑動(dòng)馬賽克模式惡化，并且沿方位向起伏更為嚴(yán)重。本部分將對(duì)上述凝視馬賽克模式設(shè)計(jì)實(shí)例的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以得到AASR和NESZ性能滿足需求的系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例。首先，通過(guò)增加成像塊之間的重疊度，將每個(gè)成像塊的有效成像區(qū)域縮減10%，以此提高圖像拼接處的性能表現(xiàn)。其次，通過(guò)增加脈沖重復(fù)頻率（PRF）改善AASR性能。最后，將峰值發(fā)射功率增加到12000W，天線效率提高到0.8，噪聲系數(shù)降低到3.2dB，以此改善NESZ性能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例中PRF選擇結(jié)果如圖8所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。最終通過(guò)方位向波束在±11.16o范圍內(nèi)掃描，實(shí)現(xiàn)了方位向30.5km范圍內(nèi)的1.0m分辨率成像。值得注意的是這樣的性能指標(biāo)提高，是以犧牲部分成像效率和增加工程實(shí)現(xiàn)難度為代價(jià)的。

此設(shè)計(jì)實(shí)例采用二維電掃描實(shí)現(xiàn)，在掃描角度較大時(shí)存在柵瓣升高、波束展寬及主瓣增益下降等方向圖畸變，將導(dǎo)致AASR和NESZ等性能參數(shù)惡化。通過(guò)減小天線陣元間距，能有效降低上述畸變影響，但這需要增加大量的發(fā)射/接收（T/R）組件，將導(dǎo)致系統(tǒng)的質(zhì)量、復(fù)雜度和成本升高。本部分對(duì)比分析陣元間距分別為0.7λ、1.0λ和2.0λ三種天線結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。這里不同天線結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在方位向上，而距離向天線結(jié)構(gòu)相同，因此對(duì)距離模糊的影響可以忽略。由于本實(shí)例選擇的PRF使方位模糊區(qū)在三種天線方案下都避開(kāi)了天線方向圖的柵瓣，因此不同天線結(jié)構(gòu)下方位模糊的差別不大。三種天線結(jié)構(gòu)下的圖像強(qiáng)度起伏對(duì)比結(jié)果如圖9所示，可見(jiàn)隨著天線陣元間距增加，圖像強(qiáng)度方位向變化量增加，所得圖像的方位向非均勻現(xiàn)象變嚴(yán)重。NESZ性能表現(xiàn)對(duì)比結(jié)果如圖10所示，可見(jiàn)隨著天線陣元間距增加，NESZ性能逐漸惡化，且沿方位向起伏增大。

圖8　系統(tǒng)設(shè)計(jì)斑馬圖Fig.8　Diamond diagram showing system design

表3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)表Table3　Eystem design parameters

表4　三種天線結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)性能的影響分析結(jié)果表Table4　Eystem performance analysis result for three different antenna structures

圖9　不同天線結(jié)構(gòu)下圖像強(qiáng)度變化對(duì)比Fig.9　Image intensity fluctuation contrast for different antenna structures

圖10　不同天線結(jié)構(gòu)下NESZ性能對(duì)比Fig.10　NESZ performance contrast for different antenna structures

由上述分析可知，當(dāng)天線陣元間距從0.7λ增加到1.0λ，系統(tǒng)性能指標(biāo)下降并不明顯，但當(dāng)天線陣元間距增加到2.0λ時(shí)，系統(tǒng)性能急劇惡化到不可接受。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要綜合考慮天線陣元間距減小帶來(lái)的性能提升和所付出的成本，選擇合適的天線方案。例如，綜合考慮上述因素后，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例中最終采用陣元間距為1.0λ的天線方案。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新的應(yīng)用二維電掃描的星載SAR凝視馬賽克模式，它通過(guò)拼接二維相鄰的聚束圖像實(shí)現(xiàn)大場(chǎng)景高分辨率成像，能夠同時(shí)兼顧分辨率和成像范圍，大幅提升SAR衛(wèi)星的成像性能指標(biāo)。分析了凝視馬賽克模式的性能特點(diǎn)，給出了一種基于二維電掃描的實(shí)現(xiàn)方式，針對(duì)此模式提出了一種新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真實(shí)例，對(duì)比滑動(dòng)馬賽克模式，分析了凝視馬賽克模式的性能特點(diǎn)。本文的仿真與分析結(jié)果說(shuō)明:凝視馬賽克模式單個(gè)成像塊的有效成像區(qū)域?yàn)橥暾牟ㄊ阌?，不存在天線足印滑動(dòng)導(dǎo)致的不完全分辨率區(qū)域，相比滑動(dòng)馬賽克模式，具有更高的成像效率。同時(shí)，這種模式所須的方位向波束掃描和距離向波束跳變，通過(guò)相控陣天線的二維電掃描實(shí)現(xiàn)，具有波束指向靈活的特點(diǎn)，同時(shí)降低了SAR衛(wèi)星平臺(tái)控制分系統(tǒng)、測(cè)控分系統(tǒng)和數(shù)傳分系統(tǒng)等的實(shí)現(xiàn)難度。

（References）

［1］U Naftaly，R Levy Nathansohn.Overview of the TECSAR satellite hardware and Mosaic mode［J］.IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters，2008，5（3）:423-426

［2］Y Sharay，U Naftaly.TECSAR:design considerations and program status［J］.IEE Proceedings-Radar，Sonar and Navigation，2006，153（2）:117-121

［3］Han Xiaolei，Zhang Qingjun，Liu Jie，et al.High-resolution wide-swath Mosaic mode space-borne SAR［C］// IGARSS 2015.New York:IEEE，2015:1809-1812

［4］禹衛(wèi)東，熊名男，田雨潤(rùn).基于方位向多通道的星載SAR Mosaic模式研究［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2014，36 （12）:2994-3000 Yu Weidong，Xiong Mingnan，Tian Yurun.Study on space-borne SAR Mosaic mode based on azimuth multichannel［J］.Journal of Electronics&Information Technology，2014，36（12）:2994-3000（in Chinese）

［5］Han Xiaolei，Li Shiqiang，Yu Weidong，et al.On the Mosaic mode space-borne SAR［C］//IGARSS 2012. New York:IEEE，2012:3983-3986

［6］韓曉磊，李世強(qiáng)，王宇，等.基于敏捷衛(wèi)星平臺(tái)的星載SAR馬賽克模式研究［J］.宇航學(xué)報(bào)，2013，34（7）:971-979 Han Xiaolei，Li Shiqiang，Wang Yu，et al.A study on space-borne SAR Mosaic mode for an agile satellite［J］. Journal of Astronautics，2013，34（7）:971-979（in Chinese）

［7］W Carrara，R.Goodman，R Majewski.Spotlight synthetic aperture radar:signal processing algorithm［M］. Boston:Artech House，1995

［8］D P Belcher，C J Baker.Hybrid strip-map/spotlight SAR［C］//IEE Colloquium on Radar and Microwave Imaging，London:The Institution of Electrical Engineers，1994

［9］高祥武.星載聚束模式合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)研究［D］.北京:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所，2004 Gao Xiangwu.Researches on space-borne SAR system working on spotlight mode［D］.Beijing:Institute of Electronics，Chinese Academy of Sciences，2004（in Chinese）

［10］I G Cumming，F(xiàn) H Wong.Digital processing of synthetic aperture radar data:algorithms and implementation［M］.Norwood，MA:Artech House，2005

［11］席龍梅，盛磊，葛家龍.星載滑動(dòng)聚束SAR模糊特性分析與仿真［J］.上海航天，2011，28（1）:1-6 Xi Longmei，Sheng Lei，Ge Jialong.Analysis and simulation of ambiguities on spaceborne sliding spotlight SAR［J］.Aerospace Shanghai，2011，28（1）:1-6（in Chinese）

（編輯：張小琳）

Study on a Space-borne SAR Staring Mosaic Mode Based on Two-dimensional Electronic Steering

HAN Xiaolei1ZHANG Qingjun1LIU Jie1ZHANG Running2
（1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）
（2 DFH Satellite Co.，Ltd.，Beijing 100094，China）

The space-borne SAR mosaic mode realized by mechanical steering requires very high agility maneuver ability，and the appearance of the imaging area with incomplete resolution brings on the decrease of the imaging efficiency.In the paper，we propose a novel mosaic mode based on two-dimensional electronic steering.The mode can generate many adjacent spotlight images using two-dimensional electronic steering.Then，it extends the coverage by integrating the spotlight images.In this paper，we name the novel mosaic as staring mosaic，whereas name the mosaic mode realized by mechanical steering as sliding mosaic.According to the characteristics of staring mosaic，we present a new system design method in the paper.Furthermore，staring mosaic mode is compared with sliding mosaic mode with a system design example.Moreover，we analyze the effect of different antenna configurations to staring mosaic mode.Finally，through optimization design，a satisfied system example is present.

SAR；staring mosaic；electronic steering；high-resolution wide-swath

TN958

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.03.003

2015-09-09；

2016-04-21

國(guó)家重大航天工程

韓曉磊，男，博士，從事合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星工作體制與信號(hào)處理研究。Email：hanxiaolei23@163.com。