趙 強(qiáng)，袁英男，王 輝，陳 翔，鄭世超

（1.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109；2.上海市毫米波空天信息獲取及應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201109；3.上海航天技術(shù)研究院毫米波成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201109）

0 引言

隨著天基觀測(cè)應(yīng)用需求的不斷提高，合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）任務(wù)概念越來(lái)越多涉及大量衛(wèi)星和更多的分塊功能。例如，SAR 星座任務(wù)利用多基線交軌干涉測(cè)量法，用于生成具有分米高度精度的高分辨率數(shù)字高程模型；通過減少多角后向散射測(cè)量散斑，以改進(jìn)場(chǎng)景表征特性，獲取超分辨率圖像。此外，SAR 星座任務(wù)還為先進(jìn)的矢量變形監(jiān)測(cè)和運(yùn)動(dòng)物體的速度測(cè)量提供了更好的解決方案，為對(duì)流層水汽和電離層的提取，以及海洋表面洋流和地形及其隨時(shí)間的短期和長(zhǎng)期演變的反演提供了可能。

當(dāng)前，只有歐洲和中國(guó)的少量雙基地SAR 系統(tǒng)還部署在太空中。造成各國(guó)對(duì)雙基地和多基地SAR 系統(tǒng)投入較少主要是因其高復(fù)雜性和高成本。SAR 衛(wèi)星本身接收、存儲(chǔ)和下行雷達(dá)數(shù)據(jù)的硬件成本昂貴，部署多顆衛(wèi)星必須成倍地增加硬件數(shù)量，同時(shí)還必須增加硬件以實(shí)現(xiàn)精確的相位同步，并需要高下行能力將雷達(dá)數(shù)據(jù)從多顆衛(wèi)星傳送到地面。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，2017 年，德國(guó)宇航局主要技術(shù)專家KRIEGER等提出了Mirror SAR的概念，該概念已應(yīng)用于德國(guó)宇航局的TerraSAR-X、TanDem-X 衛(wèi)星，以及德國(guó)宇航局與空客合作研發(fā)的高分辨率寬幅（High-Resolution and Wide-Swath，HRWS）衛(wèi)星。Mirror SAR 是一種多基地SAR 任務(wù)概念，其系統(tǒng)架構(gòu)包括一組空間上獨(dú)立的發(fā)射星和接收星。Mirror SAR 的一個(gè)關(guān)鍵特征是使用分布式合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)，其中發(fā)射雷達(dá)信號(hào)和雷達(dá)回波采集由不同的平臺(tái)執(zhí)行。與此同時(shí)，Mirror SAR 徹底簡(jiǎn)化接收衛(wèi)星，通過將雷達(dá)回波從接收星發(fā)送到發(fā)射星的類似應(yīng)答器的路由來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于接收星僅僅充當(dāng)空間中繼，因此既不需要裝備齊全的雷達(dá)接收器，也不需要昂貴的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和下行系統(tǒng)。

采用高頻段和新體制的SAR 載荷系統(tǒng)也能在保證系統(tǒng)高性能的同時(shí)顯著減小系統(tǒng)成本。毫米波頻段SAR 系統(tǒng)相比與傳統(tǒng)低頻段，所需天線尺寸小，系統(tǒng)重量輕，因此能實(shí)現(xiàn)SAR 星座系統(tǒng)的低成本、輕量化。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的脈沖體制SAR 發(fā)射占空比較小，造成系統(tǒng)的峰值功率遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的平均功率，因此需要大量的功放組件滿足高峰值發(fā)射功率需求，導(dǎo)致組件在載荷成本中占據(jù)了很高的比重，難以滿足星載SAR 輕小型化發(fā)展的需求。將調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW）技術(shù)引入星載SAR，通過更高的發(fā)射占空比大幅降低峰值發(fā)射功率（如圖1 所示），SAR 系統(tǒng)所需組件通道數(shù)量減少，可以有效降低系統(tǒng)規(guī)模，從而更好地匹配輕量化、低成本的衛(wèi)星發(fā)展要求。因此采用FMCW 體制、毫米波頻段的近距離SAR 星座編隊(duì)，可以在完成未來(lái)多種對(duì)地觀測(cè)任務(wù)的條件下實(shí)現(xiàn)輕量化和低成本化。

圖1 脈沖與連續(xù)波發(fā)射功率對(duì)比Fig.1 Comparison of transmission power by pulses and continuous waves

1 FMCW 體制毫 米波SAR 概念

近幾年，毫米波頻段由于其波段短、目標(biāo)散射特性豐富的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在機(jī)載領(lǐng)域獲得了較多的應(yīng)用。但毫米波頻段SAR 對(duì)功率器件的要求高、波長(zhǎng)短導(dǎo)致的距離向幅寬小等難題限制了其在衛(wèi)星上的應(yīng)用，因此當(dāng)前尚沒有一個(gè)成熟的星載FMCW體制毫米波SAR 系統(tǒng)。

由于FMCW SAR 系統(tǒng)的收發(fā)端信號(hào)是同時(shí)工作的，因此需要充分考慮SAR 系統(tǒng)發(fā)射端和接收端之間的隔離度。通常采用了雙星平臺(tái)的方案來(lái)解決這一問題，將SAR 系統(tǒng)發(fā)射端和接收端置于不同的平臺(tái)上，利用電磁波的空間衰減提高收發(fā)端隔離度。

雙星FMCW 體制毫米波SAR 系統(tǒng)主要用于對(duì)地觀測(cè)，系統(tǒng)工作時(shí)的星間相對(duì)關(guān)系如圖2 所示。

圖2 雙星Ka FMCW SAR 工作Fig.2 Operation schematic diagram of the doublesatellite Ka FMCW SAR

發(fā)射天線和接收天線分別裝在兩顆小衛(wèi)星上。發(fā)射星和接收星形成了一個(gè)飛行編隊(duì)，前者向觀測(cè)區(qū)域發(fā)射毫米波頻段FMCW 信號(hào)，后者接收地面的回波信號(hào)。通過綜合考慮軌道高度、成像幅寬的約束，優(yōu)化發(fā)射端發(fā)射信號(hào)的占空比，能夠進(jìn)一步的節(jié)約發(fā)射功率，降低系統(tǒng)代價(jià)。雙星FMCW 體制毫米波SAR 系統(tǒng)與傳統(tǒng)單星SAR 衛(wèi)星一樣可以進(jìn)行條帶、聚束、滑動(dòng)聚束等多種模式的SAR成像。

雙星FMCW 體制毫米波SAR 的原理如圖3 所示。圖3 的上半部分為發(fā)射星，主要包括了中央電子設(shè)備、頻綜接收機(jī)、預(yù)功放和發(fā)射天線，下半部分為接收星，主要包括了中央電子設(shè)備、頻綜接收機(jī)、接收天線和實(shí)時(shí)處理單元。頻綜接收機(jī)主要接收高頻回波信號(hào)并且對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行差拍處理，使得信號(hào)可以被低速率數(shù)字接收機(jī)直接采集。

圖3 雙星FMCW 體制毫米波SAR 原理Fig.3 Principle of dual-satellite FMCW millimeter-wave SAR system

因收發(fā)雷達(dá)不共頻率源導(dǎo)致的空間同步、時(shí)間同步、頻率同步和相位同步問題，是所有雙基雷達(dá)系統(tǒng)工程化實(shí)現(xiàn)所必須解決的問題。雙星FMCW體制毫米波SAR 系統(tǒng)的方位向合成孔徑距離較短且星間距離較大，采用傳統(tǒng)的雙星全零多普勒導(dǎo)引將導(dǎo)致載荷收發(fā)天線輻照地表的不同區(qū)域，無(wú)法有效錄取回波。因此采用輔瞄主的方案，在收到回波后，再分析多普勒特性，進(jìn)行二次校正。時(shí)間同步和頻率同步可以通過雙星所裝配的時(shí)頻同步單元實(shí)現(xiàn)，星間通過時(shí)頻同步天線實(shí)現(xiàn)星間建鏈，通過微波對(duì)傳的方式實(shí)現(xiàn)雙星平臺(tái)高精度時(shí)統(tǒng)，并基于高精度的時(shí)間基準(zhǔn)生成高穩(wěn)的頻率基準(zhǔn)輸入到頻綜。主天線工作時(shí)，利用星間相位同步天線實(shí)現(xiàn)異中頻毫米波頻段信號(hào)對(duì)傳，基于所對(duì)傳的信號(hào)進(jìn)行收發(fā)端信號(hào)源、信號(hào)通道相位信息提取，提取星間相位差并進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)雙星間的相位同步。

雙星FMCW 體制毫米波SAR 系統(tǒng)的另一個(gè)設(shè)計(jì)重點(diǎn)是SAR 系統(tǒng)的內(nèi)定標(biāo)。內(nèi)定標(biāo)是監(jiān)測(cè)SAR系統(tǒng)工作狀態(tài)的重要手段，高精度星間定標(biāo)的最終目的是從定標(biāo)數(shù)據(jù)中獲得SAR 系統(tǒng)的增益變化，并利用這一結(jié)果校正SAR 圖像，提高圖像質(zhì)量。在雙星系統(tǒng)中，發(fā)射星和接收星布置在不同的衛(wèi)星平臺(tái)上，SAR 系統(tǒng)的星間定標(biāo)難度較大。通過分別在發(fā)射星和接收星設(shè)置星間定標(biāo)天線，通過星間定標(biāo)天線建立起發(fā)射定標(biāo)和接收定標(biāo)之間的鏈路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)完整的系統(tǒng)鏈路的定標(biāo)。

2 Mirror Link 可行性

Mirror SAR 是一種多基地SAR 任務(wù)概念，雷達(dá)接收天線被重新安置到一個(gè)獨(dú)立的接收（Rx）衛(wèi)星，但雷達(dá)信號(hào)接收鏈組件下轉(zhuǎn)換、A/D 轉(zhuǎn)換、海量存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)下行鏈路仍在發(fā)射（Tx）衛(wèi)星上。

一個(gè)Tx 衛(wèi)星和一個(gè)Rx 衛(wèi)星的Mirror SAR 編隊(duì)中的主要雷達(dá)信號(hào)流如圖4 所示。Tx 衛(wèi)星向地面場(chǎng)景發(fā)射雷達(dá)信號(hào)。由于雙基地采集的系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)，不會(huì)因發(fā)射干擾而導(dǎo)致條帶寬度減小。地面反射的雷達(dá)回波由Rx 衛(wèi)星的雷達(dá)天線接收，并通過保留信號(hào)相位的模擬鏡像連接轉(zhuǎn)發(fā)給Tx 衛(wèi)星。在Tx 衛(wèi)星上，通過使用雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生的相同振蕩器進(jìn)行下行轉(zhuǎn)換。該方案有效簡(jiǎn)化了雙靜態(tài)SAR 系統(tǒng)中通常需要的同步設(shè)計(jì)。經(jīng)過對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化和大規(guī)模存儲(chǔ)后，獲得的雷達(dá)數(shù)據(jù)由Tx 衛(wèi)星向下傳輸?shù)降孛嬲尽?/p>

圖4 Mirror SAR 信號(hào)流Fig.4 Signal flow of the Mirror SAR

Mirror SAR 概念的另一個(gè)重要能力是在單航過程中同時(shí)獲取幾個(gè)Rx 基線，為高度精確的SAR干涉測(cè)量創(chuàng)造了技術(shù)條件。一個(gè)帶有1 個(gè)Tx 和3 個(gè)Rx 衛(wèi)星的Mirror SAR 編隊(duì)如圖5 所 示，1 顆Tx衛(wèi)星和1 顆Rx 衛(wèi)星在同一軌道上前后飛行，另外2 顆Rx 衛(wèi)星與第1 顆Rx 衛(wèi)星一同以螺旋形繞Tx 軌道飛行。其中，螺旋軌道概念已經(jīng)通過TanDEM-X任務(wù)的2 顆近距離編隊(duì)衛(wèi)星進(jìn)行了演示。

圖5 Mirror SAR 系統(tǒng)實(shí)例Fig.5 Example of the Mirror SAR system

用于雙基地SAR 操作的全功能Rx 衛(wèi)星的原理如圖6（a）所示。除了從Rx 衛(wèi)星SAR 天線到下行鏈路的完整SAR 接收鏈外，還需要Tx 和Rx 衛(wèi)星的本振（Local Oscillator，LO）同步。Rx 衛(wèi)星通過一個(gè)單獨(dú)的同步天線接收Tx 衛(wèi)星的脈沖，并向Tx 衛(wèi)星發(fā)送自己的LO 同步脈沖，用于向下轉(zhuǎn)換。2 顆衛(wèi)星接收到基于另一顆衛(wèi)星的雷達(dá)脈沖時(shí)產(chǎn)生的振子差分相位噪聲和頻率偏差，可以通過地面補(bǔ)償。

Mirror SAR 任務(wù)概念中的Rx 衛(wèi)星的原理如圖6（b）所示。包括A/D 轉(zhuǎn)換在內(nèi)的所有接收鏈都位于Tx 衛(wèi)星上，從地面接收到的雷達(dá)回波信號(hào)也在Tx 衛(wèi)星上調(diào)制成光學(xué)信號(hào)或甚高頻無(wú)線電信號(hào)。因此極大地簡(jiǎn)化了Rx 衛(wèi)星的構(gòu)造，可以實(shí)現(xiàn)在Mirror SAR編隊(duì)中布置多顆Rx衛(wèi)星，以提供多個(gè)測(cè)量基線。

圖6 雙基Mirror SAR 中的Rx 衛(wèi)星原理Fig.6 Block diagram of the Rx satellite in the double-satellite Mirror SAR

有幾種實(shí)現(xiàn)Mirror Link 的方法?？删C合考慮技術(shù)成熟度或成本約束，選擇最優(yōu)方案。一般來(lái)講，光鏈路是技術(shù)上的最佳解決方案。

1）直接轉(zhuǎn)發(fā)。類似直接應(yīng)答器的解決方案，只是將接收到的地面反射信號(hào)在Rx 衛(wèi)星上放大后轉(zhuǎn)發(fā)給Tx 衛(wèi)星，需要考慮從Tx 衛(wèi)星傳輸?shù)降孛娴睦走_(dá)脈沖的干擾。

2）光學(xué)Mirror Link。光鏈路能夠?yàn)槔走_(dá)信號(hào)相位同步提供最高的數(shù)據(jù)傳輸速率，即通過用雷達(dá)信號(hào)調(diào)制光載波的振幅實(shí)現(xiàn)相位保持高帶寬鏈路。Rx衛(wèi)星的功能只是接收地面反射的雷達(dá)信號(hào)，并將其調(diào)制到光載波上發(fā)送到Tx 衛(wèi)星。Tx 衛(wèi)星接收到光信號(hào)后，使用雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生的本振執(zhí)行基帶的下轉(zhuǎn)換，或者使用相干I/Q 解調(diào)器直接對(duì)雷達(dá)頻段內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行采樣，如圖7 所示。光鏈路組件會(huì)引入內(nèi)部延遲，必須由硬件進(jìn)行校準(zhǔn)，但所需的硬件規(guī)模較小。

圖7 在光學(xué)Mirror Link 鏈路原理Fig.7 Schematic diagram of the optical Mirror Link

3）高射頻Mirror Link。除了光載波，Mirror Link 還可以使用高射頻載波。所使用載波頻率往往比雷達(dá)主頻率高得多。

3 毫米波SAR 星座未來(lái)應(yīng)用

星載FMCW SAR 在軌收發(fā)分置的方式使得Rx 衛(wèi)星上只有很少的功能，而在Tx 衛(wèi)星方面有更多的功能，就注定了這個(gè)系統(tǒng)可以用較少的Tx 和多顆Rx 衛(wèi)星來(lái)構(gòu)建衛(wèi)星編隊(duì)。通過在軌試驗(yàn)驗(yàn)證，演示應(yīng)用模式，優(yōu)化技術(shù)體制，評(píng)估系統(tǒng)可用性，在形成高可判讀性的精細(xì)化SAR 對(duì)地觀測(cè)能力、靈活可擴(kuò)展的輕小型SAR 衛(wèi)星裝備的基礎(chǔ)上，可以通過星簇組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)的高分寬幅成像、高精度干涉、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等一體化觀測(cè)能力。可擴(kuò)展的功能具體包括：

1）高分寬幅類光學(xué)詳查星座。

目標(biāo)識(shí)別率和信息獲取周期是天基詳查的關(guān)鍵指標(biāo)，而目標(biāo)識(shí)別、確認(rèn)和描述的準(zhǔn)確性和獲取速度主要取決于圖像的分辨率和幅寬。面對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的新局面，迫切需要發(fā)展高分辨率寬幅微波成像衛(wèi)星，以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱點(diǎn)地區(qū)的重點(diǎn)觀測(cè)。

在前文雙星系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在順軌方向上增加多顆發(fā)射星和接收星，可實(shí)現(xiàn)子帶拼接高分寬幅成像，如圖8 所示。

圖8 子帶拼接高分寬幅成像Fig.8 Schematic diagram of sub-band stitching HRWS imaging

2）多基線InSAR 干涉測(cè)高。

干涉測(cè)高能力可生成數(shù)字表面模型產(chǎn)品，其中包含了等高線、坡度圖等信息，能夠廣泛應(yīng)用于國(guó)土規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)估產(chǎn)等領(lǐng)域，取得了十分顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

在演示驗(yàn)證的基礎(chǔ)上可增加1 顆接收星實(shí)現(xiàn)干涉，同時(shí)增加2～3 顆接收星實(shí)現(xiàn)多基線干涉提高干涉測(cè)量精度。多基線InSAR 如圖9所示。

圖9 多基線InSARFig.9 Schematic diagram of multi-baseline InSAR

3）多基線順軌干涉動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)。

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，交通場(chǎng)景中的動(dòng)目標(biāo)問題備受關(guān)注。通過對(duì)城市道路中的車輛進(jìn)行動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)，有助于為城市道路建設(shè)及交通規(guī)劃提供數(shù)據(jù)保障。同樣，可以通過對(duì)海冰、洋流等海面動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行大范圍的檢測(cè)，獲取全球氣候等研究的寶貴素材，有助于災(zāi)害防治和環(huán)境保護(hù)。

在演示驗(yàn)證的基礎(chǔ)上增加1 顆接收星實(shí)現(xiàn)GMTI（地面動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)），增加1～2 顆接收星實(shí)現(xiàn)多基線GMTI。GMTI 衛(wèi)星系統(tǒng)工作構(gòu)型如圖10所示。

圖10 長(zhǎng)短基線順軌測(cè)速Fig.10 Schematic diagram of long and short baseline speed measurement along the track

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以降低多星組網(wǎng)成本和規(guī)模為出發(fā)點(diǎn)，提出了全新波段、全新體制的雙星FMCW 體制毫米波SAR 系統(tǒng)，通過對(duì)SAR 系統(tǒng)中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、星間同步、內(nèi)定標(biāo)等重點(diǎn)問題進(jìn)行分析，并對(duì)國(guó)際最前沿的Mirror Link 星間鏈路技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，論證了雙星FMCW 體制毫米波SAR 系統(tǒng)的工程可行性。同時(shí)雙星FMCW 體制毫米波SAR 系統(tǒng)具備高可拓展性，通過增加衛(wèi)星數(shù)量，提高組網(wǎng)規(guī)模，形成多條觀測(cè)基線，能夠靈活實(shí)現(xiàn)高分寬幅、干涉測(cè)高、干涉測(cè)速等功能。星載FMCW 體制毫米波SAR 系統(tǒng)為一種小規(guī)模、低成本、易拓展的多功能天基組網(wǎng)SAR 系統(tǒng)。