小型合成孔徑雷達衛星技術一瞥

星載合成孔徑雷達（SAR）能夠全天時、全天候地獲取地面目標的高分辨率圖像，在軍事上具有極其重要的應用價值。從合成孔徑雷達衛星的發展過程可以看出，合成孔徑雷達衛星從開始的單頻段、單極化、固定入射角、單工作模式，逐漸向多頻段、多極化、多入射角和多工作模式方向發展，天線也經歷了固定波束視角、機械掃描、一維電掃描及二維相控陣的發展過程。隨著合成孔徑雷達衛星的發展，分辨率等技術指標逐漸提高，衛星功能逐漸增強，衛星的質量也逐漸增加，使衛星的研制和發射成本也隨之增加，為此，衛星的小型化就成為需要解決的問題。隨著技術的進步，元器件的小型化，成像技術的發展，使衛星在保持高性能指標的同時實現小型化成為可能。與大衛星相比，小衛星的戰場生存能力和快速反應能力要強得多。從已有的小型合成孔徑雷達衛星所發揮的作用來看，其應用的效費比明顯提高，研制費用大幅降低，在軍事和經濟上的應用越來越重要。

1 發展現狀

小型合成孔徑雷達衛星是微波成像衛星的主要發展方向之一。目前，有代表性的小型合成孔徑雷達衛星系統有德國“合成孔徑雷達-放大鏡”（SAR-Lupe）衛星、以色列“技術合成孔徑雷達”（TecSAR）衛星。美國、俄羅斯等傳統軍事強國也在積極開發和部署小型的合成孔徑雷達衛星。

2006年12月發射的“合成孔徑雷達-放大鏡”衛星是德國第一個軍用衛星系統，歐洲第一個軍用雷達衛星系統，也是當時世界上質量最小的軍用雷達衛星。該衛星雖然很小，質量僅有770kg，但具有的監視能力卻非常強。衛星質量的大幅度降低并不意味著指標的大幅度降低，而是技術的進步，元器件的小型化，設備效率的提高和系統方案的優化帶來的。“合成孔徑雷達-放大鏡”衛星從系統的設計開始就充分考慮衛星組網后要對熱點地區實現高時效性和高分辨率的監視，其高分辨率關鍵指標與美國“長曲棍球”（Lacrosse）雷達衛星的分辨率相當，而質量只約為“長曲棍球”衛星的1/20。

以色列“技術合成孔徑雷達”項目是一項雷達衛星星上技術驗證項目，旨在開發和評估合成孔徑雷達衛星獲得高分辨率和大面積覆蓋所需的技術。該系統采用多種工作模式，在滿足質量和體積限制條件下，通過設計新穎的系統和分系統來實現這一目標。“技術合成孔徑雷達”衛星的有效載荷能以掃描模式、各種條帶模式和若干聚束模式工作。采用不同的模式有不同的分辨率、覆蓋面積和處理方法。包括燃料在內“技術合成孔徑雷達”衛星總質量只有300kg，其中有效載荷質量約100kg。極輕的質量和極小的體積不僅使衛星具有高敏捷性，而且也會降低發射費用，使得以較低費用在較短時間內發射大量衛星以組成星座和星群成為可能。該衛星于2008年1月發射，是以色列的首顆雷達衛星，也是目前世界質量最小的雷達衛星，其設計壽命為4年，期望壽命可能長達8年。

2 在研衛星

英國天體合成孔徑雷達－Lite衛星

俄羅斯目前正在建造阿爾康－2、2M（Arkon－2、2M）2顆新型雷達衛星。阿爾康－2為多功能雷達衛星，可以為聯邦航天局和商業客戶提供高分辨率和中分辨率的圖像，衛星擁有獨特的三頻段雷達。阿爾康－2M是由拉沃奇金科研生產聯合體研制的雷達成像小衛星，衛星質量不到1000kg。阿爾康－2M上載有X、L和P頻段合成孔徑雷達成像儀和兩坐標電子掃描波束相控陣天線。天線的256個收/發組件工作于L頻段，84個收/發組件工作于P頻段。L頻段（波長23cm）可以穿透樹葉進行觀測，P頻段（波長69cm）能探測土壤層下面。分辨率：X頻段1～1.5m，L頻段3～5m，P頻段30m。成像帶寬：X頻段2～10km，L頻段20～100km，P頻段100～450km。阿爾康－2衛星原計劃2009年發射，現已推遲到2012年發射，目前尚未發射；阿爾康－2M計劃2013年發射。

英國薩瑞衛星技術有限公司（SSTL）和阿斯特留姆公司（Astrium）共同研制的低成本、高性能小型合成孔徑雷達衛星星座，該星座由天體合成孔徑雷達（AstroSAR）－Lite和天體合成孔徑雷達－災害監測（AstroSAR－DMC）組成。其中，天體合成孔徑雷達－Lite是軍民兩用雷達衛星，質量僅為400～500kg，設計壽命5年（目標壽命7年）。采用小傾角軌道，具有多種觀測角度，能夠多次重訪目標，對海上的覆蓋帶較寬。該衛星有多種不同的運行模式，并可根據實時安全狀況快速響應執行一系列的偵察監視任務、生產大量不同類型的偵察監視產品。天體合成孔徑雷達－Lite衛星采用聚束模式、條帶模式工作。其獨特的海洋監視模式可監視900km范圍的海域。英國薩瑞衛星技術有限公司研制的新型合成孔徑雷達衛星－S（NovaSAR－S）能以等同于一個傳統低成本光學對地觀測任務的成本，為客戶提供天基雷達能力。新型合成孔徑雷達衛星－S質量為400kg，衛星預計2013年發射。

英國天體合成孔徑雷達－災害監測衛星

巴西和德國共同研制的“多應用目的合成孔徑雷達”（MapSAR）衛星，質量約529kg，設計壽命4年，衛星預計2012年發射。“多應用目的合成孔徑雷達”衛星在設計上體現了小型合成孔徑雷達的創新，采用模塊化設計，星上載有一種輕型、創新性L頻段段合成孔徑雷達，天線采用橢圓形拋物面反射天線。

3 特點分析

隨著器件與合成孔徑雷達系統技術的發展，合成孔徑雷達衛星的小型化不僅是元器件、材料、結構等的小型化與輕量化，更重要的是可通過優化系統工作模式與系統技術指標來降低衛星的研制難度，從而實現小型化。小型合成孔徑雷達衛星的發展具有4個特點。

衛星天線與器件的小型化與輕量化

在雷達衛星的方案設計和研制中，采用輕型天線是降低整個衛星質量，提高衛星性能，降低研制成本的關鍵。有效載荷天線的選擇是影響衛星方案和性能的關鍵，輕型高效的天線是降低衛星質量的關鍵。天線主要包括兩大類，一類是相控陣天線，另一類是拋物面反射天線。相控陣天線中有代表性的有微帶天線和波導裂縫陣天線，一般情況下微帶天線的效率較低，但質量要輕一些，而波導裂縫陣天線的效率較微帶天線的要高一些，但質量較微帶天線要重一些。相控陣天線的最大優點，就是能夠用電子方式控制雷達波束，相控陣天線還有助于消除雜波和抗電子干擾。相反，與相控陣天線相比，反射面天線通常質量較輕，造價也較低，特別是可展開的網狀拋物面天線質量更是輕得多，“技術合成孔徑雷達”衛星的整個網狀反射器總質量不到0.5kg。“合成孔徑雷達-放大鏡”衛星和“技術合成孔徑雷達”衛星的天線沒有采用當今大多數先進的新型合成孔徑雷達衛星所采用的相控陣天線，而是采用了拋物面天線，僅此一項不僅大大減輕了衛星的質量，而且大大節約了系統的研制成本，5顆“合成孔徑雷達-放大鏡”衛星的總造價才2.5億歐元。

新型合成孔徑雷達衛星－S在軌飛行示意圖

高效太陽電池翼和蓄電池

高效太陽電池翼和蓄電池是減少衛星體積，降低衛星質量的另外一項關鍵技術。衛星巨大的太陽電池翼不僅增大了衛星的質量，而且增大了衛星的慣性矩，使繞滾動軸轉動困難。衛星電源是整個衛星工作的主要能量來源。太陽電池技術的最新進展已提高了太陽電池翼的效率，并且降低了其質量，新的電池翼要比現有一代衛星上具有同等輸出功率的電池翼更小、更輕。大多數現有近地軌道衛星都采用鎳（鎳鎘或鎳氫）蓄電池。鋰電池每千克質量能夠儲存的電量至少是鎳電池的2倍。鋰電池現在已用到地球同步軌道衛星和意大利的“宇宙-地中海”（COSMOSkyMed）近地軌道雷達衛星上。衛星使用容量足夠大的鋰電池，使得星載雷達在軌每圈以全功率工作的時間更長。同等輸出功率的電池板更小、更輕，可減輕衛星的質量，減小衛星的慣性矩。

優化系統指標技術

根據衛星合理優化系統的指標要求是實現衛星小型化的重要前提之一。“合成孔徑雷達-放大鏡”衛星在方案選擇初期并不追求系統功能的多樣性和各種指標的全面提高，而是僅僅圍繞系統最終的能力和成本優化系統設計。同時，也不追求所用技術的先進性，而是注重技術的實用性和成本進行設計。在保持單顆衛星的分辨率等關鍵指標的情況下，放寬了衛星的其他要求，但是從監視效果上看，其所具有的能力并不比幾顆“長曲棍球”衛星組網的能力差。“合成孔徑雷達-放大鏡”衛星可根據需要轉動180°，采用左視或右視模式。由此，在衛星監視中極其重要的圖像分辨率、時間分辨率和系統反應時間等指標，“合成孔徑雷達-放大鏡”衛星都得到了很好的實現。另一方面，該系統沒有一味地追求成像工作時間等相對次要的指標，大大降低了系統的研制難度和研制成本。該系統的設計充分體現了合成孔徑雷達成像的特點，充分利用合成孔徑雷達衛星系統多個指標之間的密切關系，突出衛星的關鍵指標，優化系統設計，追求系統在整體上實現最優，使全系統在太空監視方面具有很高的能力。

優化系統工作模式

以色列“技術合成孔徑雷達”衛星成像模式

充分利用合成孔徑雷達的原理，優化雷達工作模式和系統參數是使衛星小型化的關鍵。一般來講隨著分辨率的提高，地面分辨單元的面積減小，所要求的發射功率急劇增加，合成孔徑雷達在距離向采用脈沖壓縮的原理獲得高分辨率，在方位向通過天線合成孔徑的原理獲得高分辨率，這就使得我們在雷達的發射峰值不太高的情況下，可以采用高占空比信號和長的合成孔徑時間獲得高的平均發射功率，從而達到高的圖像信噪比。合成孔徑雷達衛星常用的工作模式有條帶模式（Sripmap）、掃描（ScanSAR）模式、聚束（Spotlight）模式和和鑲嵌（Mosaic）模式等。聚束模式和鑲嵌模式不但克服了分辨率指標和成像幅寬指標的相互制約，而且可充分利用合成孔徑雷達的成像原理優化脈沖重復頻率（PRF）等參數，獲得較長的合成孔徑時間。以色列的“技術合成孔徑雷達”衛星就充分利用了這一特點。“技術合成孔徑雷達”衛星在系統設計方面也有許多自己的獨到之處，高占空比信號和長的合成孔徑時間就是其系統設計的特點之一。另外，在降低衛星質量的同時還要保持衛星具有較高的效率，“技術合成孔徑雷達”衛星在系統設計上的主要措施：一是采用了質量較輕的拋物面天線等器件；二是平臺的形狀使其繞滾動軸轉動的慣性矩小，因而能提供最大的指向敏捷性；三是充分發揮衛星高敏捷性與電子天線波束控制相結合的作用，充分利用在給定地區上空典型的8.5min過頂時間，使衛星能以多種觀測模式對地面進行高分辨率大面積覆蓋。

4 發展趨勢

（1） 進一步小型化成為主要趨勢

隨著戰場環境的變化，大衛星逐步暴露出一些明顯的弊端，主要體現于造價高昂、維護不便、應急發射困難、戰術保障和快速反應能力有限等等。隨著航天技術的發展，特別是輕型天線技術、集成電路技術和固態電子器件技術等的發展大大降低了衛星的質量和體積，使性能高、體積小、質量輕和成本低的小星載合成孔徑雷達衛星研制成為可能。

集成電路和固態電子器件降低了中央電子設備的質量和體積，以可展開折疊網狀天線技術和輕型相控陣天線技術為主的輕型天線技術發展大大降低了天線的質量，大幅度降低了衛星有效載荷的質量，從而降低了衛星整體和需要攜帶燃料的質量；另一方面高效率太陽電池技術和蓄電池技術的發展也相對降低了能源系統的質量，小衛星系統及其組網技術的發展改變了衛星的工作及使用模式，縮短了衛星系統有效載荷的工作時間，從而也減小了對能源系統的要求，進一步降低了衛星的質量和體積。

（2）技術指標將進一步提高

高性能指標的圖像始終是系統設計和研制的最終目的，高分辨率和大覆蓋范圍一直是研制部門和用戶努力的方向。更高的分辨率意味著更精確的目標分辨和識別能力，更精確的地形數據。近幾年來，小型合成孔徑雷達衛星的發展非常迅速，各國紛紛開展小型合成孔徑雷達衛星項目的研究，追求能夠獲得盡可能高的分辨率。除了分辨率指標外，其他的圖像質量指標也同樣重要。衛星圖像質量的指標在不斷提高，合成孔徑雷達圖像的目標定位精度越來越高，從合成孔徑雷達圖像的定位原理講，合成孔徑雷達圖像的定位精度可以做到與衛星的軌道精度在同一量級，定位精度與衛星姿態無關，從這一點講，合成孔徑雷達衛星圖像的定位精度優于可見光傳感器衛星圖像的定位精度。隨著合成孔徑雷達圖像在目標識別和民用應用越來越廣，對合成孔徑雷達圖像的定量遙感要求也越來越高，如今對合成孔徑雷達圖像不僅要求有高空間分辨率，也要求有高輻射精度。

（3）多模式、多極化是未來的主要特征

1978年美國發射的載有合成孔徑雷達的海洋衛星－A（Seasat－A）為L頻段、固定入射角，單一的HH極化（H為水平極化），現在在軌或正在研制的合成孔徑雷達衛星（或其他衛星平臺的合成孔徑雷達）很少再是固定入射角和單一極化。多模式成像主要有條帶、掃描和聚束三種工作模式，掃描工作模式要求波束在距離向的快速掃描，一般采用電掃描的方式來實現。通過改變雷達收發的極化方式，可獲得HH、VV、HV和VH（V為垂直極化）不同極化的圖像。以色列僅僅300kg的“技術合成孔徑雷達”衛星就具有多種工作模式。合成孔徑雷達衛星正向著多模式、多極化和可變視角波束，并具有地面運動目標顯示和地面高程測量功能方向發展。

美國海洋衛星－A在軌飛行示意圖

（4）雷達與可見光衛星的多星組網是主要的使用模式

隨著航天技術的不斷進步和雷達衛星的小型化，其成本將大幅度下降，雷達衛星與可見光衛星多星組網獲取動態信息將成為一種主要的應用模式。雷達衛星的多星組網與可見光衛星配合使用還促進了多時相數據和多源數據的融合技術的發展，使多源數據融合的圖像具有單一傳感器不具備的綜合信息，提供更豐富的目標信息，多時相數據融合能夠獲得目標區域變化的信息，并能降低噪聲等隨機干擾對圖像的影響，改善圖像質量。在“合成孔徑雷達-放大鏡”衛星發射前，多星組網的衛星是將多顆按獨立工作設計的衛星發射上天后配合工作以提高監視的時效性，具有代表性的是美國的鎖眼－11（KH－11）和“長曲棍球”衛星。“合成孔徑雷達-放大鏡”衛星從系統設計開始就充分考慮了多顆衛星組網配合工作，有效地完成監視任務的目標，是一個真正意義上的小衛星組網系統。“合成孔徑雷達-放大鏡”衛星系統的時間分辨率由5顆衛星組網實現，遠高于單顆衛星的時間分辨率，實現了優于0.5m的分辨率。為了縮短衛星的重訪周期，通過多顆衛星組網，大大提高了衛星的反應時間。對全球大部分區域的系統反應時間小于8h，衛星之間具備星間鏈路能力，可以確保地面用戶在成像指令發出10h后接收到對全球任一點拍攝的圖像數據。

德國“合成孔徑雷達-放大鏡”在軌工作示意圖

（5）分布合成孔徑雷達具有發展潛力

采取星座或星隊監視方式可有效提高時間分辨率，使得小型合成孔徑雷達衛星成為解決時間分辨率的重要途徑和手段，小型合成孔徑雷達衛星成為各國國防部門重點追求的航天裝備之一。小衛星系統及其組網技術的發展改變了衛星的工作及使用模式，縮短了衛星系統有效載荷的工作時間，從而減小了對能源系統的要求，進一步降低了衛星的質量和體積。由于小型合成孔徑雷達衛星的研制成本低，增加衛星的數量較為容易，通過小衛星的編隊飛行能形成多種觀測系統。德國的“合成孔徑雷達-放大鏡”項目是由5顆小合成孔徑雷達衛星組成的專用衛星系統，意大利的“宇宙-地中海”是由4顆小型合成孔徑雷達衛星組成的系統。

分布合成孔徑雷達并不是簡單的衛星組網，它是利用2顆或多顆軌道具有相互關系的衛星配合工作，一顆衛星發射多顆衛星接收，或多顆衛星發射多顆衛星接收，實現單顆衛星不能實現的功能，或獲得單顆衛星不能達到的技術指標。如實現干涉合成孔徑雷達成像、地面運動目標顯示、增加成像帶寬、提高合成孔徑雷達圖像分辨率等。目前，加拿大和德國均已計劃發射分布式合成孔徑雷達以實現高精度測量。

6 結束語

小型合成孔徑雷達衛星具有質量輕、體積小、成本低、性能高、多星組網容易等特點，成為合成孔徑雷達衛星的重要發展方向。今后，隨著技術的不斷提高，新材料、新工藝和新器件的出現，雷達衛星的進一步小型化將是一種趨勢；并且隨著新器件和新工藝水平的提高，以及新的成像理論的發展和新的成像工作模式的采用，如多通道技術和數字波束形成技術等的采用，衛星性能和指標會進一步提高，功能也會更加強大。小型合成孔徑雷達衛星將成為今后合成孔徑雷達衛星的一個主要發展方向。