HJ-1-C衛星合成孔徑雷達載荷的設計與實現

禹衛東 楊汝良 鄧云凱 趙鳳軍 雷 宏

(中國科學院電子學研究所 北京 100190)

1 引言

1.1 背景

環境與災害監測小衛星星座是我國政府規劃立項的對地觀測衛星系列[1]，由兩顆光學衛星HJ-1-A,HJ-1-B[2,3]和一顆合成孔徑雷達衛星 HJ-1-C組成，簡稱“2+1”星座。該星座用于對我國境內的自然災害進行監測評估，提升減災防災能力；同時可對我國日益突出的環境污染進行監視，為環境治理評估提供手段。其中HJ-1-C衛星SAR工作于微波S波段，可全天時、全天候獲取地物高分辨率雷達圖像，有效補充 A, B星受光照和天氣影響的觀測缺口。HJ-1-A/B/C構成的星座可初步滿足我國對環境監視和災害監測的需求。

環境與災害監測小衛星星座中的 3顆衛星都采用了東方紅小衛星平臺 CAST2000[4]。HJ-1-C衛星SAR載荷由中國科學院電子學研究所負責抓總研制。

1.2 系統特點

SAR是一種微波成像遙感載荷。為了獲得高分辨率的2維(距離-方位)圖像，雷達在距離向上發射寬帶信號，在方位向上利用合成孔徑原理進行脈沖相關積累[5]。

HJ-1-C衛星基于東方紅公司的 CAST2000小衛星平臺，整星重量831 kg，功率為1280 W。為了適應該衛星平臺的輕型化和低功耗要求，SAR載荷采用了網狀拋物面天線和大功率發射機的體制。

網狀拋物面天線具有重量輕、展開收攏比高的優點，已在國內外通訊衛星上得到廣泛使用，前蘇聯和平號空間站的SAR探測設備就使用該型天線，以色列2008年發射的TECSAR[6]和印度2012年發射RiSAT-1都采用了網狀可展開天線。通過國產化攻關，我國突破了 SAR網狀反射面天線的設計、研制、測試和試驗技術，并首次將其用在 HJ-1-C衛星上。

HJ-1-C SAR首次在我國衛星上采用了集中式的大功率體制，峰值功率超過3000 W，具有功率密度高、熱耗集中的特點。采用了固體發射機產生大功率，發射機由8個固態功放模塊合成，峰值輸出功率大于3000 W，效率大于30%。

整個SAR載荷體制簡單，結構緊湊，天線展開收攏比高，發射效率高，實現了小型化，很好地適應了小衛星平臺。

2 SAR載荷的功能和技術指標

2.1 衛星參數

HJ-1-C衛星采用了極軌太陽同步晨昏軌道，軌道參數如下：

軌道類型：太陽同步軌道

· 軌道高度：499.226 km

· 軌道半長軸：6870.230 km

· 軌道偏心率：≈0

· 軌道傾角：97.3671o

· 軌道周期：94.4540(min)

· 回歸周期：31(day)

· 降交點地方時：6:00AM

2.2 雷達參數

HJ-1-C衛星SAR工作于S波段，垂直極化，采用了6 m×2.8 m的網狀反射面天線。雷達的工作參數見表1。

2.3 成像性能

HJ-1-C衛星有條帶、掃描兩種成像模式，其成像性能見表2。

3 SAR成像模式和波位設計

HJ-1-C衛星SAR具有兩種成像模式：條帶模式和掃描模式[7]。在缺省情況下，SAR將工作于視角為36°的條帶模式。

對于25°～47°的觀測視角范圍，采用機械轉角和電控波束結合來實現。天線饋源在距離向采用12個喇叭，每相鄰4個同時照射反射面形成一個波束，這樣整個天線可以形成9個波束。天線轉角在25°～47°度之間連續可調，與9個波束結合可以得到大量波位。但考慮到在軌工作時應盡可能減少天線機械轉動，我們只利用幾個轉角位置和幾個波束就得到了全觀測視角的覆蓋，其中采用1, 3, 5, 7, 9波束的波位稱為奇數波位，共有11個；采用2, 4, 6, 8波束的波位稱為偶數波位，共有10個。奇數波位和偶數波位都可以覆蓋25°～47°的視角范圍，二者性能相當，可以根據成像區域需要選擇使用。仿真分析了每個波位的分辨率、成像帶寬度、模糊比以及NEσ0等指標。以奇數波位為例，其參數性能如表3所示。

表1 HJ-1-C衛星雷達主要參數Tab.1 The main parameters of HJ-1-C satellite radar

表2 HJ-1-C衛星SAR成像性能Tab.2 The image performance of HJ-1-C satellite SAR

對于掃描模式，通過對上述相鄰波位的組合形成更寬的成像寬度。利用偶數波位設計的掃描模式性能見表4。

表3 奇數波位下條帶成像性能仿真結果Tab.3 The simulated system performance for strip image mode using odd-number beams

表4 掃描模式下各波位性能仿真結果Tab.4 The simulated system performance for scan image mode using even-number beams

4 SAR載荷的設計

4.1 SAR載荷組成和工作原理

HJ-1-C衛星SAR載荷由中央電子設備和天線兩大部分組成，如圖 1所示。中央電子設備包括 9臺分機，監控定時器、電源分配器、基準頻率源、調頻信號源、固態發射機、雷達接收機、數據形成器、內定標器、微波組合。天線包括反射面、波導饋線組件、轉動結構、饋源組件、轉動控制器、波束控制器等，以及天線壓緊釋放部件。

SAR系統工作過程如下：

調頻信號源產生寬帶線性調頻(LFM)信號，經固態發射機進行功率放大至3000 W，通過微波組合的環形器，以及天線上的波導、饋線進入多波束饋源，然后輻射到天線拋物反射面上，通過饋源喇叭和天線機械轉動位置的組合，大功率輻射信號被指向照向不同的成像區域，視角范圍為25°～47°。

地面反射的回波信號返回到天線，通過與發射相同的路徑回到環行器，由于環形器的單向隔離作用，回波信號將進入微波組合的接收機保護開關；在接收狀態，接收機保護開關為導通狀態；回波信號就進入雷達接收機，經低噪聲放大、下變頻、中頻放大、MGC和AGC、正交解調和視頻放大，得到視頻回波信號；該視頻信號進入數據形成器，經AD采集、緩存、BAQ壓縮和打包，形成了 SAR回波數據流；該數據流通過數傳分系統傳輸至地面接收站。地面處理系統對回波數據進行 SAR成像處理，就可以得到高分辨率地面場景圖像。

4.2 SAR載荷設備的設計

4.2.1 監控定時器 雷達監控定時器包括監控計算機和定時器兩部分。監控計算機接收載荷下位機通過485總線的指令，對SAR分系統各部分進行配置和成像參數設置，控制整個SAR成像流程；同時采集SAR各部分的遙測參數，一方面將遙測參數上傳載荷下位機，另一方面將遙測參數和工作參數送給數據形成器，數據形成器將其作為輔助數據與回波數據一起打包送數傳。監控計算機的 CPU采用80C52，軟件用匯編語言編程。

雷達監控定時器中的定時器產生 SAR系統工作時的脈沖重復定時信號PRF，用于發射信號、接收采集和收發轉換的時序同步，成像工作時 PRF范圍為 2600～3700 Hz。定時器采用 Xilinx公司FPGA，通過對輸入的11.11 MHz定時時鐘進行分頻和延遲，形成所需的各路PRF。

4.2.2 基準頻率源 基準頻率源用來提供SAR系統工作的中頻本振信號(200 MHz)、射頻本振信號(3000 MHz)、調頻信號源 D/A時鐘和數據形成器A/D時鐘(66.66 MHz)、定時時鐘(11.11 MHz)。上述各路信號都是通過對高穩定50 MHz晶振產生的基準信號經倍頻、分頻產生，確保各信號的高度相干性，保證方位向成像性能。

4.2.3 調頻信號源 調頻信號源采用“基帶波形存儲直讀法”產生線性調頻信號(LFM)，即把基帶LFM的I, Q兩路信號數字化后存儲起來，通過D/A讀出形成基帶 LFM 模擬信號，正交調制到中頻，再上混頻到射頻，就得到射頻LFM信號。HJ-1-C衛星SAR調頻信號源LFM信號帶寬為60 MHz，時寬為27 μs, DA變換率為66.66 MHz，中頻為200 MHz，射頻本振為3000 MHz，射頻中心頻率為3200 MHz。

圖1 SAR載荷組成框圖Fig.1 The block diagram of HJ-1-C satellite SAR payload

使用了 1片 Xilinx的 100萬門 FPGA XVR21000，基帶波形存儲于 FPGA內部 RAM中。為了補償發射、接收通道中的非線性相位誤差，對基帶存儲波形采用了預失真技術，保證接收機最終輸出的視頻信號為理想線性調頻信號，可以直接按設計參數進行匹配壓縮。通道相位誤差可以從定標信號中提取。

4.2.4 雷達接收機 接收機采用傳統的超外差方式，包括射頻放大和混頻、中頻放大和MGC控制、正交解調和視頻放大3部分。射頻混頻的本振為3000 MHz，中頻為200 MHz。

整個通道增益設計為84 dB，噪聲系數優于1.5 dB, MGC控制范圍60 dB，輸入動態范圍優于62 dB, P-1dB為6 dBm。

4.2.5 數據形成器 數據形成器對接收機輸出的視頻回波信號進行AD采樣，然后進行BAQ壓縮，并與監控計算機送來的 SAR載荷輔助參數復合打包，按每個脈沖一幀的格式流送給衛星數傳。

BAQ是目前SAR領域最常用的一種原始數據壓縮方法[8,9]， 其主要原理就是基于SAR回波數據局部動態范圍小于全局動態范圍的特點，把回波數據沿距離向和方位向分塊，對塊內每個數據進行更少位數的量化編碼，比如把原來8位量化的數據編碼量化為4位或3位，通常記做8:4或8:3；同時用一個均值碼來表示整個塊的統計特性。 HJ-1-C采用了8:3 BAQ數據壓縮，BAQ分塊尺寸為1024(距離向)×4(方位向)。

數據形成器采用1片Xilinx 100萬門FPGA來完成 BAQ 數據壓縮和打包處理，數據輸出采用兩個通道，分別對應回波數據的前半段和后半段，每個通道都為16 bit的并行LVDS傳輸，時鐘為12.5 MHz。

4.2.6 內定標器 內定標器用來對SAR分系統通道在軌工作的穩定性進行監測[10,11]，包括發射信號功率和接收增益的變化。在HJ-1-C衛星SAR分系統中，內定標器采用了光延遲定標，把調頻信號源和固態發射機的耦合輸出信號通過光纖延遲后，饋入接收通道中，通過記錄、監測該信號幅度的變化，就可得到發射通道和接收通道的變化。延遲定標方式可以很好隔離發射信號泄露對定標信號的干擾，提高定標精度，但由于定標回路中包含了光纖、光電轉換和放大等環節，受環境溫度影響較大，必須加入相應的溫度補償電路，確保在整個溫度范圍內光延遲回路的穩定性。另外，考慮到光纖受空間輻照的影響，還對其進行了抗輻照加固措施。

內定標安排在每次成像的開始和結束，假設成像過程功率和增益的近似線性變化，則可以內插出每個成像時刻值。為了考察不同信號輸入情況下接收機的增益情況，定標信號采用了階梯衰減的方式，共有21個臺階，每個臺階相差3 dB。

4.2.7 固態發射機 發射機由輸入分配器、8個固態功放組件、輸出合成器以及二次電源組成，每個功放組件的輸出功率為500 W，合成得到大于3000 W的峰值功率。衛星平臺提供給發射機的輸入電源為33 V。發射機的最大占空比為10%，效率超過30%。

4.2.8 微波組合 微波組合連接發射機、天線和接收機，如圖2所示。發射機輸出的大功率信號通過微波組合進入天線，天線接收的微弱回波信號通過微波組合進入接收機，微波組合在發射機和接收機間起到隔離作用，隔離度超過 75 dB，確保大功率發射信號不會損壞接收機前端的低噪聲放大器。

微波組合由環行器、波導濾波器、接收機保護開關、定標耦合器和接收機主備開關組成。環形器只允許信號順時針方向通過，反向隔離度大于 20 dB。接收機保護開關由三節聯動鐵氧體開關組成，在大功率發射時可產生55 dB的隔離度；耦合器將內定標信號耦合到接收通道中。接收通路主備切換開關可將回波信號接入主接收機或備接收機，由同軸繼電器開關實現。

圖2 微波組合組成及連接關系示意圖Fig.2 The block diagram and connections of microwave assembly

4.2.9 電源配電器 配電器將衛星28 V電源分配給SAR載荷的各分機，分機加斷電由OC指令控制配電器中的繼電器通斷來實現，OC指令由監控計算機或載荷下位機發出。監控計算機和基準頻率源為長加電，即衛星入軌后一次開機后不再關機；其他分機只在每次SAR成像時開機，成像結束后關機。對于由主備冗余的分機，可以分別控制主備機的加斷電。

4.2.10 天線 HJ-1-C衛星天線的組成如圖3所示，天線在衛星上的安裝情況如圖4所示。轉動控制器和波束控制器安裝于衛星艙內。

反射面組件由375根碳纖維可展開桿件和金屬網面構成，展開后形成6 m×2.8 m的切割拋物面。

多波束饋源饋源由12個喇叭組成，居于拋物面的焦點上。輸入到饋源的3000 W大功率微波首先被分功放成4份，通過4組“單刀三擲”電子開關切換，進入12個饋源喇叭中的4個。在HJ-1-C衛星中，采用了每相鄰4個喇叭同時工作形成1個波束的方式，12個喇叭共形成9個波束，相鄰波束間的夾角為1°左右，9個波束可覆蓋7.6°的視角范圍。喇叭和波束之間的對應關系如圖5所示，9個波束的方向圖見圖 6。波束控制器通過控制電子開關實現波束的切換，切換可以在一個脈沖重復周期內完成，滿足掃描模式下波束快速切換的要求。

圖3 天線的組成Fig.3 The assembly of the antenna

圖4 天線在衛星的安裝Fig.4 The installation of the antenna on the HJ-1-C satellite

圖5 饋源喇叭與所形成的波束對應關系示意圖Fig.5 The relation between the feeding horns and antenna beams

圖6 9個波束的方向圖Fig.6 The 9 beam patterns of HJ-1-C radar antenna

轉動機構由步進電機驅動，轉動范圍為28°～45°，轉動速度為0.1/s°，轉動操作由天線轉動控制器控制實施，按照地面上發指令中設置的角度執行。為了保證天線轉動的安全性，對轉動范圍進行軟、硬限位。通過機械轉角和9個波束組合，可覆蓋25°～47°的視角范圍。在軌工作時，應盡量減少天線的轉動操作，如果成像區域在9個波束的可視范圍內，就不需要進行天線轉動。

在衛星發射時，天線通過4個支撐點固定在衛星上，反射面由包帶纏繞鎖定。入軌后，火工品和爆炸螺栓起爆解鎖，按照一系列步驟完成天線的展開。如圖7所示。

5 SAR的研制、測試和試驗

5.1 研制過程

HJ-1-C衛星的研制過程分為初樣階段、正樣階段和國產化階段。在2002年項目啟動，進入初樣階段。初樣的天線和發射機由俄羅斯引進，發射機采用行波管放大器。中央電子設備由中科院電子所研制。2005年底完成了SAR載荷和整星聯試。

2006年進入正樣階段，國內的電子設備部分進展順利，但對俄合作遇到困難，俄方行波管放大器由于技術問題而停滯，而天線引進又因俄方出口許可問題受阻。整個項目陷入困境。

為了應對對俄合作出現的問題，2008年啟動了發射機的國產化工作，采用了固態發射技術，由電科 14所研制；2010年啟動了天線國產化工作，可在整星構型、接口基本不變情況下，完全替代俄方產品，由航天西安分院研制。2012年3月國產化后的SAR載荷完成了集成測試，然后完成整星聯試和試驗。衛星于2012年9月17日出廠，11月19日成功發射，12月9日在軌開機成像，獲得我國第1幅星載S波段SAR圖像。

5.2 SAR載荷的集成測試

在SAR載荷中的各分機完成研制后，分別對其進行了驗收測試，然后再對整個SAR載荷進行集成測試。集成測試內容包括：供電檢查，基準頻率源輸出各路基準信號測試，調頻信號源輸出LFM信號測試，接收機噪聲系數、輸入輸出動態范圍和MGC測試，固態發射機輸出功率和波形測試，系統發射時接收通道的漏功率測試，系統內定標測試，轉動控制器和轉動機構測試，波束控制器與多波束饋源測試，天線反射面展開后的精度測試，天線方向圖測試，系統全功率輻射測試，各種成像模式測試，全系統有線和無線收發閉環測試，SAR工作時與數傳、GPS的 EMC測試。通過上述集成測試，全面驗證和考核了SAR的功能和性能。圖8為SAR分系統在微波暗室進行全功率輻射測試的現場照片。

與平板相控陣天線的展開測試相比，網狀拋物面天線展開的測試更加復雜。在地面重力環境下，無法在整星條件下完成全部的天線展開操作，只能采用分段測試的方法。要對反射面進行單獨的展開測試，采用吊具抵消展開過程重力的影響，而天線上的波導饋線、饋源喇叭和轉動機構隨整星完成相關測試。天線在無重力吊具上展開的情況見圖9。

圖7 天線展開步驟圖Fig.7 The procedure of the antenna deployment

5.3 SAR載荷的試驗

SAR的電子設備都通過ESS環境應力試驗、隨機振動、熱真空、熱循環和高溫老練。

圖8 SAR分系統在微波暗室進行大功率輻射測試Fig.8 The testing of high power radiation of SAR in microwave anechoic chamber

圖9 天線在無重力吊具上展開的情況Fig.9 The testing of antenna deployment in lifting slings

針對HJ-1-C衛星集中大功率的特點，對大功率通過的各單機部件開展了真空微放電考核試驗，包括微波組合中的環行器、濾波器、接收機保護開關，天線上的各段波導饋線、旋轉關節、電子開關和饋源喇叭，固態發射機中的功放組件、功放電纜、合成器等，這些部件的微放電余量設計超過 10 dB，鑒定件試驗按6 dB余量考核，正樣產品按3 dB余量考核驗收。

天線按部件級完成各項試驗，反射器進行了常壓高低溫展開試驗，還對轉動部件和爆炸螺栓進行了可靠性專項試驗。

6 在軌測試成像情況

2012年11月19日凌晨6點53分，HJ-1-C衛星在太原衛星發射基地由長征二號丙運載火箭發射升空。衛星入軌后先后完成了太陽帆板展開，天線第 4支撐和底部固定結構解鎖，天線整體轉動到36°，天線饋源和反射面解鎖，反射器展開等一系列動作。入軌到真空環境后，大功率通道上的波導和關節空腔中的空氣會通過放氣孔泄露出去，但考慮可能會有殘余氣體，在大功率通過時造成低氣壓放電，因此將SAR開機成像時間安排到20 d后，確保放氣過程充分。在此過程中，完成了衛星平臺和數傳的相關測試。

2012年12月9日HJ-1-C衛星SAR載荷正式開機測試，首先進行連續定標(不成像)，對下傳后的定標信號進行分析表明，固態發射機工作和雷達接收通道工作正常，與地面測試結果一致，同時對SAR設備各項遙測和溫度情況進行監視，均在正常值范圍內。然后上注條帶成像指令包，天線視角36°，波束號為5，成像時間3 min，成像區域見圖10，覆蓋湖北、河南部分地區。對下傳數據進行成像處理，獲取了我國第1幅S波段星載SAR圖像，其中武漢地區的圖像見圖11。

圖10 HJ-1-C衛星首次開機成像區域Fig.10 The first imaging scene of HJ-1-C satellite in orbit

從2012年12月9日到14日，共進行了19次SAR開機成像，針對條帶、掃描兩種模式，天線3種典型轉角和9個波束，開展了全面的在軌測試。掃描模式圖像如圖 12所示(未進行輻射和幾何校正)。獲取的各種地物圖像層次豐富，紋理細節清楚，模糊抑制比高，為HJ-1-C衛星的后續應用奠定了良好的基礎。

7 總結

本文對HJ-1-C衛星SAR的設計、研制過程和在軌初步成像情況進行介紹。目前已完成了大量在軌測試工作，結合用戶需求，對其應用能力進行了全面評估。

歷經10年，HJ-1- C衛星獲得成功，并與2008年發射HJ-1-A/B衛星一起，完成了我國環境與災害監視小衛星星座的部署，將為我國的災害與環境情況動態監測預報發揮重要作用。

圖11 HJ-1-C衛星SAR首次開機獲得的武漢地區圖像Fig.11 The first SAR Image of Wuhan urban area aqcquired by HJ-1-C satellite

圖12 HJ-1-C衛星SAR掃描模式圖像，100 km×100 km，未做輻射和幾何校正Fig.12 The ScanSAR image acquired by HJ-1-C satellite, 100 km×100 km, no radiation and geometric correction

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