大橢圓軌道SAR系統設計及關鍵技術研究

姚佰棟， 盛 磊， 孫光才， 談璐璐， 吳 浩， 周子成， 王 巖

(1. 中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088；2. 西安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室， 陜西西安 710071)

0 引言

星載合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar，SAR)作為寬幅主動微波成像設備，不僅具有可見光和紅外遙感器所不具有的全天時和全天候觀測能力，而且具有雷達高度計和微波輻射計不具有的高空間分辨率信息獲取能力，在軍事偵察，地形測繪，災害監測，洋流、冰川、風浪監測，路上、海上交通管制，農林監測等領域，都具有重要的應用價值和廣闊的發展前景。

隨著高緯度地區海冰的逐漸消融，經由北冰洋連接太平洋和大西洋的海上運輸航線年通航時間也逐漸增加，其中東北航道是連接東北亞與西歐最短的海上航線，西北航道是連接東北亞與北美最短的海上航線。它的開通將使航程大大縮短，不僅能減少運輸成本，而且可以避開海盜的威脅。因此，對該航道區域的持續大范圍觀測將成為未來對地觀測衛星的重要需求，但由于航道整體位于北緯70°～80°范圍內，低傾角衛星、低軌衛星都無法對整個高緯度地區航道完成有效的持續監測；中軌衛星的連續觀測能力相對偏弱，難以實現1 h以上的連續觀測；地球同步軌道衛星的代價大，且軌道靈活性不足，對傳統航道監測難以兼顧。為克服上述系統能力相對不足，結合觀測區域特點，本文提出一種大橢圓軌道設計，通過將遠地點設置在中高軌軌道，實現對高緯度地區航道的長時間連續監視能力，將近地點設置在低軌軌道，實現對中低緯地區傳統航道、南半球重點區域的高分辨率探測，滿足不同應用需求，是低、中、高軌SAR系統的有益補充[1-4]。

本文針對大橢圓軌道SAR的應用優勢，對大橢圓軌道SAR的系統特點、關鍵技術、信號處理等開展論證，為大橢圓軌道SAR系統實現提供設計依據。

1 大橢圓軌道SAR系統設計關鍵問題

1.1 軌道選擇

根據觀測區域應用需求，通過對不同軌道資源需求及性能仿真論證，本系統運行的大橢圓軌道遠地點高度選擇18 000 km，近地點高度選擇650 km，并對遠地點18 000 km、近地點650 km的大橢圓軌道SAR進行了覆蓋性能仿真分析，選取了3個典型目標區域，如圖1所示，紅色線條為高緯度地區航道東北航線區域，綠色線條為途經馬六甲海峽和蘇伊士運河的傳統海上航道區域，另外還選取了澳大利亞周邊海域進行仿真，分別代表了高緯度地區、中緯度地區和低緯度地區，仿真所用參數如表1所示，3個區域的覆蓋性分析如圖1所示。

圖1 大橢圓軌道仿真模型

表1 大橢圓軌道仿真參數

圖2的仿真結果顯示，大橢圓軌道SAR 14個小時可以實現對高緯度航道東北航線的全覆蓋，25 h可以實現對傳統海上航道的全覆蓋，37 h可以實現對澳大利亞沿岸海域的全覆蓋，對較高緯度區域的覆蓋性能優于中低緯度。以上仿真表明，大橢圓軌道SAR系統可以滿足高緯度地區航道持續偵察監視和中低緯度傳統航道、澳大利亞周邊海域的成像應用需求。

(a) 高緯度東北航線覆蓋情況

(b) 傳統海上航線覆蓋情況

(c) 澳大利亞沿岸海域覆蓋情況圖2 典型區域覆蓋性能仿真結果

1.2 頻率選擇

SAR是一種工作于微波頻段的對地遙感傳感器，可以測量地面被觀測區域的后向散射系數σ0，σ0很大程度上依賴于頻段選擇。本系統的SAR需要同時支撐海上和陸地目標偵察的需求。

對海洋目標觀測來說，L、S、C頻段作為海洋觀測的主要頻段，L、S頻段更多應用于海洋內波、淺海地形等探測，而對目標探測，波長更短的C頻段是更佳的方式。此外，X波段由于其散射特性，在目標檢測方面也有一定的優勢，雖然傳統的低軌X波段因為波束較窄，在對海大幅寬成像方面受到限制，且處于高軌時，這一限制則不復存在，因此，C、X波段更能滿足海洋目標觀測的需求。

從陸地目標觀測的角度來看，核心需求為提升分辨率。從國內外高分辨率星載SAR的發展來看，工作在高頻段的合成孔徑雷達更易于實現較高的分辨率，是星載高分辨率系統的主要選擇頻段之一。因此，C、X、Ku、Ka頻段更能滿足陸地目標觀測的需求。

對于大橢圓軌道SAR系統，由于其軌道的特殊性，在滿足系統成像性能的要求下，不同頻段的資源需求不盡相同，綜合應用需求及工程可實現性因素，X波段既能滿足高分辨率寬覆蓋要求，天線面積及單機數量適中，易于工程實現，且成本可控。因此，本文基于X波段開展大橢圓軌道SAR系統設計。

1.3 工作體制選擇

星載SAR系統的方位分辨率和距離向觀測帶寬度是一對固有矛盾?，F有的主要高分寬幅體制包括方位向多通道體制、數字陣列體制及單通道滑動聚束/馬賽克拼接體制。

方位向多通道技術采用一個小孔徑天線發射、多個通道接收回波，通過方位向多通道重構處理消除欠采樣導致的方位頻譜混疊。該方法降低了實際工作PRF，可以避免距離模糊，增加觀測帶寬，同時提高方位分辨率。然而，由于使用較小的發射天線，發射天線增益較小，為滿足系統的靈敏度指標，需增大發射功率，這會增大系統功耗。若采用方位向多通道體制，必須依靠發射功率來補償發射天線展寬帶來的增益損失，功耗需求過大，平臺難以滿足。

數字陣列SAR體制主要包括一維數字波束形成( Digital Beam Forming,DBF)體制和二維DBF體制。其中一維DBF體制包括距離向一維DBF技術體制、方位向一維DBF技術體制、方位向單發多收結合距離一維DBF體制以及方位向多發多收結合距離向一維DBF體制等。其中，方位向單發多收結合距離向一維DBF體制是當前高分寬幅SAR的一個重要的技術方向，該技術體制通過在方位向上將雷達分成多個孔徑，單個孔徑發射信號，多個孔徑同時接收信號，同時將方位向SIMO與距離向DBF相結合，距離向掃描接收形成一個由遠及近實時追蹤回波脈沖的高增益波束，以部分彌補發射孔徑面積減小導致的增益損失。同時，距離向DBF技術還可以通過波束賦形抑制距離模糊。經分析，該體制針對由于斑馬圖限制，距離向觀測帶寬度受限且系統靈敏度有一定余量的系統非常適用，但仍然難以補償方位向多通道發射引起的增益損失。通過DBF技術的應用，以增加系統復雜度為代價實現高分寬幅，基于本系統的技術指標分析得出，方位向多通道結合距離向一維DBF體制費效比較高，系統復雜度過大，實現難度較大。

單通道滑動聚束/馬賽克拼接體制以方位向大角度掃描為代價，通過增加目標的合成孔徑時間提高目標方位向分辨率。在可選距離向觀測帶寬度滿足斑馬圖限制的條件下，采用單通道滑動聚束體制，可在不減小天線增益情況下實現分辨率和觀測帶指標，同時有利于實現靈活多變的用戶配置要求，有利于在軌應用擴展。

綜合上述分析，對大橢圓軌道SAR系統來說，制約系統較大的問題是系統靈敏度及系統功耗，綜合系統費效比、指標實現情況，選擇單通道滑動聚束體制實現大橢圓軌道SAR系統指標。

1.4 天線尺寸設計

星載SAR的天線口徑受NESZ、模糊度、分辨率和觀測帶寬等指標限制。為滿足NESZ、模糊度要求具有較大的天線面積，而為達到分辨率、觀測帶寬要求，則要求具有較小的天線方位和距離向尺寸，兩者要求是相互矛盾的。

對大橢圓軌道SAR系統來說，衛星處于高軌時，因為雷達作用距離遠，要滿足性能指標，天線面積要遠大于低軌系統，考慮到衛星包絡的限制，在天線尺寸的設計上，遵循滿足性能指標基礎上，天線尺寸最小化的原則。

通過最小不模糊面積仿真結果(見圖3)可以看出，高軌時天線面積需求超過60 m2，低軌時不超過10 m2，因此，按照高軌要求開展天線尺寸設計，而低軌工作時可根據成像性能需求選擇其中一部分天線及組件工作。

(a) 低軌需求

(b) 高軌需求圖3 最小不模糊面積

1.5 幾何分辨率

大橢圓軌道SAR的距離向分辨率與瞬時工作帶寬的設計有關，這與低軌SAR系統是一致的，在此不作贅述。但方位分辨率則與天線方位向孔徑、軌道高度等有關，方位分辨率的表達式如下[5-6]：

(1)

式中，θ為波束入射角，La為天線孔徑，ka和km分別為加權函數引起的波形展寬系數、幅相誤差引起的波形展寬系數。圖4所示的是滿足5 m分辨率要求的最大方位向天線尺寸，為了提高方位分辨率，需要減小方位向孔徑，增大方位向波束寬度，增加合成孔徑積累時間，但天線孔徑的減小會導致系統功率的增加，因此，需要適當增加天線孔徑。

圖4 高軌SAR方位分辨率對方位向天線長度的限制

1.6 波位選擇及系統性能

大橢圓軌道SAR的波位選擇和低軌SAR類似，同樣要考慮發射遮擋、星下點回波干擾等因素。當衛星運行至遠地點時，由于軌道高 、衛星運動速度慢、多普勒帶寬比低軌SAR窄，且天線口徑遠大于低軌SAR，此時PRF遠低于低軌SAR，可選觀測帶寬度也遠大于低軌SAR，因此，大橢圓軌道SAR在寬覆蓋成像上具有更大的應用潛力；當衛星運行至近地點時，此時衛星運動幾何與低軌衛星類似，波位選擇上可按低軌SAR來進行設計。

綜合應用需求，通過合理的軌道、頻率、工作體制、天線尺寸、幾何分辨率等主要參數的選擇，通過不同軌道高度的波位仿真設計，系統可在遠/近地點、上升/下降段實現表2所示的主要性能指標。

表2 系統主要性能指標設計結果

2 大橢圓軌道SAR系統設計關鍵技術

大橢圓軌道SAR系統特性與低軌SAR有較大不同，在提升觀測能力的同時也給系統實現帶來了特殊的難點，主要集中在輕量化天線設計與研制、成像處理、軌道空間環境適應性3個方面。

2.1 輕質大口徑有源相控陣天線技術

輕量化、大功率有源相控陣天線是實現大橢圓軌道SAR系統的關鍵，一方面要滿足兩維大角度掃描和工作帶寬要求，還要滿足運載和平臺費效比需求，天線的重量、功耗、熱設計等面臨極大挑戰，大口徑兩維掃描的實時延時補償技術也極具挑戰。必須基于大橢圓軌道SAR系統的全新需求，開展高集成的輕量化大口徑兩維掃描有源相控陣天線技術研究。實現的難點在于：

1) 大面積輕量化天線陣面的設計與制造。輕薄型天線輻射陣面的研制是天線設計重點，需對單元形式、材料、結構、熱控和安裝支撐機構等進行綜合優化，實現輕量化的同時需保證陣面平面度。

2) 高集成度一體化模塊設計與集成技術。為實現天線的低剖面、輕量化，用新型瓦片結構代替傳統的磚塊式結構，將輻射陣面、結構支撐層、高集成饋電網絡、熱控層以及有源器件層設計為片式結構，通過三維垂直互聯方式集成，減輕天線重量。

3) 由于大部分時間工作在18 000 km的高軌段，系統口徑大、密度高、設備量大，系統可采用兩種密度單元的天線集成設計，針對高軌對天線口徑大，但掃描能力要求較低的特點，采用低天線密度單元設計；針對低軌對天線面積要求小，掃描能力要求高的特點,將高密度天線嵌套在大口徑天線中(見圖5)，高軌工作時，高、低密度單元均參與工作，而低軌時，僅使用部分高密度天線陣面參與工作。

圖5 高、低密度集成天線陣面構型

圖6是對均勻加權情況下高軌天線的理論法向波瓣性能仿真結果，天線方位、距離向理想第一副瓣電平從均勻分布的-13.29 dB下降到-17.92 dB、-18.28 dB?？梢钥闯?，通過高、低密度單元混合設計，產生了幅度加權效果，這在一定程度下改善了高軌成像的模糊性能。

(a) 高軌方位向法向波束方向圖

(b) 高軌距離向法向波束方向圖圖6 高軌波束方向圖

2.2 大橢圓軌道SAR系統成像處理技術

大橢圓全軌道不同時段的軌道特性差異導致不同時段成像難點不同，很難用一種成像算法實現全軌道時段成像。根據不同時段軌道特性以及成像難點不同，可分為近地、上升/下降和遠地3個時段(如圖7所示)，針對不同時段采用不同的成像算法。近地時段軌道類似低軌，所以低軌成像算法足以適用，因此重點針對另外兩個時段的成像難點進行分析并設計合適的成像算法。

圖7 大橢圓軌道示意圖

1) 上升/下降時段

為了較大的觀測區域以及持續觀測能力，上升/下降時段需要工作在大斜視模式。大斜視成像存在的主要問題有：大距離走動帶來的數據獲取長度的增加，也就是說雷達要將測繪帶寬和距離走動相疊加的回波數據長度全部采集，才能夠得到完整的測繪帶寬，這將采集大量的冗余數據，同時過長的回波窗也造成波位選擇困難，相反，如果保持采樣窗長度不變，則必須減小測繪帶寬；因為大橢圓軌道大斜視模式成像需要較長的合成孔徑時間，這使得軌道彎曲對成像的影響更加顯著，信號存在嚴重的空變問題。

為了緩解采樣窗長度與脈沖重復周期之間的矛盾和實現大距離走動的校正，這里可以選擇變PRI(Pulse Repetition Interval)技術錄取回波。接著針對信號中存在的嚴重方位空變問題，可采用方位兩步非線性調頻變標(NCS)成像算法(流程見圖8)解決，5 m分辨率的點目標仿真及旁瓣性能評估結果分別見圖9和表3。

圖8 方位兩步NCS成像算法流程

(a) 仿真點目標分布

(b) 點目標仿真結果圖9 方位兩步NCS成像算法流程

表3 方位兩步NCS算法點目標成像性能仿真結果

2) 遠地時段

遠地時段SAR成像存在以下問題[7-8]：

(1) 衛星運行速度低，合成孔徑時間超長，研究衛星相對于地面點目標的相對運動關系時需考慮地球自轉；

(2) 超長的波束作用距離導致傳統的“停-走-?！奔僭O斜距模型不再成立；

(3) 合成孔徑時間為幾百～幾千秒，加上地球自轉，衛星運動軌跡為復雜的三維曲線。

這些問題大大增加了頻域成像算法難度，其根本原因在于上述潛在的問題會導致遠地時段SAR存在嚴重的方位空變，這使得滿足方位平移不變性的傳統頻域成像算法及其改進的頻域算法都將失去作用。針對大橢圓軌道SAR衛星遠地時段方位空變問題，可采用文獻[8]中介紹的基于方位非線性變標的兩次串聯SVD成像算法解決。5 m分辨率的點目標仿真及旁瓣性能評估結果分別見圖10和表4。

(a) 仿真點目標分布

(b) 點目標仿真結果圖10 基于方位非線性變標的兩次串聯SVD成像算法流程

表4 方位非線性變標的兩次串聯SVD算法成像性能仿真結果

續表4

2.3 空間環境適應性技術

大橢圓軌道SAR在高、低軌之間切換運行，長壽命工作是衛星的主要要求之一，目前國外航天先進國家的SAR衛星平臺一般達到在軌可靠工作8年以上。中高軌衛星表面帶電環境問題被認為是中高軌衛星最嚴重的環境威脅之一。根據大橢圓軌道SAR所處的實際工作環境，仿真分析了大橢圓軌道SAR在1 000～30 000 km軌道高度范圍內，4種軌道傾角、等效鋁屏蔽厚度為1 mm情況下的電離總劑量情況(如圖11所示)?？梢钥闯?，不同軌道高度、軌道傾角情況下的總劑量區別很大，因此，在滿足應用需求的情況下設計合理的軌道是保障衛星壽命的重要途徑。

圖11 不同軌道條件下電離總劑量

此外，當大橢圓軌道SAR運行至中高軌時，其所處的熱環境與低軌SAR有很大差別，由于衛星運行速度相對較慢，在中高軌運行時間超過3 h，衛星暴露在日照環境下的時間是低軌SAR的4～5倍，此外，為了實現高緯度地區航道連續監測，天線工作時間為1～2 h，是低軌SAR的4倍以上，因此天線熱控難度大，應重點加強主被動熱控功能設計。

3 結束語

大橢圓軌道SAR同時具備低軌SAR、高軌SAR的特點，通過合理軌道選擇、載荷系統及成像算法設計，可實現對高緯度地區航道的高時間分辨率成像及對傳統航道地區的高空間分辨率成像，是有巨大應用前景的新型SAR系統。本文對大橢圓軌道SAR系統的概念、系統設計方法進行了研究，較深入地分析了大橢圓軌道SAR面臨的關鍵技術問題并給出了相關解決思路，為大橢圓軌道SAR系統設計與應用提供了有益參考。