基于反射面天線的高分辨率星載SAR技術研究

譚小敏 黨紅杏 劉昕 孫嘉 高陽 楊娟娟 安建平

(1 北京理工大學 信息與電子工程學院，北京 100081)(2 中國空間技術研究院西安分院，西安 710100)

合成孔徑雷達(SAR)通過發射大帶寬信號實現距離向高分辨率，通過長合成孔徑實現方位高分辨率[1-2]，具備全天時、全天候成像能力，空間分辨率是其最為核心的性能指標，直接反映了雷達系統對目標電磁散射特性的表征信息，在地形測繪和防災減災等方面具有重要的應用價值。21世紀以來，隨著SAR技術的不斷發展和應用的逐步深入，對于高分辨率和寬測繪帶的需求愈來愈迫切，因此，研究高分寬幅SAR技術的實現途徑具有重要意義[3-4]。當分辨率和觀測帶寬都要求較高時，對雷達系統功率孔徑積的要求會大幅提升，其實現難度也隨之增加。

縱觀世界各國，美國的長曲棍球(Lacrosse)衛星是世界首次實現0.3 m分辨率的星載SAR；作為更新換代產品的未來成像體制-雷達(FIA-Radar)衛星，其分辨率優于0.3 m，均采用大型反射面天線。德國的陸地合成孔徑雷達(TerraSAR)衛星獲得了0.24 m的方位向分辨率，美國的卡佩拉(Capella)衛星獲得了0.25 m的方位向分辨率，我國也在發展更高分辨率的星載SAR。高分寬幅的星載SAR已經成為星載SAR的主流發展方向之一。

制約高分辨率星載SAR實現的因素，主要是隨著發射信號帶寬的增大及合成孔徑長度的增加，雷達系統設計與實現難度也增大，主要表現在：①系統發射的超寬帶信號的實現對高速數字器件提出了更高的要求，為了降低要求，可采用多子帶拼接方式緩解大帶寬信號發射與接收壓力[5]，方位向通過大掃描角滑動聚束模式增加合成孔徑時間，提高方位向分辨率；②系統實現對波束指向控制的精度和穩定度也提出了較高的要求。

本文針對高分辨率星載SAR的實現難點，提出基于反射面天線的SAR系統，反射面天線易于實現高增益，在高分辨率實現時具有一定的優勢；同時，利用多波束技術在高分辨率和寬測繪帶之間獲得折衷和平衡。針對寬帶發射的難題，提出多子帶合成寬帶發射的方法實現距離向高分辨率，并通過機載實測數據進行驗證。

1 星載SAR高分辨率設計

1.1 距離向高分辨率

SAR通過發射線性調頻信號獲得高分辨率，隨著分辨率的提高，發射信號帶寬要求隨之提高，例如，分辨率達到0.2 m以上，發射信號帶寬要求2 GHz以上，如此大帶寬信號的產生、發射、接收、采集均面臨諸多技術和方法上的難題，且對系統硬件提出了極高的要求，尤其受到寬帶模數轉換(DAC)、高速模數轉換(ADC)器件性能及等級的限制，因此，直接產生全帶寬的信號難度極大。為降低系統實現難度，可將大帶寬信號分為若干個步進調頻信號，并采用中頻直讀的方法產生，再上變頻至所需要的射頻，通過天線發射并接收目標回波信號，在中頻進行采樣后利用信號處理實現大帶寬的拼接，獲得距離向高分辨率。該方法的優勢在于降低了系統瞬時帶寬和采樣率要求，有效解決了星載SAR系統超寬帶信號產生與收發的技術難題。

以3個線性調頻子脈沖為例，說明實現超寬帶信號的原理，如圖1所示。圖1(a)為中頻濾波后連續輸出的3個帶寬為B、脈寬為T的子脈沖，3個子脈沖的頻帶范圍都是[f0-B/2,f0+B/2]，其中，f0為發射中頻中心頻率；將3個子脈沖分別調制到fc1，fc2，fc3這3個載頻上，且fc3-fc2=fc2-fc1≈B。至此，輸出的信號就是帶寬為3B的超寬帶線性調頻脈沖，如圖1(b)所示。圖1(c)為單子帶脈壓和3個子帶合成后脈壓結果，可見，合成后的信號距離向分辨率得到明顯提升，與理想超寬帶線性調頻信號在主瓣寬度、旁瓣電平方面相當。

圖1 超寬帶信號產生及實現原理

在實際系統實現時，由于會存在各種子帶間的誤差，這些誤差會影響到大帶寬合成的效果和匹配濾波的性能。為此，系統上設計多通道內定標功能，在成像時能夠按照實際的時序獲得不同子帶的定標信號，計算得到不同子帶之間的幅相誤差，完成多子帶間的誤差標定及校準，在子帶帶寬設計時，結合信噪比損失考慮子帶間一定比例的頻譜重疊，用于提高相位誤差獲取的精度。另外，在高分辨率星載SAR成像處理時，需要考慮子脈沖之間的斜距差異，以及衛星平臺運動引入的誤差。

1.2 方位向高分辨率

方位向高分辨率通過大轉動角滑動聚束模式實現。滑動聚束模式與凝視聚束模式不同，其虛擬旋轉中心點遠離測繪帶，位于地球內部，通過控制天線波束在地面的移動行進速度增加合成孔徑時間，并由此提高方位向分辨率。一方面，當波束地面移動速度介于零與雷達平臺速度之間時，滑動聚束模式的方位向合成孔徑累計時間大于條帶模式，因此其方位向的分辨率優于條帶模式[6]；另一方面，在天線掃描過程中，波束的地面足跡仍具有一定的前進速度，所以其方位向滑動掃描寬度大于聚束模式下的方位向觀測寬度。滑動聚束模式可以在高分辨率和大成像區域之間獲得較好的折衷，圖2給出了滑動聚束模式成像幾何關系示意。

圖2 星載SAR滑動聚束模式成像幾何關系示意

在滑動聚束模式下，天線波束足跡前進速度Vg小于衛星平臺的前向速度Vs，滑動聚束SAR的滑動因子定義為

(1)

由于方位向滑動掃描寬度遠小于參考斜距，因此滑動因子A在觀測范圍內隨斜距的變化可忽略不計，Vg在整個觀測范圍帶內近似恒定，滑動因子A取其在中心斜距處的值即可。滑動聚束SAR模式下的分辨率最終改善程度由其滑動因子A決定[7]。

設天線的方位向波束寬度θa，滑動聚束模式達到相應的方位向分辨率和場景方位向幅寬時，方位向最大斜視角Ψa滿足式(2)[7]。

(2)

通過式(2)，即可在已知方位向天線波束寬度θa及星下點視角α的前提下求解出Ψa，其表達式為

(3)

目前，國內外許多高分辨率星載SAR系統都實現了滑動聚束模式，獲得了方位向高分辨率。該模式對于反射面天線而言，需要利用衛星平臺或伺服系統獲得大的轉角，因此對天線波束控制的準確度和穩定度提出了較高的要求。通過基于虛擬點旋轉的3維衛星平臺或天線伺服控制策略及方法，可以實現大角度滑動聚束所需要的姿態曲線，從而保證方位向信號的有效合成，實現方位向高分辨率。

2 反射面天線SAR系統技術

星載SAR系統的天線形式多樣，包括平面相控陣天線和反射面天線，反射面天線又包括固態反射面天線、傘狀拋物面天線、構架拋物面天線、環形拋物面天線等。一般，需要根據任務特點、衛星平臺能力、SAR系統功能等因素綜合考慮，選擇合適的天線形式。對于高分辨率星載SAR，要求天線具備高增益、低旁瓣，以保證成像性能。

考慮到反射面天線掃描范圍小，采用衛星平臺與反射面天線固連，利用衛星平臺機動帶動天線波束掃描的方式實現高分辨率所需要的大轉動角。這種方式最大的好處是掃描連續，易于實現大視角連續觀測；同時，在成像過程中保證天線具有恒定的峰值增益和圖像質量的穩定。另外，可利用衛星平臺左右側擺實現雙側視成像。圖3為輕量化、高型面精度反射面天線。

在衛星平臺帶動天線轉動的過程中，要求SAR天線引入的轉動慣量足夠小，且天線波束具備高指向精度和穩定性。由于高分辨率要求天線口徑大，必須考慮天線的輕量化設計，因此，一般SAR天線反射器采用柔性網面形式，利用其低的面密度實現天線的輕量化，進而降低轉動慣量。同時，需要利用熱穩定性較好的材料，以保證高的型面精度，從而保證天線性能。

本文設計一種反射面天線及大功率合成的高分辨率星載SAR系統實現方案，SAR系統由數據處理單元、大功率發射通道、反射面天線、接收通道、頻率綜合器及內定標網絡6個部分組成(如圖4所示)。其中：內定標單元用于對獲得成像處理所需要的幅相誤差傳遞函數；大功率發射通道完成大功率合成。

注：TWTA為行波管放大器。

數據處理單元實現線性調頻信號生成、整機定時、數據采集等功能；大功率發射通道包括發射機、合成網絡、TWTA組等，最終將大功率信號通過環形器輸入至對應的饋源；SAR反射面天線包括饋源陣列及大型傘狀反射器，實現電磁波發射及回波接收；接收通道實現對天線接收回波信號的下變頻、中頻放大、增益控制等功能。內定標網絡通過耦合器組、內定標單元等實現對多通道SAR系統幅相誤差標定，保證圖像質量。

反射面體制SAR采用集中發射的方式，功率放大器可選擇固態放大器或TWTA[8]，在實現高分辨率時，雷達系統需要大功率、超寬帶信號，且工作在較高頻率，考慮行波管本身具有寬帶特性，且效率相對較高，優先選用TWTA，其由行波管和脈沖電源組成，原理框圖如圖5所示。行波管屬于真空器件，其基本原理是通過慢波系統把電子注能量轉化為微波能量，獲得大功率；脈沖電源產生行波管需要的各級高壓、脈沖調制信號等；二者通過高壓電纜互聯，最終獲得大功率的脈沖信號。近些年，隨著元器件及工藝水平的不斷發展，為空間脈沖TWTA技術奠定了技術基礎，可用于高分辨率星載SAR。

圖5 TWTA組成

由于單臺放大器難以產生高分辨率SAR所需要的上萬瓦的功率，因此無論采用哪種放大器，一般均需要進行功率合成。功率合成時可采取基于巴特勒(Butler)矩陣等[9]形式的微波組件進行功率合成，并根據需要靈活選擇對應的輸出端口。

2.1 距離向多波束技術

利用饋源陣列的傘狀反射面天線體制，可實現發射寬波束覆蓋所需要的測繪帶寬，利用俯仰向窄波束掃描接收，在獲得高接收增益[10]的同時獲得寬測繪帶，該方案稱為掃描SAR(Sweep-SAR)，其實現的基本原理如圖6所示。

圖6 Sweep-SAR實現原理

同時實現高分辨率和寬測繪帶，會導致星載SAR系統實現難度的增加，主要表現在利用傳統的距離向采樣時僅需要1個通道，采用距離向多波束技術要多個饋源同時發射脈沖，而回波被N個通道獨立接收，對應的信噪比由于發射波束展寬被降低為1/N倍，瞬時視場由于展寬的波束寬度相應增加了N倍，雷達方程可以表示為

(4)

式中：σNESZ為等效噪聲后向散射系數；R(θ)和η分別為斜距和入射角，其中，θ為波束指向角；k為玻耳茲曼常數；T為噪聲溫度；Bw為噪聲帶寬；F為噪聲系數；L為系統損耗；Pav為寬波束發射信號的平均功率；GT和GR分別為寬波束發射和接收的天線增益；λ為波長；c為光速。

可見，相對于單饋源，其增益下降了N倍，但是相對于寬波束發射、寬波束接收，其增益增大了N倍。Sweep-SAR系統工作示意如圖7所示。

注：LNA為低噪聲放大器。

由于不同饋源對應的波束指向不同的距離向測繪帶位置，在具體實現時可通過切換接收通道實現全測繪帶的覆蓋。但是，由于邊緣饋源距離反射面天線焦點較遠，其方向圖會存在一定的畸變，造成主瓣擴展和旁瓣增高的現象。這種現象會影響到距離向模糊度等系統性能指標[11]。同時，由于各個波束指向不同，其波束重疊部分的相鄰波束增益都較低，直接進行加權處理不僅會引起輻射增益產生周期調制，還會導致接收信噪比和系統靈敏度的嚴重下降。因此，具體實現時需要應用適于Sweep模式的多波束處理技術，保證掃描接收的同時獲得更高的相對穩定的回波接收增益[12-15]。

仿真發射波束與接收波束的方向圖如圖8所示。實線為發射波束的方向圖，虛線為不同饋電單元對應的接收波束方向圖。

圖8 天線方向圖

SAR系統可利用俯仰向多通道接收回波信號，并通過選擇合適的加權處理獲得期望的波束寬度，最大化天線增益等效于最大化接收信噪比(SNR)，這樣，最終的輸出加權信號可以通過式(5)計算獲得。

(5)

式中：Sout為接收合成后的輸出信號；t為時間序列；ωn為加權因子，n=1，…，N；Sin，n為接收到的各路信號。

對式(5)進行最優化求解，可獲得最大的信噪比。

基于饋源陣列的反射面天線SAR通過距離向多波束技術，可以利用較小的代價實現高分寬幅所需要的功率孔徑。該技術在地面和機載已經獲得了驗證，尚未在軌應用，研究的重點在于雷達系統設計與信號處理性能之間的迭代和邊界確定，也就是結合系統復雜度及自適應的波束加權因子優化，可以采用線性約束最小方差波束形成等方法，在獲得天線增益最大化的同時，通過空域濾波方法抑制距離向模糊回波，從而獲得最優的SNR和模糊度，無論是否在星上進行實時處理，都需要修正多個通道之間的誤差。

2.2 變脈沖重復間隔(PRI)

高分寬幅時要進行PRI獲得回波的有效接收，這就需要系統能夠自適應進行PRI的調整，其調整精度會影響到成像結果。

與一般分辨率的星載SAR相比，高分辨率SAR具有大合成孔徑角及長合成孔徑時間，在成像過程中星地幾何關系變化較大，造成場景回波具有超大距離向徙動。而高精度定時的PRI時序設計，使得接收窗的移動能夠與回波的徙動特性相匹配，保證對回波的完整接收。此外，對于大幅寬觀測需要連續變PRI時序設計保證接收回波的完整性。

變PRI對雷達系統設計提出了諸多約束[16]，如PRI產生的精度、最小間隔的設計及變PRI時系統相位的穩定性，按照以下規則進行設計：假設TPRI,0為脈沖重復間隔初始值，那么TPRI,m=TPRI,m-1-Δτ，其中，m=1，…，M-1，M為變PRI總次數，Δτ為變化時間步進。

需要考慮的約束如下。

(6)

(7)

變PRI的主要限制因素是使得脈沖丟失的比例足夠小，因為在變方位PRI時，回波窗位置隨斜距的變化沿方位向變化，受發射干擾和星下點回波干擾影響，部分PRI段末尾的回波在下一恒定PRI段回來時不能被有效接收，導致目標脈沖丟失。脈沖丟失會導致旁瓣電平抬高，導致峰值旁瓣比(PSLR)和積分旁瓣比(ISLR)性能存在一定下降。如果在孔徑邊緣丟失脈沖，則直接影響分辨率。圖9分析了在靠近合成孔徑中心丟失脈沖占比及其對性能影響。可以看出：若將脈沖丟失的比例控制在合適范圍內，可以保證SAR系統的成像性能。

圖9 脈沖丟失對成像性能的影響

聚束及滑動聚束模式中，隨著斜視角的增加，會導致分辨率和幅寬降低，以及合成孔徑時間和距離向徙動增加。由于距離向徙動的影響，某些方位位置的回波脈沖可能會超出接收窗，此時可以連續改變PRI，使得接收窗或者盲區的變化與瞬時斜距的變化一致。

變PRI的雷達系統設計是實現方位向高分辨率、大斜視觀測不可或缺的技術途徑[17]。在實現過程中涉及的因素眾多，包括變PRI的方式、精度，大功率發射時的脈沖相位一致性、占空比最優等。在具體實現時，需要結合星地幾何、最優SNR及圖像模糊比等參數，迭代獲得最優變PRI時序，從而在保證接收回波完整性和有效性的同時，保證圖像質量。

3 實測數據驗證

3.1 校飛系統

為了對基于反射面天線的高分辨率星載SAR關鍵技術進行驗證，尤其是針對距離向子帶合成實現距離向高分辨率、天線大角度掃描實現方位向高分辨率、變PRI技術進行驗證，設計反射面SAR校飛試驗系統。該系統包括采集存儲器、頻率綜合器、發射機、大功率TWTA、大功率環形器、合路器、中頻接收機、耦合器、限幅低噪放、天線及指向機構等，其中，雷達設備的天線子系統安裝在吊艙內。校飛設備如圖10所示，系統參數如表1所示。

圖10 高分辨率SAR機載校飛設備

表1 校飛試驗雷達系統參數

3.2 驗證結果

在地面進行校飛數據帶寬合成處理時，采取頻域子帶合成方法。首先，對雷達系統的內定標信號進行預處理，獲得多個子脈沖對應的通道誤差及時延；然后，對各子脈沖信號進行匹配濾波，并進行通道幅相及時延一致性補償；之后，進行頻譜去冗余處理、頻譜搬移和帶寬拼接；最后，通過逆傅里葉變換獲得距離向高分辨率成像。在此基礎上，結合方位向采樣均勻化處理及高精度運動補償，利用波數域算法最終獲得2維高分辨率圖像。

圖11給出了單子帶成像結果與子帶拼接后的成像結果，可以看到：屋頂的紋理細節有了明顯的提升，子帶拼接后系統的分辨率得到了提高。圖12(a)給出了變PRI采樣非均勻時成像結果，圖12(b)給出了采樣均勻時成像結果，可以看到：本文提出的變PRI時序設計可有效地保證圖像質量。圖13為機載校飛結果(角反射器成像圖)，表2給出了利用角反射器對系統性能定量分析的結果。其中：距離向分辨率達到0.07 m，方位向分辨率達到0.09 m，PSLR和ISLR均達到設計指標，圖像聚焦效果良好。

圖11 子帶拼接后SAR圖像

圖12 變PRI優化處理結果

圖13 機載校飛結果

表2 系統性能分析結果

4 發展前景

隨著2維高分辨率星載SAR技術的發展，尤其是方位向大轉動角實現聚束觀測和滑動聚束觀測模式的應用不斷成熟，以及對于特定目標從不同角度觀測可以獲得更為全面的特征信息，多方位角觀測、大斜視觀測及高分寬幅觀測成為星載SAR發展的趨勢。

4.1 多方位角觀測技術

多方位角觀測(如圖14所示)是獲得更為豐富的目標信息的有效途徑。地面目標具有復雜的幾何和表面特性，由于陰影效應、目標與背景的耦合及后向散射系數(RCS)對方位角敏感等因素，同一目標在不同雷達觀測角下展現出不同的散射特性，單一角度的雷達觀測無法充分反映目標的特性信息。利用多幅不同方位角的SAR圖像進行目標觀測，獲取不同散射特性，可進一步通過匹配融合實現目標特征增強，從而極大地提升識別描述能力。

圖14 多方位角觀測過程

圖15給出了對屋頂的多方位角觀測結果，可見，通過不同方位角的觀測，可以獲得屋頂更為全面的散射信息。

圖15 多方位角校飛試驗成像及融合結果

采用基于反射面天線的高分辨率SAR系統進行多角度觀測，尤其是大斜視觀測時，能獲得圖像質量較好的高分辨率SAR圖像數據，有效實現多角度數據融合，提升SAR圖像的解譯能力。同時，構建高分辨率SAR組網系統，不但在方位向可實現多角度高分辨率，且通過多星多軌不同視角可獲取目標全方位的圖像信息，增強系統復雜目標細節信息獲取及識別能力。

基于反射面天線的高分辨率SAR系統已初步具備了多角度觀測的能力，但與目標識別等實際應用需求仍有一定差距，特別是在目標圖像解譯和多角度數據融合等方面，仍需要進一步研究其優化算法，未來隨著高分辨率組網系統的建立，會給多角度觀測提供更加有力的條件。

4.2 2維多波束觀測技術

基于反射面天線的單通道高分辨率SAR，由于最小天線面積限制，難以同時滿足高分寬幅成像的要求，采用俯仰向Sweep-SAR技術可顯著增大雷達系統空時自由度，克服傳統SAR系統模糊與觀測幅寬之間的固有矛盾，使SAR系統同時獲得高分辨率、寬測繪帶成像能力，大大提高SAR的觀測效率。

未來可在此基礎上，拓展為2維多波束，即利用相控陣饋源的方法實現反射面天線方位、俯仰2維多波束[18]，并進一步增加2維的通道數量，加大系統自由度，使高分辨率、寬測繪帶指標得到進一步提升。

4.3 大斜視成像觀測技術

大斜視SAR具有提前觀測衛星斜前視區域的能力，靈活性及觀測區域較正側視SAR均大大增強，但高分辨率大斜視SAR實現難度很大。基于反射面天線的星載SAR系統，具備波束增益穩定、掃描連續等特點，在大斜視情況下，更容易獲得穩定的大掃描角聚束模式回波，從而保證高分辨率SAR系統的圖像質量。圖16給出了利用反射面天線SAR獲取的前斜視及后斜視高分辨率圖像，圖像質量良好。

圖16 高分辨率SAR大斜視成像結果

未來，隨著高分辨率大斜視成像算法的深入研究，斜視角將會進一步加大，可增加載荷可視區域面積，豐富觀測模式，提高應用過程中對關注目標成像的靈活性，提升高分辨率觀測的效能。

5 結束語

基于反射面天線的高分辨率星載SAR系統，通過距離向子帶合成實現距離向高分辨率，由衛星平臺帶動SAR天線進行大角度掃描，實現方位向高分辨率，系統具有波束連續和掃描穩定等特點，在實現高的空間分辨率上優勢明顯。在此基礎上，可利用距離向同時多波束滿足寬幅觀測的需求。作為高分辨率星載SAR的技術路線之一，可進一步實現對目標的識別確認及詳細描述，充分滿足用戶高精度觀測的需求。