毫米波SAR 衛星未來發展展望

王 輝，付玉龍，李金亮

（1.上海市毫米波空天信息獲取及應用技術重點實驗室，上海 201109；2.上海衛星工程研究所，上海 201109；3.上海航天技術研究院毫米波成像技術重點實驗室，上海 201109）

0 引言

合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一種主動微波遙感設備，它通過雷達平臺和目標之間的相對運動，在一定積累時間內，將雷達在不同空間位置上接收的寬帶回波信號進行相干處理得到目標二維圖像。在距離向，SAR 通過發射寬帶線性調頻信號并進行脈沖壓縮來提高分辨率；在方位向，SAR 利用目標和雷達的相對運動形成一個虛擬的合成孔徑來獲得高分辨率，通過在勻速直線運動的平臺上以一定的脈沖重復頻率發射和接收脈沖信號，將回波信號進行相干處理之后實現方位向高分辨率。由于SAR 不受天氣、氣候的影響，具備全天時、全天候的優勢，其在軍事偵察、全球測繪、自然災害防治等軍民領域得到了廣泛的應用。

自1978 年第一顆SAR 衛星SeaSAT 成功發射以來，星載SAR 技術受到了各國的高度重視，目前在軌的SAR 衛星主要頻段已涵蓋L、C、X、Ku等。毫米波是處于微波和光波之間的電磁波，頻率范圍為30～300 GHz（波長1～10 mm），其中Ka波段（35 GHz）具有極佳的星載SAR 能力，為目前毫米波星載SAR 衛星主要關注的大氣窗口頻段。與厘米波段相比，毫米波SAR 有如下優點：帶寬可以更大、天線尺寸更小，更容易實現超高分辨率；具有類光學特性，目標輪廓效應更加清晰；對植被、雪、土壤等的穿透力較弱，更加適合數字表面模型的生成；在相同干涉測量精度下，毫米波干涉SAR（Interferometric SAR，InSAR）基線要短許多，更加適合單星多模式觀測；系統體積小、重量輕，更利于輕小型化SAR 衛星的實現等。基于上述優點，毫米波SAR 衛星技術的研究與應用已成為國內外對地觀測的研究熱點。

本文以毫米波SAR 衛星的發展為背景，首先分析了毫米波SAR 衛星的特點，其次綜述了其發展現狀。在此基礎上，進一步闡述了毫米波SAR 衛星的主要應用方向，并從連續波體制和脈沖體制兩個方面展望了毫米波SAR 衛星技術的發展趨勢。

1 毫米波SAR 衛星概述

1.1 毫米波SAR 衛星特點

與低頻段的SAR 相比，毫米波SAR 具有如下特點：

1）可實現高分辨率。毫米波SAR 的工作頻率更高，系統可發射相對較大的帶寬信號，可獲得距離向高分辨率；毫米波SAR 工作波長更短，系統天線的實孔徑尺寸更小，可獲得方位向高分辨。

2）體積小、重量輕。毫米波波段天線及射頻模塊的尺寸遠小于低波段，因此毫米波SAR 系統具有體積小、質量輕的特點。

3）干涉基線短。毫米波波長短，因此在獲取相同的干涉測量精度時，毫米波InSAR 所需的基線比低頻段SAR 要小很多。

4）目標輪廓效應明顯。雷達工作頻段越高，目標輪廓效應就越明顯。在Ka 波段，目標幾何外形的輪廓能產生更強的回波，有利于獲取清晰的目標幾何特征。

5）穿透力較弱。毫米波對植被、雪、土壤等的穿透力較弱，更加適合觀測對象表面信息的提取，并形成觀測區域高精度數字表面模型。

6）姿態控制與測量精度要求高。毫米波較短的波長使得其天線波束寬度較窄，為了保證成像質量，對波束指向精度提出了更高的要求。波束指向精度的保證，一方面取決于天線自身的波束指向；另一方面也依賴于衛星平臺的姿態控制精度。特別是天線的方位向波束寬度，往往小于0.1°。從控制角度要滿足星載毫米波SAR 天線波束指向精度的要求極為困難，往往需要結合姿態測量信息在成像處理時進行補償，對衛星平臺的姿態測量精度提出了較高的要求。而應用于干涉測繪時，毫米波較短的波長使得其對基線長度的需求較低，使得毫米波InSAR 具備實現單星高精度干涉的能力，是毫米波SAR 的一大優勢。但是單星干涉測量，其基線傾角的確定在很大程度上取決于衛星平臺的姿態確定精度，同樣對衛星平臺的姿態確定能力提出了嚴苛的要求。

7）供配電能力要求高。星載毫米波SAR 較大的傳輸損耗，要求SAR 系統天線具有較高的功率孔徑積，即毫米波SAR 系統需要較高的發射功率；同時，毫米波頻段功放組件較低的效率，使得毫米波SAR 系統的功耗問題凸顯，功耗往往達到上萬瓦甚至更高。大功率的脈沖供電需求，給衛星平臺供配電分系統的設計帶來了巨大挑戰。因此，滿足毫米波SAR 在軌的有效工作時長成為毫米波SAR 衛星設計面臨的重要難題。

8）熱控要求高。一方面，星載毫米波SAR 較高的功耗和較低的功放組件發射效率，使得衛星平臺供給的大量功率在SAR 天線工作時被轉化為熱耗，而及時排散發射天線大功率TR 組件和多通道電源組件工作時發出的熱量，并將TR 組件溫度一致性控制在指標范圍內，這對星載毫米波天線熱控提出了極高要求。同時，為了滿足幅寬覆蓋的要求，毫米波SAR 天線的距離向尺寸往往較小，不能給天線熱控提供足夠的散熱面，這就要求衛星平臺在結構布局設計時給SAR 天線留出足夠的散熱面空間。另一方面，毫米波頻段射頻電路幅相特性受溫度變化的影響非常大，因此衛星平臺需要采取針對性熱控措施，將艙內射頻單機的工作溫度控制在較小的溫度范圍內，以保證其工作性能的穩定。

9）載荷占比要求高。相比傳統頻段星載SAR，毫米波SAR 天線較小的尺寸使得毫米波SAR 衛星具有較好的輕小化潛力。但是毫米波SAR 對衛星平臺姿態、供配電、熱控等方面的高要求，又制約了整星小型化的實現。因此，為了充分開發毫米波SAR 衛星的輕小化潛力，高載荷占比的設計與實現是毫米波SAR 衛星必須攻克的關鍵技術，從某種程度上來說也是決定毫米波SAR 衛星成敗的核心因素之一。

1.2 毫米波SAR 衛星發展概況

由于毫米波波段大氣衰減大于傳統低頻段，前期星載毫米波SAR 衛星的發展受到了較多的限制。近年來，隨著大量毫米波SAR 技術研究的開展和相應工藝水平的提高，星載毫米波SAR 衛星技術開始進入快速發展階段。

2003 年，美國洛克希德·馬丁公司首次提出了Ka 波段星載可重構孔徑聚束SAR 的設計方案，如圖1 所示。該方案中衛星軌道高度為700 km，采用8.51 m×2.90 m 的卡塞格倫天線，發射功率密度為25.5 W/m，饋源為高功率固態收發（Transmit/Receive，TR）陣列器件，每個TR 器件輸出功率為2～4 W，數據率為0.10～0.44 Gbit/s，入射角為 15°～70°，距離向和方位向設計分辨率都為1 m。

圖1 Ka 波段星載可重構孔徑聚束SAR 系統Fig.1 Schematic diagram of Ka-band reconfigurable SAR

2005 年，德宇航針對地球探索者計劃（EE8）提出了SIGNAL 系統（SAR for Ice Glacier and Global Dynamics）。SIGNAL 是一種創新的Ka 頻段SAR衛星，軌道為750 km 太陽同步軌道，測高精度10 cm～1 m，測繪帶寬20 km，其主要目的是準確測量冰川、冰蓋、極地變化、海拔、流速，為更好了解冰川盆地的水文以及為南北極水循環提供科學研究支撐，填補全球冰川的平衡和動力學數據庫的空白。該系統使用一對編隊飛行衛星，獲得所需的長基線以實現高靈敏度和測量的穩定性。

2006 年，加州理工學院噴氣推進實驗室提出了“冰川和陸地冰面地形干涉儀”（Glacier and Land Ice Surface Topography Interferometer，GLISTIN）系統的論證方案，該系統是一個實現冰川和冰層表面測繪的新型單平臺InSAR，一顆星安裝兩部天線，干涉基線為8 m，如圖2 所示。該系統具有高空間分辨率、高垂直測量精度，并且不受云層覆蓋影響的特點。為解決寬測繪和高發射功率的限制，GLISTIN 采用數字波束合成技術（DBF）。GLISTIN 為天基系統中首次提出這樣的設計理念。通過論證，該系統在內陸表面高程測量精度優于10 cm，在沿海地區高程精度達到幾十厘米。該系統軌道高度大約為600 km，運行于92°傾角非太陽同步軌道，地面測繪帶寬為70 km，其他主要參數見表1。

圖2 GLISTIN 系統Fig.2 Schematic diagram of GLISTIN system

表1 GLISTIN 系統參數表Tab.1 Parameters for GLISTIN system

2007 年，美國國家研究理事會發布了第一個有關地球科學和應用的10 年空間觀測計劃——“地表水和海洋地形”（Surface Water and Ocean Topography，SWOT）衛星，如圖3 所示。該星主要由NASA 與法國航天局（CNES）合作研制，其他參與方包括加拿大和英國航天局。項目人員已完成了SWOT 有效載荷模塊研制，目前正在與法國提供的衛星平臺集成。SWOT 發射計劃一再推遲，預計2022 年12 月由SpaceX“獵鷹-9”火箭發射。SWOT 主載荷之一為Ka 波段的InSAR，其工作頻率35 GHz，信號帶寬200 MHz，可以實現0.75 m 的斜距分辨率和5 m 的地距分辨率。系統采用4 m×0.2 m 的相控陣天線，干涉基線長度為10 m，采用星下點雙測繪帶模式，同時對星下點兩側進行觀測，每個測繪帶寬度為60 km，兩側共120 km，詳細參數見表2。SWOT 可實現海面的高精度和寬測繪帶測量，從而對海洋中小范圍的變化進行研究，同時也可測量陸地水體高度，對陸地水體的儲存、流失導致的空間和時間分布進行研究。

表2 SWOT 系統參數表［12-14］Tab.2 Parameters for SWOT system［12-14］

圖3 SWOT 系統Fig.3 Schematic diagram of SWOT system

2008 年，歐空局（European Space Agency，ESA）提出了基于掃描接收技術（Scan on Receive，SCORE）的Ka 波段星載SAR（Interferometric SAR，InSAR）的設計方案。鑒于系統組件在高頻段容易產生較大的損耗，因此在設計時采用收發分離的天線架構：發射時選用高增益的反射面天線，接收時選用8 通道的相控陣天線，并采用基于DBF的掃描接收技術。采用這種系統架構，能有效降低對發射功率的需求，采用掃描接收技術還能減小雨水后向散射對成像性能的干擾。

2010 年歐空局又進行了Ka 波段SAR 單平臺高分辨率干涉的驗證工作，用于獲取高精度數字表面模型（Digital Surface Model，DSM），其中DSM 瞄準HRTI-3 標準。該系統采用單星雙天線一發兩收體制和DBF 掃描接收技術，如圖4 所示。該系統工作頻率為35.75 GHz，發射帶寬為300 MHz，發射天線尺寸為2 m×0.35 m 的，接收天線直徑為2.25 m，接收天線干涉基線為12 m，能夠獲得1 m×1 m 的分辨率，詳細參數見表3。

圖4 歐空局Ka InSARFig.4 Schematic diagram of ESA Ka InSAR

表3 歐空局Ka InSAR 參數表Tab.3 Parameters for ESA Ka InSAR

2012 年，意大利阿萊尼亞宇航公司（Alenia）提出一種在Ka 頻段工作的單星SAR 干涉儀，采用變異的雙基地方案設計滿足單星干涉測量需求，采用三根天線：其中一根只用于發射，安裝在衛星本體；另外兩根接收天線安裝在吊桿頂端。通過天線的設計和部署，能夠實現交軌干涉和順軌干涉的能力。系統示意圖如圖5 所示，系統詳細參數見表4。

圖5 阿萊尼亞宇航公司Ka InSARFig.5 Schematic diagram of Alenia Ka InSAR

表4 意大利阿萊尼亞航天公司Ka INSAR 參數表Tab.4 Parameters for Alenia Ka InSAR

2012 年，德宇航（Deutsches Zentrum für Luftund Raumfahrt，DLR）在歐空局提供基金的條件下，也對Ka 波段InSAR 系統進行了研究并提出了設計方案，如圖6 所示。該方案中衛星向兩側各伸出10 m 的天線支撐臂，2 個發射天線安裝在天線支撐臂末端，2 個接收天線則安裝在衛星星體上，干涉基線長度約為10 m，2 個發射天線和2 個接收天線均為拋物面天線。該系統在方位向兩發兩收，采用DBF 技術，并在數據處理上采用多孔徑處理方法（Multi-aperture Processing Method，MAPS）降 低PRF，同時獲得寬測繪帶，距離向采用SCORE 技術獲得高增益。系統結構可以調整為4 個相位中心的結構，以同時實現干涉和地面運動目標檢測技術（Ground Moving Target Indication，GMTI），系統詳細參數見表5。

圖6 德宇航Ka InSARFig.6 Schematic diagram of DLR Ka InSAR

表5 德宇航Ka InSAR 參數表Tab.5 Parameters for DLR Ka InSAR

2014 年，阿斯特里厄姆公司（Astrium GmbH）和德宇航在歐空局的支持下提出了一種9 通道MPAS Ka SAR 系統，可以同時實現干涉和GMTI，如圖7所示。雙偏置發射天線安裝在10 m展開臂末端，接收天線長13 m 由9 個單偏置天線模塊組成。軌道高度400～450 km，測高精度1.80～2.85 m，窄幅工作模式下距離向分辨率為2 m，測繪帶寬12 km，寬幅模式下距離向分辨率為5 m，測繪帶寬50 km。

圖7 阿斯特里厄姆公司Ka InSARFig.7 Schematic diagram of Astrium GmbH Ka InSAR

2016 年，德宇航提出了一種在Ka 波段中運行的單通道跨軌道星載InSAR 方案，如圖8 所示。該單通道跨軌SAR 掃描波束側視角為25°，包含1副發射天線和2 副多功能接收天線（Multi-Function Antenna，MFA）。發射天線為饋源陣列位于為焦平面的單偏置反射面天線。基于每個波束一個饋源的設計，以及利用放置在饋源陣列和2 kW 放大器之間的開關矩陣，該天線能夠生成8 個高程掃描波束。每副接收天線為饋源陣列，位于焦平面的偏置三反射面，以實現掃描接收操作。每個接收天線可產生56 個波束，每個波束由3 個相鄰饋源產生。接收天線位于可展開臂的尖端，展開后支撐臂與衛星本體間的夾角為60°。

圖8 德宇航Ka 波段單通道跨軌道星載InSARFig.8 Schematic diagram of DLR Ka-band InSAR antenna farm

經過10 多年的發展，星載毫米波SAR 技術已經由單純的技術驗證性質的系統探索論證階段，發展到具有明確應用和工程研制計劃的系統設計、研制階段。隨著天基毫米波遙感機理研究的不斷深入和各國相應項目的不斷推進，星載毫米波SAR 系統在不久的將來將很快加入到在軌星載SAR 衛星的大家庭中。

2 毫米波SAR 衛星應用前景

2.1 冰雪探測

冰川、冰蓋、海冰和積雪是全球冰凍圈的重要組成部分，是氣候和生態環境變化的指示器。在經濟全球化、區域一體化不斷深入發展的背景下，冰川、冰蓋和積雪探測在戰略、經濟、科研、環保、航道、資源等方面的價值不斷提升，受到國際社會的普遍關注。海冰監測有定點監測、機載和船舶監測、可見光遙感、近紅外遙感、遠紅外遙感和微波衛星遙感等技術手段，其中衛星遙感因幅寬大、重訪周期短等技術優勢成為海冰監測的主要手段。可見光及近紅外遙感衛星具有分辨率較高、直觀等特點，但其受日照、云霧、雨雪等天氣的影響較大，難以滿足全天時、全天候監測需求。遠紅外遙感衛星通過獲得的熱紅外圖像溫度分布可明顯區分出海冰和海水，但其測量精度受雨雪風云天氣及季節影響較大。積雪監測方法主要有花桿法、自動氣象站超聲高度計測量法、地面微降雨雷達、云星載廓線雷達、激光雷達、微波遙感等。微波遙感具有全天時、全天候的工作能力，主要包括SAR、微波高度計、微波輻射計等，其中SAR 因其分辨率高、輪廓清晰、幅寬大等優勢是未來冰雪探測發展的趨勢。相比于其他微波頻段，毫米波具有冰雪穿透能力小的優點，可用于大氣-雪、大氣-冰、大氣-水界面高精度觀測；毫米波頻段高，實現厘米級測高和亞米級每秒測速所需接收天線基線長度在10 m 量級，具備單星多模式集約高效，具有避免重軌和分布式SAR 時間去相干的優勢。通過毫米波SAR 圖像可實現冰雪測繪、海冰密集度測量、海冰分類，對極區人類活動、北極航道進行觀測，保證極地科考、航行安全等。通過單星毫米波SAR 干涉測高可繪制冰雪覆蓋地區DSM 圖、海冰厚度圖、冰雪儲量變化圖等，推動極區、高原冰雪物質平衡研究，提高冰雪變化預測精度，為冰雪與全球氣候變化等科學研究提供參考。通過單星毫米波SAR 干涉測速，可對冰川、冰蓋變化，極區洋流、極區渦流、海洋亞中尺度現象，陸地水資源評估等進行動態觀測，為極區交通線路規劃、洪澇、海洋災害預測等提供科學依據。

2.2 農作物識別與分類

我國是農業生產和消費大國，及時掌握農作物類型、分布、結構、長勢等信息，是我國農作物生產管理、農業結構調整及糧食政策制定等的重要科學依據。國內外學者利用光學遙感影像對不同時空尺度下的多種農作物進行了種類識別與長勢監測研究。我國大部分農作物生產地區長期受云霧覆蓋，光學遙感常常無法獲取完整的、連續的有效數據。SAR 全天時、全天候的監測能力，能夠提供不同于光學遙感的信息。毫米波SAR 成像具有類光學、輪廓清晰、穿透性弱等特點，更容易反映不同農作物的高度、冠層結構、幾何特性信息，提高農作識別與分類的精度。此外，毫米波SAR 圖像紋理特征清晰，可解決農作物遙感監測存在的“異物同譜”和“同物異譜”的現象，可為全天時農作物精細化監測提供科學支撐。

2.3 森林參數反演

森林是全球陸地生態系統中的最大碳存儲庫，全球地面生態系統的生物量90%都是由森林組成。準確地掌握森林參數信息，對森林的科學管理、可持續性開發和利用具有非常重要的意義。對森林參數估測有多光譜、高光譜光學遙感，激光雷達和微波遙感等方法。多光譜、高光譜等光學遙感具有對森林的表層特征表現敏感、直觀的優點，在葉面積指數、森林樹種等森林參數反演的應用中，早期發揮了很大作用，但其穿透性較弱，不能夠獲取森林內部信息。激光雷達具有森林垂直結構信息獲取的能力，在樹高、森林生物量反演等方面起到了重要作用，但其受大氣、云霧及復雜地形的影響較大。SAR 依據雷達波與森林散射體后向散射系數進行測量，更具有物理含義。目前長波L、P SAR 由于能夠獲取森林中下部及內部信息，已被廣泛應用到森林參數的估計中。研究表明，L 等波段獲取的森林冠層高程精度低于地面高程精度。精確測量森林不同樹木不同生長階段冠高、冠幅等生長結構信息，對生物量估計、森林精準培育等至關重要。利用毫米波對樹冠穿透性小、圖像輪廓清晰及紋理特征清晰的特點，可精確獲取森林冠層高程信息，繪制樹冠數字表面模型，在推動森林有效管理、森林報告、災害預防等方面具有重要應用價值。

3 毫米波SAR 衛星發展趨勢

3.1 脈沖體制毫米波SAR 衛星技術

脈沖體制SAR 由于收發同置的優點，是目前星載SAR 應用中的主要形式。本節基于毫米波SAR的特點，重點論述脈沖體制毫米波SAR 技術在面向干涉測量、視頻成像觀測、雙頻觀測、自適應觀測等4 個方面的發展趨勢。

3.1.1 毫米波高精度InSAR 衛星技術

毫米波高精度InSAR 衛星主要用于極地綜合觀測、陸地水監測、冰雪測繪等前沿任務，助力我國在高頻SAR 衛星領域的發展，提升極地、洋流觀測綜合觀測能力，填補我國天基極區遙感高精度測繪手段空白，實現高緯度地區全天時全天候監測。綜合考慮極區目標穿透特性、觀測目標后向散射特性等因素的影響，毫米波高精度InSAR 衛星擇優選取Ka 頻段。綜合考慮高精度干涉時Ka 基線需求、分布InSAR 系統的時間去相關性等因素，毫米波高精度InSAR 衛星采用單星部署沿航跡、跨航跡多接收天線的多模式干涉方式，系統詳細設計見文獻［37］，衛星示意如圖9 所示。

圖9 毫米波高精度InSAR 工作Fig.9 Operation schematic diagram of millimeter wave high-precision InSAR

衛星軌道根據觀測需求、測量精度、幅寬等因素擇優選取，一般建議選擇極地軌道，以滿足極區冰雪、極地洋流等重點觀測區域需求。主載荷毫米波InSAR 采用單發射天線對星下點兩側交替掃描，實現觀測帶倍增；交軌向通過布置于星體垂直航跡兩側的天線形成空間基線對目標區域測高；順軌向通過布置于星體航向前后的天線形成時間基線對目標區域測速，詳見文獻［38］。交軌、順軌相位中心基線長度在十米量級，衛星具備3 種工作模式：標準測高模式，可實現百公里幅寬下厘米級高精度測高；標準測速模式，可實現百公里幅寬下亞分米/秒的高精度測速精度；傳統高度計測高模式，可實現數十公里幅寬下厘米量級測高。

系統特點：1）多模式干涉?；贙a 頻段干涉基線短的優勢，單星可實現成像、測速、測高。2）測繪帶寬大。相比于傳統高度計幾十公里的測繪帶寬，可實現百公里測繪，大大縮短覆蓋時間，并可實現海洋亞中尺度現象的觀測。3）高精度基線保持和測量?？蓪崿F毫米級基線展開精度及多自由度基線測量。

3.1.2 毫米波視頻SAR(VISAR)衛星技術

在相同方位分辨率下，與低頻段相比，Ka 頻段波束較窄，所需要的合成孔徑時間短，具備高分辨率、高幀率視頻成像得天獨厚的優勢。毫米波VISAR 衛星將毫米波SAR 技術與視頻技術相結合，主要用于熱點區域、運動目標的持續監測和跟蹤，所獲得的視頻產品能夠直觀地反映出熱點地區運動目標位置、速度及運動趨勢等動態信息，如圖10 所示。毫米波VISAR 通過天線的電掃描控制天線波束始終照射目標區域，從而獲得對目標區域的持續觀測能力；通過對大角度聚束模式下回波數據的合理分割，形成該場景的序貫圖像序列，經過圖像處理后以視頻的形式再現目標場景的信息。方位向采用偏置相位中心多波束技術降低PRF，距離向采用DBF-SCORE 技術提高接收增益，降低數據率，并采用陰影檢測方法實現動目標監測。毫米波VISAR 運行于太陽同步軌道，衛星主要工作模式為聚束模式，該模式下圖像分辨率可達亞米級，測速精度可達亞分米/秒，幀率優于10 Hz 并且可調。

圖10 毫米波VISAR 工作Fig.10 Operation schematic diagram of millimeter wave VISAR

3.1.3 毫米波雙頻SAR(DSAR)衛星技術

傳統波段（L、C、X）SAR 圖像存在判讀效果不佳、細節描述能力不強的問題，毫米波DSAR 衛星技術旨在通過單平臺多源信息融合的理念，利用毫米波特點，實現高效率、精準化觀測，如Ka+L 雙頻（如圖11 所示）、Ka+X 雙頻等，圖11 中給出了一種Ka+L 雙頻SAR 工作示意圖，利用毫米波穿透性小、輪廓及紋理特征清晰的特點，可以彌補L 頻段樹冠高程精度低等問題，通過雙頻段數據融合可提高森林參數反演、農作物識別的精細化。圖11 中毫米波DSAR 衛星運行在太陽同步軌道，工作在雙頻融合模式下，Ka 帶寬內雙頻共同測繪覆蓋，進一步對共同目標區域雙頻數據融合，可實現高效率、精細化觀測；Ka 頻段和L 頻段也靈活組合以實現多種工作模式，如可在距離向通過測繪帶寬拼接實現幅寬擴大模式觀測等。

圖11 毫米波DSAR 工作Fig.11 Operation schematic diagram of millimeter wave DSAR

3.1.4 毫米波ZSAR 衛星技術

傳統SAR 在系統設計和信號處理中通?；谝欢ǖ募僭O開展，如信號衰減特性、雜波分布等采用已知或者先驗模型為指導，信號處理中假設外界環境在空間上均勻、時間上平穩等，且系統發射信號為固定形式，通過接收端自適應處理及濾波算法設計來提高性能，為開環系統。面對復雜環境、多背景環境，傳統SAR 緊靠開環系統難以取得滿意的效果。毫米波自適應SAR（ZSAR）衛星系統是一種實現發射—環境—接收的全自適應閉合環路系統，如圖12 所示。

圖12 毫米波ZSAR 工作Fig.12 Operation schematic diagram of millimeter wave ZSAR

星載毫米波ZSAR 系統的典型工作模式為：1）采用大幅寬工作模式實時成像，獲取大范圍場景信息；2）結合先驗信息進行重點區域、目標識別；3）針對重點區域、目標類型優化工作模式、系統參數，其中Ka 頻段合成孔徑時間短、散射特性豐富，易于實現實時成像和實時檢測，數據庫可在軌實時更新。

3.2 調頻連續波毫米波SAR 衛星技術

調頻連續波毫米波SAR 是調頻連續波（Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW）技術與毫米波SAR 技術的結合。與傳統脈沖體制SAR 相比，FMCW 毫米波SAR 采用去斜率接收方式，僅需很低的距離向采樣頻率即可記錄下回波信號，極大降低了A/D 采樣及處理設備的性能要求；FMCW 毫米波SAR 具有很大的時寬帶寬積，其峰值發射功率比相同平均功率脈沖雷達的峰值發射功率大大降低，采用固態放大器就可滿足要求。因此，FMCW 毫米波SAR 可以做到結構簡單、體積小、重量輕、成本低。尤其是在星載條件下，小型化系統將有助于減少對平臺空間和負荷的需求，有利于提高平臺機動性、靈活性和續航能力，具備廣闊的發展前景。

FMCW 毫米波SAR 衛星作為一種創新性技術體制，既可用于開展傳統空間遙感應用，又可滿足未來一段時期軍民各領域多類型、多維度、多方向的應用需求。鑒于FMCW 毫米波SAR 衛星同時具有低成本、規模小、可快速構建的特點，可通過多種具有創新性的編隊形式，實現在不同應用領域滿足多類型的需求。

3.2.1 輕小型毫米波SAR 衛星技術

輕小型毫米波SAR 衛星是一項高度創新的衛星應用方案，其充分考慮星載模式下收發信號功率、信噪比以及收發天線之間的隔離，系統采用雙星平臺。輕小型毫米波SAR 主要應用于對地觀測，系統如圖13 所示。發射天線和接收天線分別安裝在2 個小衛星平臺上。發射星和接收星組成飛行編隊，發射星向觀測區發射Ka 波段信號，接收星接收回波信號。衛星軌道高度可根據需要觀測的對地幅寬和觀測分辨率進行適當選取，一般建議選擇太陽同步軌道，雙星系統星間距離主要依據發射星信號功率對接收星回波接收能力的影響開展分析，一般在幾十公里。與傳統的FMCW SAR 不同，系統發射信號采用高占空比。衛星系統采用雙星編隊時，工作模式更加靈活，可根據不同的用戶需求選擇條帶模式、聚束模式、滑動聚束模式等。衛星系統詳細方案及關鍵技術見文獻［41］。

圖13 輕小型毫米波SAR 衛星系統Fig.13 Schematic diagram of light and small millimeter wave SAR satellite system

輕小型毫米波SAR 衛星系統特點：1）收發分置SAR 成像系統。為了能夠在時序上實現發射信號與回波信號的隔離，在SAR 衛星采用FMCW 技術對地實施成像任務時，通過將發射系統和接收系統分置于不同衛星平臺實現發射信號與回波信號的隔離，可以實現近100%的占空比，從而大大減少T 組件數量，有利于部署在小衛星平臺實現。2）編隊飛行設計。系統內的兩顆衛星軌道參數基本相同，僅雙星相位存在較小差異，在軌飛行時雙星前后跟隨飛行，可以通過多種在軌編隊完成各類任務應用，包括雙星跟飛編隊、螺旋編隊等。3）星間高精度同步與測量?？铡r、頻、相四同步技術。4）實時成像。衛星通過星載實時數據處理完成遙感業務數據的在軌實時處理，衛星可隨時向地面提供最新的數據信息產品。5）高擴展能力。借助輕小型毫米波SAR 衛星的研究基礎，使用多顆衛星形成不同長度組合的基線，多星系統具備以高分辨率和短重復周期實施各類遙感任務的能力。

3.2.2 多基線毫米波InSAR 衛星技術

InSAR 的相位解纏是InSAR 面對的另一個難題，多基線InSAR 相位解纏技術不需要滿足相位梯度小于等于π 的假設，具有良好的相位解纏繞能力，其系統設計及數據處理近年來逐漸受到廣泛關注。通過對輕小型毫米波SAR 衛星系統進行拓展，按照特定的軌道編隊構型采用一發多收的方式，可實現多基線交軌干涉，如圖14 所示。

圖14 多基線毫米波InSAR 衛星系統Fig.14 Schematic diagram of multi-baseline millimeter wave InSAR satellite system

圖14 中，多基線毫米波InSAR 系統由1 顆發射星4 顆接收星構成，共形成4 個相位中心，如圖15 所示，構成了3 條交軌基線。為保證基線傾角盡可能為0°，衛星編隊采用側擺形構型，選定其中1 顆接收星為基準，保證其與發射星的軌道傾角、軌道半長軸、偏心率、近地點幅角、升交點赤經都相同，只修改其平近點角，使得兩星順軌向距離在約10 km 的范圍之內；對3 顆接收星設計不同的升交點赤經，使得衛星拉開交軌向距離，使其滿足交軌向基線要求，并通過小幅度修改3 顆接收星的平近點角，使其拉開順軌向距離。在多基線交軌干涉模式下，可實現厘米級測高精度。

圖15 多基線毫米波In SAR 系統基線Fig.15 Schematic diagram of multi-baseline millimeter wave InSAR system baseline

3.2.3 多基線毫米波GMTI InSAR 衛星技術

GMTI 在軍事偵察、農業勘探、地質勘探、災害防治等軍民領域具有重要的意義。多基線毫米波GMTI InSAR 衛星可解決單基線衛星盲速、最小可檢測速度與最大模糊速度不可兼得等問題，且具有較平坦的速度響應速度，越來越受到人們的重視。利用輕小型毫米波SAR 衛星系統高擴展性，按照特定的軌道編隊構型采用一發多收的方式，可實現多基線毫米波GMTI，如圖16 所示。

圖16 多基線毫米波GMTI SAR 衛星系統Fig.16 Schematic diagram of multi-baseline millimeter wave GMTI SAR satellite system

圖16 中，多基線毫米波GMTI InSAR 衛星系統由1 顆發射星3 顆接收星構成，共構成了3 條順軌基線。整個衛星系統采用串行編隊，所有發射星與接收星的軌道傾角、軌道半長軸、偏心率、近地點俯角、升交點赤經都相同，對三顆接收星設計不同的平近點角，使得衛星拉開順軌向距離。在多基線順軌干涉模式下，可實現亞米級/秒測速精度。

3.2.4 毫米波高分寬幅SAR 衛星技術

高分寬幅（High Resolution Wide Swath，HRWS）測繪是SAR 系統發展的趨勢之一。一方面，寬測繪帶寬可以獲取更大觀測區域信息，幫助快速了解區域宏觀信息，縮短重訪周期等；另一方面，高分辨率可以獲取觀測區域更多的細節信息，提高目標圖像識別的準確性。傳統SAR 系統由于天線面積的制約，高分辨率和寬測繪帶寬不可兼得。基于輕小型毫米波SAR 體積小、重量輕、成本低的優點，通過多組衛星編隊飛行，便可解決這一矛盾，如圖17 所示。圖17 中，毫米波高分寬幅SAR 衛星系統由4 組輕小型毫米波SAR 衛星組成，整個系統采用串行編隊，所有發射星與接收星的軌道傾角、軌道半長軸、偏心率、近地點幅角、升交點赤經都相同，只修改每顆衛星的平近點角，使其拉開順軌向距離，組內星間距離約為10 km，多組衛星距離向觀測帶寬拼接便可實現百公里級高分寬幅測繪。

圖17 毫米波HRWS SAR 衛星系統工作Fig.17 Operation schematic diagram of millimeter wave HRWS SAR satellite system

4 結束語

經過20 多年的發展，L、C、X、Ku 等多種頻段SAR 已在全球測繪、災害防治、資源勘探等領域得到了廣泛的應用。與低頻段相比，毫米波SAR 因其獨特的特點，在測繪、冰雪監測、農作物分類、森林參數反演等軍民領域具有巨大的應用潛力。相信隨著毫米波技術的發展，毫米波SAR 衛星必將對地觀測帶入一個超高分辨率、高精度、寬帶測繪、多模式系統工作的新時代。