FMCW 體制毫米波SAR 星座未來應用方法初探

趙 強，袁英男，王 輝，陳 翔，鄭世超

（1.上海衛星工程研究所，上海 201109；2.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；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

隨著天基觀測應用需求的不斷提高，合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）任務概念越來越多涉及大量衛星和更多的分塊功能。例如，SAR 星座任務利用多基線交軌干涉測量法，用于生成具有分米高度精度的高分辨率數字高程模型；通過減少多角后向散射測量散斑，以改進場景表征特性，獲取超分辨率圖像。此外，SAR 星座任務還為先進的矢量變形監測和運動物體的速度測量提供了更好的解決方案，為對流層水汽和電離層的提取，以及海洋表面洋流和地形及其隨時間的短期和長期演變的反演提供了可能。

當前，只有歐洲和中國的少量雙基地SAR 系統還部署在太空中。造成各國對雙基地和多基地SAR 系統投入較少主要是因其高復雜性和高成本。SAR 衛星本身接收、存儲和下行雷達數據的硬件成本昂貴，部署多顆衛星必須成倍地增加硬件數量，同時還必須增加硬件以實現精確的相位同步，并需要高下行能力將雷達數據從多顆衛星傳送到地面。

為了應對這些挑戰，2017 年，德國宇航局主要技術專家KRIEGER等提出了Mirror SAR的概念，該概念已應用于德國宇航局的TerraSAR-X、TanDem-X 衛星，以及德國宇航局與空客合作研發的高分辨率寬幅（High-Resolution and Wide-Swath，HRWS）衛星。Mirror SAR 是一種多基地SAR 任務概念，其系統架構包括一組空間上獨立的發射星和接收星。Mirror SAR 的一個關鍵特征是使用分布式合成孔徑雷達系統，其中發射雷達信號和雷達回波采集由不同的平臺執行。與此同時，Mirror SAR 徹底簡化接收衛星，通過將雷達回波從接收星發送到發射星的類似應答器的路由來實現。由于接收星僅僅充當空間中繼，因此既不需要裝備齊全的雷達接收器，也不需要昂貴的數據存儲和下行系統。

采用高頻段和新體制的SAR 載荷系統也能在保證系統高性能的同時顯著減小系統成本。毫米波頻段SAR 系統相比與傳統低頻段，所需天線尺寸小，系統重量輕，因此能實現SAR 星座系統的低成本、輕量化。與此同時，傳統的脈沖體制SAR 發射占空比較小，造成系統的峰值功率遠大于系統的平均功率，因此需要大量的功放組件滿足高峰值發射功率需求，導致組件在載荷成本中占據了很高的比重，難以滿足星載SAR 輕小型化發展的需求。將調頻連續波（Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW）技術引入星載SAR，通過更高的發射占空比大幅降低峰值發射功率（如圖1 所示），SAR 系統所需組件通道數量減少，可以有效降低系統規模，從而更好地匹配輕量化、低成本的衛星發展要求。因此采用FMCW 體制、毫米波頻段的近距離SAR 星座編隊，可以在完成未來多種對地觀測任務的條件下實現輕量化和低成本化。

圖1 脈沖與連續波發射功率對比Fig.1 Comparison of transmission power by pulses and continuous waves

1 FMCW 體制毫 米波SAR 概念

近幾年，毫米波頻段由于其波段短、目標散射特性豐富的優勢已經在機載領域獲得了較多的應用。但毫米波頻段SAR 對功率器件的要求高、波長短導致的距離向幅寬小等難題限制了其在衛星上的應用，因此當前尚沒有一個成熟的星載FMCW體制毫米波SAR 系統。

由于FMCW SAR 系統的收發端信號是同時工作的，因此需要充分考慮SAR 系統發射端和接收端之間的隔離度。通常采用了雙星平臺的方案來解決這一問題，將SAR 系統發射端和接收端置于不同的平臺上，利用電磁波的空間衰減提高收發端隔離度。

雙星FMCW 體制毫米波SAR 系統主要用于對地觀測，系統工作時的星間相對關系如圖2 所示。

圖2 雙星Ka FMCW SAR 工作Fig.2 Operation schematic diagram of the doublesatellite Ka FMCW SAR

發射天線和接收天線分別裝在兩顆小衛星上。發射星和接收星形成了一個飛行編隊，前者向觀測區域發射毫米波頻段FMCW 信號，后者接收地面的回波信號。通過綜合考慮軌道高度、成像幅寬的約束，優化發射端發射信號的占空比，能夠進一步的節約發射功率，降低系統代價。雙星FMCW 體制毫米波SAR 系統與傳統單星SAR 衛星一樣可以進行條帶、聚束、滑動聚束等多種模式的SAR成像。

雙星FMCW 體制毫米波SAR 的原理如圖3 所示。圖3 的上半部分為發射星，主要包括了中央電子設備、頻綜接收機、預功放和發射天線，下半部分為接收星，主要包括了中央電子設備、頻綜接收機、接收天線和實時處理單元。頻綜接收機主要接收高頻回波信號并且對回波信號進行差拍處理，使得信號可以被低速率數字接收機直接采集。

圖3 雙星FMCW 體制毫米波SAR 原理Fig.3 Principle of dual-satellite FMCW millimeter-wave SAR system

因收發雷達不共頻率源導致的空間同步、時間同步、頻率同步和相位同步問題，是所有雙基雷達系統工程化實現所必須解決的問題。雙星FMCW體制毫米波SAR 系統的方位向合成孔徑距離較短且星間距離較大，采用傳統的雙星全零多普勒導引將導致載荷收發天線輻照地表的不同區域，無法有效錄取回波。因此采用輔瞄主的方案，在收到回波后，再分析多普勒特性，進行二次校正。時間同步和頻率同步可以通過雙星所裝配的時頻同步單元實現，星間通過時頻同步天線實現星間建鏈，通過微波對傳的方式實現雙星平臺高精度時統，并基于高精度的時間基準生成高穩的頻率基準輸入到頻綜。主天線工作時，利用星間相位同步天線實現異中頻毫米波頻段信號對傳，基于所對傳的信號進行收發端信號源、信號通道相位信息提取，提取星間相位差并進行補償，實現雙星間的相位同步。

雙星FMCW 體制毫米波SAR 系統的另一個設計重點是SAR 系統的內定標。內定標是監測SAR系統工作狀態的重要手段，高精度星間定標的最終目的是從定標數據中獲得SAR 系統的增益變化，并利用這一結果校正SAR 圖像，提高圖像質量。在雙星系統中，發射星和接收星布置在不同的衛星平臺上，SAR 系統的星間定標難度較大。通過分別在發射星和接收星設置星間定標天線，通過星間定標天線建立起發射定標和接收定標之間的鏈路，可以實現對完整的系統鏈路的定標。

2 Mirror Link 可行性

Mirror SAR 是一種多基地SAR 任務概念，雷達接收天線被重新安置到一個獨立的接收（Rx）衛星，但雷達信號接收鏈組件下轉換、A/D 轉換、海量存儲和數據下行鏈路仍在發射（Tx）衛星上。

一個Tx 衛星和一個Rx 衛星的Mirror SAR 編隊中的主要雷達信號流如圖4 所示。Tx 衛星向地面場景發射雷達信號。由于雙基地采集的系統幾何結構，不會因發射干擾而導致條帶寬度減小。地面反射的雷達回波由Rx 衛星的雷達天線接收，并通過保留信號相位的模擬鏡像連接轉發給Tx 衛星。在Tx 衛星上，通過使用雷達信號產生的相同振蕩器進行下行轉換。該方案有效簡化了雙靜態SAR 系統中通常需要的同步設計。經過對回波信號進行數字化和大規模存儲后，獲得的雷達數據由Tx 衛星向下傳輸到地面站。

圖4 Mirror SAR 信號流Fig.4 Signal flow of the Mirror SAR

Mirror SAR 概念的另一個重要能力是在單航過程中同時獲取幾個Rx 基線，為高度精確的SAR干涉測量創造了技術條件。一個帶有1 個Tx 和3 個Rx 衛星的Mirror SAR 編隊如圖5 所 示，1 顆Tx衛星和1 顆Rx 衛星在同一軌道上前后飛行，另外2 顆Rx 衛星與第1 顆Rx 衛星一同以螺旋形繞Tx 軌道飛行。其中，螺旋軌道概念已經通過TanDEM-X任務的2 顆近距離編隊衛星進行了演示。

圖5 Mirror SAR 系統實例Fig.5 Example of the Mirror SAR system

用于雙基地SAR 操作的全功能Rx 衛星的原理如圖6（a）所示。除了從Rx 衛星SAR 天線到下行鏈路的完整SAR 接收鏈外，還需要Tx 和Rx 衛星的本振（Local Oscillator，LO）同步。Rx 衛星通過一個單獨的同步天線接收Tx 衛星的脈沖，并向Tx 衛星發送自己的LO 同步脈沖，用于向下轉換。2 顆衛星接收到基于另一顆衛星的雷達脈沖時產生的振子差分相位噪聲和頻率偏差，可以通過地面補償。

Mirror SAR 任務概念中的Rx 衛星的原理如圖6（b）所示。包括A/D 轉換在內的所有接收鏈都位于Tx 衛星上，從地面接收到的雷達回波信號也在Tx 衛星上調制成光學信號或甚高頻無線電信號。因此極大地簡化了Rx 衛星的構造，可以實現在Mirror SAR編隊中布置多顆Rx衛星，以提供多個測量基線。

圖6 雙基Mirror SAR 中的Rx 衛星原理Fig.6 Block diagram of the Rx satellite in the double-satellite Mirror SAR

有幾種實現Mirror Link 的方法。可綜合考慮技術成熟度或成本約束，選擇最優方案。一般來講，光鏈路是技術上的最佳解決方案。

1）直接轉發。類似直接應答器的解決方案，只是將接收到的地面反射信號在Rx 衛星上放大后轉發給Tx 衛星，需要考慮從Tx 衛星傳輸到地面的雷達脈沖的干擾。

2）光學Mirror Link。光鏈路能夠為雷達信號相位同步提供最高的數據傳輸速率，即通過用雷達信號調制光載波的振幅實現相位保持高帶寬鏈路。Rx衛星的功能只是接收地面反射的雷達信號，并將其調制到光載波上發送到Tx 衛星。Tx 衛星接收到光信號后，使用雷達信號產生的本振執行基帶的下轉換，或者使用相干I/Q 解調器直接對雷達頻段內的信號進行采樣，如圖7 所示。光鏈路組件會引入內部延遲，必須由硬件進行校準，但所需的硬件規模較小。

圖7 在光學Mirror Link 鏈路原理Fig.7 Schematic diagram of the optical Mirror Link

3）高射頻Mirror Link。除了光載波，Mirror Link 還可以使用高射頻載波。所使用載波頻率往往比雷達主頻率高得多。

3 毫米波SAR 星座未來應用

星載FMCW SAR 在軌收發分置的方式使得Rx 衛星上只有很少的功能，而在Tx 衛星方面有更多的功能，就注定了這個系統可以用較少的Tx 和多顆Rx 衛星來構建衛星編隊。通過在軌試驗驗證，演示應用模式，優化技術體制，評估系統可用性，在形成高可判讀性的精細化SAR 對地觀測能力、靈活可擴展的輕小型SAR 衛星裝備的基礎上，可以通過星簇組網實現可重構的高分寬幅成像、高精度干涉、動目標檢測等一體化觀測能力。可擴展的功能具體包括：

1）高分寬幅類光學詳查星座。

目標識別率和信息獲取周期是天基詳查的關鍵指標，而目標識別、確認和描述的準確性和獲取速度主要取決于圖像的分辨率和幅寬。面對國家經濟高質量發展的新局面，迫切需要發展高分辨率寬幅微波成像衛星，以實現對熱點地區的重點觀測。

在前文雙星系統的基礎上，在順軌方向上增加多顆發射星和接收星，可實現子帶拼接高分寬幅成像，如圖8 所示。

圖8 子帶拼接高分寬幅成像Fig.8 Schematic diagram of sub-band stitching HRWS imaging

2）多基線InSAR 干涉測高。

干涉測高能力可生成數字表面模型產品，其中包含了等高線、坡度圖等信息，能夠廣泛應用于國土規劃、環境監測、農業估產等領域，取得了十分顯著的社會效益和經濟效益。

在演示驗證的基礎上可增加1 顆接收星實現干涉，同時增加2～3 顆接收星實現多基線干涉提高干涉測量精度。多基線InSAR 如圖9所示。

圖9 多基線InSARFig.9 Schematic diagram of multi-baseline InSAR

3）多基線順軌干涉動目標檢測。

隨著社會的高速發展，交通場景中的動目標問題備受關注。通過對城市道路中的車輛進行動目標檢測，有助于為城市道路建設及交通規劃提供數據保障。同樣，可以通過對海冰、洋流等海面動目標進行大范圍的檢測，獲取全球氣候等研究的寶貴素材，有助于災害防治和環境保護。

在演示驗證的基礎上增加1 顆接收星實現GMTI（地面動目標檢測），增加1～2 顆接收星實現多基線GMTI。GMTI 衛星系統工作構型如圖10所示。

圖10 長短基線順軌測速Fig.10 Schematic diagram of long and short baseline speed measurement along the track

4 結束語

本文以降低多星組網成本和規模為出發點，提出了全新波段、全新體制的雙星FMCW 體制毫米波SAR 系統，通過對SAR 系統中的系統設計、星間同步、內定標等重點問題進行分析，并對國際最前沿的Mirror Link 星間鏈路技術進行對比，論證了雙星FMCW 體制毫米波SAR 系統的工程可行性。同時雙星FMCW 體制毫米波SAR 系統具備高可拓展性，通過增加衛星數量，提高組網規模，形成多條觀測基線，能夠靈活實現高分寬幅、干涉測高、干涉測速等功能。星載FMCW 體制毫米波SAR 系統為一種小規模、低成本、易拓展的多功能天基組網SAR 系統。