孫吉利 禹衛(wèi)東 鄧云凱

(中國科學院電子學研究所,北京 100190)

高分三號衛(wèi)星SAR工作模式與載荷設(shè)計

孫吉利 禹衛(wèi)東 鄧云凱

(中國科學院電子學研究所,北京 100190)

高分三號(GF-3)衛(wèi)星為滿足多樣化的用戶需求,其合成孔徑雷達(SAR)載荷具有高分辨率、寬覆蓋、多極化、多工作模式、高圖像質(zhì)量等特點,設(shè)計難度大。文章進行了任務需求分析,確定了SAR載荷總體實現(xiàn)方案,給出了SAR各工作模式的設(shè)計。在此基礎(chǔ)上,進一步給出了SAR載荷的設(shè)計,即采用大規(guī)模有源相控陣天線技術(shù),并結(jié)合靈活的中央電子設(shè)備,使其能夠?qū)崿F(xiàn)復雜工作模式下的高質(zhì)量成像,滿足任務需求。

高分三號衛(wèi)星;合成孔徑雷達;工作模式;載荷設(shè)計

1 引言

合成孔徑雷達(SAR)是一種主動式的對地觀測系統(tǒng),利用合成孔徑原理實現(xiàn)高分辨的微波成像,具備全天時、全天候的對地觀測能力[1]。高分三號(GF-3)衛(wèi)星是一顆SAR衛(wèi)星,運行于太陽同步晨昏軌道,軌道平均高度為755 km,通過其C頻段多極化SAR載荷實現(xiàn)對地觀測。GF-3衛(wèi)星服務于中國海洋、減災、水利及氣象等多個領(lǐng)域,不同行業(yè)及業(yè)務部門用戶提出了多種觀測任務需求,對應的圖像特性具有非常大的差異,這給SAR工作模式和載荷的設(shè)計帶來挑戰(zhàn)。

本文從分析任務需求著手,闡述了GF-3衛(wèi)星SAR載荷的總體實現(xiàn)方案,給出了SAR各工作模式的設(shè)計,以及SAR載荷的詳細設(shè)計。

2 SAR載荷的總體方案

為滿足各用戶的應用需求,GF-3衛(wèi)星共選取了12種SAR成像模式[2],見表1。從表1中可以看出:不同模式的分辨率從1 m到500 m,相應的幅寬從10 km到650 m,極化方式包括可選單極化(HH或VV)、可選雙極化(HH＋HV或者VH＋VV)和全極化(HH＋HV＋VH＋VV),模式之間差異非常大。

表1 GF-3衛(wèi)星SAR成像模式Table 1 Imaging modes of GF-3 satellite SAR

綜合考慮以上因素,SAR載荷采用雙極化平板有源相控陣天線方案,天線尺寸為15 m(方位向)×1．232 m(距離向),能進行天線波束的兩維快速掃描,通過幅相優(yōu)化可實現(xiàn)大掃描角下的低天線副瓣;天線沿方位向分為4個面板(A、B、C、D),可通過各面板的加電、斷電改變天線方位向孔徑尺寸,并有利于衛(wèi)星發(fā)射前天線的折疊壓緊;天線的A＋B面板和C＋D面板的接收通路相互獨立,兩者的水平(H)和垂直(V)極化接收通路相互獨立;采用微波組合單元進行不同成像模式下接收機輸入射頻信號的組合和切換,僅用2個接收采樣通道就能實現(xiàn)回波信號的接收采樣。

3 工作模式設(shè)計

3．1 成像模式

從SAR成像技術(shù)的角度,可以把12種成像模式劃分為聚束模式、超精細條帶模式、全極化條帶模式、波成像模式、雙極化條帶模式和雙極化掃描模式6組。其中:全極化條帶模式包括全極化條帶1模式和全極化條帶2模式;雙極化條帶模式包括精細條帶1模式、精細條帶2模式、標準條帶模式和擴展入射角模式;雙極化掃描模式包括窄幅掃描模式、寬幅掃瞄模式和全球觀測模式。

1)聚束模式

聚束模式采用滑動聚束技術(shù)[3]來提高方位向分辨率,其代價是成像區(qū)域不連續(xù)。該模式僅使用1/2方位向天線孔徑(7．5 m),可以由任意相鄰的2個面板組成,即A＋B或B＋C或C＋D,同時其他2塊不工作的面板則斷電以降低功耗。天線方位向最大掃描角為±1．9°,能夠滿足方位向10 km區(qū)域內(nèi)1 m分辨率的成像需求。在距離向采用240 MHz的線性調(diào)頻信號,在20°～50°入射角范圍對應的地距分辨率為2．29～0．98 m。

2)超精細條帶模式

超精細條帶模式采用單發(fā)雙收技術(shù)[4],通過增加方位向空間采樣來降低脈沖重復頻率(PRF),從而改善距離模糊性能。該模式采用1/2方位向天線孔徑,天線B面板和C面板共同用于發(fā)射功率信號,天線發(fā)射波束展寬1．7倍以匹配接收波束;天線B面板和C面板分別獨立接收地面回波信號,形成具有不同相位中心的2個接收波束,從而增加空間采樣,降低PRF。在該模式下,2個接收機通道要切換至相同極化下的天線左、右翼,即分別對應天線B、C面板。

3)全極化條帶模式

全極化條帶模式采用天線全孔徑工作,包括全極化條帶1模式和全極化條帶2模式,2種模式實現(xiàn)上的差別在于觀測所采用的系統(tǒng)參數(shù)不同,例如天線波束指向和寬度、信號時寬和帶寬、成像處理所使用的多視數(shù)等,以滿足2種模式下不同的圖像分辨率和幅寬要求。

全極化條帶模式采用極化時分加碼分的工作方式[5],見圖1。極化時分工作方式交替發(fā)射H或V極化功率信號,同時接收H和V極化地面回波,通過收發(fā)組合獲得準實時的全極化信號。極化碼分工作方式是在H和V極化發(fā)射信號中采用正交的信號編碼,SAR載荷在H和V極化發(fā)射信號中采用相反的調(diào)頻信號調(diào)制斜率,H極化采用正調(diào)頻斜率,V極化采用負調(diào)頻斜率。極化時分加碼分的工作方式,在簡化設(shè)備的同時,可以有效抑制地面強反射目標導致的交叉極化模糊。

4)波成像模式

波成像模式[6]同樣采用極化時分加碼分的工作方式實現(xiàn)全極化成像,與全極化條帶模式不同的是,它的成像區(qū)域是一系列離散的方形區(qū)域,這些方形區(qū)域可分布在1個或2個入射角范圍內(nèi),并且沿方位向等間隔分布。波成像模式實質(zhì)上是對大面積均勻地球表面(通常是海面)的離散采樣,這種間歇不連續(xù)的觀測方式可以大大降低SAR載荷的平均功耗,從而使GF-3衛(wèi)星在該模式下單次開機可連續(xù)工作超過50 min。波成像模式采用與全極化條帶1模式相同的天線波束,通過精確控制SAR觀測時間和采樣時間,實現(xiàn)要求的成像區(qū)域面積(通常為5 km×5 km)和方位向間隔(通常為50 km)。

5)雙極化條帶模式

雙極化條帶模式包括精細條帶1模式、精細條帶2模式、標準條帶模式和擴展入射角模式,采用常規(guī)的條帶模式來實現(xiàn)單波束連續(xù)成像。這些模式實現(xiàn)上的差異在于觀測所采用的系統(tǒng)參數(shù)不同,例如天線波束指向和寬度、信號時寬和帶寬、成像處理所使用的多視數(shù)等,以滿足不同模式下的圖像分辨率和幅寬要求。擴展入射角模式采用的視角超出其他模式的范圍,其目的是能夠擴展單顆SAR衛(wèi)星的觀測能力,從而降低重訪時間間隔。

6)雙極化掃描模式

雙極化掃描模式包括窄幅掃描模式、寬幅掃瞄模式和全球觀測模式,采用掃描SAR(ScanSAR)[7]成像技術(shù),即通過多個距離子帶的順序掃描來實現(xiàn)大幅寬成像。雙極化掃描模式采用與標準條帶模式相同的天線波束,每個波束覆蓋約130 km的幅寬,考慮到相鄰距離子帶間的交疊,窄幅掃描模式、寬幅掃瞄模式和全球觀測模式分別采用3個、5個和7個相鄰距離波束的拼接來實現(xiàn)所要求的成像幅寬。其中:全球觀測模式采用非常低的發(fā)射占空比(約1.6%),使SAR載荷的平均功耗大大降低,并且通過采用2 MHz的信號帶寬使數(shù)據(jù)率大大降低,因此該模式下單次開機可連續(xù)觀測超過30 min。

3．2 內(nèi)定標模式

除了成像模式,SAR載荷還采用多種內(nèi)定標模式,可在軌監(jiān)測SAR載荷的部分性能和工作狀態(tài)。與外定標不同的是,內(nèi)定標可以在每次成像前、成像后甚至成像過程中進行,能夠更加頻繁地獲取SAR載荷的運行狀態(tài)。

4 SAR載荷設(shè)計

4．1 總體設(shè)計

在實現(xiàn)SAR載荷各工作模式設(shè)計的基礎(chǔ)上,開展SAR載荷的詳細設(shè)計,表2給出了SAR載荷的主要參數(shù)。SAR載荷由SAR天線子系統(tǒng)和中央電子設(shè)備子系統(tǒng)組成。在衛(wèi)星發(fā)射前,SAR天線的4個面板通過可展開機構(gòu)壓緊折疊于衛(wèi)星的兩側(cè)。衛(wèi)星發(fā)射入軌后,天線展開至平板狀態(tài)。在SAR開機成像前,衛(wèi)星星體要繞X軸(指向飛行方向)轉(zhuǎn)動,使天線法向(衛(wèi)星本體坐標系Z軸)與衛(wèi)星指向地心的矢量呈－31．5°(右側(cè)視)或＋31．5°(左側(cè)視)的夾角,如圖2所示,這種雙側(cè)視能力能夠大大降低重訪間隔時間。GF-3衛(wèi)星采用了偏航和俯仰兩維聯(lián)合姿態(tài)導引[8]來降低多普勒中心頻率。

表2 SAR載荷主要參數(shù)Table 2 Key parameters of SAR payload

4．2 SAR天線子系統(tǒng)

SAR天線子系統(tǒng)采用平板有源相控陣[9]技術(shù),天線尺寸為15 m(方位向)×1．232 m(距離向)。天線陣面在方位向分為4個面板,每個面板可分為6列,每列為一個模塊,每列由64個距離單元組成,共計1536個發(fā)射/接收(T/R)通道。圖3給出了SAR天線子系統(tǒng)的電原理框圖。

(1)天線配電器。整個天線的供電由2臺天線配電器提供,每臺配電器為2塊天線面板提供大功耗高壓母線電源,同時提供各天線面板的DC/DC模塊使能信號。

(2)波束控制器。它用于接收中央電子設(shè)備的指令,進行指令解釋、波控碼形成,并將波控碼通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送至天線各面板,從而控制天線的波束形成和掃描。GF-3衛(wèi)星SAR所有成像模式共計需要形成左、右側(cè)視各205個距離向天線波束,所有波束的幅度和相位控制碼均存儲于波束控制器中。波束控制器在軌實時計算天線波束方位向掃描所需要的幅度和相位控制碼。

(3)驅(qū)動放大器。它對中央電子設(shè)備輸出的調(diào)頻信號進行功率放大,以驅(qū)動天線陣面。天線陣面的接收信號經(jīng)驅(qū)動放大器中的環(huán)形器送至中央電子設(shè)備。2臺驅(qū)動放大器分別驅(qū)動接收H極化和V極化天線信號。

發(fā)射時,調(diào)頻信號經(jīng)射頻功率放大器放大后,由功率分配器分為2路,分別驅(qū)動對應極化的A、B面板和C、D面板。因此,可采用使能射頻功率放大器的方法來選擇發(fā)射極化,例如發(fā)射H極化信號時,僅使能H極化驅(qū)動放大器中的射頻功率放大器。為提高天線的極化隔離,天線陣面同樣需要進行相應的極化使能選擇。天線A面板和B面板的相同極化接收信號合成為一路,然后分別分為2路,以實現(xiàn)射頻通道冗余。天線C面板和D面板的接收信號采用相同的方式實現(xiàn)通道冗余。

圖4給出了單塊天線面板的電原理框圖。每個天線面板由6個模塊組成,射頻信號通過3個1分6功率分配器連接到各天線模塊,控制和供電信號則通過總線的方式分配至各天線模塊。

SAR天線采用了模塊化設(shè)計,每個天線模塊均包含1個波控單元、1個電源單元、8個延時放大器、16個T/R組件、32個雙極化輻射單元和3個功率分配器,以及相應的安裝板和電纜網(wǎng)。

(1)波控單元接收波束控制器的指令和定時信號,轉(zhuǎn)換后發(fā)送至8個延時放大器和T/R組件,從而控制波束的形成和收發(fā)切換。

(2)電源單元將高壓直流電源轉(zhuǎn)換為模塊內(nèi)其他有源單元工作需要的低壓直流電源,并通過電纜網(wǎng)分配至各單元,包括延時放大器、T/R組件和波控單元。

(3)雙極化輻射單元采用波導裂縫技術(shù)提高極化隔離度和輻射效率,輻射單元行間距的選取可保證天線波束在距離向±20°掃描角下沒有明顯的柵瓣,能夠滿足12種成像模式(特別是擴展入射角模式)對天線波束距離向掃描的要求。輻射單元列間距的選取,在聚束模式所要求的±1．9°方位向掃描角下難以滿足低柵瓣的嚴格要求,但可以適當?shù)剡x取PRF,使模糊區(qū)避開柵瓣所在位置,滿足方位模糊的性能要求。

(4)2個1∶4功率分配器分別將H和V極化射頻信號分配至每個延時放大器,一個1∶32功率分配器用來合成每個T/R組件的定標耦合信號。每個T/R組件包含有4個T/R通道,1個與延時放大器的接口。每個雙極化輻射單元具有完全隔離的H極化和V極化饋電端口,分別對應H極化和V極化的1個T/R通道。

4．3 SAR中央電子設(shè)備子系統(tǒng)

SAR中央電子設(shè)備(見圖5)采用備份冗余設(shè)計(除內(nèi)定標器),實現(xiàn)的功能包括:冗余切換控制,加斷電控制,工作流程控制,時序控制;發(fā)射調(diào)頻信號產(chǎn)生;接收信號變頻、濾波;采樣量化,數(shù)據(jù)壓縮,數(shù)據(jù)打包。

(1)監(jiān)控定時器。通過衛(wèi)星平臺總線,監(jiān)控定時器接收衛(wèi)星平臺轉(zhuǎn)發(fā)的地面指令,并將SAR載荷的遙測數(shù)據(jù)發(fā)給衛(wèi)星平臺。監(jiān)控定時器實現(xiàn)SAR載荷各單機的冗余切換、加電斷電和定時控制,以及成像流程和參數(shù)控制,同時監(jiān)測中央電子設(shè)備的工作狀態(tài),天線子系統(tǒng)的工作狀態(tài)由波束控制器通過數(shù)據(jù)總線提供給監(jiān)控定時器。

(2)雷達配電器。它將衛(wèi)星平臺電源母線分配至中央電子設(shè)備各單機、波束控制器和驅(qū)動放大器,并執(zhí)行衛(wèi)星平臺和監(jiān)控定時器的指令,進行加電、斷電?？紤]到各單機對二次電源的需求種類較多,將DC/DC模塊分布在各單機中,而不是集中在雷達配電器中。

(3)基準頻率源。它基于高穩(wěn)晶振產(chǎn)生SAR載荷工作所需要的各種同步時鐘。根據(jù)監(jiān)控計算機的時寬、脈寬、斜率和定時指令,調(diào)頻信號源在軌實時計算產(chǎn)生SAR載荷工作所需要的線性調(diào)頻信號,經(jīng)調(diào)制、上變頻、濾波、放大后送至驅(qū)動放大器和內(nèi)定標器?？紤]到調(diào)頻信號帶寬的多樣化需求,在調(diào)頻信號源中采用具有8種帶寬的中頻濾波器組實現(xiàn)硬件帶通濾波。

(4)微波組合。接收自天線的四路射頻信號(HAB、HCD、VAB和VCD),由微波組合根據(jù)成像工作模式進行選擇或合成,形成2路射頻信號送至雷達接收機。在H極化超精細條帶模式下,選擇HAB和HCD輸出至雷達接收機;在V極化超精細條帶模式下,選擇VAB和VCD輸出至雷達接收機;在其他模式下,HAB與HCD合成,VAB與VCD合成,合成后的2路信號送至雷達接收機。

(5)雷達接收機。它具有2個接收通道,將接收的射頻信號下變頻、濾波、放大后的中頻信號直接送至數(shù)據(jù)形成器。雷達接收機可采用手動增益控制(MGC)或自動增益控制(AGC)模式進行增益控制。MGC模式下數(shù)據(jù)形成器根據(jù)地面上發(fā)指令,輸出固定衰減控制碼至雷達接收機;AGC模式下數(shù)據(jù)形成器在軌實時計算,根據(jù)信號幅度自動選擇適當?shù)乃p控制碼,輸出至雷達接收機。雷達接收機中采用與調(diào)頻信號源相同的中頻濾波器組,實現(xiàn)多帶寬信號濾波。

(6)數(shù)據(jù)形成器。它采用中頻采樣技術(shù)[10],采樣頻率為533．33 MHz,在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)解調(diào)和濾波。在小帶寬情況下進行數(shù)據(jù)抽取,以降低輸出數(shù)據(jù)率。數(shù)據(jù)形成器可實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)壓縮方式,包括3 bit BAQ、4 bit BAQ、高4 bit截取及8 bit直通(不壓縮)方式,依據(jù)監(jiān)控定時器轉(zhuǎn)發(fā)的地面指令進行壓縮方式切換。根據(jù)成像工作模式和壓縮方式不同,數(shù)據(jù)形成器將壓縮后的回波數(shù)據(jù)與輔助數(shù)據(jù)按不同格式打包,形成SAR數(shù)據(jù)包送給數(shù)傳分系統(tǒng)。在內(nèi)定標模式下,定標數(shù)據(jù)不壓縮,與輔助數(shù)據(jù)打包形成SAR數(shù)據(jù)包。

(7)內(nèi)定標器。SAR載荷通過內(nèi)定標器與內(nèi)定標網(wǎng)絡形成內(nèi)部射頻閉環(huán)回路,獲取內(nèi)定標數(shù)據(jù)。內(nèi)定標器內(nèi)部包含射頻開關(guān)、光電轉(zhuǎn)換模塊和光延遲線等,可形成延遲或非延遲通路。內(nèi)定標器與調(diào)頻信號源、驅(qū)動放大器、天線陣面之間有定標接口,通過切換內(nèi)定標器中的微波開關(guān),可形成多條內(nèi)定標回路。

5 圖像性能

在SAR載荷設(shè)計過程中,通過仿真獲取了預計的SAR圖像性能。在SAR載荷地面測試階段,基于天線方向圖、通道性能等地面實測數(shù)據(jù),在衛(wèi)星發(fā)射前對SAR圖像性能進行復核復算。GF-3衛(wèi)星于2016年8月10日從太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射,于8月15日進行了SAR載荷首次開機成像,隨后在軌測試和應用評估逐步開展,于2017年1月正式投入業(yè)務化運行。地面仿真的SAR圖像部分性能的準確性已通過在軌測試進行了驗證,主要SAR圖像性能指標見表3,表中所列指標均為相應成像模式的入射角范圍內(nèi)的最差值。方位模糊和距離模糊均基于均勻地物模型計算,通過適當選擇天線尺寸并進行波束優(yōu)化,保證了模糊性能夠滿足要求。H極化和V極化的射頻通路完全分離,實現(xiàn)了高極化隔離度。低噪聲系數(shù)、高效率輻射單元、高天線增益和高發(fā)射功率,共同保證了噪聲等效后向散射系數(shù)滿足要求。

表3 SAR圖像指標性能Table 3 Performance indexes of SAR image

6 結(jié)束語

GF-3是中國首顆C頻段多極化SAR衛(wèi)星,為滿足多用戶的應用需求,SAR載荷具有12種成像模式,包含了從高分辨到寬覆蓋,從單極化到全極化的成像能力。其多種模式兼容及高圖像性能指標要求,給SAR載荷的設(shè)計帶來了很大挑戰(zhàn)。本文通過分析任務需求,確定了SAR載荷總體實現(xiàn)思路,采用多種先進星載SAR成像技術(shù),實現(xiàn)不同性能指標的12種成像模式設(shè)計。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)成像模式的需求,進一步確定SAR載荷的詳細方案設(shè)計。SAR載荷采用大規(guī)模有源相控陣天線,以及靈活的中央電子設(shè)備,實現(xiàn)12種成像模式下高質(zhì)量成像,圖像各項性能指標經(jīng)地面仿真及在軌驗證,均滿足任務要求。目前,GF-3衛(wèi)星SAR圖像產(chǎn)品已在多個領(lǐng)域應用[11-13],首次實現(xiàn)了中國SAR衛(wèi)星的定量化應用[14]和地面運動目標檢測(GMTI)[15],展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能和重要價值。

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Design of Working Modes and Payload of SAR for GF-3 Satellite

SUN Jili YU Weidong DENG Yunkai
(Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

Considering the different requirements from multiple users,SAR payload of GF-3 satellite has the characteristics of high resolution,large observing swath,multiple polarization,multiple working mode and high image quality,which bring great challenges to the design of SAR payload．The paper describes the SAR payload for the GF-3 satellite．Based on the requirement analysis,the overall realization scheme is determined and the working mode design is given．Furthermore,the design of SAR payload is described．Using a deployable planar active phased array antenna and the configurable electronics subsystem,the SAR payload has the abilities to obtain high-quality images and meet the requirements of mission．

GF-3 satellite;SAR;working mode;payload design

V474．2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.010

2017-10-30;

2017-11-21

國家重大科技專項工程

孫吉利,男,博士,副研究員,研究方向為星載SAR系統(tǒng)設(shè)計。Email:jlsun＠m(xù)ail．ie．a(chǎn)c．cn。

(編輯:夏光)