楊 淋,趙 寧,姚佰棟,葛家龍,黎 湘

(1.國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410073;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

高分辨率星載P波段SAR系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

楊 淋1,趙 寧2,姚佰棟2,葛家龍2,黎 湘1

(1.國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410073;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

高分辨率星載P波段SAR系統(tǒng)由于工作頻率低,相對(duì)帶寬大,合成孔徑時(shí)間長(zhǎng),電離層效應(yīng)影響顯著,對(duì)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇提出了與常規(guī)星載SAR相比較高而獨(dú)特的要求。為了獲得高質(zhì)量的P波段SAR圖像,必須結(jié)合其特點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行論證比較。提出了星載P波段SAR的系統(tǒng)分析流程,結(jié)合其特點(diǎn)分析了系統(tǒng)體制選擇、工作頻率和極化方式選擇,給出了系統(tǒng)等效噪聲系數(shù)、PRF、距離方位模糊、天線口徑等關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì),仿真結(jié)果表明該文的結(jié)果在分辨率和觀測(cè)帶等關(guān)鍵指標(biāo)上優(yōu)于歐空局BIOMASS系統(tǒng)。論文的工作可為星載生物量觀測(cè)P波段SAR系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)提供參考。

生物量;星載SAR;P波段;系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì);電離層效應(yīng)

0 引言

具有優(yōu)良的葉簇/沙土穿透能力的高分辨率P波段SAR是當(dāng)前星載SAR技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn),在森林生物量調(diào)查、大面積災(zāi)害監(jiān)測(cè)、冰層結(jié)構(gòu)以及干旱地區(qū)含水量普查等方面具有較高的應(yīng)用價(jià)值。歐空局的BIOMASS衛(wèi)星主要用于監(jiān)測(cè)地球的生物量,為全球碳循環(huán)的科學(xué)研究提供服務(wù)[1]。由于全球碳循環(huán)的最大不確定性在于陸地對(duì)二氧化碳的吸收,BIOMASS的目標(biāo)是通過(guò)連續(xù)地觀測(cè)森林生物量以及森林面積等的全球分布,改善對(duì)陸地碳循環(huán)當(dāng)前的評(píng)估和對(duì)將來(lái)的預(yù)測(cè)。森林生物量是碳循環(huán)的關(guān)鍵因素,但是現(xiàn)有的技術(shù)手段無(wú)法有效地對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)。BIOMASS任務(wù)將通過(guò)一部P波段(435 MHz)的合成孔徑雷達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)。事實(shí)表明P波段對(duì)生物量的探測(cè)有較高的靈敏度。同時(shí)可以利用雷達(dá)的極化信號(hào)通過(guò)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)判斷森林的表面特征。雷達(dá)信號(hào)可以提供森林的垂直結(jié)構(gòu)、高度以及范圍,從而提高生物量估計(jì)的精度。同時(shí)由于使用長(zhǎng)波SAR探測(cè)地球表面,BIOMASS還可以得到關(guān)于冰層結(jié)構(gòu)、厚度以及干旱地區(qū)的地下結(jié)構(gòu)等信息。衛(wèi)星將裝載此側(cè)視雷達(dá)在太陽(yáng)同步軌道運(yùn)行。在此軌道上,雷達(dá)信號(hào)經(jīng)過(guò)電離層時(shí)受到的影響最小。此軌道的重返時(shí)間為25天,滿足任務(wù)的目標(biāo)。在2019年發(fā)射升空后,BIOMASS將是人類首次利用長(zhǎng)波SAR致力于評(píng)估全球生物量的任務(wù)。

BIOMASS衛(wèi)星的SAR載荷分辨率僅為50 m,使得其在自然災(zāi)害評(píng)估等方面的應(yīng)用受到極大的限制,此外,其等效噪聲系數(shù)指標(biāo)也不高,難以發(fā)揮P波段SAR的全部?jī)?yōu)勢(shì)。本文研究了具有10 m高分辨率和100 km觀測(cè)帶的星載P波段SAR載荷系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì),主要討論系統(tǒng)的一些關(guān)鍵參數(shù)的選取。由于星載P波段SAR系統(tǒng)雷達(dá)受電離層影響較大[2-5],因此不同于常規(guī)星載SAR雷達(dá),有必要結(jié)合P波段與電離層相互作用,構(gòu)建合適的系統(tǒng)模型,得出各個(gè)參數(shù)之間的相互制約關(guān)系,為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。設(shè)計(jì)合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)的目的是使獲得的圖像分辨率盡可能高,觀測(cè)范圍盡可能大,這就使得系統(tǒng)的一些參數(shù)相互制約,如方位分辨率和測(cè)繪帶寬之間的矛盾等,系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)就是在這些參數(shù)間進(jìn)行折中,使得系統(tǒng)總體性能最佳[6]。對(duì)高分辨率寬測(cè)繪帶合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)有天線尺寸、脈沖重復(fù)頻率、系統(tǒng)技術(shù)體制及波束數(shù)、系統(tǒng)帶寬、數(shù)據(jù)率、發(fā)射功率等[7]。

1 系統(tǒng)參數(shù)分析流程

對(duì)于星載SAR系統(tǒng),系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)從應(yīng)用需求出發(fā),最主要的指標(biāo)一般是工作頻段、極化方式、分辨率、測(cè)繪帶寬、視角變化范圍。根據(jù)SAR應(yīng)用方向選取工作頻段和極化方式;根據(jù)測(cè)繪帶寬和視角變化范圍,結(jié)合軌道參數(shù)一方面能確定天線的距離向尺寸,另一方面可以決定脈沖重復(fù)頻率的上限;根據(jù)方位分辨率指標(biāo)一方面可以確定天線單元的方位向尺寸,另一方面可確定脈沖重復(fù)頻率的下限,由脈沖重復(fù)頻率的上、下限及模糊度要求,結(jié)合系統(tǒng)體制,可最終確定波束數(shù)和系統(tǒng)工作的脈沖重復(fù)頻率,以及天線方位向長(zhǎng)度;根據(jù)距離向分辨率與視角變化范圍,結(jié)合軌道參數(shù),可確定系統(tǒng)工作帶寬,而系統(tǒng)數(shù)據(jù)率也就隨之確定;根據(jù)以上參數(shù),利用雷達(dá)方程即可計(jì)算需要的發(fā)射功率。

星載P波段SAR對(duì)葉簇穿透和大面積災(zāi)害監(jiān)測(cè)具有很強(qiáng)的能力。P波段SAR衛(wèi)星將具有條帶模式、掃描模式、電離層測(cè)量模式等多種工作模式。

本文根據(jù)星載SAR系統(tǒng)靈敏度(NEσ0)、幾何分辨率、模糊度、觀測(cè)帶寬等性能指標(biāo)之間的相互制約關(guān)系[8],討論了以下幾個(gè)方面的參數(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題:工作頻率、信號(hào)帶寬、天線口徑尺寸、脈沖重復(fù)頻率(PRF)、傳輸損耗、發(fā)射信號(hào)功率、信號(hào)的數(shù)據(jù)率和天線平臺(tái)的入射角等。

綜上所述,系統(tǒng)參數(shù)選取的一般流程可表示為圖1所示。

圖1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)流程

1.1 系統(tǒng)體制選擇

研制星載合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)的目的是獲得具有一定測(cè)繪帶寬和一定分辨率的面目標(biāo)圖像,測(cè)繪帶寬和分辨率是SAR系統(tǒng)的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),而且這兩個(gè)指標(biāo)相互矛盾,兩者不能同時(shí)提高[9]。合成孔徑雷達(dá)以脈沖方式工作,脈沖重復(fù)頻率(Pulse Repetition Frequency,PRF)在方位向限制了系統(tǒng)的多普勒帶寬,進(jìn)而限制了方位向分辨率;在距離向,脈沖重復(fù)頻率限制了系統(tǒng)的無(wú)模糊的測(cè)繪帶寬。因此常規(guī)合成孔徑雷達(dá)的方位向與距離向的二維參數(shù)相互制約,這一制約關(guān)系限制了測(cè)繪寬與方位分辨率之比(品質(zhì)因數(shù))的提高。合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)的限制是由于系統(tǒng)產(chǎn)生的獨(dú)立像素?cái)?shù)受限于系統(tǒng)采集的獨(dú)立信號(hào)樣本數(shù),為了突破這一限制,需要增加系統(tǒng)采集的信號(hào)獨(dú)立樣本數(shù)。通過(guò)采用類似方位向多波束等技術(shù)措施,增加系統(tǒng)采集信號(hào)的維數(shù),可在保持一定的方位分辨率的前提下允許系統(tǒng)展寬測(cè)繪帶寬,或在保持一定測(cè)繪帶寬的前提下獲得更高的方位分辨率,突破常規(guī)單波束SAR系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)限制,這樣的系統(tǒng)可稱為高分辨率寬測(cè)繪帶合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)。

在當(dāng)前技術(shù)條件下,實(shí)現(xiàn)高分辨率寬測(cè)繪帶合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)有多種技術(shù)方案,如采用距離向多波束技術(shù)、方位向多波束技術(shù)、收發(fā)全數(shù)字陣列技術(shù)等[10],鑒于數(shù)字陣列技術(shù)在星上實(shí)時(shí)處理等諸多方面仍有待突破,方位向多相位中心多波束技術(shù)(如圖2所示)已在多顆星載SAR系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用,高分辨率寬測(cè)繪帶星載P波段SAR系統(tǒng)可考慮采用單相位中心多波束或多相位中心多波束技術(shù)。

圖2 方位向多波束技術(shù)工作流程

1.2 工作頻段選擇

從國(guó)內(nèi)外已有SAR系統(tǒng)的成像結(jié)果來(lái)看,P波段SAR圖像具有較強(qiáng)的穿透植被和地表的能力,且頻率越低穿透能力越強(qiáng)。葉簇對(duì)雷達(dá)輻射電磁波能量的衰減和后向散射,是影響雷達(dá)探測(cè)樹林中隱蔽目標(biāo)的主要因素[11]。美國(guó)NASA與JPL曾經(jīng)開(kāi)展了P,L,C,X波段機(jī)載SAR葉簇穿透效果的對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,C,X波段散射相位中心在樹冠頂端,表明該波段無(wú)法穿透葉簇;L波段的散射相位中心位于樹冠與地面之間,表明L波段有一定的穿透能力,但無(wú)法穿透整個(gè)葉簇抵達(dá)地面;P波段散射相位中心分布在淺地表以下,說(shuō)明P波段雷達(dá)波可以完全穿透茂密的葉簇后抵達(dá)地表,相比于L,C,X,Ku等高頻段具有更強(qiáng)的葉簇穿透能力。

以P波段(500 MHz)和X波段(9 GHz)為例,當(dāng)葉簇穿透路徑為15 m時(shí),其雙程衰減分別是4.46 dB和38.97 dB。圖3(a)所示為葉簇衰減與頻率關(guān)系,圖3(b)所示為葉簇穿透高度與頻率的關(guān)系。

從圖3可以看出,頻率越低,穿透損耗越小,葉簇穿透高度越高。

圖3 P波段葉簇穿透能力計(jì)算

美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室(MIT)利用瑞典國(guó)防研究所(FOA)的機(jī)載P波段SAR CARABAS和美國(guó)斯坦福研究所(SRI)的機(jī)載P波段SAR,進(jìn)行了大規(guī)模的葉簇穿透電磁散射表象學(xué)試驗(yàn)研究[12],試驗(yàn)?zāi)康氖嵌康贸龈鱾€(gè)頻段的雷達(dá)波在穿透葉簇時(shí)的衰減量和葉簇的后向散射系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同頻段雷達(dá)波穿透葉簇的衰減量

美國(guó)發(fā)表的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究結(jié)果表明,高頻段SAR不能很好地探測(cè)葉簇覆蓋隱蔽目標(biāo),主要是因?yàn)槿~簇對(duì)雷達(dá)波衰減很大且有強(qiáng)的后向散射;VHF頻段穿透能力最佳,但由于其波長(zhǎng)太長(zhǎng),對(duì)目標(biāo)的定位精度不高,不適合對(duì)目標(biāo)的精確定位;L波段的電磁波對(duì)葉簇也有一定的穿透能力,但與P波段相比還差十余米,P波段是葉簇穿透SAR的最佳頻段。

對(duì)埋藏于大多數(shù)種類的土壤地表下目標(biāo)成像時(shí),L波段穿透損耗相比于P波段明顯增大,因此穿透土壤的效果遠(yuǎn)不如P波段。P波段的雷達(dá)波可有幾米的穿透深度,對(duì)于冰層穿透深度可達(dá)百米。電磁波的沙土穿透深度主要與衰減損耗有關(guān),在均勻土壤中的衰減主要是土壤吸收,原因是土壤是色散介質(zhì),電導(dǎo)率不為零。土壤的介電常數(shù)與土壤的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、液態(tài)水含量有關(guān),尤其與含水量關(guān)系較大,同時(shí)又與信號(hào)頻率有關(guān),不同的土壤介電常數(shù)相當(dāng)不一致。土壤穿透深度隨頻率上升以及含水量的增加而急劇下降。表2對(duì)比了不同含水量土壤對(duì)于P,L波段雷達(dá)波的衰減量。

表2 不同含水量土壤對(duì)于P、L波段雷達(dá)波的衰減量

頻率越低,電離層效應(yīng)影響越嚴(yán)重。頻率選擇應(yīng)充分考慮電離層效應(yīng)的影響。頻率選擇第3個(gè)需要考慮的重要因素是天線面積的限制,在滿足成像指標(biāo)要求的前提下,經(jīng)仿真分析,頻率與天線面積成反比關(guān)系,即頻率選得越低,所需的天線面積就越大。

綜上所述,綜合考慮到較好的葉簇穿透性、電離層測(cè)量補(bǔ)償?shù)纫?工作中心頻率可在400～600 MHz范圍內(nèi)選擇,也有利于控制天線的規(guī)模。但是該頻段內(nèi)大量存在的大功率民用廣播電視和通信發(fā)射臺(tái)信號(hào)也帶來(lái)了嚴(yán)重的干擾[13],采取干擾頻譜感知與自適應(yīng)頻段選擇、多通道接收與對(duì)消處理等方法可望解決諸如此類的窄帶射頻干擾問(wèn)題。

1.3 極化方式選擇

一個(gè)振幅為A的線極化波可分解為振幅A/2的兩個(gè)左旋和右旋圓極化波。當(dāng)它們通過(guò)電離層傳播時(shí),其傳播速度不同,經(jīng)過(guò)一段距離后則合成的線極化波將發(fā)生旋轉(zhuǎn),發(fā)生的這種旋轉(zhuǎn)稱為法拉第旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的方向和角度大小與電波的頻率、電離層的等效參數(shù)(ε、σ)等諸多因素有關(guān)[14]。

法拉第旋轉(zhuǎn)是沿著傳播路徑累積的結(jié)果,與沿傳播路徑的地球磁場(chǎng)分量和電離層電子濃度密切相關(guān)。法拉第旋轉(zhuǎn)角Φ可近似表示為

式中:Bav為地球磁場(chǎng),T;f為頻率,Hz。根據(jù)該式給出了法拉第旋轉(zhuǎn)作為TEC的函數(shù)示于圖4。例如,假定頻率為800 M Hz,TEC=50 TECU。采用式(1),法拉第旋轉(zhuǎn)近似為

圖4 不同電離層TEC值下法拉第旋轉(zhuǎn)角與電波頻率的關(guān)系

對(duì)于線極化和圓極化波,都會(huì)出現(xiàn)法拉第極化偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。若用圓極化天線接收時(shí),可克服法拉第極化旋轉(zhuǎn)對(duì)接收信號(hào)功率的影響。對(duì)于線極化波,接收的信號(hào)幅度發(fā)生極化衰落現(xiàn)象,接收功率減小。線極化波經(jīng)電離層傳播在接收點(diǎn)的合成波表現(xiàn)為橢圓極化,橢圓長(zhǎng)軸隨傳播條件變化而不斷旋轉(zhuǎn),當(dāng)電波的極化長(zhǎng)軸與接收天線的極化方向一致時(shí),接收機(jī)的輸入電壓達(dá)到最大,當(dāng)電波的極化長(zhǎng)軸與接收天線的極化方向垂直時(shí),接收機(jī)的輸入電壓最小,從而使接收端電壓發(fā)生衰落。短波段的極化衰落實(shí)驗(yàn)表明,發(fā)生極化衰落時(shí),接收功率的平均值比沒(méi)有衰落時(shí)的接收功率降低0.5倍,即3 dB。一般而言,P波段的極化衰落要遠(yuǎn)低于短波段。

美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)發(fā)表的研究論文表明[15],在線極化情況下,某些地物的后向散射系數(shù)(σ)隨著法拉第旋轉(zhuǎn)角的變化而快速起伏。圖5所示為L(zhǎng)波段HH極化下,各種地面目標(biāo)的后向散射系數(shù)(σ)與法拉第旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系,可以看出在某些角度,某些場(chǎng)景σ的損耗高達(dá)10 d B以上,這將會(huì)造成系統(tǒng)信噪比的急劇下降,使得SAR系統(tǒng)的圖像質(zhì)量惡化。并且由于電離層是時(shí)變和空變的,從而法拉第旋轉(zhuǎn)角也是時(shí)變和空變的,所帶來(lái)的影響是地物的后向散射系數(shù)(σ)在合成孔徑期間是隨機(jī)的大范圍的起伏,甚至在某些情況下接收機(jī)無(wú)法獲得最小可用信號(hào)Smin。盡管這里給出的是L波段的結(jié)果,但JPL指出,在P波段有著與此相似的特性。

圖5 L波段HH極化下各種目標(biāo)后向散射系數(shù)與法拉第旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系

美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Los Alamos National Laboratory,LANL)對(duì)電離層法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)作了深入的研究,研究結(jié)果表明,在電離層法拉第旋轉(zhuǎn)的影響下,線極化時(shí)目標(biāo)的RCS散射特性存在很大的起伏(20 d B以上),而圓極化情況下,大多數(shù)地物的RCS受法拉第旋轉(zhuǎn)的影響非常小,法拉第旋轉(zhuǎn)還會(huì)破壞線極化信號(hào)的相位相干性、改變散射矩陣,從而影響雷達(dá)極化測(cè)量性能。若雷達(dá)利用極化信息提取目標(biāo)信息,則會(huì)對(duì)雷達(dá)極化測(cè)量能力造成影響。

由于電波傳播路徑的TEC與太陽(yáng)活動(dòng)水平、季節(jié)、地方時(shí)(Local Time)、射線仰角等眾多因素有關(guān),法拉第旋轉(zhuǎn)角和法拉第極化旋轉(zhuǎn)效應(yīng)也與以上眾多因素有關(guān),具有以下主要特點(diǎn):

1)法拉第旋轉(zhuǎn)角隨射線視角的增大而迅速變小,當(dāng)視角大于60°時(shí),法拉第旋轉(zhuǎn)角隨路徑視角的變化較小。這是因?yàn)橐暯谴笥?0°時(shí),電波斜傳播路徑上的TEC與電波垂直向上傳播路徑上(視角為90°)的TEC很接近的原因。

2)法拉第旋轉(zhuǎn)角隨太陽(yáng)活動(dòng)水平、季節(jié)、地方時(shí)的變化規(guī)律與TEC變化規(guī)律一致。

P波段法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)非常嚴(yán)重,在頻率為550 MHz、TEC為50TECU時(shí),雙程傳播電磁波穿過(guò)電離層經(jīng)歷的法拉第旋轉(zhuǎn)角已經(jīng)超出了360°,極化矢量的法拉第旋轉(zhuǎn)將修改電磁信號(hào)的極化與相位特性,因此會(huì)對(duì)線極化星載P波段雷達(dá)設(shè)備帶來(lái)大的誤差。星載P波段SAR系統(tǒng)若采用線極化方式,發(fā)射/接收的電磁波將受到電離層法拉第旋轉(zhuǎn)的嚴(yán)重影響,并且極難采取有效的補(bǔ)償措施,采用左旋/右旋圓極化方式工作,可有效降低法拉第旋轉(zhuǎn)對(duì)電磁波極化的影響。最近的研究結(jié)果表明[16],圓極化在葉簇/沙土穿透性能、獲取目標(biāo)散射特征等方面比線極化更有優(yōu)勢(shì)。

2 系統(tǒng)參數(shù)分析流程

2.1 視角范圍

在不同視角下,P波段星載SAR雷達(dá)波束穿越電離層的厚度是不同的,視角越大,電磁波傳播路徑在電離層內(nèi)的積分路徑也越長(zhǎng),電離層對(duì)電磁波各項(xiàng)參數(shù)的影響也就越嚴(yán)重。因此,P波段星載SAR的視角往往希望越小越好,以最大限度降低電離層效應(yīng)和補(bǔ)償?shù)碾y度。

根據(jù)公式:

可見(jiàn)電離層引起的二次相位誤差與視角有密切關(guān)系。另外,頻率越低,二次相位誤差隨視角的變化越劇烈。圖6示出了550 MHz頻率下,TEC=50TECU,帶寬為60 MHz情況下,峰值二次相位誤差與視角的變化關(guān)系。從圖中可以看出,對(duì)于550 MHz,在20°～50°視角范圍內(nèi),二次相位誤差變化較平坦,超過(guò)該視角范圍后,二次相位誤差急劇增大。

圖6 峰值二次相位誤差與視角的關(guān)系

2.2 等效后向散射系數(shù)

地表面的后向散射系數(shù)σ0同雷達(dá)入射角變化關(guān)系曲線如圖7所示,曲線可劃分為3個(gè)區(qū)域:(1)近掠入射區(qū);(2)平直區(qū);(3)近垂直入射區(qū)。這三個(gè)區(qū)域的界限會(huì)隨信號(hào)波長(zhǎng)、表面特性和極化方式的變化而變化;并且在任何給定的雷達(dá)入射角、極化方式和表面特性下,波長(zhǎng)越短,地面散射強(qiáng)度越強(qiáng)。

圖7 σ0與入射角的關(guān)系

地面后向散射系數(shù)σ0隨入射角的增大而減小,在8°～70°擦地角下,對(duì)角度的依賴可以近似用參數(shù)γ來(lái)相關(guān),γ定義如下:

式中,ψ為擦地角,θ為入射角,γ通常表示為dB(m2/m2)。針對(duì)一般地形(不含沙漠、水面、道路、城市)如植被、森林、農(nóng)田等,γ幾乎與角度無(wú)關(guān),γ與頻率的關(guān)系可用下式近似:

式中,γavg為f0頻率的γ平均中值,f0取10 GHz,X波段γavg一般取-14 d B,則在P波段600 M Hz時(shí)γ約為-20 dB。σ0與入射角的關(guān)系如圖8所示。

圖8 P波段散射系數(shù)與入射角的關(guān)系

《各類地物雷達(dá)散射統(tǒng)計(jì)手冊(cè)》一書只給出了L波段以上頻率的后向散射系數(shù)測(cè)量結(jié)果,在P波段(500～700 MHz)后向散射系數(shù)未見(jiàn)說(shuō)明,只能通過(guò)以上近似進(jìn)行估計(jì),同時(shí)以L波段地物散射數(shù)據(jù)(同極化一般為-24 dB以上、交叉極化為-32 dB以上)為參考,在20°～50°入射角下P波段幾類典型地物同極化后向散射系數(shù)取-25 d B,交叉極化后向散射系數(shù)一般比同極化弱6～9 dB,取-34 dB。

2.3 信號(hào)帶寬與采樣率

對(duì)常規(guī)的SAR系統(tǒng),帶寬取決于分辨率指標(biāo)要求。地距分辨率與瞬時(shí)信號(hào)帶寬之間存在關(guān)系式:

式中,B為瞬時(shí)信號(hào)帶寬,k為加權(quán)展寬因子(通常取值為1.1),c為光速,θ為入射角。在本系統(tǒng)中,對(duì)于35°入射角,為達(dá)到10 m的分辨率,可算出最大信號(hào)帶寬為30 MHz。因此設(shè)計(jì)帶寬為30 MHz,系統(tǒng)采樣率取36 MHz,采樣位數(shù)8位。

2.4 系統(tǒng)PRF設(shè)計(jì)

星載SAR設(shè)計(jì)中,脈沖重復(fù)頻率的選擇非常關(guān)鍵。常規(guī)星載SAR的PRF設(shè)計(jì)需要考慮方位模糊度、距離模糊度、發(fā)射脈沖遮擋和星下點(diǎn)回波遮擋四個(gè)方面的因素。

星載SAR系統(tǒng)PRF選擇首先要滿足距離和方位模糊度限制條件,低PRF會(huì)增加方位模糊,而PRF太高會(huì)增加距離模糊度。為同時(shí)兼顧距離和方位兩個(gè)方向的模糊度,PRF滿足下列條件:

式中,Vst為衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度,ka為方位向過(guò)采樣系數(shù),La為天線方位向尺寸,c為光速,Lr為天線距離向尺寸,kr為距離向過(guò)采樣系數(shù),λ為SAR工作波長(zhǎng),R為SAR系統(tǒng)與目標(biāo)之間斜距。

由于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度快,PRF較高,同時(shí)SAR系統(tǒng)與目標(biāo)之間距離較遠(yuǎn),發(fā)射脈沖到達(dá)地面目標(biāo)并逆向散射回接收系統(tǒng)要經(jīng)歷許多脈沖重復(fù)周期才能完成,因此在任何時(shí)刻空中都有許多脈沖,必須選擇適當(dāng)?shù)腜RF,使發(fā)射脈沖避開(kāi)所需采集的回波窗口(如圖9所示)。另外,PRF選擇還要使星下點(diǎn)回波被排除在回波窗之外(如圖10所示)。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)序時(shí)一般依一定的定時(shí)關(guān)系,在系統(tǒng)工作脈沖寬度以外還留有一定的接收機(jī)保護(hù)時(shí)間,這段時(shí)間正好可用來(lái)避開(kāi)主星直達(dá)波的干擾,保證回波信號(hào)的正常接收。

圖9 發(fā)射及接收信號(hào)的時(shí)序關(guān)系

圖10 星下點(diǎn)回波與發(fā)射及接收信號(hào)的時(shí)序關(guān)系

發(fā)射干擾對(duì)PRF的限制可寫成下式:

星下點(diǎn)干擾對(duì)PRF的限制如下:

式中:Rn為成像條帶近邊斜距(數(shù)據(jù)記錄起始樣本斜距),Rf為成像條帶數(shù)據(jù)記錄窗口最后數(shù)據(jù)樣本的斜距,fp為脈沖重復(fù)頻率,c為光速,τp為脈沖寬度,τr為保護(hù)時(shí)間,H為衛(wèi)星高度,Frac為取變量小數(shù)部分,Int為取變量整數(shù)部分。圖11所示為PRF的斑馬圖設(shè)計(jì)結(jié)果。

2.5 天線口徑尺寸分析

星載SAR系統(tǒng)的天線尺寸受等效噪聲系數(shù)(NESZ)、模糊度、分辨率和觀測(cè)帶寬等指標(biāo)限制。為滿足NESZ、模糊度要求具有較大的天線面積,而為達(dá)到分辨率、觀測(cè)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。

圖11 PRF與地距的斑馬圖

1)觀測(cè)帶約束

條帶模式下,距離向觀測(cè)帶寬度的要求使天線距離向尺寸Lra須滿足關(guān)系式:

式中,λ為雷達(dá)波長(zhǎng),R為斜距,Wgrd為距離向觀測(cè)帶寬度,θ為入射角。在本系統(tǒng)指標(biāo)下,單波束100 km觀測(cè)帶寬度對(duì)天線距離向尺寸約束如圖12所示,可看出入射角為20°時(shí),Lra應(yīng)小于3.19 m。天線在采用有源相控陣體制時(shí),距離向波束寬度可展寬,因此Lra可取大于此約束的值。

圖12 條帶模式下觀測(cè)帶寬度約束的天線距離向最大尺寸

2)分辨率約束

SAR成像的方位向分辨率,在條帶和掃描模式下,受天線方位向尺寸的影響。對(duì)于方位向Na個(gè)通道的單發(fā)多收SAR系統(tǒng),在條帶模式下,方位向分辨率ρa(bǔ)z為10 m,天線方位向尺寸Lra應(yīng)滿足

3)模糊度約束

星載SAR系統(tǒng)的方位向與距離向模糊度是影響成像質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo),在模糊度約束的條件下,天線最小面積Amin應(yīng)滿足

式中:k為系數(shù),取≥4的整數(shù);kaz=kra=0.886;Vs為衛(wèi)星速度;c為光速。k的取值決定了模糊度約束的天線最小面積的冗余度,取值越大,成像的模糊度越小。

圖13給出了本系統(tǒng)指標(biāo)下,k=4,5,6,8時(shí)天線最小面積隨入射角變化的曲線,從圖中可以看出,天線最小面積隨入射角的增大而增大。鑒于模糊度是星載SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵性能指標(biāo),須考慮充分的冗余,因此建議選擇k=8時(shí)對(duì)應(yīng)的天線最小面積。

圖13 模糊度約束條件下的天線最小面積

4)等效噪聲系數(shù)約束

SAR成像的信噪比取決于等效噪聲系數(shù)(NESZ),NESZ的值越低,SAR成像的信噪比越高。NESZ的定義為

式中,k0=1.38×10-23J/K為玻耳茲曼常數(shù),T0為系統(tǒng)絕對(duì)溫度,Fn為系統(tǒng)噪聲系數(shù),Ls為系統(tǒng)損耗,Pav為雷達(dá)平均發(fā)射功率,G為天線增益,ρgrd為地距分辨率。G由天線面積A、天線效率η和波長(zhǎng)λ決定:

由NESZ的定義可知,在衛(wèi)星軌道高度、雷達(dá)波長(zhǎng)和地距分辨率要求確定的情況下,降低NESZ需要增大平均發(fā)射功率、天線面積或效率。圖14給出了波束邊緣NESZ要求大于-34 d B,平均功率為2 k W,天線效率為70%時(shí),10 m條帶模式下,天線最小面積隨入射角的變化曲線,在入射角為50°時(shí),天線最小面積應(yīng)大于19.6 m2。

圖14 NESZ約束條件下的天線最小面積

5)天線口徑選擇

綜上所述,天線口徑尺寸受觀測(cè)帶、分辨率、模糊度、等效噪聲系數(shù)等系統(tǒng)指標(biāo)限制。為滿足模糊度和NESZ,要求具有較大的天線面積,而為滿足觀測(cè)帶寬度和分辨率,則要求具有較小的天線方位向和距離向尺寸,同時(shí)還要考慮重量及兼顧衛(wèi)星所能提供的包絡(luò)大小,因此選擇天線口徑尺寸為21.5 m(方位向)×3.5 m(距離向),方位向一發(fā)三收實(shí)現(xiàn)高分辨率寬測(cè)繪帶性能。

3 系統(tǒng)成像性能仿真

根據(jù)前面選擇的天線尺寸,針對(duì)10 m分辨率、100 km測(cè)繪帶寬條帶模式這一技術(shù)指標(biāo),對(duì)其波位、NESZ、模糊度等指標(biāo)進(jìn)行了仿真,結(jié)果如圖15～19所示。

可以看出,設(shè)計(jì)的P波段SAR系統(tǒng)NESZ優(yōu)于-38 d B,距離模糊度優(yōu)于-20 dB,方位模糊度優(yōu)于-21 dB,在入射角大于36°時(shí),距離向地距分辨率達(dá)到10 m,觀測(cè)帶寬度達(dá)到100 km,與BIOMASS系統(tǒng)50 m分辨率100 km觀測(cè)帶指標(biāo)比較起來(lái)具有一定的先進(jìn)性。

圖15 PRF選擇與地距的斑馬圖

圖16 NESZ與雷達(dá)入射角的關(guān)系

圖17 距離模糊度與入射角的關(guān)系

圖18 方位模糊度與入射角的關(guān)系

圖19 地距分辨率與雷達(dá)入射角的關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)星載P波段SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了分析闡述,從減少模糊度角度選擇了方位向單發(fā)多收體制,綜合考慮穿透性能、電離層影響、天線包絡(luò)限制,提出了合適的工作頻率;從降低法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)影響角度選擇了圓極化作為星載P波段SAR系統(tǒng)的極化方式及視角范圍;從信噪比需求角度提出了對(duì)NESZ的要求;從分辨率要求角度確定了工作帶寬及采樣率;從模糊度、發(fā)射脈沖遮擋、星下點(diǎn)回波遮擋幾個(gè)方面的因素出發(fā),確定了脈沖重復(fù)頻率選擇范圍;從觀測(cè)帶、分辨率、NESZ約束的角度出發(fā),確定了系統(tǒng)的天線尺寸。對(duì)設(shè)計(jì)的星載P波段SAR系統(tǒng)主要成像技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了仿真計(jì)算,對(duì)發(fā)展星載高分辨率全球生物量觀測(cè)P波段SAR系統(tǒng)具有一定的參考意義。

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Parameter Design of a High Resolution Space-Borne P-Band SAR System

YANG Lin1,ZHAO Ning2,YAO Baidong2,GE Jialong2,LI Xiang1
(1.College of Electronic Science and Engineering,National University of Defence Technology,Changsha410073,China;2.The38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Hefei230088,China)

For high resolution space-borne P-band SAR system,the ionosphere effects would cause serious affection because of its low frequency,wide bandwidth and long synthetic time.These characters raise higher and special requirements in system design and parameter selection compared with the traditional spaceborne SAR systems.To acquire high quality image,we should consider the errors causally connected with ionosphere.This paper proposes the character disassemble step SAR system,and analyzes the system pattern selection,frequency selection and polarization selection for optimal space-borne P-band SAR design.The paper also puts forward the simulation results of key parameters such as NESZ,PRF,range/azimuth ambiguity,antenna aperture etc.The results precede ESA BIOMASS system in resolution and swath parameter.The work of this paper can be used in the P-band space-borne SAR system design and engineering practice.

biomass;space-borne SAR;P-band;system parameter design;ionospheric effect

TN957;TN958

A

1672-2337(2017)01-0019-10

10.3969/j.issn.1672-2337.2017.01.004

2016-08-30;

2016-11-02

科技部國(guó)合專項(xiàng)基金(No.2015DFA10270);“高分”專項(xiàng)青年創(chuàng)新基金(No.GFZX04060103)

楊淋男,1977年生,四川渠縣人,國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生,主要研究方向?yàn)樾禽dSAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)、星載SAR電離層效應(yīng)校正。E-mail:yl1825@sina.com

趙寧男,1973年生于陜西西安,獲北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院信號(hào)與信息處理專業(yè)博士學(xué)位,現(xiàn)為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所研究員,主要研究方向?yàn)樾禽d、機(jī)載多極化SAR/GMTI雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)。

姚佰棟男,1984年生于安徽安慶,獲中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)與精密機(jī)械研究所光學(xué)專業(yè)博士學(xué)位,現(xiàn)為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)樾禽dSAR系統(tǒng)技術(shù)。

葛家龍男,1962年生于安徽,獲上?？萍即髮W(xué)碩士學(xué)位,現(xiàn)為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所副總工程師、研究員,主要研究方向?yàn)樾禽dSAR系統(tǒng)。

黎湘男,1967年生,湖南長(zhǎng)沙人,國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)、教授、博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理、自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、空間信息獲取與處理。