郭磊 李立 顏昭 黨紅杏 劉昕 李浩

(1 西安空間無線電技術研究所，西安 710000)(2 西安航天恒星科技實業(yè)(集團)有限公司，西安 710000)

當前我國極端天氣事件頻發(fā)，嚴重自然災害也日益增多，自然災害影響范圍廣，災害損失大，并呈現(xiàn)出多災并發(fā)、群發(fā)和集中爆發(fā)的特征；另外，當前我國重大工業(yè)災害也逐年增長。為更好地應對重大自然災害和工業(yè)災害，迫切要加強天基對地觀測手段應用，提高對災害的監(jiān)測預警和應急響應能力，增強災害救助決策和災情評估的科學性、及時性，最大限度地減少災害造成的損失[1]。合成孔徑雷達(SAR)是一種利用距離向脈沖壓縮和方位向多普勒效應進行成像的微波遙感雷達[2-4]，能通過自身發(fā)射脈沖信號，而后對接收到的回波進行處理得到圖像。不同于光學、高光譜等被動式遙感設備，SAR不受云、雨、霧等惡劣氣候影響，能實現(xiàn)全天時、全天候成像。同時，由于SAR所工作的電磁頻段具備一定的穿透能力，能發(fā)現(xiàn)隱藏在植被或地表下的目標，因此現(xiàn)已廣泛應用于地形測繪、災害評估、地質勘探、海洋應用、農林監(jiān)測、軍事偵察及科學研究等多個方面。在應急減災方面，為了應對我國主要的災害(包括洪澇災害、地震及地質災害、干旱、雪災、森林火災、工業(yè)災害等)，快速有效對災區(qū)進行評估，SAR需要具備以下能力：①具備大范圍監(jiān)測能力，監(jiān)測面積達到百萬平方千米，幅寬大于1000 km(洪澇、干旱、雪災等)；②具備米級的高分辨率成像能力(地質災害、工業(yè)事故等)；③具備小時級重訪觀測能力(洪澇、地質災害、森林火災等)；④具備穿透云雨、煙霧及一定的地表穿透能力(洪澇、地質災害、雪災、森林火災等)；⑤具備多頻多極化等多元數(shù)據(jù)獲取能力(洪澇、地質災害、干旱、雪災等)。

目前，國際上還沒有在軌運行的中軌SAR衛(wèi)星，但美國等國家已開展了中軌SAR技術的研究，并初步分析了衛(wèi)星軌道高度對星載SAR特性的影響[5]，但中軌多頻多極化SAR還未見報道。我國所有的陸地觀測SAR衛(wèi)星運行在1000 km以下的低軌道，回歸周期在數(shù)十天數(shù)量級，難以滿足災害應急時效性需求，而在研的高軌衛(wèi)星空間分辨率較低，難以滿足應急高分辨率監(jiān)測需求[6]；另外，當前對地觀測SAR衛(wèi)星多為單一頻段、單一極化方式，獲取信息量少、維度單一，不能通過多元信息融合提升圖像判讀能力，圖像解譯度不高，無法有效滿足應急減災應用需求。針對上述SAR衛(wèi)星在應急減災領域的能力不足，本文提出一種中軌多頻多極化SAR衛(wèi)星載荷設計，能兼顧低軌衛(wèi)星和高軌衛(wèi)星的優(yōu)點，具備高時空分辨率、大幅寬、應急成像等特點，且能同時獲取多個頻段的多種極化信息，通過多元信息融合有效、高效應用于災害的監(jiān)測預警和應急響應觀測。

1 中軌多頻多極化SAR載荷設計

1.1 總體設計思路

中軌多頻多極化SAR由于軌道選擇、信息獲取方式的差異，其設計思路與傳統(tǒng)的低軌SAR不同，具體體現(xiàn)在以下3個方面。

(1)軌道位于中軌，SAR具體軌道設計和覆蓋范圍與SAR的波束速度、分辨率、合成孔徑時間等指標相關，不能按照低軌SAR進行設計，需要考慮中軌星地相對關系進行適應性設計。另外，由于中軌電磁環(huán)境惡劣，需要考慮SAR防護設計。

(2)中軌SAR衛(wèi)星由于軌道高、作用距離遠，SAR需要大口徑天線進行收發(fā)。傳統(tǒng)SAR衛(wèi)星采用的相控陣天線體制若要實現(xiàn)大口徑，則天線質量大，成本高，載荷效費比較低，因此選用大口徑可展開反射面天線，其質量小，收攏包絡小，成本較低，滿足中軌SAR需求。

(3)相比于傳統(tǒng)單頻單極化SAR，由于SAR需要實現(xiàn)多頻多極化能力，SAR的收發(fā)通道需要具備不同極化通道、不同頻段通道同時收發(fā)能力。

1.2 參數(shù)設計

1.2.1 軌道設計

對于應急減災應用領域，軌道設計的原則是在可接受的載荷質量功耗下，最大限度提升SAR對我國領土的觀測范圍和重訪時間。根據(jù)以上設計要求，中軌多頻多極化SAR載荷位于2000～5000 km，采用較小的軌道傾角，在兼顧載荷質量功耗等工程可實現(xiàn)性條件下滿足觀測分辨率和測繪幅寬需求，并能顯著提升目標重訪時間，覆蓋我國全部領土范圍。表1給出了不同軌道高度及傾角下SAR對我國主要目標(北緯10°，30°，50°)重訪時間的仿真結果。

表1 不同軌道重訪時間

綜合折衷載荷質量功耗、覆蓋我國全境能力、平均重訪時間等參數(shù)，SAR衛(wèi)星選擇軌道高度為4000 km，軌道傾角為28°，圖1給出了中軌SAR觀測范圍。

圖1 中軌SAR觀測范圍

通過仿真分析，對于我國范圍，中軌SAR衛(wèi)星的平均重訪時間為7.50 h，相比于低軌SAR衛(wèi)星幾天到幾十天的重訪時間，其數(shù)據(jù)時效性及應急觀測能力大大提升。未來可通過增加衛(wèi)星數(shù)量并組網，實現(xiàn)近小時級重訪能力。

1.2.2 工作頻段

觀測目標對不同頻段的電磁波有不同的散射能力。其中，低頻段電磁波能穿透樹冠及地表，可獲取樹下、地下等目標信息，而高頻段電磁波能獲取目標表面的高精度信息。傳統(tǒng)單頻段SAR只能獲取單一頻段目標散射信息，在災害地物分類識別、輪廓檢測及生物量反演等方面能力不足，而中軌多頻多極化SAR采用多頻段設計，能通過多種不同頻段SAR圖像融合實現(xiàn)地物的準確分類，有效提升災害監(jiān)測能力。本文設計的中軌SAR擬采用L，S，C，X多種頻段。若采用相控陣天線體制，需要4副獨立天線滿足多頻段要求，造成載荷質量及成本增加，為此，擬采用大口徑反射面天線，4種頻段共用天線反射器，通過不同頻段的饋源收發(fā)實現(xiàn)多頻段同時工作的能力。其中，L和S頻段共用1套收發(fā)網絡，C和X頻段共用1套收發(fā)網絡，因此具備至少2個頻段同時工作的能力(L和C，L和X，S和C，S和X)。

1.2.3 極化方式

傳統(tǒng)單極化SAR只能獲取單一極化信息，而通過全極化成像可以獲得目標的全極化散射矩陣，實現(xiàn)目標的有效分類和定量反演。本文設計的SAR能實現(xiàn)單極化、雙極化和全極化工作模式。在全極化工作時，SAR采用交替發(fā)射、同時接收方式實現(xiàn)全極化，即首先在半個合成孔徑內發(fā)射多個水平極化的電磁波，然后接收HH和VH回波，接著在另外半個合成孔徑內發(fā)射多個垂直極化的電磁波，然后再接收VV和HV回波。SAR在功率器件輸出大功率發(fā)射信號后，通過極化選擇開關，選擇反射面天線饋源的極化輸出端口，實現(xiàn)不同的極化模式工作，其全極化工作示意如圖2所示。

注：H表示水平極化，V表示垂直極化。

多極化設計的難點在于不同極化間需要到達較高的極化隔離度，以滿足SAR多極化模式對成像性能的需求。在具體設計中，采用正交模耦合器對H及V極化進行有效隔離，該耦合器極化隔離度為70 dB，能保證總體極化隔離度達到30 dB，滿足多極化成像性能。

1.2.4 工作模式

為滿足應急減災觀測需求，對地質災害及工業(yè)災害進行監(jiān)測，分辨率要達到米級；而監(jiān)測洪水、干旱、雪災等，需要1000 km以上的觀測幅寬[7]。本文設計2種工作模式，條帶模式(見圖3)實現(xiàn)5 m分辨率/300 km幅寬，用于監(jiān)測地質災害、森林火災、工業(yè)災害等；掃描模式(見圖4)通過3個子測繪帶掃描實現(xiàn)20 m分辨率/1000 km幅寬，用于監(jiān)測洪澇災害、干旱、雪災等。

圖3 條帶模式工作示意

圖4 掃描模式工作示意

中軌方位向分辨率ρa如式(1)所示，其中，vb為波束地面速度，vs為衛(wèi)星飛行速度，la為天線方位向口徑，ka為方位向處理展寬系數(shù)(取1.1)。

(1)

中軌波束地面速度vb計算公式為

vs-Reωecosβ

(2)

式中：H為軌道高度；Re為地球半徑；R為斜距距離；θi為入射角；ωe為地球自轉角速度；β為地面位置的緯度。

根據(jù)軌道信息計算波束地面速度vb為3167 m/s，衛(wèi)星飛行速度vs為5747 m/s，則實現(xiàn)優(yōu)于5 m分辨率需要方位向天線尺寸小于16.7 m。

距離向分辨率ρr與發(fā)射帶寬B相關。

(3)

式中：kr為方位向處理展寬系數(shù)，取1.1；c為光速。

可以得到,選擇90 MHz發(fā)射帶寬，即可滿足5 m距離向分辨率需求。

載荷觀測幅寬和波束覆蓋范圍相關。選擇入射角20°～38°，在4000 km軌道位置上，SAR可視幅寬若要達到300 km，則天線距離向波束寬度需要達到3.5°。

1.2.5 時序設計

SAR采用正側視成像方式，在20°～38°入射角范圍內共設計3個波位，每個波位成像幅寬大于350 km。在條帶模式下，SAR在同一時間只輻射1個波位，實現(xiàn)5 m分辨率/300 km幅寬成像能力；在掃描模式下，SAR交替照射3個波位，實現(xiàn)20 m分辨率/1000 km幅寬成像能力。SAR脈沖重復頻率(PRF)選擇在780～820 Hz，其波位圖如圖5所示。

圖5 SAR波位圖

1.2.6 發(fā)射功率

根據(jù)雷達方程，SAR的平均發(fā)射功率為

(4)

式中：k為波爾茲曼常數(shù)；T0為噪聲溫度；Fn為噪聲系數(shù)；L為損耗；G為天線增益；λ為工作波長；σNESZ為噪聲等效后向散射系數(shù)(NESZ)。

在滿足應急減災應用需求的情況下，L頻段選擇NESZ小于-30 dB，S頻段選擇NESZ小于-25 dB，C頻段選擇NESZ小于-22 dB，X頻段選擇NESZ小于-20 dB，可計算得到各個頻段需要的平均發(fā)射功率為4 kW，按照15%發(fā)射占空比計算，每個頻段的發(fā)射峰值功率為27 kW。2個頻段同時工作時，最大峰值發(fā)射功率為54 kW，最大平均發(fā)射功率為8 kW。

1.3 載荷組成及工作流程

中軌SAR具備多頻段同時工作能力，通過大型多頻段共用反射器滿足高增益、輕量化要求，載荷具備全極化工作能力，由調頻信號源、發(fā)射機、接收機、射頻前端、天線等單機構成。天線采用16 m口徑的大型可展開反射面天線，16 m口徑反射器各頻段共用，通過不同頻段的饋源進行信號收發(fā)。各頻段采用多個大功率行波管放大器合成方式實現(xiàn)27 kW的峰值發(fā)射輸出。L和S頻段共用1組信號源及收發(fā)通道，C和X頻段共用1組信號源及收發(fā)通道。其組成框圖如圖6所示。

圖6 中軌SAR組成框圖

載荷的工作流程是：調頻信號源生成所需的線性調頻信號，通過上變頻、大功率發(fā)射器件及射頻前端，到達不同頻段的饋源陣，再通過多頻段共用反射面輻射大功率電磁波信號。接收時信號通過不同頻段饋源及射頻前端后，再通過低噪聲放大器、接收機，進行數(shù)字采集、壓縮打包下傳地面。地面通過接收到的原始回波進行成像處理，并經過多元信息融合產生應急減災遙感產品。

1.4 對衛(wèi)星平臺的需求

1)功耗需求

載荷的功耗包括發(fā)射功耗和電子設備功耗。不同工作模式發(fā)射時最大峰值功率為54 kW(2個頻段同時工作)，最大發(fā)射占空比為15%，則最大發(fā)射平均功率為8 kW。按照50%熱效率計算，總的發(fā)射功耗為16 kW。電子設備包括數(shù)據(jù)處理器、有源器件等，總的電子設備功耗小于500 W，因此載荷對平臺的功耗要求小于16.5 kW。當載荷采用掃描工作模式工作時，產生一景1000 km×1000 km幅寬的圖像需要6 min的工作時間。根據(jù)軌道設計結果，衛(wèi)星單軌能對我國領土區(qū)域3～4景1000 km×1000 km范圍進行成像，因此衛(wèi)星需要具備單軌24 min的16.5 kW供電能力，保證載荷能發(fā)揮最大應用效能。

2)承載質量需求

載荷質量主要分為天線和中央電子設備。16 m口徑輕量化反射面天線質量約400 kg，中央電子設備主要包括處理器、收發(fā)通道及行波管放大器組等，總質量約200 kg，載荷總質量約600 kg。

3)對軌道及衛(wèi)星姿態(tài)的需求

為了滿足SAR成像性能及目標定位精度，載荷對衛(wèi)星軌道位置測量誤差為7 m(1σ)，對速度的測量誤差為0.02 m/s(1σ)，衛(wèi)星三軸指向誤差小于0.02°(3σ)，3軸姿態(tài)測量誤差小于0.002°(3σ)，姿態(tài)穩(wěn)定度需要小于0.001(°)/s。

4)中軌環(huán)境適應性防護需求

中軌空間環(huán)境由于受范艾倫輻射帶的影響，其環(huán)境較低軌更加惡劣。為了保證設備艙中的電子設備正常運行，分析設備艙內部在0°，28°，90°軌道傾角下的輻射強度,見圖7。

圖7 中軌SAR輻射強度

由圖7可以看出，在28°傾角時，4000 km軌道高度下衛(wèi)星艙內電子設備所受輻射強度約1.50×105Si/年，低于中軌導航衛(wèi)星(22 000 km軌道高度)受輻射水平，因此采用傳統(tǒng)導航衛(wèi)星電磁防護方案(設備外殼等效鋁厚度達到2 mm)即可保護中軌艙內電子設備。

2 載荷性能仿真驗證

為了驗證本文設計的SAR載荷性能，本節(jié)通過仿真計算對其分辨率、模糊度、NESZ等重要應用指標進行驗證。表2給出了SAR載荷主要參數(shù)。

表2 SAR載荷主要參數(shù)

(1)二維分辨率。根據(jù)上述參數(shù)計算SAR載荷在不同入射角的方位向分辨率和距離向分辨率,如圖8所示。可以看到，在所有入射角范圍內都能滿足5.00 m分辨率的設計要求，滿足對地質災害及工業(yè)災害進行高分辨率監(jiān)測的需求。

(2)模糊度。根據(jù)SAR載荷參數(shù)計算，其方位模糊度及距離模糊度如圖9所示，都小于-24 dB，滿足應急減災應用需求。

(3)NESZ。根據(jù)SAR載荷參數(shù)計算，不同頻段NESZ曲線如圖10所示，能滿足應急減災應用對其NESZ的需求。

通過以上仿真分析結果可以看出，SAR載荷的主要指標(如分辨率、模糊度、NESZ等)均能滿足設計要求，能滿足應急減災應用對SAR載荷性能的需求。

圖8 方位向和距離向分辨率

圖9 方位和距離模糊度

圖10 不同頻段NESZ曲線

3 結束語

本文提出了一種中軌多頻多極化SAR載荷設計，能有效滿足應急減災領域對天基監(jiān)測手段的需求，獲得高時空分辨率、大幅寬、多元信息融合的微波遙感圖像，在災害監(jiān)測預警及應急響應觀測領域具有重要的應用價值。后續(xù)載荷可通過二維陣列饋源和反射面結合的技術手段[8-10]，實現(xiàn)天線波束的二維快速掃描，有效提升載荷的靈活觀測能力，并通過多衛(wèi)星組網方式，具備更快的應急響應監(jiān)測能力，有效提升我國應急減災能力。