薛 蓮, 周 鵬, 張振華, 王 影, 張 晰, 韓倩倩

多模式小衛(wèi)星SAR機(jī)載掛飛試驗(yàn)的飛行路線規(guī)劃與雷達(dá)參數(shù)設(shè)計(jì)

薛 蓮1, 周 鵬1, 張振華2, 王 影2, 張 晰3, 韓倩倩2

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 海洋與空間信息學(xué)院, 山東 青島 266580; 2. 北京遙測技術(shù)研究所, 北京 100076; 3. 自然資源部第一海洋研究所, 山東 青島 266061)

多模式小衛(wèi)星SAR(synthetic aperture radar, 合成孔徑雷達(dá))是一種搭載于小衛(wèi)星平臺(tái)的新體制雷達(dá)系統(tǒng), 它集SAR、散射計(jì)、高度計(jì)、波譜儀4種遙感器的優(yōu)勢于一身。它可以根據(jù)需求分時(shí)實(shí)現(xiàn)幾種工作模式的切換, 可兼顧對海洋目標(biāo)和海洋動(dòng)力環(huán)境的高精度測量。由于衛(wèi)星發(fā)射存在諸多不確定因素, 為了在衛(wèi)星發(fā)射前對多模式小衛(wèi)星SAR進(jìn)行檢驗(yàn), 本文對擬開展的機(jī)載掛飛試驗(yàn)進(jìn)行了介紹。首先, 介紹了擬開展的機(jī)載掛飛試驗(yàn)的等效性原則。接下來, 介紹了各種工作模式試驗(yàn)、SAR/散射計(jì)聯(lián)合反演試驗(yàn)、多視向SAR試驗(yàn)的飛行路線規(guī)劃。之后, 介紹了機(jī)載掛飛試驗(yàn)的雷達(dá)參數(shù)設(shè)計(jì)方法。最后, 給出了各種工作模式的雷達(dá)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果。所設(shè)計(jì)的飛行路線和雷達(dá)參數(shù)可以為機(jī)載掛飛試驗(yàn)服務(wù), 并且實(shí)現(xiàn)了星載技術(shù)指標(biāo)的準(zhǔn)等效驗(yàn)證。通過小衛(wèi)星SAR衛(wèi)星組網(wǎng)可彌補(bǔ)目前SAR衛(wèi)星時(shí)間分辨率低的缺點(diǎn)。

多模式小衛(wèi)星SAR; 機(jī)載掛飛試驗(yàn); 飛行路線規(guī)劃; 雷達(dá)參數(shù)設(shè)計(jì); 衛(wèi)星組網(wǎng)

多模式小衛(wèi)星SAR是一種搭載于小衛(wèi)星平臺(tái)的新型雷達(dá)系統(tǒng)[1-2]。它利用二維相控陣天線波束指向控制靈活的優(yōu)勢, 在星上可以分時(shí)實(shí)現(xiàn)多種SAR成像模式, 以及高度計(jì)、散射計(jì)、波譜儀等海洋動(dòng)力要素探測模式。通過小衛(wèi)星SAR衛(wèi)星組網(wǎng)可解決目前SAR衛(wèi)星時(shí)間分辨率低的不足。多模式小衛(wèi)星SAR具有非常高的靈活性, 既能實(shí)現(xiàn)高精度的目標(biāo)探測, 又能實(shí)現(xiàn)高精度的海洋動(dòng)力要素反演, 具有良好的發(fā)展前景。

在完成SAR衛(wèi)星載荷的地面環(huán)境、振動(dòng)、部件測試等試驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 在衛(wèi)星載荷入軌前開展機(jī)載掛飛試驗(yàn)對衛(wèi)星載荷的功能和性能進(jìn)行準(zhǔn)等效驗(yàn)證為國內(nèi)外通行做法[3]。為完成載荷功能和性能驗(yàn)證, 同時(shí)兼顧成本和效率, 需對機(jī)載試驗(yàn)的飛行路線進(jìn)行合理規(guī)劃。另外, 由于平臺(tái)高度和速度等方面的差異, 星載雷達(dá)的工作參數(shù)并不適用于機(jī)載試驗(yàn), 需對機(jī)載試驗(yàn)中的雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。

針對SAR、高度計(jì)、散射計(jì)、波譜儀四種模式的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法, 國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了很多相關(guān)研究。王睿[4]比較詳細(xì)地介紹了SAR條帶模式的天線長度、PRF(pulse repetition frequency, 脈沖重復(fù)頻率)等參數(shù)的選取方法。張衛(wèi)華等[5]討論了如何在條帶SAR參數(shù)設(shè)計(jì)過程中實(shí)現(xiàn)高分辨率指標(biāo), 給出了星載SAR幾何關(guān)系、PRF等參數(shù)的選取方法。Naderi等[6]介紹了NSCAT星載散射計(jì)的性能指標(biāo)、天線子系統(tǒng)和分辨率的設(shè)計(jì)、風(fēng)場反演精度分析等內(nèi)容。Dong等[7]和Lin等[8]介紹了一種Ku波段扇形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計(jì)的性能指標(biāo)、系統(tǒng)參數(shù)、風(fēng)場反演精度分析等內(nèi)容。楊雙寶[9]介紹了高度計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì), 以及對高度計(jì)信號帶寬、PRF、脈沖寬度、峰值發(fā)射功率等參數(shù)的選擇進(jìn)行了研究, 并進(jìn)行了系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證。儲(chǔ)小青[10]對海浪波譜儀系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了研究, 主要包括入射角、波段、波束寬度、積分時(shí)間等系統(tǒng)參數(shù)的選取方法?？傮w而言, 已有文獻(xiàn)通常只是給出了SAR、散射計(jì)、波譜儀、高度計(jì)的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果, 在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法的論述方面敘述相對較少。

本文針對多模式小衛(wèi)星SAR機(jī)載掛飛試驗(yàn)的飛行線路規(guī)劃與雷達(dá)參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。首先對多模式小衛(wèi)星SAR機(jī)載掛飛試驗(yàn)的等效性原則進(jìn)行了介紹, 接下來介紹了多模式小衛(wèi)星SAR機(jī)載掛飛試驗(yàn)的飛行線路規(guī)劃, 之后對多模式小衛(wèi)星SAR機(jī)載掛飛試驗(yàn)的雷達(dá)參數(shù)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了介紹, 最后給出了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)的結(jié)果。所設(shè)計(jì)的多模式小衛(wèi)星SAR等效掛飛試驗(yàn)的飛行路線規(guī)劃與雷達(dá)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果, 為擬開展的機(jī)載掛飛試驗(yàn)提供了重要基礎(chǔ), 并且實(shí)現(xiàn)了星載技術(shù)指標(biāo)的準(zhǔn)等效驗(yàn)證。

1 多模式小衛(wèi)星SAR機(jī)載掛飛試驗(yàn)的等效性原則

1.1 工作模式對等原則

在多模式小衛(wèi)星SAR中, 設(shè)計(jì)有SAR、波譜儀、散射計(jì)、高度計(jì)四種工作模式。波譜儀模式和高度計(jì)模式工作于小入射角, SAR模式和散射計(jì)模式工作于中等入射角。在小衛(wèi)星SAR平臺(tái)上, 可通過天線指向控制和平臺(tái)姿態(tài)控制相結(jié)合實(shí)現(xiàn)上述4種工作模式。在機(jī)載掛飛試驗(yàn)中, 通過在不同飛行架次上采用不同的天線安裝方式, 同時(shí)利用所搭載的二維相控陣天線子陣, 同樣可應(yīng)用于SAR、波譜儀、散射計(jì)、高度計(jì)4種工作模式, 從而保證了機(jī)載掛飛試驗(yàn)與小衛(wèi)星SAR系統(tǒng)的工作模式對等。圖1展示了機(jī)載掛飛試驗(yàn)過程中幾種工作模式對應(yīng)的波束掃描狀態(tài)。

1.2 組網(wǎng)功能等效原則

在機(jī)載掛飛實(shí)驗(yàn)中, 通過飛行架次和路線的設(shè)計(jì), 以時(shí)間分辨率相當(dāng)?shù)脑瓌t模擬多顆衛(wèi)星工作于SAR、波譜儀、散射計(jì)、高度計(jì)等不同工作模式, 準(zhǔn)同步地獲取同一區(qū)域的目標(biāo)和海洋動(dòng)力參數(shù)信息, 從而保證了機(jī)載掛飛試驗(yàn)方案的組網(wǎng)功能等效。例如: 通過設(shè)計(jì)飛行路線和合理控制天線波束指向, 可在短時(shí)間內(nèi)分別以SAR模式和散射計(jì)模式獲取同一海域的回波數(shù)據(jù), 然后可通過SAR和散射計(jì)的聯(lián)合反演提高風(fēng)場反演精度。再如: 通過設(shè)計(jì)飛行路線, 可在短時(shí)間內(nèi)以SAR模式從不同視向觀測同一海域, 然后可通過處理多視向數(shù)據(jù)降低SAR海浪反演的截?cái)嗖ㄩL效應(yīng)。

圖1 不同模式下機(jī)載掛飛試驗(yàn)波束掃描示意圖

1.3 SAR圖像分辨率相當(dāng)原則

由于平臺(tái)尺寸等方面的限制, 機(jī)載掛飛試驗(yàn)中只使用小衛(wèi)星SAR的一個(gè)天線子陣, 造成小衛(wèi)星SAR和機(jī)載試驗(yàn)的方位分辨率指標(biāo)并不相等。因此, 擬采用“多視處理后方位分辨率相當(dāng)”等原則保證方位分辨率的實(shí)質(zhì)等效, 通過采用相同的信號帶寬保證距離分辨率的實(shí)質(zhì)等效。這里的“多視處理后方位分辨率相當(dāng)”原則是指:

式中,sa和aa分別表示小衛(wèi)星SAR和機(jī)載SAR的方位向天線尺寸,表示方位向多視處理倍數(shù)。

1.4 機(jī)載掛飛試驗(yàn)的等效性總結(jié)

表1從工作模式數(shù)量、衛(wèi)星組網(wǎng)功能、SAR空間分辨率、時(shí)間分辨率、載荷測試項(xiàng)目5個(gè)方面, 對多模式小衛(wèi)星SAR機(jī)載掛飛試驗(yàn)與小衛(wèi)星SAR在軌工作的準(zhǔn)等效性進(jìn)行了說明。

表1 多模式小衛(wèi)星SAR機(jī)載掛飛試驗(yàn)的準(zhǔn)等效性說明列表

2 多模式小衛(wèi)星SAR機(jī)載掛飛試驗(yàn)的飛行路線規(guī)劃

多模式小衛(wèi)星SAR機(jī)載掛飛試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證4種工作模式、SAR空間分辨率指標(biāo)、衛(wèi)星組網(wǎng)功能模擬。需驗(yàn)證的項(xiàng)目較多, 同時(shí)應(yīng)兼顧成本和效率, 因此需對機(jī)載試驗(yàn)的飛行路線進(jìn)行合理規(guī)劃。

多模式小衛(wèi)星SAR采用的是二維相控陣天線, 全陣尺寸為3.75 m′0.75 m, 由5個(gè)子陣構(gòu)成, 距離向和方位向的掃描能力分別為±15°和±10°。高度計(jì)和波譜儀模式均具有小入射角的特點(diǎn), 在安裝天線時(shí)將法線垂直于地面安裝。SAR和散射計(jì)模式均具有中等入射角的特點(diǎn), 在安裝天線時(shí)傾斜45°或60°安裝。對于天線安裝方式相同的工作模式, 為節(jié)約成本、提高效率, 在設(shè)計(jì)飛行架次時(shí)可考慮對不同模式的測試進(jìn)行適當(dāng)合并。

經(jīng)綜合設(shè)計(jì), 飛行試驗(yàn)中規(guī)劃了5個(gè)飛行架次。第1架次為設(shè)備檢飛, 驗(yàn)證設(shè)備工作狀態(tài); 第2架次完成高度計(jì)模式、波譜儀模式的數(shù)據(jù)錄取; 第3架次完成散射計(jì)模式的數(shù)據(jù)錄取; 第4架次完成SAR模式、散射計(jì)模式的數(shù)據(jù)錄取, 為SAR/散射計(jì)聯(lián)合反演等試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支撐; 第5架次完成SAR模式的數(shù)據(jù)錄取, 為多視向SAR等試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支撐。

2.1 高度計(jì)模式和波譜儀模式的飛行路線規(guī)劃

第2架次工作于高度計(jì)模式和波譜儀模式, 將相控陣天線的法線垂直于地面安裝。飛行高度選取3 km。各航段的編號以帶圓圈的數(shù)字表示, 使用①—?航段飛行, 在④—⑤—⑥—⑦—⑧—⑨航段完成高度計(jì)模式和波譜儀模式數(shù)據(jù)的獲取。圖2為第2架次的掛飛航線規(guī)劃。

圖2 第2架次的掛飛航線規(guī)劃

2.2 散射計(jì)模式和SAR/散射計(jì)聯(lián)合反演試驗(yàn)的飛行路線規(guī)劃

圖3 第3架次的掛飛航線規(guī)劃

第4架次工作于SAR模式、散射計(jì)模式, 開展SAR對地和海岸帶成像、SAR/散射計(jì)聯(lián)合反演等試驗(yàn), 將天線安裝角度傾斜60°安裝, 飛行高度選取3 km, 飛行軌跡點(diǎn)沿①—?排布。

圖4為第4架次的掛飛航線規(guī)劃。其中:

①—②航段: SAR對地成像模式。

②—③航段: SAR對地成像模式, 對海岸線成像觀測。

③—④航段: 向海洋深入飛行, 飛行距離>20 km, 并將工作模式切換為散射計(jì)模式。

圖4 第4架次的掛飛航線規(guī)劃

④—⑤航段: 散射計(jì)模式, 實(shí)現(xiàn)外波束的數(shù)據(jù)錄取。

⑤—⑥—⑦—⑧航段: 飛行返回。

⑧—⑨航段: 散射計(jì)模式, 錄取內(nèi)波束的數(shù)據(jù)。

⑩—?航段: SAR正側(cè)視模式。

⑤—?航段: 向陸地方向飛行。

?—?航段: SAR對地成像模式。

2.3 SAR模式和多視向SAR試驗(yàn)的飛行路線規(guī)劃

第5架次工作于SAR模式, 開展SAR對地和海岸帶成像、多視向SAR等試驗(yàn), 將天線安裝角度傾斜60°安裝, 飛行高度選取3 km, 飛行軌跡點(diǎn)沿①—?排布。

圖5為第5架次的掛飛航線規(guī)劃, 其中:

①—②航段: SAR對地成像模式。

②—③航段: SAR對地成像模式, 對海岸線成像觀測。

③—④航段: 向海洋深入飛行, 飛行距離>20 km。

④—⑤航段: SAR正側(cè)視模式, 為多視向SAR試驗(yàn)錄取數(shù)據(jù)。

⑤—⑥航段: SAR正側(cè)視模式, 為多視向SAR試驗(yàn)錄取數(shù)據(jù)。

⑥—⑦航段: 先后為SAR前斜視模式、正側(cè)視模式、后斜視模式, 為多視向SAR試驗(yàn)錄取數(shù)據(jù)。

⑦—④航段: SAR正側(cè)視模式, 為多視向SAR試驗(yàn)錄取數(shù)據(jù)。

⑧—⑨航段: 向陸地方向飛行, SAR對地成像模式。

圖5 第5架次的掛飛航線規(guī)劃

3 多模式小衛(wèi)星SAR機(jī)載掛飛試驗(yàn)的雷達(dá)參數(shù)設(shè)計(jì)方法

3.1 SAR模式的參數(shù)設(shè)計(jì)方法

SAR模式下機(jī)載掛飛實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)需確定測繪帶寬范圍、方位向多視數(shù)、信號帶寬、RF等工作參數(shù)。試驗(yàn)時(shí)天線采用的是小衛(wèi)星SAR的一個(gè)天線子陣, 因此其尺寸和峰值功率為已知值。平臺(tái)高度采用載機(jī)的安全飛行高度, 可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。地距分辨率、方位分辨率采用的是和小衛(wèi)星SAR相同的指標(biāo)值。中心入射角采用機(jī)載SAR常用的60°, 因此入射角范圍可根據(jù)天線距離向的掃描能力確定。脈沖寬度、載波頻率、噪聲系數(shù)等參數(shù)均采用和小衛(wèi)星SAR相同的參數(shù)值。距離模糊比、方位模糊比、系統(tǒng)靈敏度、數(shù)據(jù)率等是SAR系統(tǒng)中的重要指標(biāo), 當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)完成后, 需檢驗(yàn)上述指標(biāo)是否滿足指定要求[11-12]。圖6對SAR模式參數(shù)設(shè)計(jì)的流程進(jìn)行了總結(jié), 其主要步驟如下。

首先, 根據(jù)天線尺寸、波長、入射角范圍、平臺(tái)高度等, 確定近端入射角和遠(yuǎn)端入射角對應(yīng)的測繪帶寬范圍[12]。

第2步, 由式(1)計(jì)算方位向多視數(shù)。

第3步, 確定信號帶寬r下限[1]:

第4步, 確定RF(pulse repetition frequency, 脈沖重復(fù)頻率)的上限和下限[1]。在確定了RF的下限和上限后, 為使回波脈沖的時(shí)間范圍避開發(fā)射脈沖和星下點(diǎn)回波, 需繪制斑馬圖進(jìn)行波位設(shè)計(jì)并對RF進(jìn)行選擇[12]。

第5步, 計(jì)算所需的平均功率av:

式中,t為峰值發(fā)射功率,RI為脈沖重復(fù)時(shí)間,r為脈沖寬度。

第6步, 驗(yàn)證距離模糊比、方位模糊比、系統(tǒng)靈敏度、數(shù)據(jù)率等指標(biāo)是否滿足要求[12]。若不滿足指標(biāo)要求, 需再作調(diào)整。

圖6 SAR模式參數(shù)設(shè)計(jì)流程圖

3.2 高度計(jì)模式的參數(shù)設(shè)計(jì)方法

高度計(jì)模式下機(jī)載掛飛實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)需確定方位向波束寬度、距離向波束寬度、信號帶寬、RF范圍、峰值發(fā)射功率、雷達(dá)足跡大小等工作參數(shù)。測高精度、有效波高測量范圍采用與小衛(wèi)星SAR相同的指標(biāo)值。與SAR模式類似, 方位向天線尺寸、距離向天線尺寸、平臺(tái)高度、載波頻率、脈沖寬度等參數(shù)往往是已知的[13-14]。圖7對高度計(jì)模式參數(shù)設(shè)計(jì)的流程進(jìn)行了總結(jié), 其主要步驟如下:

圖7 高度計(jì)模式參數(shù)設(shè)計(jì)流程圖

第3步, 確定RF的范圍。測高精度的公式可表示為:

式中,g為形成跟蹤門的數(shù)目(一般取g=4),T為系統(tǒng)點(diǎn)目標(biāo)分辨率且有T=0.426/2 (其中為壓縮后的脈沖寬度),s,min為最大均方波高(即: 有效波高測量范圍最大值s,min的四分之一),為獨(dú)立測量數(shù)(即:RF與高度測量平均時(shí)間的乘積)。利用式(4), 可計(jì)算出RF的下限。另外, 為避免出現(xiàn)距離模糊, 應(yīng)滿足:

式中,為平臺(tái)高度。利用式(5), 可計(jì)算出RF的上限。

第4步, 利用雷達(dá)方程計(jì)算峰值發(fā)射功率t。具體的計(jì)算公式為[1]:

第5步, 根據(jù)幾何關(guān)系和波束寬度計(jì)算雷達(dá)足跡大小F[1]。

3.3 散射計(jì)模式的參數(shù)設(shè)計(jì)方法

散射計(jì)模式下機(jī)載掛飛實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)需確定內(nèi)外波束入射角和視角、天線旋轉(zhuǎn)速度、峰值發(fā)射功率、RF范圍等工作參數(shù)。與SAR模式類似, 方位向天線尺寸、距離向天線尺寸、平臺(tái)高度、載波頻率、脈沖寬度等參數(shù)往往是已知的。內(nèi)波束刈幅、外波束刈幅、地距分辨率、方位分辨率的指標(biāo)值, 可根據(jù)機(jī)載平臺(tái)的飛行高度和天線尺寸等估算后進(jìn)行合理設(shè)定。信號帶寬、去調(diào)頻處理后帶寬、回波功率歸一化標(biāo)準(zhǔn)偏差采用與小衛(wèi)星SAR相同的參數(shù)值。圖8對散射計(jì)模式參數(shù)設(shè)計(jì)的流程進(jìn)行了總結(jié), 其主要步驟如下:

第1步, 根據(jù)內(nèi)波束刈幅、外波束刈幅的指標(biāo)值, 確定天線內(nèi)外波束視角和入射角[1]。

第2步, 根據(jù)距離向、方位向的天線尺寸計(jì)算距離向、方位向天線的波束寬度。

第3步, 計(jì)算天線旋轉(zhuǎn)速度的下限min。根據(jù)沿星下點(diǎn)軌跡連續(xù)覆蓋的要求, 可得到[1]:

第4步, 確定RF的范圍。根據(jù)沿掃描方向軌跡連續(xù)覆蓋的要求, 可得到:

類似于SAR模式中的約束關(guān)系, 當(dāng)在RF的上、下限之間挑選具體的RF時(shí), 回波的返回時(shí)間需避開發(fā)射脈沖和星下點(diǎn)回波的返回時(shí)間。

根據(jù)回波功率歸一化標(biāo)準(zhǔn)偏差p與信噪比NR的關(guān)系, 可計(jì)算出所需的NR[12]。

最后, 利用雷達(dá)方程計(jì)算所需的峰值功率[7]。

圖8 散射計(jì)模式參數(shù)設(shè)計(jì)流程圖

3.4 波譜儀模式的參數(shù)設(shè)計(jì)方法

波譜儀模式下機(jī)載掛飛試驗(yàn)的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)需確定入射角、天線轉(zhuǎn)速、信號帶寬、RF、最大掃描半徑、峰值發(fā)射功率等工作參數(shù)。為確定上述工作參數(shù), 距離向天線尺寸、方位向天線尺寸、平臺(tái)高度、平臺(tái)速度、載波頻率、脈沖寬度、信噪比、積分時(shí)間等參數(shù)往往是已知的或給定的[10, 15]。圖9對波譜儀模式參數(shù)設(shè)計(jì)的流程進(jìn)行了總結(jié), 其主要步驟如下:

圖9 波譜儀模式參數(shù)設(shè)計(jì)流程圖

第1步, 確定波束入射角。由準(zhǔn)鏡面散射理論以及考慮到相控陣天線的方位向掃描能力在10°以內(nèi), 因此將入射角確定為0°和10°。

第3步, 確定天線轉(zhuǎn)速。由于只設(shè)置了1個(gè)10°的小入射角波束, 天線轉(zhuǎn)速應(yīng)保證波束覆蓋不出現(xiàn)盲區(qū), 即有:

式中,r為距離向波束足跡寬度。

第4步, 根據(jù)有效波高測量精度要求確定信號帶寬[15]。

第5步, 確定RF。在星載波譜儀中, 確定RF的原則主要是避免距離模糊。在機(jī)載掛飛試驗(yàn)中, 由于飛機(jī)飛行高度低造成距離向波束足印小, 距離模糊的影響基本可以忽略不計(jì)。同SAR模式類似,RF的取值應(yīng)保證明顯大于多普勒帶寬d≈ 2/。

第6步, 根據(jù)波長測量范圍以及信號帶寬等確定距離向平均單元個(gè)數(shù)g,avg:

第7步, 確定方位向積累脈沖數(shù)=RF×int, 式中int為積分時(shí)間[1]。

第8步, 根據(jù)天線波束入射角、視角等, 計(jì)算最大掃描半徑。

第9步, 利用雷達(dá)方程計(jì)算峰值發(fā)射功率t[1]。

最后, 計(jì)算波長測量精度、波向測量精度、后向散射系數(shù)測量精度[10]。

4 設(shè)計(jì)結(jié)果與分析

4.1 SAR模式雷達(dá)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果與分析

按照3.1節(jié)的方法對SAR模式進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)。表2、表3分別給出了SAR模式的技術(shù)指標(biāo)與技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)結(jié)果。

表2 SAR模式參數(shù)設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)

表3 SAR模式的主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果

為進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 在設(shè)計(jì)過程中, 選擇了中心視角和RF分別為(60°, 500 Hz)、(60°, 2 500 Hz)、(50°, 2 000 Hz)、(50°, 500 Hz)的4種組合, 對模糊比、數(shù)據(jù)率、測繪帶等指標(biāo)的理論值進(jìn)行了對比。表4給出了計(jì)算結(jié)果。

為驗(yàn)證分辨率等指標(biāo), 利用所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了含噪情況下的點(diǎn)目標(biāo)成像模擬, 得到了點(diǎn)目標(biāo)的脈沖響應(yīng)函數(shù)(impulse response function, IRF), 并從IRF中進(jìn)行了指標(biāo)提取[16]。圖10和表5分別給出了IRF的仿真結(jié)果和技術(shù)指標(biāo)的提取結(jié)果。

綜合表4中測繪帶、數(shù)據(jù)率、模糊比等指標(biāo)的理論值, 以及表5的指標(biāo)提取值, 最終選擇入射角60°、RF為500 Hz的組合。利用表3中的SAR參數(shù)進(jìn)行面目標(biāo)成像模擬, 圖11給出了面目標(biāo)的原圖和成像結(jié)果。對比原圖和成像結(jié)果圖, 取得了較好的成像效果。

4.2 高度計(jì)模式雷達(dá)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果

按照3.2節(jié)的方法對高度計(jì)模式進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì), 表6給出了高度計(jì)模式的參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果。

表4 SAR模式下不同波位和PRF組合的指標(biāo)理論值

圖10 不同波位和PRF組合的點(diǎn)目標(biāo)方位向脈沖響應(yīng)函數(shù)和距離向脈沖響應(yīng)函數(shù)

表5 從脈沖響應(yīng)函數(shù)中提取的指標(biāo)結(jié)果

圖11 SAR模式面目標(biāo)成像仿真結(jié)果

4.3 散射計(jì)模式雷達(dá)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果

按照3.3節(jié)的方法對散射計(jì)模式進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì), 表7給出了散射計(jì)模式的參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果。

4.4 波譜儀模式雷達(dá)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果與分析

按照3.4節(jié)的方法對波譜儀模式進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì), 表8給出了波譜儀模式的參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果。圖12為波束足跡覆蓋示意圖。從圖中可看出, 利用所設(shè)計(jì)的天線轉(zhuǎn)速, 波束覆蓋沒有盲區(qū)。

表6 高度計(jì)模式的主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果

表7 散射計(jì)模式的主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果

表8 波譜儀模式的主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果

圖12 波譜儀海面波束軌跡示意圖

5 結(jié)論

多模式小衛(wèi)星SAR是一種具備SAR、高度計(jì)、散射計(jì)、波譜儀四種工作模式的新型體制雷達(dá), 通過二維相控陣天線的波束控制因此具有很強(qiáng)的靈活性。同時(shí)目前存在SAR衛(wèi)星時(shí)間分辨率低的問題可以由小衛(wèi)星SAR衛(wèi)星組網(wǎng)來解決。目前國內(nèi)外通行做法是, 在載荷入軌前開展機(jī)載等效掛飛試驗(yàn), 驗(yàn)證衛(wèi)星載荷的功能和性能。本文先介紹了機(jī)載掛飛試驗(yàn)的等效性原則, 又給出了不同工作模式的飛行路線的規(guī)劃, 最后給出了機(jī)載掛飛試驗(yàn)的雷達(dá)參數(shù)設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)的飛行路線和雷達(dá)參數(shù)為機(jī)載掛飛飛行試驗(yàn)提供了重要依據(jù)。

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Flight paths planning and radar parameters design of airborne flight test for multi-mode small satellite SARs

XUE Lian1, ZHOU Peng1, ZHANG Zhen-hua2, WANG Ying2, ZHANG Xi3, HAN Qian-qian2

(1. China University of Petroleum, College of Oceanography and Space Informatics, Qingdao 266580, China; 2. Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China; 3. First Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Qingdao 266061, China)

Multi-mode small satellite SAR (synthetic aperture radar) is a new type of radar which can operate in SAR, altimeter, scatterometer and spectrometer modes in time-sharing manner. It can be used to measure both marine targets and marine dynamic environment with high precision. Because of many uncertain factors in satellite launch, in order to test the multi-mode Small Satellite SAR before satellite launch, this paper introduces the airborne flying test to be carried out. Firstly, the equivalence principle of the airborne flight test is introduced. Next, the flight paths planning of various operation mode tests, SAR/scatterometer joint inversion tests and multi direction SAR tests are introduced. Then, the design method of radar parameters for the airborne flight test is introduced. Finally, the radar parameter design results of various operation modes are given. The designed flight paths and calculated radar parameters provide an important basis for the airborne flight test.It realizes the quasi equivalent verification of spaceborne technical specifications. The shortage of low temporal resolution of SAR satellites can be solved by networking small satellite SARs.

multi-mode small satellite SARs; airborne flight test; flight path planning; radar parameter design; satellite networking

Nov. 6, 2020

TP955

A

1000-3096(2021)05-0062-12

10.11759/hykx20210208003

2020-11-06;

2021-02-08

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC1405600); 山東省自然科學(xué)基金(ZR2019MF004); 國家海洋局海洋遙測工程技術(shù)中心創(chuàng)新青年基金項(xiàng)目(2017003); 自然資源部第一海洋研究所資助項(xiàng)目(N1705037)

[National Key R&D Program of China, No. 2017YFC1405600; Shandong Provincial Natural Science Foundation, No. ZR2019MF004; the Youth Fund of China Marine Telemetry Engineering Research Center, No. 2017003; Project of the First Institute of Oceanography, MNR, No. N1705037]

薛蓮(1995—), 女, 山東青島人, 碩士研究生, 主要從事海洋微波遙感研究, E-mail: z18050027@s.upc.edu.cn; 周鵬(1976—),通信作者, E-mail: zhoupeng@upc.edu.cn

(本文編輯: 叢培秀)