小型合成孔径雷达卫星技术一瞥

星载合成孔径雷达（SAR）能够全天时、全天候地获取地面目标的高分辨率图像，在军事上具有极其重要的应用价值。从合成孔径雷达卫星的发展过程可以看出，合成孔径雷达卫星从开始的单频段、单极化、固定入射角、单工作模式，逐渐向多频段、多极化、多入射角和多工作模式方向发展，天线也经历了固定波束视角、机械扫描、一维电扫描及二维相控阵的发展过程。随着合成孔径雷达卫星的发展，分辨率等技术指标逐渐提高，卫星功能逐渐增强，卫星的质量也逐渐增加，使卫星的研制和发射成本也随之增加，为此，卫星的小型化就成为需要解决的问题。随着技术的进步，元器件的小型化，成像技术的发展，使卫星在保持高性能指标的同时实现小型化成为可能。与大卫星相比，小卫星的战场生存能力和快速反应能力要强得多。从已有的小型合成孔径雷达卫星所发挥的作用来看，其应用的效费比明显提高，研制费用大幅降低，在军事和经济上的应用越来越重要。

1 发展现状

小型合成孔径雷达卫星是微波成像卫星的主要发展方向之一。目前，有代表性的小型合成孔径雷达卫星系统有德国“合成孔径雷达-放大镜”（SAR-Lupe）卫星、以色列“技术合成孔径雷达”（TecSAR）卫星。美国、俄罗斯等传统军事强国也在积极开发和部署小型的合成孔径雷达卫星。

2006年12月发射的“合成孔径雷达-放大镜”卫星是德国第一个军用卫星系统，欧洲第一个军用雷达卫星系统，也是当时世界上质量最小的军用雷达卫星。该卫星虽然很小，质量仅有770kg，但具有的监视能力却非常强。卫星质量的大幅度降低并不意味着指标的大幅度降低，而是技术的进步，元器件的小型化，设备效率的提高和系统方案的优化带来的。“合成孔径雷达-放大镜”卫星从系统的设计开始就充分考虑卫星组网后要对热点地区实现高时效性和高分辨率的监视，其高分辨率关键指标与美国“长曲棍球”（Lacrosse）雷达卫星的分辨率相当，而质量只约为“长曲棍球”卫星的1/20。

以色列“技术合成孔径雷达”项目是一项雷达卫星星上技术验证项目，旨在开发和评估合成孔径雷达卫星获得高分辨率和大面积覆盖所需的技术。该系统采用多种工作模式，在满足质量和体积限制条件下，通过设计新颖的系统和分系统来实现这一目标。“技术合成孔径雷达”卫星的有效载荷能以扫描模式、各种条带模式和若干聚束模式工作。采用不同的模式有不同的分辨率、覆盖面积和处理方法。包括燃料在内“技术合成孔径雷达”卫星总质量只有300kg，其中有效载荷质量约100kg。极轻的质量和极小的体积不仅使卫星具有高敏捷性，而且也会降低发射费用，使得以较低费用在较短时间内发射大量卫星以组成星座和星群成为可能。该卫星于2008年1月发射，是以色列的首颗雷达卫星，也是目前世界质量最小的雷达卫星，其设计寿命为4年，期望寿命可能长达8年。

2 在研卫星

英国天体合成孔径雷达－Lite卫星

俄罗斯目前正在建造阿尔康－2、2M（Arkon－2、2M）2颗新型雷达卫星。阿尔康－2为多功能雷达卫星，可以为联邦航天局和商业客户提供高分辨率和中分辨率的图像，卫星拥有独特的三频段雷达。阿尔康－2M是由拉沃奇金科研生产联合体研制的雷达成像小卫星，卫星质量不到1000kg。阿尔康－2M上载有X、L和P频段合成孔径雷达成像仪和两坐标电子扫描波束相控阵天线。天线的256个收/发组件工作于L频段，84个收/发组件工作于P频段。L频段（波长23cm）可以穿透树叶进行观测，P频段（波长69cm）能探测土壤层下面。分辨率：X频段1～1.5m，L频段3～5m，P频段30m。成像带宽：X频段2～10km，L频段20～100km，P频段100～450km。阿尔康－2卫星原计划2009年发射，现已推迟到2012年发射，目前尚未发射；阿尔康－2M计划2013年发射。

英国萨瑞卫星技术有限公司（SSTL）和阿斯特留姆公司（Astrium）共同研制的低成本、高性能小型合成孔径雷达卫星星座，该星座由天体合成孔径雷达（AstroSAR）－Lite和天体合成孔径雷达－灾害监测（AstroSAR－DMC）组成。其中，天体合成孔径雷达－Lite是军民两用雷达卫星，质量仅为400～500kg，设计寿命5年（目标寿命7年）。采用小倾角轨道，具有多种观测角度，能够多次重访目标，对海上的覆盖带较宽。该卫星有多种不同的运行模式，并可根据实时安全状况快速响应执行一系列的侦察监视任务、生产大量不同类型的侦察监视产品。天体合成孔径雷达－Lite卫星采用聚束模式、条带模式工作。其独特的海洋监视模式可监视900km范围的海域。英国萨瑞卫星技术有限公司研制的新型合成孔径雷达卫星－S（NovaSAR－S）能以等同于一个传统低成本光学对地观测任务的成本，为客户提供天基雷达能力。新型合成孔径雷达卫星－S质量为400kg，卫星预计2013年发射。

英国天体合成孔径雷达－灾害监测卫星

巴西和德国共同研制的“多应用目的合成孔径雷达”（MapSAR）卫星，质量约529kg，设计寿命4年，卫星预计2012年发射。“多应用目的合成孔径雷达”卫星在设计上体现了小型合成孔径雷达的创新，采用模块化设计，星上载有一种轻型、创新性L频段段合成孔径雷达，天线采用椭圆形抛物面反射天线。

3 特点分析

随着器件与合成孔径雷达系统技术的发展，合成孔径雷达卫星的小型化不仅是元器件、材料、结构等的小型化与轻量化，更重要的是可通过优化系统工作模式与系统技术指标来降低卫星的研制难度，从而实现小型化。小型合成孔径雷达卫星的发展具有4个特点。

卫星天线与器件的小型化与轻量化

在雷达卫星的方案设计和研制中，采用轻型天线是降低整个卫星质量，提高卫星性能，降低研制成本的关键。有效载荷天线的选择是影响卫星方案和性能的关键，轻型高效的天线是降低卫星质量的关键。天线主要包括两大类，一类是相控阵天线，另一类是抛物面反射天线。相控阵天线中有代表性的有微带天线和波导裂缝阵天线，一般情况下微带天线的效率较低，但质量要轻一些，而波导裂缝阵天线的效率较微带天线的要高一些，但质量较微带天线要重一些。相控阵天线的最大优点，就是能够用电子方式控制雷达波束，相控阵天线还有助于消除杂波和抗电子干扰。相反，与相控阵天线相比，反射面天线通常质量较轻，造价也较低，特别是可展开的网状抛物面天线质量更是轻得多，“技术合成孔径雷达”卫星的整个网状反射器总质量不到0.5kg。“合成孔径雷达-放大镜”卫星和“技术合成孔径雷达”卫星的天线没有采用当今大多数先进的新型合成孔径雷达卫星所采用的相控阵天线，而是采用了抛物面天线，仅此一项不仅大大减轻了卫星的质量，而且大大节约了系统的研制成本，5颗“合成孔径雷达-放大镜”卫星的总造价才2.5亿欧元。

新型合成孔径雷达卫星－S在轨飞行示意图

高效太阳电池翼和蓄电池

高效太阳电池翼和蓄电池是减少卫星体积，降低卫星质量的另外一项关键技术。卫星巨大的太阳电池翼不仅增大了卫星的质量，而且增大了卫星的惯性矩，使绕滚动轴转动困难。卫星电源是整个卫星工作的主要能量来源。太阳电池技术的最新进展已提高了太阳电池翼的效率，并且降低了其质量，新的电池翼要比现有一代卫星上具有同等输出功率的电池翼更小、更轻。大多数现有近地轨道卫星都采用镍（镍镉或镍氢）蓄电池。锂电池每千克质量能够储存的电量至少是镍电池的2倍。锂电池现在已用到地球同步轨道卫星和意大利的“宇宙-地中海”（COSMOSkyMed）近地轨道雷达卫星上。卫星使用容量足够大的锂电池，使得星载雷达在轨每圈以全功率工作的时间更长。同等输出功率的电池板更小、更轻，可减轻卫星的质量，减小卫星的惯性矩。

优化系统指标技术

根据卫星合理优化系统的指标要求是实现卫星小型化的重要前提之一。“合成孔径雷达-放大镜”卫星在方案选择初期并不追求系统功能的多样性和各种指标的全面提高，而是仅仅围绕系统最终的能力和成本优化系统设计。同时，也不追求所用技术的先进性，而是注重技术的实用性和成本进行设计。在保持单颗卫星的分辨率等关键指标的情况下，放宽了卫星的其他要求，但是从监视效果上看，其所具有的能力并不比几颗“长曲棍球”卫星组网的能力差。“合成孔径雷达-放大镜”卫星可根据需要转动180°，采用左视或右视模式。由此，在卫星监视中极其重要的图像分辨率、时间分辨率和系统反应时间等指标，“合成孔径雷达-放大镜”卫星都得到了很好的实现。另一方面，该系统没有一味地追求成像工作时间等相对次要的指标，大大降低了系统的研制难度和研制成本。该系统的设计充分体现了合成孔径雷达成像的特点，充分利用合成孔径雷达卫星系统多个指标之间的密切关系，突出卫星的关键指标，优化系统设计，追求系统在整体上实现最优，使全系统在太空监视方面具有很高的能力。

优化系统工作模式

以色列“技术合成孔径雷达”卫星成像模式

充分利用合成孔径雷达的原理，优化雷达工作模式和系统参数是使卫星小型化的关键。一般来讲随着分辨率的提高，地面分辨单元的面积减小，所要求的发射功率急剧增加，合成孔径雷达在距离向采用脉冲压缩的原理获得高分辨率，在方位向通过天线合成孔径的原理获得高分辨率，这就使得我们在雷达的发射峰值不太高的情况下，可以采用高占空比信号和长的合成孔径时间获得高的平均发射功率，从而达到高的图像信噪比。合成孔径雷达卫星常用的工作模式有条带模式（Sripmap）、扫描（ScanSAR）模式、聚束（Spotlight）模式和和镶嵌（Mosaic）模式等。聚束模式和镶嵌模式不但克服了分辨率指标和成像幅宽指标的相互制约，而且可充分利用合成孔径雷达的成像原理优化脉冲重复频率（PRF）等参数，获得较长的合成孔径时间。以色列的“技术合成孔径雷达”卫星就充分利用了这一特点。“技术合成孔径雷达”卫星在系统设计方面也有许多自己的独到之处，高占空比信号和长的合成孔径时间就是其系统设计的特点之一。另外，在降低卫星质量的同时还要保持卫星具有较高的效率，“技术合成孔径雷达”卫星在系统设计上的主要措施：一是采用了质量较轻的抛物面天线等器件；二是平台的形状使其绕滚动轴转动的惯性矩小，因而能提供最大的指向敏捷性；三是充分发挥卫星高敏捷性与电子天线波束控制相结合的作用，充分利用在给定地区上空典型的8.5min过顶时间，使卫星能以多种观测模式对地面进行高分辨率大面积覆盖。

4 发展趋势

（1） 进一步小型化成为主要趋势

随着战场环境的变化，大卫星逐步暴露出一些明显的弊端，主要体现于造价高昂、维护不便、应急发射困难、战术保障和快速反应能力有限等等。随着航天技术的发展，特别是轻型天线技术、集成电路技术和固态电子器件技术等的发展大大降低了卫星的质量和体积，使性能高、体积小、质量轻和成本低的小星载合成孔径雷达卫星研制成为可能。

集成电路和固态电子器件降低了中央电子设备的质量和体积，以可展开折叠网状天线技术和轻型相控阵天线技术为主的轻型天线技术发展大大降低了天线的质量，大幅度降低了卫星有效载荷的质量，从而降低了卫星整体和需要携带燃料的质量；另一方面高效率太阳电池技术和蓄电池技术的发展也相对降低了能源系统的质量，小卫星系统及其组网技术的发展改变了卫星的工作及使用模式，缩短了卫星系统有效载荷的工作时间，从而也减小了对能源系统的要求，进一步降低了卫星的质量和体积。

（2）技术指标将进一步提高

高性能指标的图像始终是系统设计和研制的最终目的，高分辨率和大覆盖范围一直是研制部门和用户努力的方向。更高的分辨率意味着更精确的目标分辨和识别能力，更精确的地形数据。近几年来，小型合成孔径雷达卫星的发展非常迅速，各国纷纷开展小型合成孔径雷达卫星项目的研究，追求能够获得尽可能高的分辨率。除了分辨率指标外，其他的图像质量指标也同样重要。卫星图像质量的指标在不断提高，合成孔径雷达图像的目标定位精度越来越高，从合成孔径雷达图像的定位原理讲，合成孔径雷达图像的定位精度可以做到与卫星的轨道精度在同一量级，定位精度与卫星姿态无关，从这一点讲，合成孔径雷达卫星图像的定位精度优于可见光传感器卫星图像的定位精度。随着合成孔径雷达图像在目标识别和民用应用越来越广，对合成孔径雷达图像的定量遥感要求也越来越高，如今对合成孔径雷达图像不仅要求有高空间分辨率，也要求有高辐射精度。

（3）多模式、多极化是未来的主要特征

1978年美国发射的载有合成孔径雷达的海洋卫星－A（Seasat－A）为L频段、固定入射角，单一的HH极化（H为水平极化），现在在轨或正在研制的合成孔径雷达卫星（或其他卫星平台的合成孔径雷达）很少再是固定入射角和单一极化。多模式成像主要有条带、扫描和聚束三种工作模式，扫描工作模式要求波束在距离向的快速扫描，一般采用电扫描的方式来实现。通过改变雷达收发的极化方式，可获得HH、VV、HV和VH（V为垂直极化）不同极化的图像。以色列仅仅300kg的“技术合成孔径雷达”卫星就具有多种工作模式。合成孔径雷达卫星正向着多模式、多极化和可变视角波束，并具有地面运动目标显示和地面高程测量功能方向发展。

美国海洋卫星－A在轨飞行示意图

（4）雷达与可见光卫星的多星组网是主要的使用模式

随着航天技术的不断进步和雷达卫星的小型化，其成本将大幅度下降，雷达卫星与可见光卫星多星组网获取动态信息将成为一种主要的应用模式。雷达卫星的多星组网与可见光卫星配合使用还促进了多时相数据和多源数据的融合技术的发展，使多源数据融合的图像具有单一传感器不具备的综合信息，提供更丰富的目标信息，多时相数据融合能够获得目标区域变化的信息，并能降低噪声等随机干扰对图像的影响，改善图像质量。在“合成孔径雷达-放大镜”卫星发射前，多星组网的卫星是将多颗按独立工作设计的卫星发射上天后配合工作以提高监视的时效性，具有代表性的是美国的锁眼－11（KH－11）和“长曲棍球”卫星。“合成孔径雷达-放大镜”卫星从系统设计开始就充分考虑了多颗卫星组网配合工作，有效地完成监视任务的目标，是一个真正意义上的小卫星组网系统。“合成孔径雷达-放大镜”卫星系统的时间分辨率由5颗卫星组网实现，远高于单颗卫星的时间分辨率，实现了优于0.5m的分辨率。为了缩短卫星的重访周期，通过多颗卫星组网，大大提高了卫星的反应时间。对全球大部分区域的系统反应时间小于8h，卫星之间具备星间链路能力，可以确保地面用户在成像指令发出10h后接收到对全球任一点拍摄的图像数据。

德国“合成孔径雷达-放大镜”在轨工作示意图

（5）分布合成孔径雷达具有发展潜力

采取星座或星队监视方式可有效提高时间分辨率，使得小型合成孔径雷达卫星成为解决时间分辨率的重要途径和手段，小型合成孔径雷达卫星成为各国国防部门重点追求的航天装备之一。小卫星系统及其组网技术的发展改变了卫星的工作及使用模式，缩短了卫星系统有效载荷的工作时间，从而减小了对能源系统的要求，进一步降低了卫星的质量和体积。由于小型合成孔径雷达卫星的研制成本低，增加卫星的数量较为容易，通过小卫星的编队飞行能形成多种观测系统。德国的“合成孔径雷达-放大镜”项目是由5颗小合成孔径雷达卫星组成的专用卫星系统，意大利的“宇宙-地中海”是由4颗小型合成孔径雷达卫星组成的系统。

分布合成孔径雷达并不是简单的卫星组网，它是利用2颗或多颗轨道具有相互关系的卫星配合工作，一颗卫星发射多颗卫星接收，或多颗卫星发射多颗卫星接收，实现单颗卫星不能实现的功能，或获得单颗卫星不能达到的技术指标。如实现干涉合成孔径雷达成像、地面运动目标显示、增加成像带宽、提高合成孔径雷达图像分辨率等。目前，加拿大和德国均已计划发射分布式合成孔径雷达以实现高精度测量。

6 结束语

小型合成孔径雷达卫星具有质量轻、体积小、成本低、性能高、多星组网容易等特点，成为合成孔径雷达卫星的重要发展方向。今后，随着技术的不断提高，新材料、新工艺和新器件的出现，雷达卫星的进一步小型化将是一种趋势；并且随着新器件和新工艺水平的提高，以及新的成像理论的发展和新的成像工作模式的采用，如多通道技术和数字波束形成技术等的采用，卫星性能和指标会进一步提高，功能也会更加强大。小型合成孔径雷达卫星将成为今后合成孔径雷达卫星的一个主要发展方向。