小卫星合成孔径雷达技术探究

刘小平

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥,230088)

0 引言

星载合成孔径雷达（SAR）具有全天时、全天候对地观测的优点，其可穿透一定深度地表和植被，大范围、快速、动态地获取地面目标的观测数据，在国民经济和国防领域广泛应用。随着星载SAR技术的发展，分辨率等指标逐渐提高，系统功能逐渐增强，但卫星重量也在增加，其研制和发射成本随之增加。为了解决这一问题，SAR卫星的小型化成为研究热点。

与大型卫星相比，小卫星具有快速反应能力强、可靠性高、建设周期短、投资风险小等优点。从已有的小卫星SAR所发挥作用来看，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。本文通过对几种小卫星SAR体制的分析比较，提出轻小型平面板式SAR设计方案，并给出实例仿真。

1 小卫星SAR发展现状

小卫星SAR受到世界各航天大国的广泛重视，美国、欧洲、日本等国家和地区都对这一领域开展了相应研究工作。

200 6年，德国发射SAR-Lupe高分辨率SAR卫星，是一颗载有X波段SAR的卫星，最高分辨率达到0.3m。SAR-Lupe由5颗X波段雷达成像卫星组成星座，5颗卫星分布在两极低地球轨道的3个高度500km轨道面上，其中2个轨道平面上有2颗卫星运行，另1个轨道平面上有1颗卫星。5颗卫星的布局将能够实现图像和命令交换，缩短反应时间。

以色列首颗雷达成像侦察卫星TecSAR于2008年发射升空。TecSAR卫星工作在X波段，具有多种成像模式及多种分辨率特性，最高分辨率可达1m。它具有两大特点：一是质量轻，卫星发射重量只有300kg，SAR载荷不到100kg；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。同时，雷达波束具有电子切换方式。这样利用高敏捷性与天线波束电子控制相结合，使卫星能以多种观测模式实现高分辨率、大面积地域覆盖，在每圈轨道上获取更多的图像。

值得一提的还有德国于2007年发射的TerraSAR-X卫星。该系统是基于有源相控阵的先进高分辨率X波段SAR，能以聚束、条带、扫描模式以及多极化方式工作，既可获取高分辨率图像，又具有多极化和宽幅成像，分辨率分别为1m、3m、16m。TerraSAR-X的天线采用波导裂缝形式，与卫星平台共形设计，入轨后无需展开。

此外，在小卫星SAR概念设计方面，国外提出了天线SAR，认为SAR将主要由天线和小部分外围设备组成。2003年，Astrium公司研发出MicroSAR系统。基于MicroSAR技术，提出一种低成本、敏捷星载板式卫星SAR——AstroSAR-Lite。该系统嵌在卫星平台上，卫星机械指向可提供±45°的波束指向调节，获得左右两边的成像能力，从而降低了T/R的要求，控制了成本。

2 小卫星SAR系统设计

小卫星平台对SAR载荷重量、成本控制提出了较高要求，因此小卫星SAR设计不应追求高的性能指标，而要从小型轻量化、模块化、降低复杂度等方面考虑。

2.1 天线体制选择

小卫星SAR可采用以下三种天线体制：

（1）集中馈电的反射面体制

该体制最大优点是反射面天线的面密度较小、质量较轻，但天线效率较低。采用集中馈电方案，需要使用相对集中的固态发射模块，不仅可靠性较低，且多个功率放大器件的级联不利于提升发射效率、成本较高。

（2）有源相控阵体制

相对反射面，有源相控阵的分析综合技术成熟，波束控制较灵活。但其最大缺点是系统设备量大，小卫星平台难以满足载荷的重量要求。

（3）平面板式天线体制

采用轻型平面阵列天线，同时基于高集成度的设计方法，将收发系统、中央电子设备集成为几个模块，有效减轻了载荷重量。通过分布式发射，确保每个单元功率较低，有效降低发射成本。该体制既具有有源相控阵技术成熟、可靠性高、辐射效率高的特点，还具有结构简单、易于实现轻量化的优势。

经过上述分析，本系统设计选择平面板式天线体制。

2.2 系统组成与工作原理设计

SAR系统主要由以下几部分组成：天线、发射机、射频单机、控制与数据形成单机、电源等，如图1所示。

图1 系统组成框图

发射机采用中功率的微波功率模块（MPM）。由于其末级行波管输出功率适中，工作电压不高，相比于传统的行波管发射机工作电压可以降低一半，减小了功率处理和高压绝缘设计的工程实现难度，提高了发射机可靠性。

射频单机包括频率源、数字波形产生和接收通道三个部分。它产生SAR的线性调频发射激励信号，再将激励信号经上变频、滤波，送入发射机进行放大，产生大功率射频信号，送至天线，并辐射到空间。射频单机的接收通道将来自天线的SAR回波信号经滤波、放大、下变频、中频滤波放大、正交解调后，形成基带信号并送至控制与数据形成单机。

控制与数据形成单机将SAR回波基带信号经A/D变换，量化成数字信号并进行压缩；再与来自卫星的星历表数据组成SAR原始数据，进行存储或通过卫星数传下传到地面。该单机的控制电路部分用于监视、控制SAR载荷所有分机的工作，同时提供所有单机的定时、控制信号，产生SAR工作模式的各种波束形成与指向控制信号，并将监控信号传送到卫星测控系统。

3 实例仿真

仿真的主要参数如下：工作频段X，轨道高度500km，入射角范围为20°～50°，拟实现的条带模式分辨率2m，最大观测带宽20km。

天线尺寸设计是星载SAR系统难点之一，它受分辨率、观测带、灵敏度、模糊度指标以及卫星平台体积、重量、功耗等资源的限制。

星载SAR的方位模糊度、距离模糊度是关系图像质量的重要指标。由模糊度限制的最小天线口径面积为：

式中，R为雷达斜距，Vst为卫星速度，λ为雷达波长，θ为入射角。由此得到不同系数k（视误差情况取值）下的最小不模糊天线面积，其随入射角的变化曲线如图2所示。

图2 最小不模糊天线面积仿真

可以看出，在入射角50°下，k＝4时最小天线面积A≥2.8m2，k＝6时最小天线面积为A≥4.2m2。根据小卫星SAR误差情况，天线面积设计为4m2。针对方位向2m分辨率的要求，方位向天线尺寸设计为3.3m，则距离向天线尺寸为1.2m。

SAR图像信噪比与系统灵敏度指标有关。系统灵敏度通常以等效噪声后向散射系数（NEσ0）表示，图像信噪比要求越高，NEσ0值越低：

其中，R为雷达斜距，Fn为系统噪声系数，k为波尔兹曼常数，T为等效噪声温度，Vst为卫星与目标间相对速度，Ls为系统损耗，Pav为系统平均发射功率，λ为雷达工作波长，δrg为地距分辨率，η为天线效率，A为天线面积。

当发射平均功率为800W时，进行波位参数与系统灵敏度指标仿真，其结果如图3所示。可见NEσ0≤-20dB，完全满足成像质量指标要求。

图3 系统灵敏度仿真

由于采用平面板式天线，辐射效率更高，有利于减重和降低电源功耗。若天线采用碳纤维复合材料，重量约为30kg，加上发射机60kg、其它设备30kg，总重量可控制在120kg以内。SAR系统的总功耗小于3000W。

4 结束语

小卫星开发周期短、发射费用低、具有快速响应能力，已成为各国争先研究的热点。本文介绍了小卫星SAR的发展趋势，对几种天线体制进行分析比较。提出轻小型平面板式SAR方案，并在系统设计中采用一些适应小卫星平台的技术手段。最后，给出实例仿真，在一定范围内为此类星载SAR系统设计和参数优化提供了参考。

[1]孙佳.小型合成孔径雷达卫星技术一瞥[J].国际太空,2012,(9): 32-38.

[2]天兵.欧洲首颗雷达侦察成像卫星入轨服役[J].太空探索,2007,(3):38-41.

[3]Naftaly U.TECSAR—Performances,design and status[C].Proceedings of the EUSAR 04,Germany,2004.

[4]廖明声,田馨,赵卿.TerraSAR-X/TanDEM-X 雷达遥感计划及其应用[J].测绘信息与工程,2007,32(2):44-46.

[5]Eves S.Future radar surveillance using small satellites[C].Proceedings of the 5th Responsive Space Conference,USA,2007.

[6]盛磊,葛家龙.快速响应星载SAR载荷技术研究[J].雷达科学与技术,2012,10(5):471-475.

[7]袁孝康.星载合成孔径雷达导论[M].国防工业出版社,2003.

[8]盛磊,刘小平.SAR系统灵敏度对成像质量的影响[J].电子测试,2013,(9).