多频段星载SAR系统设计∗

(中国电子科技集团公司第三十八研究所孔径阵列与空间探测重点实验室,安徽合肥230088)

0 引言

合成孔径雷达除具有与可见光、红外等传感器相媲美的高分辨率、连续成像功能外,其特有的全天时、全天候工作以及大面积成像等优点,使其在海洋监测、地形测绘、灾害监测、环境监测等方面具有重要的应用价值。也正是因为这些优点使得SAR受到世界各国政府的高度重视与支持, SAR技术的开发应用得到了快速发展。

从美国发射了第一颗载有L频段SAR的SeaSat-A卫星开始,前苏联、欧洲、德国、加拿大以及日本等国家也相继发射了载有SAR探测器的遥感卫星,如前苏联的S频段ALMAZ-1SAR系统,欧洲空间局(ESA)的C频段ERS-1、ERS-2 SAR、ENVISAT ASAR系统,德国的X频段TerraSAR系统,加拿大的C频段RADARSAT系列,日本的L频段JERS-1 SAR、PALSAR-1/2系统[1-2]。可以看出,国外星载SAR分别采用了X, C,S,L等几个不同的频段,每个频段的观测效果各不相同。所以为了实现对多种目标的有效探测和分类,单星多频段星载SAR是一个重要的发展方向。本文在讨论多频段星载SAR优势的基础上,对多频段星载SAR系统设计中的关键问题进行论述,最后给出设计实例。

1 多频段星载SAR的优势

SAR是一种工作于微波频段的对地遥感传感器,SAR图像的灰度是地物目标后向散射强度的表现形式,其主要与雷达工作波长(频段)、入射角、极化方式以及地物目标复介电常数、地表面粗糙度等有关。一般来说,SAR工作频段高,则SAR图像纹理特征明显,易于获取地物表面细微结构信息;SAR工作频段低,则SAR图像纹理特征不明显[3]。图1是多频段机载SAR系统获得的X/ C/L三频段雷达图像。另一方面,低频段的穿透树叶、土地表面、水面等能力优于高频段。图2是多频段机载SAR系统获得的C/L频段的水库雷达图像,L频段具有一定的穿透能力,可以对浅水区域的水下地形进行观测。另外,高频段相对信号带宽小,容易实现较高的空间分辨率,对于军事目标侦察有优势。

另外对于海洋探测,海面的后向散射可以用Bragg散射模型来描述(入射角30°～85°时,λB=式中,λB为Bragg散射波长,λR为雷达波长,n为共振波级,θ为入射角),当雷达的波长与Bragg波长匹配时,便出现Bragg谐振现象,将会生成强的后向散射回波,不同的波长将对应不同的匹配频段[4]。图3是多频段机载SAR系统的L频段和X频段对海成像结果对比。

通过实际的应用效果分析得出,采用多频段SAR系统会获得更多的目标信息,可以更有效地对多种目标进行分类和识别。

图1 X/C/L频段图像对比及融合图像

图2 C/L频段SAR图像对比

图3 L/X频段对海成像结果对比

2 多频段星载SAR系统的设计

在星载SAR系统设计中,通常根据卫星轨道参数及任务指标要求,对系统参数(如发射功率、天线孔径、极化、脉冲重复频率、脉宽、信号带宽、数据率等)和系统性能指标(如空间分辨率、辐射分辨率、信噪比、辐射精度等)进行优化设计。由于星载SAR系统参数之间存在相互制约关系,需要通过迭代和折中,实现系统性能指标的最优化。

对多频段星载SAR系统来说,由于更多维度系统参数的引入,使得系统设计更复杂,如频段间的互相干扰问题、多个频段的分辨率和观测带相互匹配等问题,所以在设计时,需要将更多因素纳入考虑,下文将重点介绍多频段SAR系统设计的几个关键问题。

2.1 工作体制选择

工作体制选择是SAR系统设计的首要问题。对于多频段星载SAR系统来说,可以分为多频段分时工作和多频段同时工作两种体制。多频段分时工作的优势是对平台需求低,不存在频段间干扰的问题,但无法实现同时获取同一目标的多频段数据,卫星效能大大降低。多频段同时工作可以实现对目标的多频段同时观测,并利用多频段数据融合等方法提高目标识别和分类能力。多频段同时工作又可以分为多频同步工作与非同步工作两种方式。非同步工作方式下,每个频段的波位可以按照常规的星载SAR单独设计,系统工作灵活,但是会出现多个频段之间接收和发射相互干扰的情况,特别是发射脉冲遮挡现象,即一个频段脉冲发射时,另一个频段正好工作在接收窗口的情况,如图4所示。由于发射功率较大会导致接收机被堵塞,无法正常接收回波信号。为了解决这个问题,一种方法是将不同频段的天线分置在卫星的不同位置上,从空间上降低相互的干扰;另一种方法是加滤波器,抑制带外干扰。但无论采用哪种方式,都会大大增加系统复杂度。

图4 非同步工作发射遮挡现象

同步工作方式下,各频段统一设计,多个频段同脉冲重复周期工作,如图5所示,各频段的接收窗避开了各频段的发射遮挡,保证了回波的正常接收。

图5 同步工作时序

这时PRF的选择就要避开多个频段的发射脉冲、星下点回波。约束条件如下:

式中,τp1,τp2为多个频段的发射脉冲宽度,PRT为脉冲重复周期,τpt为脉冲保护时间,Rn和Rf分别为观测带的近端和远端,H为卫星相对地面的高度,τmax为多个频段发射脉冲宽度的最大值,这里取星下点回波宽度为发射脉宽的2倍。

一般不同频段的回波信号较弱,且一个频段的天线、接收通道对其他频段的回波都有一定的抑制能力,所以相互干扰对系统影响较小。只有当几个频段正好是倍频关系时,影响不能完全忽略,需要在接收通道进行适当的滤波。

同步工作方式中的一个特例是同发同收工作模式,如图6所示,可实现对同一目标区的同时观测。该文后面的设计也主要是针对多频段同步工作的方式进行讨论。

图6 同发同收工作时序

2.2 天线的总体设计

天线是星载SAR性能的关键子系统之一。这里主要讨论天线的体制和天线尺寸的选择。

1)天线体制

多频段星载SAR天线采用的体制分为两类:多频段共面拼接体制、多频段共孔径嵌套体制。美国的SIR-C/X-SAR系统如图7所示,具有L,C,X三个波段,其采用3个独立的天线共面拼接的体制,天线总面积达到12 m×4 m,体积庞大,质量超过3 000 kg[5]。

图7 SIR-C/X-SAR天线结构示意图

多频段共孔径嵌套天线是多个频段共用一个物理孔径且某一频段的天线嵌套在其他的频段天线中,如图8所示。一般较高频段的天线尺寸小,嵌套在较低频段的天线中。多频段共孔径嵌套天线能有效减少天线的体积和质量,同时能共享天线阵后面的其他子系统,提高天线的效费比。

图8 多频段共孔径嵌套天线结构示意图

2)天线尺寸

天线尺寸设计是最为重要的设计内容之一,与有效载荷系统的功率孔径积设计直接相关,直接决定了SAR系统灵敏度和图像质量指标。

为满足系统距离向和方位向模糊度要求,天线最小不模糊面积限制[6]为

式中,k=4～8,λ为工作波长,Vst为卫星运行速度,θ为入射角。由式(5)可以看出,天线面积和波长紧密相关。波长越长,所需的天线面积越大。

多频段系统天线口径设计流程如下:首先,根据最低频段的最小不模糊面积,再通过分辨率、测绘带、NESZ等指标限制,初步确定最低频段天线的口径。随后,根据不同频段同PRF工作的条件限制,各频段方位向天线尺寸应该相当的原则,确定其他频段的方位向口径。最后,根据模糊面积限制、观测带宽度等限制条件确定其他频段的距离向口径。另外,天线尺寸的设计还要充分考虑平台体积、重量、功耗包络。

2.3 工作模式

在条带模式下,多频星载SAR的分辨率与单频星载SAR基本没区别。当多频段的方位向天线尺寸一致时,多频段的方位向分辨率也是一致的。距离向分辨率的计算与单频星载SAR一样,后面不进行详细讨论。

在ScanSAR模式下,每个波束指向对应的照射条带称为“子观测带”,简称“子带”,每个子带的宽度都近似等于同条件下条带模式的测绘宽度,整个测绘宽度就扩大到了条带模式SAR的约Ns倍。ScanSAR模式下,合成孔径时间为

式中,v为平台飞行速度,R0为斜距,θa为方位向波束宽度,Lsyn为合成孔径长度,La为天线方位向尺寸,Ns为距离向扫描子带数。由式(6)可以看出,对于不同频段系统来说,在方位向分辨率一致的条件下,在每个子带驻留的时间不同,即每个脉冲驻留数不同。因此,在ScanSAR模式下,存在着两个频段不同步工作的现象。

为解决扫描带来的双频不同步工作的问题,本文提出采用TOPS[7](Terrain Observation by Progressive Scans)工作方式,实现两个频段的同步工作。TOPSAR的工作原理示意图如图9所示。在平台运动过程中,采用较长的子带扫描成像区域,并且让波束在方位向上作从后到前的均匀转动。

图9 TOPSAR工作原理示意图

TOPSAR的方位向分辨率由下式确定:

式中,R0为中心斜距,v为平台运动速度,为天线转速,为方位向分辨率对应的方位积累角。

此外,TOPSAR每个子带驻留时间应满足如下关系:

由式(7)和式(8)可以看出,采用TOP模式,通过灵活配置分辨率和波束扫描速度,在保证分辨率指标的同时,使得两个频段在同一个子带内驻留同样的时间,保证同步工作。

2.4 波位设计

波位设计是星载SAR系统设计的核心内容之一。多频段星载SAR的波位除了考虑要避开星下点回波和发射脉冲遮挡等,还要考虑不同频段的同波位设计问题。

在系统设计中,以最大发射脉冲宽度的频段斑马图作为波位设计约束,计算所有频段的波位信息,仿真各频段载荷性能指标,反复迭代优化性能,直到满足所有频段下的性能指标要求。

3 设计实例

为验证文中论述的多频段星载SAR卫星总体设计方法的有效性,下文给出了一个L/C双频星载SAR系统设计实例。本设计实例参考已公开的美国“海洋观测系统”计划的相关参数,具有一定的参考意义。表1给出了SAR载荷任务指标及图像质量指标要求。

表1 任务指标及图像质量指标

基于上述的指标要求以及上节介绍的系统设计方法进行系统设计。表2给出了系统参数设计结果,图10和图11给出了波位设计的斑马图,为了保证双频段同PRF工作,两个频段波位完全相同。表3和表4给出了波位设计的具体结果。根据最终得到的性能指标,证明该设计实例能够达到预期指标要求,从而证明本文提出的设计方法是合理有效的。

表2 系统参数

图10 条带模式斑马图

图11 TOPSAR模式斑马图

4 结束语

本文介绍和讨论了多频段星载合成孔径雷达的特点及系统设计应重点考虑的问题,给出了多频星载SAR设计的一般思路,并给出了某个多频段星载SAR系统的设计实例,本文对星载SAR系统和总体设计的工程技术人员具有一定的参考作用。

表3 条带模式波位设计具体结果

表4 TOPSAR模式波位设计具体结果

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[7]DE ZAN F,MONTI GUARNIERI A.TOPSAR: Terrain Observation by Progressive Scans[J].IEEE Trans on Geoscience and Remote Sensing,2006,44 (9):2352-2360.