星载双天线干涉SAR系统总体技术研究

王涛 于海锋 刘杰 张庆君

(1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)(2 哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001)

星载双天线干涉SAR系统总体技术研究

王涛1,2于海锋1刘杰1张庆君1

(1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)(2 哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001)

干涉SAR卫星测绘方式主要有重复轨道多航过干涉SAR、双天线单航过干涉SAR、编队飞行干涉SAR三种方式，其中过双天线单航干涉SAR能够获得较高的干涉测绘效率、较好的高程测量精度。文章针对星载双天线干涉SAR系统开展了轨道高度与高程测绘精度的关系分析、载荷工作机理及高程测量精度分析、天线伸展臂的抖动对干涉性能的影响分析等总体技术研究，并进行了关键技术分析。

干涉SAR；总体技术；卫星；双天线

1 引言

干涉SAR卫星可获取的高精度数字高程模型(DEM)数据，是国家和全球基础空间信息框架的核心数据之一，可广泛应用于国民经济与社会发展的多个行业，是国家重要的基础信息。随着干涉SAR技术的不断发展，干涉雷达信息获得更高层次的应用，并朝着更加实用化的方向发展，必将在国民经济和社会发展中扮演着越来越重要的角色，应用领域在不断拓展[1-4]。

实现干涉SAR的一种方式是星载双天线干涉SAR系统，如美国的航天飞机地形探测雷达(SRTM)计划[5]。SRTM加装了一个60 m的大型桁架式伸展臂和一副天线，航天飞机入轨后展开伸展臂。SRTM获取的陆地DEM覆盖了世界95%的有人居住区域，更新了全球立体地图，分辨率从1 km提高至30 m。SRTM从理论到实践成功地解决了星载干涉测量的相关技术问题，把星载干涉SAR测量技术推向实用阶段。目前，SRTM数据已经成为全球重要的DEM数据源，并且根据数据源网站统计，中国是其数据使用率最高的国家。

实现星载干涉SAR的另外一种方式是采用卫星编队，是将多副SAR天线分别放置在不同的卫星上，通过轨道和构形设计使两颗或多颗卫星保持一定的基线距离和成像视角，并对各卫星在空间的轨道相对位置进行测量和保持。近10年来典型编队飞行干涉SAR系统包括法日合作的轮转式编队(Cartwheel)计划、德国的X频段陆地合成孔径雷达-附加数字高程测量(TanDEM-X)计划等[6-8]。TanDEM-X利用2006年发射的TerraSAR-X卫星和2010年6月发射的陆地雷达-X频段(TanDEM-X)卫星以太阳同步近距离编队飞行，2010年12月，TanDEM-X系统已经完成编队调整，开始进入测绘作业阶段。

本文比较分析了3种干涉SAR卫星测绘方式，重点针对双天线单航过干涉SAR测绘方式，结合星载双天线干涉SAR系统的特点开展了相关总体技术研究，并进行了关键技术分析。

2 星载双天线干涉SAR系统的特点分析

2.1 测绘特点分析

目前实现干涉SAR卫星测绘的方式主要有：重复轨道多航过干涉SAR、编队飞行干涉SAR和双天线单航过干涉SAR，3种干涉SAR卫星测绘方式均有各自优势，其特点如表1所示。通过分析可知，单航过双天线干涉SAR能够获得较高的干涉测绘效率、较好的高程测量精度。

表1 干涉SAR卫星测绘特点

Table 1 Mapping characteristics of InSAR satellite

测绘方式优点缺点重复轨道多航过干涉SAR 卫星和SAR的设计相对简单 ①去相关效应严重(时间去相关、大气损耗去相关); ②基线一般靠事后处理反演获得,精度有限、难以形成稳定的干涉基线; ③干涉测绘效率不高,仍然难以实现业务化运行编队飞行干涉SAR ①单个卫星及SAR的设计相对简单; ②利用多星同步工作获得高时间相干、高空间相干特性的SAR图像对; ③基线能够在一定范围内变化,能够适应不同的干涉测量需求 ①需要较为复杂的卫星编队飞行控制技术、星间同步技术以及星间基线测量等技术; ②系统不能在全轨道周期形成有效基线,干涉效率有限双天线单航过干涉SAR ①景物相关特性好; ②具有稳定的物理基线和全轨道周期干涉成像的条件,干涉效率高 基线测量精度较高、平台控制精度高,卫星规模大而复杂

2.2 卫星总体技术特点

双天线干涉SAR卫星需向两侧各伸出较长的天线支撑臂，且需要满足稳定的物理基线需求，卫星的总体技术特点主要有：

(1)构形布局收纳比高。为了满足整星发射时的收缩包络要求，两侧较长的天线支撑臂需收拢在星体内，且由于载荷的功率需求大，较大面积的太阳电池阵也需要采用折叠的方式压紧在卫星表面；

(2)机构数量多。机构主要包括两副天线的压紧释放与展开机构、天线指向机构、支撑臂阻尼机构、太阳电池翼机械部分和支撑臂释放机构等，较多的机构对系统的可靠性和稳定性提出了更高的要求；

(3)基线测量与控制精度要求高。双天线干涉SAR卫星呈现大结构柔性、大环境扰动、动力学模型不确定性等特点，面向超长展开臂的高精度基线测量和控制是完成双天线干涉成像任务的前提保障。

通过对卫星总体技术特点的分析可知，星载双天线SAR系统的技术难点一方面来自于较长的天线展开臂带来的布局和控制问题，另一方面来自于干涉测量精度对系统的高指标要求，因此，进行总体技术研究的前提与核心是开展轨道高度、载荷工作机理、天线伸展臂抖动等方面与测高精度的关系与影响分析，从而在系统层面对双天线干涉SAR卫星进行设计优化。

3 星载双天线干涉SAR系统总体技术

干涉SAR目的是获取高精度高程数据，因此围绕这一目标来展开影响分析是卫星总体研究的重点和关键。干涉SAR的高程误差受多个因素的影响：主要包括基线长度测量误差ΔhB、基线倾角测量误差Δhα、干涉相位误差Δhφ三个因素引起的高程误差。在不考虑姿态测量误差、定轨误差等其他因素影响的情况下，基线长度测量误差ΔhB、基线倾角测量误差Δhα、干涉相位误差Δhφ三个因素引起的总的高程误差表达式为

(1)

基线与相位既影响测量精度又与工程实现难度相关，要折中考虑。

研究载荷工作机理是开展基线与相位精度分析的前提，可以得出基线与相位的主要影响因子，进而开展影响高程测量精度的关键指标误差分配，提出对基线长度和基线角测量精度的要求；同时，通过载荷工作机理的分析可以指导雷达工作视角等关键系统指标的选取，有效载荷分系统的绝大部分指标都与雷达的工作视角有关系，如地距分辨率、测绘带宽、脉冲重复频率(PRF)的选取、噪声等效后向散射系数(NESZ)、高程测量精度等。

由卫星发射的电磁波是通过电离层和中性大气到达地面的，而地面回波又要通过中性大气和电离层才能到达星载SAR的接收机，电磁波的传播由于介质的作用而减速，所以在测定干涉SAR到地物目标的距离时会发生视伸长、不同的轨道高度将带来不同的延迟影响。从雷达能力的角度考虑，干涉SAR对系统灵敏度的要求较高，在SAR天线发射功率有限的前提下，这就限制了雷达的作用距离不能太远，卫星轨道高度不能太高。同时，轨道高度影响着斜距的大小和工作视角的选择，是高程测量精度的直接影响因素。

双天线干涉SAR系统天线间的空间基线长度由天线伸展臂来保证，由于连接结构之间的热变形、在轨微重力释放、在轨微振动等原因，将引起天线伸展臂的抖动，使天线的阵面产生位移，天线方向图的相位受到振动频率的调制，带来回波幅度和相位畸变，严重影响干涉性能。

综上所述，载荷工作机理、轨道高度和天线伸展臂抖动是影响星载双天线干涉SAR系统高程测量精度的主要因素，下文将针对这3个因素与测高精度的关系进行重点分析。

3.1 载荷工作机理及高程测量精度分析

干涉SAR系统是通过两部SAR从不同视角观测同一目标所引起的相位差来获得目标高程信息的。在干涉SAR系统中，两部SAR位于空间不同位置，其间隔距离称为干涉基线。干涉SAR的几何关系如图1所示。

图1 干涉SAR的几何关系示意图Fig.1 Geometrical relation of InSAR

图中S1和S2为干涉SAR系统的两个天线，其干涉基线长度为B，B┴为垂直于斜距向的基线分量，基线与水平面的夹角α称为基线倾角，T(h)表示高程为h的地面某一散射单元T，H代表轨道高度。两天线以下视角θ0对某一地区进行观测，其中S1作为主天线照射观测区域，两副天线同时接收地面散射的回波信号。利用SAR原理，S1和S2的回波数据可以形成两幅高分辨率图像，每个像素对应于地面上的一个散射单元。

由于两天线S1和S2分置，它们到T(h)的距离不同，分别为R0和R0+ΔR，存在距离差ΔR，该距离差可以非常精确地反映到两幅图像中该象素单元的相位差φ，定义λ为天线辐射电磁波的波长，则ΔR与φ的关系如下。

(2)

由于对相位的测量可以精确到2π范围内，因此对ΔR的测量也可以到波长量级。已知ΔR后，再根据图中的几何关系，可解出高程h。

(3)

(4)

本文对平地的干涉测高精度进行仿真分析，卫星运行于500 km轨道，双天线基线长度140 m，整星采用一发两收干涉模式，相对测高精度和绝对测高精度随视角的变化情况如图2所示。

图2 平地区域的测高精度Fig.2 Measurement precision of flat area

通过仿真分析可知，当入射角小于40°时，平地区域相对测高误差优于2.5 m，绝对测高误差优于7 m。

3.2 轨道高度与高程测绘精度的关系研究

干涉SAR高程测量精度与基高比没有直接的联系，而体现在与斜距、视角和基线长度这三个量的关系上。在给定干涉参数相对测量误差分配条件下分析相对高程误差与轨道高度的关系。图3给出了物理基线长度为140 m时相对高程误差随轨道高度变化的情况。

从图3可以看出，基线长度一定时，轨道越低，高程重建精度越高，当轨道高度为500 km时，25°视角的相对高程误差优于2.2 m，35°视角的相对高程误差优于2.5 m。

3.3 天线伸展臂的抖动对干涉性能的影响分析

天线伸展臂的主要功能是形成干涉SAR系统天线间的空间基线长度，同时在其末端提供天线的安装和支承位置，满足干涉SAR系统测高精度需求，因此对天线伸展臂提出了高的刚度、强度和稳定度的要求[9-10]。

超长伸展臂在空间中呈大型挠性结构，各种扰动会引起伸展臂末端相对于卫星本体的运动，导致天线的位置和指向发生变化，进而影响两副SAR天线图像的相干性或直接引入干涉相位误差，带来高程测量误差。

天线伸展臂的抖动将引起天线的波束指向抖动，导致双天线的波束指向不一致，影响SAR复图像对的相干性。天线伸展臂的侧滚方向弯曲、偏航方向弯曲和俯仰方向扭转对副天线波束指向的影响分别为：距离向波束指向误差、距离向和方位向波束指向误差、方位向波束指向误差。

由于天线的距离向波束宽度较宽，距离向波束指向发生微小变化时对干涉性能的影响较小，通常可忽略。而方位向波束指向失配对干涉性能的影响要比距离向失配高一个数量级，因此主要分析方位向波束指向误差对干涉性能的影响。

1)低频抖动误差

低频抖动的波束指向误差是抖动周期远大于合成孔径时间的慢变化误差。这种波束指向误差引起的频谱偏移造成了复图像对去相干，但不影响干涉相位。

图4给出了相干系数和其对应的干涉相位误差随波束指向抖动幅度的变化曲线。从图4可知相干系数随波束指向误差的变化较显著。

图4 相干系数和其对应的相位误差随抖动幅度的变化Fig.4 Variety of the coherence and phasic error with the shake range

方位向波束指向误差引起的斜视角使得目标点脉冲响应出现旁瓣倾斜，并产生随方位向和距离向变化的线性相位。这使得图像对间微小的失配就将引起很大的干涉相位误差，对系统性能影响显著。实际上可以通过干涉处理时的配准将慢变化波束指向误差的影响减小。

2)高频抖动误差

波束指向的高频抖动将使回波信号产生附加的成对回波，成对回波对复图像对相关系数的影响类似于热噪声，成对回波是图像信号经过幅度加权并在时域和频域平移后得到的，与图像信号存在一定的相关性。两者的相关程度由成对回波相对于主回波的偏移量决定，随着波束抖动频率增高，成对回波在时域和频域均远离主回波，与主回波相关性下降。因此随着抖动频率增大至一定程度后，复图像对相关系数的影响逐渐减小并趋于一个稳定值。

假设天线伸展臂的快速抖动引起的方位向波束指向的抖动幅度为1/20个波束宽度，Ts表示合成孔径时间，Tb为抖动周期，当抖动周期分别为0.1、0.5、1倍的合成孔径时间时，受影响后的复图像对相干系数见图5。

图5 相干系数和其对应的相位误差随方位向波束指向抖动幅度的变化关系Fig.5 Variety relation of the coherence and phasic error with the shake range of the beam pointing

图5(a)和(b)分别给出了相干系数和相位误差随波束指向抖动幅度的变化。从图5可知，方位向波束指向快速抖动对复图像对相干性的影响很小，尤其当抖动频率高于合成孔径时间倒数的2倍后，成对回波完全偏离主回波，因而抖动频率进一步增大对相干性并无显著影响。

4 双天线干涉SAR卫星关键技术分析

4.1 一体化系统集成仿真技术

综合考虑数传、测控、电源、热控等约束，与卫星轨道、构形、载荷、控制及各个分系统的方案设计开展反复迭代与优化研究，该系统的能力包络、验证系统指标提升的匹配性、合理性、可行性，是双天线干涉SAR卫星需要重点解决的问题。其中，尤其星地一体化指标是影响成像和测高性能等与用户应用直接相关的技术指标，它是由天地各系统(包括卫星系统、地面接收系统、地面处理系统等)相关指标所决定和影响的。各因素间相互影响、相互耦合，必须定量化分析出天地各系统指标对最终的成像和测绘的影响。

为了验证系统指标的合理可行性，需要研究集系统参数设计和分析、回波仿真、成像处理、图像指标评估和高程反演等功能于一体的系统仿真技术。高精度地仿真天地各系统对干涉SAR回波的影响，定量化评估系统性能对干涉SAR应用效果的影响。

4.2 超长展开臂的在轨高精度、高稳定度控制技术

在星载双天线干涉SAR系统中，为了满足测高精度的要求，两副天线的基线长度需要几十米甚至上百米，在测绘工作模式下，干涉SAR卫星在轨受到执行机构扰动、液体晃动耦合、太阳翼挠性耦合、温度变化、外界气动干扰、控制系统耦合等一系列外界因素的作用下，超长天线支撑臂可能产生特定幅值的静态与动态变形，从而影响干涉天线的相对位置关系及测绘精度，这给卫星姿态控制和结构振动抑制带来了极大的挑战。

同时，如何在地面仿真中准确预示天线支撑臂的动态变形量级、如何在多扰动因素耦合条件下实现卫星姿态的高精度控制以及对支撑臂动态变形的振动抑制，是双天线干涉SAR卫星研制中需要突破的重要难点，也是干涉SAR卫星实现高精度测绘目标的核心保障。

4.3 双通道幅相误差测量与补偿技术

在轨干涉SAR卫星在传统SAR的基础之上，利用两幅SAR图像的相干性得到干涉相位，将SAR的测量拓展到三维空间。它以不同视角对地面同一区域进行两次观测，通过干涉处理获得地面的精确数字高程图，干涉成像的系统结构模型决定了其受空间环境的影响比较大，工作过程中产生的误差来源较多。同时，双接收通道传输路径造成通道间的信噪比不同，补偿由于连接长电缆的损耗带来的通道间幅度的不一致性，是系统误差测量补偿的难点之一。因此，对于这些系统误差的测量与补偿即为技术的关键所在。

5 结束语

本文针对星载双天线SAR系统的测绘特点和总体技术特点进行了分析，开展了轨道高度与高程测绘精度的关系研究、载荷工作机理及高程测量精度分析、天线伸展臂的抖动对干涉性能的影响分析，最后进行了星载双天线干涉SAR系统关键技术分析。通过仿真结果可知，当卫星轨道高度为500 km、基线长度为140 m时，25°视角的相对高程误差优于2.2 m，35°视角的相对高程误差优于2.5 m；在一发两收干涉模式下，当入射角小于40°时，平地区域相对测高误差优于2.5 m，绝对测高误差优于7 m。本文研究结果对轨道选择、载荷工作模式选择及任务设计、总体指标分解等总体技术的进一步研究提供了参考，对双天线干涉SAR卫星的工程实现亦具有参考作用。

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(编辑：张小琳)

2016年度《航天器工程》审稿专家名单

《航天器工程》审稿专家以深厚的学术造诣、丰富的工程经验、严慎细实的作风、客观公正的态度和高度负责的精神，在专审工作中严格审阅、中肯评价，为刊载论文学术水平的进一步提高，为期刊权威性、公信力、影响力和美誉度的不断提升，作出了重要贡献。《航天器工程》编辑部向审稿专家表示衷心的感谢和崇高的敬意！

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果琳丽 韩国经 郝修来 胡金刚 胡其正 黄江川 贾 阳

姜林山 经姚翔 李 珂 李 梁 李 林 李 杨 梁 杰

刘 宁 刘绍奎 刘思远 刘志全 马世俊 倪茂林 宁献文

潘增富 庞世伟 彭成荣 曲广吉 邵兴国 史伟哲 谭维炽

汤恩生 唐治华 田百义 田科丰 王海红 王 浩 王家胜

王 劼 王劲榕 王九龙 王庆成 王同桓 王 翔 王晓耕

吴国庭 谢 军 徐 鹏 雪亚林 鄢婉娟 杨 慧 杨维廉

叶云裳 袁仕耿 张 熇 张加迅 张立华 张 猛 张庆祥

张润宁 张云彤 张照炎 赵海涛 赵和平 赵会光 赵坚成

钟 奇 周傲松 周 静 周胜利 周文艳 朱毅麟

System Technologies of Spaceborne Dual-antenna InSAR

WANG Tao1,2YU Haifeng1LIU Jie1ZHANG Qingjun1

(1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)(2 Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

According to mapping ways the InSAR satellites include repeated orbit InSAR, dual-antenna InSAR and distributed InSAR. The way of dual-antenna InSAR can achieve higher interferometry mapping efficiency. This paper focuses on spaceborne dual-antenna InSAR, researching the system technologies, such as the relationship between the height of orbit and the altitude mapping precision, the payload operation mechanism and altitude mapping precision, and the impact on interferometry performance by the jitter of the antenna arm. Then it analyzes the key technologies of the spaceborne dual-antenna InSAR.

InSAR；system technologies；satellite；dual antenna

2016-10-31；

2016-11-18

王涛，男，工程师，从事卫星微波遥感卫星总体设计工作。Email：terry1860@126.com。

TN959.6

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.002