高分三号卫星SAR工作模式与载荷设计

孙吉利 禹卫东 邓云凯

(中国科学院电子学研究所,北京 100190)

高分三号卫星SAR工作模式与载荷设计

孙吉利 禹卫东 邓云凯

(中国科学院电子学研究所,北京 100190)

高分三号(GF-3)卫星为满足多样化的用户需求,其合成孔径雷达(SAR)载荷具有高分辨率、宽覆盖、多极化、多工作模式、高图像质量等特点,设计难度大。文章进行了任务需求分析,确定了SAR载荷总体实现方案,给出了SAR各工作模式的设计。在此基础上,进一步给出了SAR载荷的设计,即采用大规模有源相控阵天线技术,并结合灵活的中央电子设备,使其能够实现复杂工作模式下的高质量成像,满足任务需求。

高分三号卫星;合成孔径雷达;工作模式;载荷设计

1 引言

合成孔径雷达(SAR)是一种主动式的对地观测系统,利用合成孔径原理实现高分辨的微波成像,具备全天时、全天候的对地观测能力[1]。高分三号(GF-3)卫星是一颗SAR卫星,运行于太阳同步晨昏轨道,轨道平均高度为755 km,通过其C频段多极化SAR载荷实现对地观测。GF-3卫星服务于中国海洋、减灾、水利及气象等多个领域,不同行业及业务部门用户提出了多种观测任务需求,对应的图像特性具有非常大的差异,这给SAR工作模式和载荷的设计带来挑战。

本文从分析任务需求着手,阐述了GF-3卫星SAR载荷的总体实现方案,给出了SAR各工作模式的设计,以及SAR载荷的详细设计。

2 SAR载荷的总体方案

为满足各用户的应用需求,GF-3卫星共选取了12种SAR成像模式[2],见表1。从表1中可以看出:不同模式的分辨率从1 m到500 m,相应的幅宽从10 km到650 m,极化方式包括可选单极化(HH或VV)、可选双极化(HH＋HV或者VH＋VV)和全极化(HH＋HV＋VH＋VV),模式之间差异非常大。

表1 GF-3卫星SAR成像模式Table 1 Imaging modes of GF-3 satellite SAR

综合考虑以上因素,SAR载荷采用双极化平板有源相控阵天线方案,天线尺寸为15 m(方位向)×1．232 m(距离向),能进行天线波束的两维快速扫描,通过幅相优化可实现大扫描角下的低天线副瓣;天线沿方位向分为4个面板(A、B、C、D),可通过各面板的加电、断电改变天线方位向孔径尺寸,并有利于卫星发射前天线的折叠压紧;天线的A＋B面板和C＋D面板的接收通路相互独立,两者的水平(H)和垂直(V)极化接收通路相互独立;采用微波组合单元进行不同成像模式下接收机输入射频信号的组合和切换,仅用2个接收采样通道就能实现回波信号的接收采样。

3 工作模式设计

3．1 成像模式

从SAR成像技术的角度,可以把12种成像模式划分为聚束模式、超精细条带模式、全极化条带模式、波成像模式、双极化条带模式和双极化扫描模式6组。其中:全极化条带模式包括全极化条带1模式和全极化条带2模式;双极化条带模式包括精细条带1模式、精细条带2模式、标准条带模式和扩展入射角模式;双极化扫描模式包括窄幅扫描模式、宽幅扫瞄模式和全球观测模式。

1)聚束模式

聚束模式采用滑动聚束技术[3]来提高方位向分辨率,其代价是成像区域不连续。该模式仅使用1/2方位向天线孔径(7．5 m),可以由任意相邻的2个面板组成,即A＋B或B＋C或C＋D,同时其他2块不工作的面板则断电以降低功耗。天线方位向最大扫描角为±1．9°,能够满足方位向10 km区域内1 m分辨率的成像需求。在距离向采用240 MHz的线性调频信号,在20°～50°入射角范围对应的地距分辨率为2．29～0．98 m。

2)超精细条带模式

超精细条带模式采用单发双收技术[4],通过增加方位向空间采样来降低脉冲重复频率(PRF),从而改善距离模糊性能。该模式采用1/2方位向天线孔径,天线B面板和C面板共同用于发射功率信号,天线发射波束展宽1．7倍以匹配接收波束;天线B面板和C面板分别独立接收地面回波信号,形成具有不同相位中心的2个接收波束,从而增加空间采样,降低PRF。在该模式下,2个接收机通道要切换至相同极化下的天线左、右翼,即分别对应天线B、C面板。

3)全极化条带模式

全极化条带模式采用天线全孔径工作,包括全极化条带1模式和全极化条带2模式,2种模式实现上的差别在于观测所采用的系统参数不同,例如天线波束指向和宽度、信号时宽和带宽、成像处理所使用的多视数等,以满足2种模式下不同的图像分辨率和幅宽要求。

全极化条带模式采用极化时分加码分的工作方式[5],见图1。极化时分工作方式交替发射H或V极化功率信号,同时接收H和V极化地面回波,通过收发组合获得准实时的全极化信号。极化码分工作方式是在H和V极化发射信号中采用正交的信号编码,SAR载荷在H和V极化发射信号中采用相反的调频信号调制斜率,H极化采用正调频斜率,V极化采用负调频斜率。极化时分加码分的工作方式,在简化设备的同时,可以有效抑制地面强反射目标导致的交叉极化模糊。

4)波成像模式

波成像模式[6]同样采用极化时分加码分的工作方式实现全极化成像,与全极化条带模式不同的是,它的成像区域是一系列离散的方形区域,这些方形区域可分布在1个或2个入射角范围内,并且沿方位向等间隔分布。波成像模式实质上是对大面积均匀地球表面(通常是海面)的离散采样,这种间歇不连续的观测方式可以大大降低SAR载荷的平均功耗,从而使GF-3卫星在该模式下单次开机可连续工作超过50 min。波成像模式采用与全极化条带1模式相同的天线波束,通过精确控制SAR观测时间和采样时间,实现要求的成像区域面积(通常为5 km×5 km)和方位向间隔(通常为50 km)。

5)双极化条带模式

双极化条带模式包括精细条带1模式、精细条带2模式、标准条带模式和扩展入射角模式,采用常规的条带模式来实现单波束连续成像。这些模式实现上的差异在于观测所采用的系统参数不同,例如天线波束指向和宽度、信号时宽和带宽、成像处理所使用的多视数等,以满足不同模式下的图像分辨率和幅宽要求。扩展入射角模式采用的视角超出其他模式的范围,其目的是能够扩展单颗SAR卫星的观测能力,从而降低重访时间间隔。

6)双极化扫描模式

双极化扫描模式包括窄幅扫描模式、宽幅扫瞄模式和全球观测模式,采用扫描SAR(ScanSAR)[7]成像技术,即通过多个距离子带的顺序扫描来实现大幅宽成像。双极化扫描模式采用与标准条带模式相同的天线波束,每个波束覆盖约130 km的幅宽,考虑到相邻距离子带间的交叠,窄幅扫描模式、宽幅扫瞄模式和全球观测模式分别采用3个、5个和7个相邻距离波束的拼接来实现所要求的成像幅宽。其中:全球观测模式采用非常低的发射占空比(约1.6%),使SAR载荷的平均功耗大大降低,并且通过采用2 MHz的信号带宽使数据率大大降低,因此该模式下单次开机可连续观测超过30 min。

3．2 内定标模式

除了成像模式,SAR载荷还采用多种内定标模式,可在轨监测SAR载荷的部分性能和工作状态。与外定标不同的是,内定标可以在每次成像前、成像后甚至成像过程中进行,能够更加频繁地获取SAR载荷的运行状态。

4 SAR载荷设计

4．1 总体设计

在实现SAR载荷各工作模式设计的基础上,开展SAR载荷的详细设计,表2给出了SAR载荷的主要参数。SAR载荷由SAR天线子系统和中央电子设备子系统组成。在卫星发射前,SAR天线的4个面板通过可展开机构压紧折叠于卫星的两侧。卫星发射入轨后,天线展开至平板状态。在SAR开机成像前,卫星星体要绕X轴(指向飞行方向)转动,使天线法向(卫星本体坐标系Z轴)与卫星指向地心的矢量呈－31．5°(右侧视)或＋31．5°(左侧视)的夹角,如图2所示,这种双侧视能力能够大大降低重访间隔时间。GF-3卫星采用了偏航和俯仰两维联合姿态导引[8]来降低多普勒中心频率。

表2 SAR载荷主要参数Table 2 Key parameters of SAR payload

4．2 SAR天线子系统

SAR天线子系统采用平板有源相控阵[9]技术,天线尺寸为15 m(方位向)×1．232 m(距离向)。天线阵面在方位向分为4个面板,每个面板可分为6列,每列为一个模块,每列由64个距离单元组成,共计1536个发射/接收(T/R)通道。图3给出了SAR天线子系统的电原理框图。

(1)天线配电器。整个天线的供电由2台天线配电器提供,每台配电器为2块天线面板提供大功耗高压母线电源,同时提供各天线面板的DC/DC模块使能信号。

(2)波束控制器。它用于接收中央电子设备的指令,进行指令解释、波控码形成,并将波控码通过数据总线发送至天线各面板,从而控制天线的波束形成和扫描。GF-3卫星SAR所有成像模式共计需要形成左、右侧视各205个距离向天线波束,所有波束的幅度和相位控制码均存储于波束控制器中。波束控制器在轨实时计算天线波束方位向扫描所需要的幅度和相位控制码。

(3)驱动放大器。它对中央电子设备输出的调频信号进行功率放大,以驱动天线阵面。天线阵面的接收信号经驱动放大器中的环形器送至中央电子设备。2台驱动放大器分别驱动接收H极化和V极化天线信号。

发射时,调频信号经射频功率放大器放大后,由功率分配器分为2路,分别驱动对应极化的A、B面板和C、D面板。因此,可采用使能射频功率放大器的方法来选择发射极化,例如发射H极化信号时,仅使能H极化驱动放大器中的射频功率放大器。为提高天线的极化隔离,天线阵面同样需要进行相应的极化使能选择。天线A面板和B面板的相同极化接收信号合成为一路,然后分别分为2路,以实现射频通道冗余。天线C面板和D面板的接收信号采用相同的方式实现通道冗余。

图4给出了单块天线面板的电原理框图。每个天线面板由6个模块组成,射频信号通过3个1分6功率分配器连接到各天线模块,控制和供电信号则通过总线的方式分配至各天线模块。

SAR天线采用了模块化设计,每个天线模块均包含1个波控单元、1个电源单元、8个延时放大器、16个T/R组件、32个双极化辐射单元和3个功率分配器,以及相应的安装板和电缆网。

(1)波控单元接收波束控制器的指令和定时信号,转换后发送至8个延时放大器和T/R组件,从而控制波束的形成和收发切换。

(2)电源单元将高压直流电源转换为模块内其他有源单元工作需要的低压直流电源,并通过电缆网分配至各单元,包括延时放大器、T/R组件和波控单元。

(3)双极化辐射单元采用波导裂缝技术提高极化隔离度和辐射效率,辐射单元行间距的选取可保证天线波束在距离向±20°扫描角下没有明显的栅瓣,能够满足12种成像模式(特别是扩展入射角模式)对天线波束距离向扫描的要求。辐射单元列间距的选取,在聚束模式所要求的±1．9°方位向扫描角下难以满足低栅瓣的严格要求,但可以适当地选取PRF,使模糊区避开栅瓣所在位置,满足方位模糊的性能要求。

(4)2个1∶4功率分配器分别将H和V极化射频信号分配至每个延时放大器,一个1∶32功率分配器用来合成每个T/R组件的定标耦合信号。每个T/R组件包含有4个T/R通道,1个与延时放大器的接口。每个双极化辐射单元具有完全隔离的H极化和V极化馈电端口,分别对应H极化和V极化的1个T/R通道。

4．3 SAR中央电子设备子系统

SAR中央电子设备(见图5)采用备份冗余设计(除内定标器),实现的功能包括:冗余切换控制,加断电控制,工作流程控制,时序控制;发射调频信号产生;接收信号变频、滤波;采样量化,数据压缩,数据打包。

(1)监控定时器。通过卫星平台总线,监控定时器接收卫星平台转发的地面指令,并将SAR载荷的遥测数据发给卫星平台。监控定时器实现SAR载荷各单机的冗余切换、加电断电和定时控制,以及成像流程和参数控制,同时监测中央电子设备的工作状态,天线子系统的工作状态由波束控制器通过数据总线提供给监控定时器。

(2)雷达配电器。它将卫星平台电源母线分配至中央电子设备各单机、波束控制器和驱动放大器,并执行卫星平台和监控定时器的指令,进行加电、断电。考虑到各单机对二次电源的需求种类较多,将DC/DC模块分布在各单机中,而不是集中在雷达配电器中。

(3)基准频率源。它基于高稳晶振产生SAR载荷工作所需要的各种同步时钟。根据监控计算机的时宽、脉宽、斜率和定时指令,调频信号源在轨实时计算产生SAR载荷工作所需要的线性调频信号,经调制、上变频、滤波、放大后送至驱动放大器和内定标器。考虑到调频信号带宽的多样化需求,在调频信号源中采用具有8种带宽的中频滤波器组实现硬件带通滤波。

(4)微波组合。接收自天线的四路射频信号(HAB、HCD、VAB和VCD),由微波组合根据成像工作模式进行选择或合成,形成2路射频信号送至雷达接收机。在H极化超精细条带模式下,选择HAB和HCD输出至雷达接收机;在V极化超精细条带模式下,选择VAB和VCD输出至雷达接收机;在其他模式下,HAB与HCD合成,VAB与VCD合成,合成后的2路信号送至雷达接收机。

(5)雷达接收机。它具有2个接收通道,将接收的射频信号下变频、滤波、放大后的中频信号直接送至数据形成器。雷达接收机可采用手动增益控制(MGC)或自动增益控制(AGC)模式进行增益控制。MGC模式下数据形成器根据地面上发指令,输出固定衰减控制码至雷达接收机;AGC模式下数据形成器在轨实时计算,根据信号幅度自动选择适当的衰减控制码,输出至雷达接收机。雷达接收机中采用与调频信号源相同的中频滤波器组,实现多带宽信号滤波。

(6)数据形成器。它采用中频采样技术[10],采样频率为533．33 MHz,在数字域实现解调和滤波。在小带宽情况下进行数据抽取,以降低输出数据率。数据形成器可实现多种数据压缩方式,包括3 bit BAQ、4 bit BAQ、高4 bit截取及8 bit直通(不压缩)方式,依据监控定时器转发的地面指令进行压缩方式切换。根据成像工作模式和压缩方式不同,数据形成器将压缩后的回波数据与辅助数据按不同格式打包,形成SAR数据包送给数传分系统。在内定标模式下,定标数据不压缩,与辅助数据打包形成SAR数据包。

(7)内定标器。SAR载荷通过内定标器与内定标网络形成内部射频闭环回路,获取内定标数据。内定标器内部包含射频开关、光电转换模块和光延迟线等,可形成延迟或非延迟通路。内定标器与调频信号源、驱动放大器、天线阵面之间有定标接口,通过切换内定标器中的微波开关,可形成多条内定标回路。

5 图像性能

在SAR载荷设计过程中,通过仿真获取了预计的SAR图像性能。在SAR载荷地面测试阶段,基于天线方向图、通道性能等地面实测数据,在卫星发射前对SAR图像性能进行复核复算。GF-3卫星于2016年8月10日从太原卫星发射中心成功发射,于8月15日进行了SAR载荷首次开机成像,随后在轨测试和应用评估逐步开展,于2017年1月正式投入业务化运行。地面仿真的SAR图像部分性能的准确性已通过在轨测试进行了验证,主要SAR图像性能指标见表3,表中所列指标均为相应成像模式的入射角范围内的最差值。方位模糊和距离模糊均基于均匀地物模型计算,通过适当选择天线尺寸并进行波束优化,保证了模糊性能够满足要求。H极化和V极化的射频通路完全分离,实现了高极化隔离度。低噪声系数、高效率辐射单元、高天线增益和高发射功率,共同保证了噪声等效后向散射系数满足要求。

表3 SAR图像指标性能Table 3 Performance indexes of SAR image

6 结束语

GF-3是中国首颗C频段多极化SAR卫星,为满足多用户的应用需求,SAR载荷具有12种成像模式,包含了从高分辨到宽覆盖,从单极化到全极化的成像能力。其多种模式兼容及高图像性能指标要求,给SAR载荷的设计带来了很大挑战。本文通过分析任务需求,确定了SAR载荷总体实现思路,采用多种先进星载SAR成像技术,实现不同性能指标的12种成像模式设计。在此基础上,根据成像模式的需求,进一步确定SAR载荷的详细方案设计。SAR载荷采用大规模有源相控阵天线,以及灵活的中央电子设备,实现12种成像模式下高质量成像,图像各项性能指标经地面仿真及在轨验证,均满足任务要求。目前,GF-3卫星SAR图像产品已在多个领域应用[11-13],首次实现了中国SAR卫星的定量化应用[14]和地面运动目标检测(GMTI)[15],展现出了优异的性能和重要价值。

References)

[1]J C Curlander,R N McDonough．Synthetic aperture radar:system and signal processing[M]．New York:Jone Wiley&Sons,1991

[2]张庆君．高分三号卫星总体设计与关键技术[J]．测绘学报,2017,46(3):269-277 Zhang Qinjun．System design and key technologies of the GF-3 satellite[J]．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(3):269-277(in Chinese)

[3]G Carrara,R S Goodman,R M Majewski．Spotlight synthetic aperture radar[M]．London:Artech House,1995

[4]G Krieger,S Huber,M Villano,et al．SIMO and MIMO system architectures and modes for high-resolution ultrawide-swath SAR imaging[C]//Proceedings of EUSAR 2016:the 11th European Conference on Synthetic Aperture Radar．Frankfurt:EUSAR,2016:1-6

[5]Dai Bowei,Wang Xiaolan,Yang Ruliang．The study of new operation modes for spaceborne polarimetric SAR system[C]//Proceedings of IGARSS 2000．IEEE 2000 International Geoscience and Remote Sensing Symposium．New York:IEEE,2000:2316-2318

[6]S Lehner,J Schulz-Stellenfleth,J B Schttler,et al．Wind and wave measurements using complex ERS-2 wave mode data[J]．IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2000,38(5):2246-2257

[7]R K Moore,J P Claassen,Y H Lin．Scanning spaceborne synthetic aperture radar with integrated radiometer[J]．IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1981,17(3):410-420

[8]H Fiedler,E Boerner,J Mittermayer,et al．Total zero Doppler steering－a new method for minimizing the Doppler centroid[J]．IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2005,2(2):141-145

[9]R C Johnson,H Jasik．Antenna engineering handbook[M]．New York:McGraw-Hill,1984

[10]K C Ho,Y T Chan,R Inkol．A digital quadrature demodulation system[J]．IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1996,32(4):1218-1227

[11]Shao W,Sheng Y,Sun J．Preliminary assessment of wind and wave retrieval from Chinese Gaofen-3 SAR imagery[J]．Sensors,2017,17(8):1705

[12]Pan Z,Liu L,Qiu X,et al．Fast vessel detection in Gaofen-3 SAR images with ultrafine strip-map mode[J]．Sensors,2017,17(7):1578

[13]Jin T,Qiu X,Hu D,et al．Unambiguous imaging of static scenes and moving targets with the first Chinese dual-channel spaceborne SAR sensor[J]．Sensors,2017,17(8):1709

[14]Junjun Yin,Jian Yang,Qingjun Zhang．Assessment of GF-3 polarimetric SAR data for physic scattering mechanism analysis and terrain classification[J]．Sensors,2017,17(12):2785

[15]Chenghao Wang,Guisheng Liao,Qingjun Zhang．First spaceborne SAR-GMTI experimental results for the Chinese Gaofen-3 dual-channel SAR sensor[J]．Sensors,2017,17(11):2683

Design of Working Modes and Payload of SAR for GF-3 Satellite

SUN Jili YU Weidong DENG Yunkai
(Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

Considering the different requirements from multiple users,SAR payload of GF-3 satellite has the characteristics of high resolution,large observing swath,multiple polarization,multiple working mode and high image quality,which bring great challenges to the design of SAR payload．The paper describes the SAR payload for the GF-3 satellite．Based on the requirement analysis,the overall realization scheme is determined and the working mode design is given．Furthermore,the design of SAR payload is described．Using a deployable planar active phased array antenna and the configurable electronics subsystem,the SAR payload has the abilities to obtain high-quality images and meet the requirements of mission．

GF-3 satellite;SAR;working mode;payload design

V474．2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.010

2017-10-30;

2017-11-21

国家重大科技专项工程

孙吉利,男,博士,副研究员,研究方向为星载SAR系统设计。Email:jlsun＠mail．ie．ac．cn。

(编辑:夏光)