一种天基监视SAR系统参数设计方法

郭子涵 李飞 张岩岩 韩硕

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2101-5640-4215

摘  要：天基监视合成孔径雷达（SAR）在空间信息获取和未来空间雷达发展等方面具有重要意义。针对天基监视SAR的特点，本文以中国空间站为平台，基于运动目标的高分辨率成像和多种约束条件研究天基监视SAR的工作模式，并且提出一种SAR系统参数设计方法。此外，本文通过仿真实验，给出一个天基监视SAR系统参数设计案例。仿真结果验证了本文所提出系统参数设计方法的有效性，其对后续的工程实现和应用具有一定的参考价值。

关键词：天基监视雷达  合成孔径雷达（SAR）  任务分析  系统参数设计

中图分类号：V57          文献标识码：A                   文章编号：1674-098X（2021）03（c）-0005-07

A Design Method of Space-based Surveillance SAR System Parameters

GUO Zihan1，2，3  LI Fei1，2*  ZHANG Yanyan1，2，3  HAN Shuo1，2，3

（1. Aerospace Information Research Institute， Chinese Academy of Sciences， Beijing， 100190 China;                  2. Aerospace Microwave Remote Sensing System Department， Aerospace Information Research Institute， Chinese Academy of Sciences ， Beijing， 100190 China; 3.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing， 100049 China）

Abstract： Space-based surveillance synthetic aperture radar （SAR） is of great significance in space information acquisition and future space radar development. Aiming at the characteristics of space-based surveillance SAR， this paper uses China Space Station as a platform to study the working mode of space-based surveillance SAR based on high-resolution imaging of moving targets and multiple constraints， and proposes a SAR system parameter design method. In addition， this article gives a design case of space-based surveillance SAR system parameters through simulation experiments. The simulation results verify the effectiveness of the system parameter design method proposed in this paper， and it has certain reference value for subsequent engineering implementation and application.

Key Words： Space-based surveillance radar; Synthetic aperture radar （SAR）; Mission analysis; System parameter design

天基雷達（Space-based Radar）以人造卫星等空间飞行器为平台，在太空中执行任务，进而满足现代陆海空遥感一体化以及其他的民用需求，其主要具有空间交会、天基成像和天基监视等三方面的功能。

2020年12月17日，我国嫦娥五号返回器于内蒙古成功着陆，其通过采用空间交会技术与上升器的成功对接等，完成月球采样。天基成像功能通过空间雷达对目标区域的全程观测，实现任务侦查、空间遥感、危险预警等任务;其可以大范围地跟踪监视空域和地面目标，并且不受气候和时间的限制，具有探测能力强的特点。代表卫星包括美国的“长曲棍球”、俄罗斯的“眼睛”，中国的“高分三号”等[1-3]。天基监视雷达包括对地监视模式和空间监视模式，其中较为成熟的对地监视模式主要是对舰船、汽车等交通工具进行运动目标检测和成像，监视并获取信息。虽然空间监视模式目前仍处于襁褓阶段，但是也有美国SBSS，ORS-5，欧空局ESSS计划、加拿大SoS计划和中国伴星一、二号等空间监视任务被不断地被实现。它们主要用于对卫星、空间站、飞行器和空间碎片等进行监视、编目和预警。

目前，在轨的天基跟踪监视手段主要包括有源和无源两种方式。其中，有源方式的代表是天基雷达，无源方式的代表是天基光学传感器。天基雷达因为研发费用昂贵和技术难度大的特点，仍处于研究阶段;而天基光学因其侦测范围广、分辨率高、传输信号损耗小和功耗低等多个优点已经处于试验阶段，和地基监视系统相互协调，成为目前主流的天基监视手段[4]。但是，光学系统容易受到光线和气候等的影响;而雷达系统具有全天时、全天候工作的特点，并且其理论知识完备、发展历史悠久、技术方式多样。因此，天基雷达探测成为空间目标监视探测的重要发展趋势。

本文以中国空间站为雷达平台，基于运动目标高分辨率成像的任务目标和多种约束条件，研究天基监视SAR的工作模式，并且提出了一种SAR系统参数设计方法。此外，本文通过仿真实验，给出了一个天基监视SAR系统参数设计的实例。其结果验证了本文所提出系统参数设计方法的有效性，对后续的工程实现和应用具有一定的参考价值。

1  总体工作模式设计分析

本文天基监视雷达以中国空间站为平台。受限于工作平台的物理属性，雷达无法具备高荷载功率和大尺寸天线，导致雷达的作用距离和成像时间受到影响。这就要求雷达必须能够快速、准确的完成监视目标的信息获取。

本文天基雷达的任务目标是对其他卫星进行监视和高分辨率成像。一般来说卫星的运动特性较为简单，没有太多变轨操作，其运行轨道也较为规律，容易被判断和预估。根据文献[5]，雷达和探测目标之间的距离可用时间的低阶函数进行模拟。但考虑到被监视卫星是非合作目标，存在卫星轨迹抖动和轨道参数误差，致使先验信息不足以提供准确、实时的成像区域和成像时段信息。同时，监视目标体积一般不大，需要对其进行高分辨率成像才能获得详细信息。综上所述，天基监视SAR应该具备：能够根据监视卫星的先验信息，在特定时段对卫星活动区域进行搜索、获取目标运动状态的搜索跟踪功能;根据搜索雷达反馈的目标运动信息，在合适的成像区域和成像时段进行高分辨率成像的功能。

天基监视SAR总体工作模式分析如图1所示，搜索跟蹤雷达根据一定的先验信息搜索目标可能出现的空域，对其进行捕获并跟踪，然后将合适的成像区域和成像时段信息反馈给成像雷达;成像雷达自适应调整波束方向和和俯仰角度，控制波门开启时间以减小数据量，完成高分辨率成像，并把跟踪状态反馈给搜索跟踪雷达，促使其决策下一步动作。

2  成像雷达系统设计

雷达系统的设计核心在于指标体系在各约束条件互相制约下的建立，即基于任务目标、技术限制、物理条件等约束对各项参数进行取舍，以达到最好的工作效果[6]。图2给出了系统总体设计流程图，可以看出系统设计是一个参数不断迭代、取舍的过程。图3给出了系统各参数的数据流图，分析可知，系统设计应基于任务目标、观测性能要求和工程约束条件，对雷达系统和波位参数进行设计，然后分析雷达性能，判断其是否满足要求，不满足则重新设计，循环直至完成。

雷达设计的主要指标有系统频段、工作体制、信号带宽和采样率、天线口径尺寸、功率孔径积、脉冲重复频率（PRF），下面依次对其具体展开分析[7]。

2.1 雷达系统频段分析

天基雷达工作于对地监视模式时，频段设计主要考虑因素有目标对不同频率信号的灵敏度、电离层效应以及大气层、云雨天气等造成的信号衰减损失。一般来说，低频信号（P波段、L波段等）技术实现难度低，受大气、云雨气候的影响较小，输出功率上限较高，适用于小目标探测，但其容易受到电离层效应影响，硬件实现平台也较为笨重;高频信号（X波段、K波段等）在云雨、大气等影响下损失较大[8]。从目前的天线、高频收发组件、大功率微波功放器件的实现等技术可行性来说，波长越短，技术成熟度也越低，这也是工作频率确定的一个重要因素。

本文天基雷达工作于空间监视模式，无需考虑电离层效应和大气、云雨的影响，仅考虑技术实现难度、平台物理条件即可。综合考虑后，本文仿真分析选择K波段。

2.2 雷达体制分析

本文设计目的是通过天基监视雷达对其他卫星进行高分辨率成像，算法分析上可以简化为对高速运动目标进行成像。动目标成像可采用Keystone算法去除距离走动，但高速运动目标会导致多普勒模糊，致使该算法失效。针对这个问题，本文采用文献[9]提出的信号处理方法来解决，进而确定本文雷达系统天线收发体制为一发三收，配置三组接收通道的信号记录和数据处理设备。天线需要发送3个不同频率的单频波，采用多频段系统的同步工作方式[10]。

2.3 信号带宽与采样率

本文雷达系统监视的是空间目标，可根据先验信息选择交会时间和交汇区域，自适应调整俯仰角度。在雷达信号带宽参数设计中，带宽受到目标分辨率和俯仰角的约束：

式中，为距离向分辨率;1.1为Kaiser加权窗展宽系数;B为信号带宽;θ为俯仰角。采样率一般取带宽的1.2倍。

2.4 天线口径尺寸分析

天线距离向尺寸受到SAR观测带宽度和俯仰角约束，存在最大尺寸限制：

式中，R为目标与雷达之间的直线距离，即斜距;Wgrd为观测带宽度。天线在采用有源相控阵体制时，距离向波束角度可扩大，因此天线距离向尺寸Lra实际可以取大于此约束的值[11]。

星载SAR方位向分辨率近似为天线方位向长度的一半。在引入IRW展开因子的条件下，方位向分辨率和天线方位向尺寸的公式为：

对于星载SAR成像，为了避免距离向、方位向出现模糊问题[12]，天线最小面积Amin在条带和扫描模式下应满足：

式中，k为系数，模糊系数代表天线面积下限的冗余度，其大小与成像模糊度成反比关系，k>1;kaz和kra为方位向、距离向加权系数，取0.886;Vs为卫星速度。考虑到光线的实际照射面积变化，天线的设计面积应至少为最小面积的两倍[13]。

2.5 功率孔径积

等效后向散射系数的值等于经过雷达信号处理成像后图像的加信热噪声电平，通常代表图像的噪底[14]。合成孔径雷达的雷达方程如下：

式中：R为斜距;L1为雷达系统损耗;k是玻尔兹曼常数;F1为接收机噪声系数;T0为标准工作温度;Pt为雷达平均功率;G为天线增益;Ti为相参积累时间;σ为目标雷达截面积。天线增益G于天线孔径面积A的关系为;相参积累时间，Vs为雷达运行速度。

功率孔径积是雷达参数设计中十分重要的参数，在数学上表示为雷达功率与天线面积的乘积。由雷达公式变换得到功率孔径平方积公式：

分析可知，功率孔径平方积主要与探测距离、等效后向散射系数、信号波长和卫星运行速度相关。通过衡量任务可接受的等效后向散射系数 （一般取-20dB）得到功率孔径平方积的大小，再根据由方位向分辨率决定的天线方位向尺寸，对雷达功率和天线距离向尺寸进行取舍，得到合适的参数。如图4、图5所示，在等效后向散射系数分别为-18dB、-19dB和-20dB时，得到功率孔径平方积与探测距离的关系;按照探测距离设定为200km时功率孔径平方积的值，根据由方位向分辨率决定的天线方位向尺寸，对雷达功率和天线距离向尺寸进行取舍。

2.6 脉冲重复频率（PRF）设计

在星载SAR系统设计中，合理的脉冲重复频率（PRF）设计能使发射脉冲回波正好落在发射窗口之间，且使干扰回波落在回波接收窗口之外。脉冲重复频率设计根据多普勒带宽、距离模糊度、方位模糊度来得到上下限，再考虑发射脉冲阻挡和星下点回波阻挡两方面限制来绘制斑马图，进而实现波位设计[15-16]。

首先分析方位模糊度和距离模糊度对PRF设计的影响。同时兼顾两种模糊度可得：

式中，Vst为卫星速度，ka、kr分别为方位向、距离向过采样系数，La、Lr为方位向、距离向天线尺寸，R为斜距，θ为俯仰角。

方位向调频率是由卫星运动引起的多普勒频率的变化率，结合方位向天线长度，得到多普勒带宽与方位向天线长度的一般条件：

多普勒带宽决定了信号的采样要求，根据文献[17]，PRF一般取多普勒带宽的1.2～2倍。

图6给出了信号回波时序图。因为发射接收机的物理限制、卫星的高速运动特性和雷达与探测目标之间的远距离影响，信号在经过目标反射后，势必经过多个信号發射周期才能到达接收机。如果不对脉冲重复频率PRF进行设计，将受到杂波干扰，影响成像效果。

因为本文的应用场景是对空间目标成像，所以无需考虑星下点回波遮挡，只需考虑将脉冲信号发射时段和反射信号接受窗口错开。

发射脉冲对PRF的约束可表示为：

式中，fr表示脉冲重复频率，为保护时间;函数Frac（·）和Int（·）分别表示取小数和整数部分。因为采用多频段同步工作体制，所以此处的脉冲宽度τ视为多频段之和。

借助PRF上下限估计值和PRF约束公式（9）、（10）和（11），绘制斑马图，设计波位，分析方位模糊度，完成PRF参数设计。

3  系统仿真分析结果

基于已知参数和多种约束条件，分别对信号带宽、天线口径尺寸、功率孔径积、雷达功率、脉冲重复频率进行仿真分析，得到天基监视SAR系统参数设计的一个实例，分析设计波位的方位模糊度，验证本文提出的系统参数设计流程的有效性。

中国空间站已知参数和技术指标要求见表1～表2。

图7为根据参数分析方法绘制的斑马图，可以看出，在规避发射脉冲阻挡的条件下，斑马图只存在一组干扰曲线。图8是俯仰角在30°～40°范围内设计的8个波位结果。系统设计结果如表3～表4所示，分析可得8个波位的方位模糊度大于-22dB。

通过对信号带宽、距离分辨率、方位分辨率、天线尺寸、雷达功率、模糊度、等效后向散射系数等参数的分析验证，证明该系统设计方法是有效的。设计结果具备科学性合理性，对后续的工程实现和应用具有一定的参考价值。

4  结语

本文针对以中国空间站为平台的天基雷达，基于运动目标的高分辨率成像和多种约束条件，研究了天基监视SAR的工作模式，提出一种SAR系统参数设计方法。通过仿真实验，给出一个天基监视SAR系统参数设计案例，证明系统设计方法的有效性，具有一定工程应用价值。

根据本文对天基监视SAR总体工作模式的研究，搜索跟踪雷达需要提供一定的先验信息，与成像雷达模块互相配合完成监视工作。两者之间相互关系的研究将在后续工作中进行。雷达系统设计还包含有其它未分析的系统参数，作者将基于这点对系统设计方法进行优化。

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