基于反射面天线的高分辨率星载SAR技术研究

谭小敏 党红杏 刘昕 孙嘉 高阳 杨娟娟 安建平

(1 北京理工大学 信息与电子工程学院，北京 100081)(2 中国空间技术研究院西安分院，西安 710100)

合成孔径雷达(SAR)通过发射大带宽信号实现距离向高分辨率，通过长合成孔径实现方位高分辨率[1-2]，具备全天时、全天候成像能力，空间分辨率是其最为核心的性能指标，直接反映了雷达系统对目标电磁散射特性的表征信息，在地形测绘和防灾减灾等方面具有重要的应用价值。21世纪以来，随着SAR技术的不断发展和应用的逐步深入，对于高分辨率和宽测绘带的需求愈来愈迫切，因此，研究高分宽幅SAR技术的实现途径具有重要意义[3-4]。当分辨率和观测带宽都要求较高时，对雷达系统功率孔径积的要求会大幅提升，其实现难度也随之增加。

纵观世界各国，美国的长曲棍球(Lacrosse)卫星是世界首次实现0.3 m分辨率的星载SAR；作为更新换代产品的未来成像体制-雷达(FIA-Radar)卫星，其分辨率优于0.3 m，均采用大型反射面天线。德国的陆地合成孔径雷达(TerraSAR)卫星获得了0.24 m的方位向分辨率，美国的卡佩拉(Capella)卫星获得了0.25 m的方位向分辨率，我国也在发展更高分辨率的星载SAR。高分宽幅的星载SAR已经成为星载SAR的主流发展方向之一。

制约高分辨率星载SAR实现的因素，主要是随着发射信号带宽的增大及合成孔径长度的增加，雷达系统设计与实现难度也增大，主要表现在：①系统发射的超宽带信号的实现对高速数字器件提出了更高的要求，为了降低要求，可采用多子带拼接方式缓解大带宽信号发射与接收压力[5]，方位向通过大扫描角滑动聚束模式增加合成孔径时间，提高方位向分辨率；②系统实现对波束指向控制的精度和稳定度也提出了较高的要求。

本文针对高分辨率星载SAR的实现难点，提出基于反射面天线的SAR系统，反射面天线易于实现高增益，在高分辨率实现时具有一定的优势；同时，利用多波束技术在高分辨率和宽测绘带之间获得折衷和平衡。针对宽带发射的难题，提出多子带合成宽带发射的方法实现距离向高分辨率，并通过机载实测数据进行验证。

1 星载SAR高分辨率设计

1.1 距离向高分辨率

SAR通过发射线性调频信号获得高分辨率，随着分辨率的提高，发射信号带宽要求随之提高，例如，分辨率达到0.2 m以上，发射信号带宽要求2 GHz以上，如此大带宽信号的产生、发射、接收、采集均面临诸多技术和方法上的难题，且对系统硬件提出了极高的要求，尤其受到宽带模数转换(DAC)、高速模数转换(ADC)器件性能及等级的限制，因此，直接产生全带宽的信号难度极大。为降低系统实现难度，可将大带宽信号分为若干个步进调频信号，并采用中频直读的方法产生，再上变频至所需要的射频，通过天线发射并接收目标回波信号，在中频进行采样后利用信号处理实现大带宽的拼接，获得距离向高分辨率。该方法的优势在于降低了系统瞬时带宽和采样率要求，有效解决了星载SAR系统超宽带信号产生与收发的技术难题。

以3个线性调频子脉冲为例，说明实现超宽带信号的原理，如图1所示。图1(a)为中频滤波后连续输出的3个带宽为B、脉宽为T的子脉冲，3个子脉冲的频带范围都是[f0-B/2,f0+B/2]，其中，f0为发射中频中心频率；将3个子脉冲分别调制到fc1，fc2，fc3这3个载频上，且fc3-fc2=fc2-fc1≈B。至此，输出的信号就是带宽为3B的超宽带线性调频脉冲，如图1(b)所示。图1(c)为单子带脉压和3个子带合成后脉压结果，可见，合成后的信号距离向分辨率得到明显提升，与理想超宽带线性调频信号在主瓣宽度、旁瓣电平方面相当。

图1 超宽带信号产生及实现原理

在实际系统实现时，由于会存在各种子带间的误差，这些误差会影响到大带宽合成的效果和匹配滤波的性能。为此，系统上设计多通道内定标功能，在成像时能够按照实际的时序获得不同子带的定标信号，计算得到不同子带之间的幅相误差，完成多子带间的误差标定及校准，在子带带宽设计时，结合信噪比损失考虑子带间一定比例的频谱重叠，用于提高相位误差获取的精度。另外，在高分辨率星载SAR成像处理时，需要考虑子脉冲之间的斜距差异，以及卫星平台运动引入的误差。

1.2 方位向高分辨率

方位向高分辨率通过大转动角滑动聚束模式实现。滑动聚束模式与凝视聚束模式不同，其虚拟旋转中心点远离测绘带，位于地球内部，通过控制天线波束在地面的移动行进速度增加合成孔径时间，并由此提高方位向分辨率。一方面，当波束地面移动速度介于零与雷达平台速度之间时，滑动聚束模式的方位向合成孔径累计时间大于条带模式，因此其方位向的分辨率优于条带模式[6]；另一方面，在天线扫描过程中，波束的地面足迹仍具有一定的前进速度，所以其方位向滑动扫描宽度大于聚束模式下的方位向观测宽度。滑动聚束模式可以在高分辨率和大成像区域之间获得较好的折衷，图2给出了滑动聚束模式成像几何关系示意。

图2 星载SAR滑动聚束模式成像几何关系示意

在滑动聚束模式下，天线波束足迹前进速度Vg小于卫星平台的前向速度Vs，滑动聚束SAR的滑动因子定义为

(1)

由于方位向滑动扫描宽度远小于参考斜距，因此滑动因子A在观测范围内随斜距的变化可忽略不计，Vg在整个观测范围带内近似恒定，滑动因子A取其在中心斜距处的值即可。滑动聚束SAR模式下的分辨率最终改善程度由其滑动因子A决定[7]。

设天线的方位向波束宽度θa，滑动聚束模式达到相应的方位向分辨率和场景方位向幅宽时，方位向最大斜视角Ψa满足式(2)[7]。

(2)

通过式(2)，即可在已知方位向天线波束宽度θa及星下点视角α的前提下求解出Ψa，其表达式为

(3)

目前，国内外许多高分辨率星载SAR系统都实现了滑动聚束模式，获得了方位向高分辨率。该模式对于反射面天线而言，需要利用卫星平台或伺服系统获得大的转角，因此对天线波束控制的准确度和稳定度提出了较高的要求。通过基于虚拟点旋转的3维卫星平台或天线伺服控制策略及方法，可以实现大角度滑动聚束所需要的姿态曲线，从而保证方位向信号的有效合成，实现方位向高分辨率。

2 反射面天线SAR系统技术

星载SAR系统的天线形式多样，包括平面相控阵天线和反射面天线，反射面天线又包括固态反射面天线、伞状抛物面天线、构架抛物面天线、环形抛物面天线等。一般，需要根据任务特点、卫星平台能力、SAR系统功能等因素综合考虑，选择合适的天线形式。对于高分辨率星载SAR，要求天线具备高增益、低旁瓣，以保证成像性能。

考虑到反射面天线扫描范围小，采用卫星平台与反射面天线固连，利用卫星平台机动带动天线波束扫描的方式实现高分辨率所需要的大转动角。这种方式最大的好处是扫描连续，易于实现大视角连续观测；同时，在成像过程中保证天线具有恒定的峰值增益和图像质量的稳定。另外，可利用卫星平台左右侧摆实现双侧视成像。图3为轻量化、高型面精度反射面天线。

在卫星平台带动天线转动的过程中，要求SAR天线引入的转动惯量足够小，且天线波束具备高指向精度和稳定性。由于高分辨率要求天线口径大，必须考虑天线的轻量化设计，因此，一般SAR天线反射器采用柔性网面形式，利用其低的面密度实现天线的轻量化，进而降低转动惯量。同时，需要利用热稳定性较好的材料，以保证高的型面精度，从而保证天线性能。

本文设计一种反射面天线及大功率合成的高分辨率星载SAR系统实现方案，SAR系统由数据处理单元、大功率发射通道、反射面天线、接收通道、频率综合器及内定标网络6个部分组成(如图4所示)。其中：内定标单元用于对获得成像处理所需要的幅相误差传递函数；大功率发射通道完成大功率合成。

注：TWTA为行波管放大器。

数据处理单元实现线性调频信号生成、整机定时、数据采集等功能；大功率发射通道包括发射机、合成网络、TWTA组等，最终将大功率信号通过环形器输入至对应的馈源；SAR反射面天线包括馈源阵列及大型伞状反射器，实现电磁波发射及回波接收；接收通道实现对天线接收回波信号的下变频、中频放大、增益控制等功能。内定标网络通过耦合器组、内定标单元等实现对多通道SAR系统幅相误差标定，保证图像质量。

反射面体制SAR采用集中发射的方式，功率放大器可选择固态放大器或TWTA[8]，在实现高分辨率时，雷达系统需要大功率、超宽带信号，且工作在较高频率，考虑行波管本身具有宽带特性，且效率相对较高，优先选用TWTA，其由行波管和脉冲电源组成，原理框图如图5所示。行波管属于真空器件，其基本原理是通过慢波系统把电子注能量转化为微波能量，获得大功率；脉冲电源产生行波管需要的各级高压、脉冲调制信号等；二者通过高压电缆互联，最终获得大功率的脉冲信号。近些年，随着元器件及工艺水平的不断发展，为空间脉冲TWTA技术奠定了技术基础，可用于高分辨率星载SAR。

图5 TWTA组成

由于单台放大器难以产生高分辨率SAR所需要的上万瓦的功率，因此无论采用哪种放大器，一般均需要进行功率合成。功率合成时可采取基于巴特勒(Butler)矩阵等[9]形式的微波组件进行功率合成，并根据需要灵活选择对应的输出端口。

2.1 距离向多波束技术

利用馈源阵列的伞状反射面天线体制，可实现发射宽波束覆盖所需要的测绘带宽，利用俯仰向窄波束扫描接收，在获得高接收增益[10]的同时获得宽测绘带，该方案称为扫描SAR(Sweep-SAR)，其实现的基本原理如图6所示。

图6 Sweep-SAR实现原理

同时实现高分辨率和宽测绘带，会导致星载SAR系统实现难度的增加，主要表现在利用传统的距离向采样时仅需要1个通道，采用距离向多波束技术要多个馈源同时发射脉冲，而回波被N个通道独立接收，对应的信噪比由于发射波束展宽被降低为1/N倍，瞬时视场由于展宽的波束宽度相应增加了N倍，雷达方程可以表示为

(4)

式中：σNESZ为等效噪声后向散射系数；R(θ)和η分别为斜距和入射角，其中，θ为波束指向角；k为玻耳兹曼常数；T为噪声温度；Bw为噪声带宽；F为噪声系数；L为系统损耗；Pav为宽波束发射信号的平均功率；GT和GR分别为宽波束发射和接收的天线增益；λ为波长；c为光速。

可见，相对于单馈源，其增益下降了N倍，但是相对于宽波束发射、宽波束接收，其增益增大了N倍。Sweep-SAR系统工作示意如图7所示。

注：LNA为低噪声放大器。

由于不同馈源对应的波束指向不同的距离向测绘带位置，在具体实现时可通过切换接收通道实现全测绘带的覆盖。但是，由于边缘馈源距离反射面天线焦点较远，其方向图会存在一定的畸变，造成主瓣扩展和旁瓣增高的现象。这种现象会影响到距离向模糊度等系统性能指标[11]。同时，由于各个波束指向不同，其波束重叠部分的相邻波束增益都较低，直接进行加权处理不仅会引起辐射增益产生周期调制，还会导致接收信噪比和系统灵敏度的严重下降。因此，具体实现时需要应用适于Sweep模式的多波束处理技术，保证扫描接收的同时获得更高的相对稳定的回波接收增益[12-15]。

仿真发射波束与接收波束的方向图如图8所示。实线为发射波束的方向图，虚线为不同馈电单元对应的接收波束方向图。

图8 天线方向图

SAR系统可利用俯仰向多通道接收回波信号，并通过选择合适的加权处理获得期望的波束宽度，最大化天线增益等效于最大化接收信噪比(SNR)，这样，最终的输出加权信号可以通过式(5)计算获得。

(5)

式中：Sout为接收合成后的输出信号；t为时间序列；ωn为加权因子，n=1，…，N；Sin，n为接收到的各路信号。

对式(5)进行最优化求解，可获得最大的信噪比。

基于馈源阵列的反射面天线SAR通过距离向多波束技术，可以利用较小的代价实现高分宽幅所需要的功率孔径。该技术在地面和机载已经获得了验证，尚未在轨应用，研究的重点在于雷达系统设计与信号处理性能之间的迭代和边界确定，也就是结合系统复杂度及自适应的波束加权因子优化，可以采用线性约束最小方差波束形成等方法，在获得天线增益最大化的同时，通过空域滤波方法抑制距离向模糊回波，从而获得最优的SNR和模糊度，无论是否在星上进行实时处理，都需要修正多个通道之间的误差。

2.2 变脉冲重复间隔(PRI)

高分宽幅时要进行PRI获得回波的有效接收，这就需要系统能够自适应进行PRI的调整，其调整精度会影响到成像结果。

与一般分辨率的星载SAR相比，高分辨率SAR具有大合成孔径角及长合成孔径时间，在成像过程中星地几何关系变化较大，造成场景回波具有超大距离向徙动。而高精度定时的PRI时序设计，使得接收窗的移动能够与回波的徙动特性相匹配，保证对回波的完整接收。此外，对于大幅宽观测需要连续变PRI时序设计保证接收回波的完整性。

变PRI对雷达系统设计提出了诸多约束[16]，如PRI产生的精度、最小间隔的设计及变PRI时系统相位的稳定性，按照以下规则进行设计：假设TPRI,0为脉冲重复间隔初始值，那么TPRI,m=TPRI,m-1-Δτ，其中，m=1，…，M-1，M为变PRI总次数，Δτ为变化时间步进。

需要考虑的约束如下。

(6)

(7)

变PRI的主要限制因素是使得脉冲丢失的比例足够小，因为在变方位PRI时，回波窗位置随斜距的变化沿方位向变化，受发射干扰和星下点回波干扰影响，部分PRI段末尾的回波在下一恒定PRI段回来时不能被有效接收，导致目标脉冲丢失。脉冲丢失会导致旁瓣电平抬高，导致峰值旁瓣比(PSLR)和积分旁瓣比(ISLR)性能存在一定下降。如果在孔径边缘丢失脉冲，则直接影响分辨率。图9分析了在靠近合成孔径中心丢失脉冲占比及其对性能影响。可以看出：若将脉冲丢失的比例控制在合适范围内，可以保证SAR系统的成像性能。

图9 脉冲丢失对成像性能的影响

聚束及滑动聚束模式中，随着斜视角的增加，会导致分辨率和幅宽降低，以及合成孔径时间和距离向徙动增加。由于距离向徙动的影响，某些方位位置的回波脉冲可能会超出接收窗，此时可以连续改变PRI，使得接收窗或者盲区的变化与瞬时斜距的变化一致。

变PRI的雷达系统设计是实现方位向高分辨率、大斜视观测不可或缺的技术途径[17]。在实现过程中涉及的因素众多，包括变PRI的方式、精度，大功率发射时的脉冲相位一致性、占空比最优等。在具体实现时，需要结合星地几何、最优SNR及图像模糊比等参数，迭代获得最优变PRI时序，从而在保证接收回波完整性和有效性的同时，保证图像质量。

3 实测数据验证

3.1 校飞系统

为了对基于反射面天线的高分辨率星载SAR关键技术进行验证，尤其是针对距离向子带合成实现距离向高分辨率、天线大角度扫描实现方位向高分辨率、变PRI技术进行验证，设计反射面SAR校飞试验系统。该系统包括采集存储器、频率综合器、发射机、大功率TWTA、大功率环形器、合路器、中频接收机、耦合器、限幅低噪放、天线及指向机构等，其中，雷达设备的天线子系统安装在吊舱内。校飞设备如图10所示，系统参数如表1所示。

图10 高分辨率SAR机载校飞设备

表1 校飞试验雷达系统参数

3.2 验证结果

在地面进行校飞数据带宽合成处理时，采取频域子带合成方法。首先，对雷达系统的内定标信号进行预处理，获得多个子脉冲对应的通道误差及时延；然后，对各子脉冲信号进行匹配滤波，并进行通道幅相及时延一致性补偿；之后，进行频谱去冗余处理、频谱搬移和带宽拼接；最后，通过逆傅里叶变换获得距离向高分辨率成像。在此基础上，结合方位向采样均匀化处理及高精度运动补偿，利用波数域算法最终获得2维高分辨率图像。

图11给出了单子带成像结果与子带拼接后的成像结果，可以看到：屋顶的纹理细节有了明显的提升，子带拼接后系统的分辨率得到了提高。图12(a)给出了变PRI采样非均匀时成像结果，图12(b)给出了采样均匀时成像结果，可以看到：本文提出的变PRI时序设计可有效地保证图像质量。图13为机载校飞结果(角反射器成像图)，表2给出了利用角反射器对系统性能定量分析的结果。其中：距离向分辨率达到0.07 m，方位向分辨率达到0.09 m，PSLR和ISLR均达到设计指标，图像聚焦效果良好。

图11 子带拼接后SAR图像

图12 变PRI优化处理结果

图13 机载校飞结果

表2 系统性能分析结果

4 发展前景

随着2维高分辨率星载SAR技术的发展，尤其是方位向大转动角实现聚束观测和滑动聚束观测模式的应用不断成熟，以及对于特定目标从不同角度观测可以获得更为全面的特征信息，多方位角观测、大斜视观测及高分宽幅观测成为星载SAR发展的趋势。

4.1 多方位角观测技术

多方位角观测(如图14所示)是获得更为丰富的目标信息的有效途径。地面目标具有复杂的几何和表面特性，由于阴影效应、目标与背景的耦合及后向散射系数(RCS)对方位角敏感等因素，同一目标在不同雷达观测角下展现出不同的散射特性，单一角度的雷达观测无法充分反映目标的特性信息。利用多幅不同方位角的SAR图像进行目标观测，获取不同散射特性，可进一步通过匹配融合实现目标特征增强，从而极大地提升识别描述能力。

图14 多方位角观测过程

图15给出了对屋顶的多方位角观测结果，可见，通过不同方位角的观测，可以获得屋顶更为全面的散射信息。

图15 多方位角校飞试验成像及融合结果

采用基于反射面天线的高分辨率SAR系统进行多角度观测，尤其是大斜视观测时，能获得图像质量较好的高分辨率SAR图像数据，有效实现多角度数据融合，提升SAR图像的解译能力。同时，构建高分辨率SAR组网系统，不但在方位向可实现多角度高分辨率，且通过多星多轨不同视角可获取目标全方位的图像信息，增强系统复杂目标细节信息获取及识别能力。

基于反射面天线的高分辨率SAR系统已初步具备了多角度观测的能力，但与目标识别等实际应用需求仍有一定差距，特别是在目标图像解译和多角度数据融合等方面，仍需要进一步研究其优化算法，未来随着高分辨率组网系统的建立，会给多角度观测提供更加有力的条件。

4.2 2维多波束观测技术

基于反射面天线的单通道高分辨率SAR，由于最小天线面积限制，难以同时满足高分宽幅成像的要求，采用俯仰向Sweep-SAR技术可显著增大雷达系统空时自由度，克服传统SAR系统模糊与观测幅宽之间的固有矛盾，使SAR系统同时获得高分辨率、宽测绘带成像能力，大大提高SAR的观测效率。

未来可在此基础上，拓展为2维多波束，即利用相控阵馈源的方法实现反射面天线方位、俯仰2维多波束[18]，并进一步增加2维的通道数量，加大系统自由度，使高分辨率、宽测绘带指标得到进一步提升。

4.3 大斜视成像观测技术

大斜视SAR具有提前观测卫星斜前视区域的能力，灵活性及观测区域较正侧视SAR均大大增强，但高分辨率大斜视SAR实现难度很大。基于反射面天线的星载SAR系统，具备波束增益稳定、扫描连续等特点，在大斜视情况下，更容易获得稳定的大扫描角聚束模式回波，从而保证高分辨率SAR系统的图像质量。图16给出了利用反射面天线SAR获取的前斜视及后斜视高分辨率图像，图像质量良好。

图16 高分辨率SAR大斜视成像结果

未来，随着高分辨率大斜视成像算法的深入研究，斜视角将会进一步加大，可增加载荷可视区域面积，丰富观测模式，提高应用过程中对关注目标成像的灵活性，提升高分辨率观测的效能。

5 结束语

基于反射面天线的高分辨率星载SAR系统，通过距离向子带合成实现距离向高分辨率，由卫星平台带动SAR天线进行大角度扫描，实现方位向高分辨率，系统具有波束连续和扫描稳定等特点，在实现高的空间分辨率上优势明显。在此基础上，可利用距离向同时多波束满足宽幅观测的需求。作为高分辨率星载SAR的技术路线之一，可进一步实现对目标的识别确认及详细描述，充分满足用户高精度观测的需求。