HJ-1-C衛(wèi)星SAR系統(tǒng)的內(nèi)定標

楊 震 楊汝良

(中國科學院電子學研究所 北京 100190)

1 引言

在合成孔徑雷達(SAR)發(fā)展的早期，遙感應用主要是從合成孔徑雷達圖像中獲取目標的位置、形狀和回波強度相對變化等方面的定性信息。隨著SAR技術(shù)的不斷發(fā)展，大量全天時全天候、高精度遙感數(shù)據(jù)的獲取使得 SAR應用領(lǐng)域迅速擴展到包括海洋、森林、海冰監(jiān)測、行星探測、地質(zhì)、農(nóng)作物、環(huán)境災害監(jiān)測和地形成像等許多方面。在這些應用中，都要求建立雷達圖像強度與目標散射特性之間的定量關(guān)系。

SAR定標技術(shù)是實現(xiàn)SAR定量遙感的關(guān)鍵技術(shù)。定標的目的是測量出影響SAR成像質(zhì)量的各種不確定因素，在數(shù)據(jù)處理過程中去除其影響，建立圖像強度與地物后向散射系數(shù)的精確關(guān)系。按照定標過程的不同，定標分為內(nèi)定標和外定標。內(nèi)定標是利用系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備將定標信號注入到雷達數(shù)據(jù)流中，描述雷達系統(tǒng)性能的過程。外定標是使用地面有源目標本身產(chǎn)生的，或無源目標散射產(chǎn)生的定標信號來描述合成孔徑雷達系統(tǒng)性能的過程。SAR系統(tǒng)通常將內(nèi)定標技術(shù)和外定標技術(shù)結(jié)合起來使用：每經(jīng)過一段時間利用有參照目標的觀測區(qū)域?qū)ο到y(tǒng)進行一次外定標，其間采用內(nèi)定標技術(shù)監(jiān)測系統(tǒng)性能的變化[1]。

HJ-1-C衛(wèi)星是我國環(huán)境與災害監(jiān)測小衛(wèi)星“2+1”星座中的一顆合成孔徑雷達(SAR)衛(wèi)星，SAR載荷采用網(wǎng)狀反射面天線和集中式功率放大器方案[2]。目前HJ-1-C衛(wèi)星已在軌運行，獲得我國首批S波段星載SAR圖像，圖像質(zhì)量高，地物信息豐富。該衛(wèi)星具有星上在軌內(nèi)定標的功能。我國已有星載SAR均采用相控陣天線，其功率源為分布式的T/R組件。而HJ-1-C衛(wèi)星SAR采用了集中發(fā)射式的大功率體制，在我國衛(wèi)星中屬首次應用。本文主要介紹HJ-1-C衛(wèi)星SAR系統(tǒng)的內(nèi)定標實現(xiàn)。

本文首先介紹星載SAR系統(tǒng)定標基本原理。然后詳細討論HJ-1-C衛(wèi)星SAR系統(tǒng)的內(nèi)定標，包括：SAR系統(tǒng)的內(nèi)定標模式及信號通路，SAR系統(tǒng)的內(nèi)定標算法，內(nèi)定標器的具體設(shè)計實現(xiàn)、指標要求和實測結(jié)果。最后分析了在軌工作時SAR系統(tǒng)內(nèi)定標數(shù)據(jù)。對內(nèi)定標數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，SAR系統(tǒng)中央電子設(shè)備穩(wěn)定可靠工作。

2 星載SAR系統(tǒng)定標原理

由雷達方程，得到星載SAR接收機輸出信號功率 Pr為[3]：

式中 Pt為發(fā)射峰值功率， G(θi, φi)代表天線增益，Kr為接收機增益，λ為工作波長， σ0為目標后向散射系數(shù)，At為目標照射面積，R(θi)為斜距，L為饋線和大氣傳播損耗，Pn為接收機輸出噪聲電平。

目標照射面積是指未壓縮處理的地面分辨單元，即：

式中La為星載SAR天線長度，c為光速，pτ為發(fā)射信號的脈寬。

式(1)中的λ2, (4π)3, R(θi)及式(2)中的 La, τp在觀測波位確定后是可知的參數(shù)或常數(shù)，聯(lián)合式(1)和式(2)，可得到：

其中Pn為系統(tǒng)熱噪聲，Pr為總的接收功率電平。

式(5)為可知的常數(shù)；式(6)受星載SAR元器件老化、熱應力和衛(wèi)星平臺運動的影響，將隨時間、空間和頻域而變化。

把K =Ko( R) K'代入式(4)，得到：

K稱為星載SAR系統(tǒng)(包括星載SAR和地面成像處理組成的系統(tǒng))的“端-端傳輸函數(shù)”。

星載 SAR系統(tǒng)的輻射定標就是利用合成孔徑雷達系統(tǒng)可測量地物目標后向散射信號幅度與相位的能力，描述從發(fā)射機輸出端到處理器輸出端的整個系統(tǒng)性能的過程[1]。輻射定標的目的就是建立合成孔徑雷達圖像像素強度與目標真實后向散射系數(shù)之間的正確對應關(guān)系，即：分別通過內(nèi)定標和外定標測量來估計式(6)中的參數(shù)變化，推出系統(tǒng)傳輸函數(shù)K，再由成像并下傳得到的Pr和Pn，通過式(7)得到地面目標的σ0估計值。

根據(jù)定標設(shè)備(或目標)與雷達系統(tǒng)的位置關(guān)系，將輻射定標分為內(nèi)定標和外定標[4]。內(nèi)定標是利用系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備將定標信號注入到雷達數(shù)據(jù)流中，監(jiān)測雷達系統(tǒng)性能的過程。內(nèi)定標可以用來估計發(fā)射功率和接收機增益因溫度變化或元器件老化引起的相對變化，并測量噪聲電平。然而，內(nèi)定標的監(jiān)測范圍有限，不能對內(nèi)定標回路無法到達的部分(如天線輻射單元)進行定標，亦無法對天線外部特性、大氣傳播等進行定標。這些必須依靠外定標獲得。外定標是利用地面有源目標本身產(chǎn)生的或無源目標散射產(chǎn)生的定標信號來標定合成孔徑雷達系統(tǒng)性能的過程。這些地面目標可以是雷達橫截面積已知的人造點目標(如各種角反射器和有源轉(zhuǎn)發(fā)器等)，也可以是散射特性已知且均勻穩(wěn)定的分布目標(如熱帶雨林、大片的均勻草地等)[5]。

3 HJ-1-C衛(wèi)星SAR系統(tǒng)的內(nèi)定標

HJ-1-C衛(wèi)星SAR采用集中發(fā)射式的大功率體制，在我國衛(wèi)星中屬首次應用。本節(jié)詳細研究和討論內(nèi)定標技術(shù)在這種系統(tǒng)中的具體實現(xiàn)。

3.1 SAR系統(tǒng)內(nèi)定標模式及信號通路[6]

圖1給出HJ-1-C衛(wèi)星SAR系統(tǒng)內(nèi)定標框圖。

HJ-1-C衛(wèi)星SAR系統(tǒng)共有3種內(nèi)定標模式，即：參考定標、發(fā)射定標和噪聲定標。下面結(jié)合圖1，分別介紹這3種內(nèi)定標模式及其信號通路。

(1) 參考定標：該模式的內(nèi)定標信號沿圖中虛線Pc所示的路徑流通，即：調(diào)頻信號源產(chǎn)生的LFM信號通過耦合器 C1進入內(nèi)定標器，經(jīng)內(nèi)定標器處理后，通過耦合器 C3進入微波組合，最后送至雷達接收機。

(2) 發(fā)射定標：該模式的內(nèi)定標信號沿圖 1中點劃線Pt所示的路徑流通，即：調(diào)頻信號源產(chǎn)生的LFM信號經(jīng)過固態(tài)發(fā)射機放大后，通過耦合器C2將一小部分發(fā)射信號耦合輸出至內(nèi)定標器，經(jīng)內(nèi)定標器處理后，通過耦合器C3進入微波組合，最后送至雷達接收機。

圖1 HJ-1-C衛(wèi)星SAR系統(tǒng)內(nèi)定標框圖Fig.1 Internal calibration block diagram of HJ-1-C SAR system

(3) 噪聲定標：該模式時內(nèi)定標器工作在成像模式，即隔離狀態(tài)。此時內(nèi)定標信號和SAR回波信號都不能進入雷達接收通道和SAR接收設(shè)備。該模式時，可以記錄SAR系統(tǒng)噪聲功率電平。

3.2 SAR系統(tǒng)的內(nèi)定標算法[7]

第2節(jié)已經(jīng)指出，內(nèi)定標技術(shù)可以用來估計發(fā)射功率和接收機增益因溫度變化或元器件老化引起的相對變化，并記錄系統(tǒng)噪聲電平。下面具體討論HJ-1-C衛(wèi)星SAR系統(tǒng)中的內(nèi)定標算法。

由圖1可以得到發(fā)射定標模式時雷達接收機輸出的信號功率為：

其中：POT為發(fā)射定標模式時雷達接收機輸出的信號功率，Pt為調(diào)頻信號源發(fā)射信號功率，Gt為固態(tài)發(fā)射機的增益，GC2為耦合器C2的增益，GCT為內(nèi)定標器中發(fā)射定標回路引入的增益，GC3為耦合器 C3的增益，Grx為微波組合及雷達接收機增益。PT＝Pt· Gt為SAR系統(tǒng)發(fā)射功率，GCL-T=GC2·GCT·GC3為SAR系統(tǒng)發(fā)射定標模式內(nèi)定標增益。

將式(8)用dB形式可表示為式(9)：

同樣可以得到參考定標模式時雷達接收機輸出的信號功率為：

其中：POC為參考定標模式時雷達接收機輸出的信號功率，Pt為調(diào)頻信號源發(fā)射信號功率，GC1為耦合器C1的增益，GCC為內(nèi)定標器中參考定標回路引入的增益，GC3為耦合器C3的增益，Grx為雷達接收機增益。

將式(10)用dB形式可表示為式(11)：

由式(8)和式(10)，可得：

用dB形式表示為：

通過成像過程中兩個不同時刻發(fā)射定標模式的測試，由式(9)和式(13)可得：

其中：Δ POT(dB)和 ΔPOC(dB)可以由下傳SAR數(shù)據(jù)處理得到；Δ GCL-T(dB)和 ΔGCL-T/C(dB)可以由發(fā)射前測試獲得。這樣通過計算就可以得到SAR系統(tǒng)發(fā)射功率、接收通道增益的相對變化量 [Δ PT(dB)+ΔGrx(dB)]和固態(tài)發(fā)射機增益的相對變化量ΔGt(dB)。

要進行精確的內(nèi)定標，必須實時測量系統(tǒng)發(fā)射、接收通道性能的變化。但在實際系統(tǒng)運行過程中，很難做到正常成像和內(nèi)定標同時進行。HJ-1-C衛(wèi)星SAR系統(tǒng)的內(nèi)定標安排在每次成像的開始和結(jié)束時刻進行，假設(shè)成像過程系統(tǒng)發(fā)射功率和接收增益近似線性變化，則可以內(nèi)插出每個成像時刻值。為了考察不同信號輸入情況下接收機的增益情況，定標信號采用了階梯衰減的方式，共有21個臺階，每個臺階相差3 dB，能夠覆蓋雷達接收機的整個動態(tài)范圍。SAR系統(tǒng)有兩種內(nèi)定標工作情況：一種是在正常成像的首尾進行內(nèi)定標，首尾兩次的內(nèi)定標都包括噪聲定標、參考定標和發(fā)射定標等所有定標模式；這樣通過噪聲定標獲得SAR系統(tǒng)噪聲電平，通過參考定標和發(fā)射定標監(jiān)測 SAR系統(tǒng)固態(tài)發(fā)射機增益和發(fā)射功率、接收通道增益的相對變化量。一種是SAR系統(tǒng)整個開機時間內(nèi)都進行連續(xù)定標，即循環(huán)進行參考定標和發(fā)射定標；這種連續(xù)定標主要用于觀測系統(tǒng)性能實際連續(xù)變化情況[6]。

3.3 SAR系統(tǒng)的內(nèi)定標器設(shè)計和實現(xiàn)[8,9]

內(nèi)定標設(shè)備是SAR系統(tǒng)有效載荷的組成部分，用于監(jiān)視和測量SAR系統(tǒng)性能隨時間的變化，以補償和校正由此帶來的SAR圖像輻射性能的不穩(wěn)定，保證在軌期間所獲得數(shù)據(jù)產(chǎn)品輻射性能的一致性。星上雷達設(shè)備增益穩(wěn)定性的測量精度主要由內(nèi)定標精度決定。內(nèi)定標器作為內(nèi)定標的核心設(shè)備，要求其具有很高的穩(wěn)定度，即它作為測量設(shè)備本身，應盡量引起小的測量誤差，使測量結(jié)果盡可能反映系統(tǒng)的變化情況，而不引入附加的測量誤差。

內(nèi)定標一般有兩種實現(xiàn)方式：一種是非延遲定標，實現(xiàn)簡單，但定標信號易受到發(fā)射信號的影響；另一種是延遲定標，把定標信號與發(fā)射信號從時間上分開，避免干擾，但定標鏈路復雜，存在穩(wěn)定性問題，需采用補償措施。HJ-1-C衛(wèi)星SAR系統(tǒng)的內(nèi)定標采用延時定標方案。

內(nèi)定標器是HJ-1-C衛(wèi)星SAR系統(tǒng)中的重要分機。它完成各種內(nèi)定標模式的回路切換和電平轉(zhuǎn)換，實現(xiàn) SAR系統(tǒng)的內(nèi)定標功能。內(nèi)定標器的主要功能為：

(1) 對耦合輸入的發(fā)射信號進行延時和放大后，送入接收通道；

(2) 對耦合輸入的調(diào)頻信號源輸出信號進行延時和放大后，送入接收通道；

(3) 在監(jiān)控定時器控制下，具有對輸入射頻信號進行增益階梯衰減的能力；

(4) 在正常成像時，內(nèi)定標器不應對正常信號通道產(chǎn)生干擾。

HJ-1-C衛(wèi)星SAR系統(tǒng)內(nèi)定標器中采用光纖延時線實現(xiàn)射頻信號的延時，圖2給出實現(xiàn)光延時的原理框圖。光發(fā)射模塊將輸入的射頻信號轉(zhuǎn)換為光信號，并送入光纖延時線中進行規(guī)定的延時，然后再由光接收模塊轉(zhuǎn)換成為射頻信號。信號延時時間由光纖的長度決定。射頻信號經(jīng)過電光/光電轉(zhuǎn)換和幾公里光纖的傳輸，損耗較大，必須使用多級放大器對延時信號進行放大，以滿足端口電平要求。放大器的使用導致通路插損隨溫度變化而發(fā)生較大變化，必須加入相應的溫度補償電路，確保在整個溫度范圍內(nèi)光延時回路的穩(wěn)定性。

根據(jù)上述內(nèi)定標器的功能要求可知，內(nèi)定標器的設(shè)計難點主要是要求端口電平范圍大、隔離度高、穩(wěn)定性好。圖3為HJ-1-C衛(wèi)星SAR系統(tǒng)內(nèi)定標器組成框圖，主要由切換開關(guān)、延時單元和放大器、衰減器組成。該方案中，選用隔離度高的開關(guān)，端口處加隔離器，并通過延時和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)高隔離度；而且通過關(guān)斷射頻輸入回路選擇開關(guān)、射頻信號不延時、階梯衰減設(shè)置為最大衰減這3個方面的措施來保證成像模式時的高隔離度。選用溫度穩(wěn)定性好的器件，并在延時、放大通路中增加溫補電路，來提高分機的增益穩(wěn)定性，減小內(nèi)定標器引入的誤差。

HJ-1-C衛(wèi)星SAR系統(tǒng)內(nèi)定標器的主要技術(shù)指標要求和實測結(jié)果見表1[10]。從表1中可以看出，內(nèi)定標器的實測指標都優(yōu)于系統(tǒng)要求。

3.4 SAR系統(tǒng)的內(nèi)定標精度[10]

在SAR工作溫度范圍內(nèi)，每隔一定溫度，分別測量內(nèi)定標器參考定標和發(fā)射定標的增益值(dB)。記錄各溫度點數(shù)據(jù)，并計算其標準偏差，測試結(jié)果見表2。而定標回路中的耦合器C1, C2和C3為無源器件，隨溫度變化較小，其測量誤差為0.15 dB，分別用σC1, σC2和σC3表示。由于內(nèi)定標器和耦合器C1, C2, C3在衛(wèi)星艙體中的位置不同，故同一時刻其所對應溫度不同，認為它們的測量誤差是互不相關(guān)的隨機變量，則總的測量誤差為這些測量誤差的均方根值。具體見表2。

表1 HJ-1-C衛(wèi)星SAR系統(tǒng)內(nèi)定標器主要技術(shù)指標要求和實測結(jié)果Tab.1 Main technical requirements and measured results of HJ-1-C SAR internal calibrator

4 在軌內(nèi)定標數(shù)據(jù)分析[11]

2012年11月19日，HJ-1-C衛(wèi)星發(fā)射入軌。2012年12月9日HJ-1-C衛(wèi)星SAR載荷正式開機測試，首先進行連續(xù)定標(不成像)。對下傳后的定標信號進行分析表明，固態(tài)發(fā)射機和雷達接收通道工作正常，與地面測試結(jié)果一致。

圖2 光延時原理框圖Fig.2 Block diagram of optical delay

圖3 HJ-1-C衛(wèi)星SAR系統(tǒng)內(nèi)定標器組成框圖Fig.3 Internal calibrator block diagram of HJ-1-C SAR system

表2 HJ-1-C衛(wèi)星SAR系統(tǒng)內(nèi)定標器定標回路測試結(jié)果Tab.2 Measured results of the calibration loops of HJ-1-C SAR internal calibrator

圖4為2012年12月9日雷達在軌首次開機工作時，條帶模式首參考/發(fā)射定標和尾參考/發(fā)射定標數(shù)據(jù)分析得到的階梯衰減結(jié)果。從圖4中可以看出，在整個成像工作期間，信號非常穩(wěn)定，首尾定標的信號電平幾乎沒有變化。

為了進一步分析比較內(nèi)定標數(shù)據(jù)，在表3中給出了HJ-1-C衛(wèi)星SAR系統(tǒng)2012年12月9日在軌首次開機工作和2013年4月17日成像前后的內(nèi)定標數(shù)據(jù)分析結(jié)果比對情況。給出了參考定標和發(fā)射定標階梯第6檔的首尾定標數(shù)據(jù)，計算得出其在整個成像前后的變化值。可以看出，在SAR系統(tǒng)成像的幾分鐘內(nèi)，由于設(shè)備工作溫度升高，系統(tǒng)增益大約下降了0.6 dB，與地面測試結(jié)果一致。

圖4 雷達在軌首次開機條帶模式首尾參考/發(fā)射定標階梯衰減分析結(jié)果Fig.4 Step attenuation of the beginning and ending reference/transmission calibration at SAR first strip mode imaging

表3 SAR系統(tǒng)在軌工作首尾參考定標和發(fā)射定標階梯第6檔數(shù)據(jù)分析比對Tab.3 The six step data analysis of the beginning and ending reference and transmission calibration of the in orbit SAR system

5 結(jié)束語

本文介紹了HJ-1-C衛(wèi)星SAR系統(tǒng)的內(nèi)定標模式、信號通路和內(nèi)定標算法，給出內(nèi)定標器的設(shè)計和實現(xiàn)，并對在軌工作的SAR系統(tǒng)內(nèi)定標數(shù)據(jù)進行了分析。通過對內(nèi)定標信號的幅度進行分析，可以了解在整個成像期間中央電子設(shè)備增益的變化情況。分析結(jié)果表明，SAR中央電子設(shè)備工作穩(wěn)定，在軌運行測試結(jié)果與地面測試結(jié)果一致；國內(nèi)第 1顆集中發(fā)射衛(wèi)星 SAR系統(tǒng)的內(nèi)定標設(shè)備實現(xiàn)了高穩(wěn)定度，為提高SAR數(shù)據(jù)質(zhì)量和輻射測量精度提供了手段。

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