多頻段星載SAR系統(tǒng)設(shè)計?

(中國電子科技集團公司第三十八研究所孔徑陣列與空間探測重點實驗室,安徽合肥230088)

0 引言

合成孔徑雷達除具有與可見光、紅外等傳感器相媲美的高分辨率、連續(xù)成像功能外,其特有的全天時、全天候工作以及大面積成像等優(yōu)點,使其在海洋監(jiān)測、地形測繪、災(zāi)害監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等方面具有重要的應(yīng)用價值。也正是因為這些優(yōu)點使得SAR受到世界各國政府的高度重視與支持, SAR技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用得到了快速發(fā)展。

從美國發(fā)射了第一顆載有L頻段SAR的SeaSat-A衛(wèi)星開始,前蘇聯(lián)、歐洲、德國、加拿大以及日本等國家也相繼發(fā)射了載有SAR探測器的遙感衛(wèi)星,如前蘇聯(lián)的S頻段ALMAZ-1SAR系統(tǒng),歐洲空間局(ESA)的C頻段ERS-1、ERS-2 SAR、ENVISAT ASAR系統(tǒng),德國的X頻段TerraSAR系統(tǒng),加拿大的C頻段RADARSAT系列,日本的L頻段JERS-1 SAR、PALSAR-1/2系統(tǒng)[1-2]?？梢钥闯?國外星載SAR分別采用了X, C,S,L等幾個不同的頻段,每個頻段的觀測效果各不相同。所以為了實現(xiàn)對多種目標的有效探測和分類,單星多頻段星載SAR是一個重要的發(fā)展方向。本文在討論多頻段星載SAR優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,對多頻段星載SAR系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵問題進行論述,最后給出設(shè)計實例。

1 多頻段星載SAR的優(yōu)勢

SAR是一種工作于微波頻段的對地遙感傳感器,SAR圖像的灰度是地物目標后向散射強度的表現(xiàn)形式,其主要與雷達工作波長(頻段)、入射角、極化方式以及地物目標復(fù)介電常數(shù)、地表面粗糙度等有關(guān)。一般來說,SAR工作頻段高,則SAR圖像紋理特征明顯,易于獲取地物表面細微結(jié)構(gòu)信息;SAR工作頻段低,則SAR圖像紋理特征不明顯[3]。圖1是多頻段機載SAR系統(tǒng)獲得的X/ C/L三頻段雷達圖像。另一方面,低頻段的穿透樹葉、土地表面、水面等能力優(yōu)于高頻段。圖2是多頻段機載SAR系統(tǒng)獲得的C/L頻段的水庫雷達圖像,L頻段具有一定的穿透能力,可以對淺水區(qū)域的水下地形進行觀測。另外,高頻段相對信號帶寬小,容易實現(xiàn)較高的空間分辨率,對于軍事目標偵察有優(yōu)勢。

另外對于海洋探測,海面的后向散射可以用Bragg散射模型來描述(入射角30°～85°時,λB=式中,λB為Bragg散射波長,λR為雷達波長,n為共振波級,θ為入射角),當雷達的波長與Bragg波長匹配時,便出現(xiàn)Bragg諧振現(xiàn)象,將會生成強的后向散射回波,不同的波長將對應(yīng)不同的匹配頻段[4]。圖3是多頻段機載SAR系統(tǒng)的L頻段和X頻段對海成像結(jié)果對比。

通過實際的應(yīng)用效果分析得出,采用多頻段SAR系統(tǒng)會獲得更多的目標信息,可以更有效地對多種目標進行分類和識別。

圖1 X/C/L頻段圖像對比及融合圖像

圖2 C/L頻段SAR圖像對比

圖3 L/X頻段對海成像結(jié)果對比

2 多頻段星載SAR系統(tǒng)的設(shè)計

在星載SAR系統(tǒng)設(shè)計中,通常根據(jù)衛(wèi)星軌道參數(shù)及任務(wù)指標要求,對系統(tǒng)參數(shù)(如發(fā)射功率、天線孔徑、極化、脈沖重復(fù)頻率、脈寬、信號帶寬、數(shù)據(jù)率等)和系統(tǒng)性能指標(如空間分辨率、輻射分辨率、信噪比、輻射精度等)進行優(yōu)化設(shè)計。由于星載SAR系統(tǒng)參數(shù)之間存在相互制約關(guān)系,需要通過迭代和折中,實現(xiàn)系統(tǒng)性能指標的最優(yōu)化。

對多頻段星載SAR系統(tǒng)來說,由于更多維度系統(tǒng)參數(shù)的引入,使得系統(tǒng)設(shè)計更復(fù)雜,如頻段間的互相干擾問題、多個頻段的分辨率和觀測帶相互匹配等問題,所以在設(shè)計時,需要將更多因素納入考慮,下文將重點介紹多頻段SAR系統(tǒng)設(shè)計的幾個關(guān)鍵問題。

2.1 工作體制選擇

工作體制選擇是SAR系統(tǒng)設(shè)計的首要問題。對于多頻段星載SAR系統(tǒng)來說,可以分為多頻段分時工作和多頻段同時工作兩種體制。多頻段分時工作的優(yōu)勢是對平臺需求低,不存在頻段間干擾的問題,但無法實現(xiàn)同時獲取同一目標的多頻段數(shù)據(jù),衛(wèi)星效能大大降低。多頻段同時工作可以實現(xiàn)對目標的多頻段同時觀測,并利用多頻段數(shù)據(jù)融合等方法提高目標識別和分類能力。多頻段同時工作又可以分為多頻同步工作與非同步工作兩種方式。非同步工作方式下,每個頻段的波位可以按照常規(guī)的星載SAR單獨設(shè)計,系統(tǒng)工作靈活,但是會出現(xiàn)多個頻段之間接收和發(fā)射相互干擾的情況,特別是發(fā)射脈沖遮擋現(xiàn)象,即一個頻段脈沖發(fā)射時,另一個頻段正好工作在接收窗口的情況,如圖4所示。由于發(fā)射功率較大會導致接收機被堵塞,無法正常接收回波信號。為了解決這個問題,一種方法是將不同頻段的天線分置在衛(wèi)星的不同位置上,從空間上降低相互的干擾;另一種方法是加濾波器,抑制帶外干擾。但無論采用哪種方式,都會大大增加系統(tǒng)復(fù)雜度。

圖4 非同步工作發(fā)射遮擋現(xiàn)象

同步工作方式下,各頻段統(tǒng)一設(shè)計,多個頻段同脈沖重復(fù)周期工作,如圖5所示,各頻段的接收窗避開了各頻段的發(fā)射遮擋,保證了回波的正常接收。

圖5 同步工作時序

這時PRF的選擇就要避開多個頻段的發(fā)射脈沖、星下點回波。約束條件如下:

式中,τp1,τp2為多個頻段的發(fā)射脈沖寬度,PRT為脈沖重復(fù)周期,τpt為脈沖保護時間,Rn和Rf分別為觀測帶的近端和遠端,H為衛(wèi)星相對地面的高度,τmax為多個頻段發(fā)射脈沖寬度的最大值,這里取星下點回波寬度為發(fā)射脈寬的2倍。

一般不同頻段的回波信號較弱,且一個頻段的天線、接收通道對其他頻段的回波都有一定的抑制能力,所以相互干擾對系統(tǒng)影響較小。只有當幾個頻段正好是倍頻關(guān)系時,影響不能完全忽略,需要在接收通道進行適當?shù)臑V波。

同步工作方式中的一個特例是同發(fā)同收工作模式,如圖6所示,可實現(xiàn)對同一目標區(qū)的同時觀測。該文后面的設(shè)計也主要是針對多頻段同步工作的方式進行討論。

圖6 同發(fā)同收工作時序

2.2 天線的總體設(shè)計

天線是星載SAR性能的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一。這里主要討論天線的體制和天線尺寸的選擇。

1)天線體制

多頻段星載SAR天線采用的體制分為兩類:多頻段共面拼接體制、多頻段共孔徑嵌套體制。美國的SIR-C/X-SAR系統(tǒng)如圖7所示,具有L,C,X三個波段,其采用3個獨立的天線共面拼接的體制,天線總面積達到12 m×4 m,體積龐大,質(zhì)量超過3 000 kg[5]。

圖7 SIR-C/X-SAR天線結(jié)構(gòu)示意圖

多頻段共孔徑嵌套天線是多個頻段共用一個物理孔徑且某一頻段的天線嵌套在其他的頻段天線中,如圖8所示。一般較高頻段的天線尺寸小,嵌套在較低頻段的天線中。多頻段共孔徑嵌套天線能有效減少天線的體積和質(zhì)量,同時能共享天線陣后面的其他子系統(tǒng),提高天線的效費比。

圖8 多頻段共孔徑嵌套天線結(jié)構(gòu)示意圖

2)天線尺寸

天線尺寸設(shè)計是最為重要的設(shè)計內(nèi)容之一,與有效載荷系統(tǒng)的功率孔徑積設(shè)計直接相關(guān),直接決定了SAR系統(tǒng)靈敏度和圖像質(zhì)量指標。

為滿足系統(tǒng)距離向和方位向模糊度要求,天線最小不模糊面積限制[6]為

式中,k=4～8,λ為工作波長,Vst為衛(wèi)星運行速度,θ為入射角。由式(5)可以看出,天線面積和波長緊密相關(guān)。波長越長,所需的天線面積越大。

多頻段系統(tǒng)天線口徑設(shè)計流程如下:首先,根據(jù)最低頻段的最小不模糊面積,再通過分辨率、測繪帶、NESZ等指標限制,初步確定最低頻段天線的口徑。隨后,根據(jù)不同頻段同PRF工作的條件限制,各頻段方位向天線尺寸應(yīng)該相當?shù)脑瓌t,確定其他頻段的方位向口徑。最后,根據(jù)模糊面積限制、觀測帶寬度等限制條件確定其他頻段的距離向口徑。另外,天線尺寸的設(shè)計還要充分考慮平臺體積、重量、功耗包絡(luò)。

2.3 工作模式

在條帶模式下,多頻星載SAR的分辨率與單頻星載SAR基本沒區(qū)別。當多頻段的方位向天線尺寸一致時,多頻段的方位向分辨率也是一致的。距離向分辨率的計算與單頻星載SAR一樣,后面不進行詳細討論。

在ScanSAR模式下,每個波束指向?qū)?yīng)的照射條帶稱為“子觀測帶”,簡稱“子帶”,每個子帶的寬度都近似等于同條件下條帶模式的測繪寬度,整個測繪寬度就擴大到了條帶模式SAR的約Ns倍。ScanSAR模式下,合成孔徑時間為

式中,v為平臺飛行速度,R0為斜距,θa為方位向波束寬度,Lsyn為合成孔徑長度,La為天線方位向尺寸,Ns為距離向掃描子帶數(shù)。由式(6)可以看出,對于不同頻段系統(tǒng)來說,在方位向分辨率一致的條件下,在每個子帶駐留的時間不同,即每個脈沖駐留數(shù)不同。因此,在ScanSAR模式下,存在著兩個頻段不同步工作的現(xiàn)象。

為解決掃描帶來的雙頻不同步工作的問題,本文提出采用TOPS[7](Terrain Observation by Progressive Scans)工作方式,實現(xiàn)兩個頻段的同步工作。TOPSAR的工作原理示意圖如圖9所示。在平臺運動過程中,采用較長的子帶掃描成像區(qū)域,并且讓波束在方位向上作從后到前的均勻轉(zhuǎn)動。

圖9 TOPSAR工作原理示意圖

TOPSAR的方位向分辨率由下式確定:

式中,R0為中心斜距,v為平臺運動速度,為天線轉(zhuǎn)速,為方位向分辨率對應(yīng)的方位積累角。

此外,TOPSAR每個子帶駐留時間應(yīng)滿足如下關(guān)系:

由式(7)和式(8)可以看出,采用TOP模式,通過靈活配置分辨率和波束掃描速度,在保證分辨率指標的同時,使得兩個頻段在同一個子帶內(nèi)駐留同樣的時間,保證同步工作。

2.4 波位設(shè)計

波位設(shè)計是星載SAR系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容之一。多頻段星載SAR的波位除了考慮要避開星下點回波和發(fā)射脈沖遮擋等,還要考慮不同頻段的同波位設(shè)計問題。

在系統(tǒng)設(shè)計中,以最大發(fā)射脈沖寬度的頻段斑馬圖作為波位設(shè)計約束,計算所有頻段的波位信息,仿真各頻段載荷性能指標,反復(fù)迭代優(yōu)化性能,直到滿足所有頻段下的性能指標要求。

3 設(shè)計實例

為驗證文中論述的多頻段星載SAR衛(wèi)星總體設(shè)計方法的有效性,下文給出了一個L/C雙頻星載SAR系統(tǒng)設(shè)計實例。本設(shè)計實例參考已公開的美國“海洋觀測系統(tǒng)”計劃的相關(guān)參數(shù),具有一定的參考意義。表1給出了SAR載荷任務(wù)指標及圖像質(zhì)量指標要求。

表1 任務(wù)指標及圖像質(zhì)量指標

基于上述的指標要求以及上節(jié)介紹的系統(tǒng)設(shè)計方法進行系統(tǒng)設(shè)計。表2給出了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計結(jié)果,圖10和圖11給出了波位設(shè)計的斑馬圖,為了保證雙頻段同PRF工作,兩個頻段波位完全相同。表3和表4給出了波位設(shè)計的具體結(jié)果。根據(jù)最終得到的性能指標,證明該設(shè)計實例能夠達到預(yù)期指標要求,從而證明本文提出的設(shè)計方法是合理有效的。

表2 系統(tǒng)參數(shù)

圖10 條帶模式斑馬圖

圖11 TOPSAR模式斑馬圖

4 結(jié)束語

本文介紹和討論了多頻段星載合成孔徑雷達的特點及系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)重點考慮的問題,給出了多頻星載SAR設(shè)計的一般思路,并給出了某個多頻段星載SAR系統(tǒng)的設(shè)計實例,本文對星載SAR系統(tǒng)和總體設(shè)計的工程技術(shù)人員具有一定的參考作用。

表3 條帶模式波位設(shè)計具體結(jié)果

表4 TOPSAR模式波位設(shè)計具體結(jié)果

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