星載雙天線干涉SAR系統(tǒng)總體技術(shù)研究

王濤 于海鋒 劉杰 張慶君

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)(2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001)

星載雙天線干涉SAR系統(tǒng)總體技術(shù)研究

王濤1,2于海鋒1劉杰1張慶君1

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)(2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001)

干涉SAR衛(wèi)星測繪方式主要有重復(fù)軌道多航過干涉SAR、雙天線單航過干涉SAR、編隊飛行干涉SAR三種方式，其中過雙天線單航干涉SAR能夠獲得較高的干涉測繪效率、較好的高程測量精度。文章針對星載雙天線干涉SAR系統(tǒng)開展了軌道高度與高程測繪精度的關(guān)系分析、載荷工作機理及高程測量精度分析、天線伸展臂的抖動對干涉性能的影響分析等總體技術(shù)研究，并進行了關(guān)鍵技術(shù)分析。

干涉SAR；總體技術(shù)；衛(wèi)星；雙天線

1 引言

干涉SAR衛(wèi)星可獲取的高精度數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，是國家和全球基礎(chǔ)空間信息框架的核心數(shù)據(jù)之一，可廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟與社會發(fā)展的多個行業(yè)，是國家重要的基礎(chǔ)信息。隨著干涉SAR技術(shù)的不斷發(fā)展，干涉雷達信息獲得更高層次的應(yīng)用，并朝著更加實用化的方向發(fā)展，必將在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中扮演著越來越重要的角色，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷拓展[1-4]。

實現(xiàn)干涉SAR的一種方式是星載雙天線干涉SAR系統(tǒng)，如美國的航天飛機地形探測雷達(SRTM)計劃[5]。SRTM加裝了一個60 m的大型桁架式伸展臂和一副天線，航天飛機入軌后展開伸展臂。SRTM獲取的陸地DEM覆蓋了世界95%的有人居住區(qū)域，更新了全球立體地圖，分辨率從1 km提高至30 m。SRTM從理論到實踐成功地解決了星載干涉測量的相關(guān)技術(shù)問題，把星載干涉SAR測量技術(shù)推向?qū)嵱秒A段。目前，SRTM數(shù)據(jù)已經(jīng)成為全球重要的DEM數(shù)據(jù)源，并且根據(jù)數(shù)據(jù)源網(wǎng)站統(tǒng)計，中國是其數(shù)據(jù)使用率最高的國家。

實現(xiàn)星載干涉SAR的另外一種方式是采用衛(wèi)星編隊，是將多副SAR天線分別放置在不同的衛(wèi)星上，通過軌道和構(gòu)形設(shè)計使兩顆或多顆衛(wèi)星保持一定的基線距離和成像視角，并對各衛(wèi)星在空間的軌道相對位置進行測量和保持。近10年來典型編隊飛行干涉SAR系統(tǒng)包括法日合作的輪轉(zhuǎn)式編隊(Cartwheel)計劃、德國的X頻段陸地合成孔徑雷達-附加數(shù)字高程測量(TanDEM-X)計劃等[6-8]。TanDEM-X利用2006年發(fā)射的TerraSAR-X衛(wèi)星和2010年6月發(fā)射的陸地雷達-X頻段(TanDEM-X)衛(wèi)星以太陽同步近距離編隊飛行，2010年12月，TanDEM-X系統(tǒng)已經(jīng)完成編隊調(diào)整，開始進入測繪作業(yè)階段。

本文比較分析了3種干涉SAR衛(wèi)星測繪方式，重點針對雙天線單航過干涉SAR測繪方式，結(jié)合星載雙天線干涉SAR系統(tǒng)的特點開展了相關(guān)總體技術(shù)研究，并進行了關(guān)鍵技術(shù)分析。

2 星載雙天線干涉SAR系統(tǒng)的特點分析

2.1 測繪特點分析

目前實現(xiàn)干涉SAR衛(wèi)星測繪的方式主要有：重復(fù)軌道多航過干涉SAR、編隊飛行干涉SAR和雙天線單航過干涉SAR，3種干涉SAR衛(wèi)星測繪方式均有各自優(yōu)勢，其特點如表1所示。通過分析可知，單航過雙天線干涉SAR能夠獲得較高的干涉測繪效率、較好的高程測量精度。

表1 干涉SAR衛(wèi)星測繪特點

Table 1 Mapping characteristics of InSAR satellite

測繪方式優(yōu)點缺點重復(fù)軌道多航過干涉SAR 衛(wèi)星和SAR的設(shè)計相對簡單 ①去相關(guān)效應(yīng)嚴重(時間去相關(guān)、大氣損耗去相關(guān)); ②基線一般靠事后處理反演獲得,精度有限、難以形成穩(wěn)定的干涉基線; ③干涉測繪效率不高,仍然難以實現(xiàn)業(yè)務(wù)化運行編隊飛行干涉SAR ①單個衛(wèi)星及SAR的設(shè)計相對簡單; ②利用多星同步工作獲得高時間相干、高空間相干特性的SAR圖像對; ③基線能夠在一定范圍內(nèi)變化,能夠適應(yīng)不同的干涉測量需求 ①需要較為復(fù)雜的衛(wèi)星編隊飛行控制技術(shù)、星間同步技術(shù)以及星間基線測量等技術(shù); ②系統(tǒng)不能在全軌道周期形成有效基線,干涉效率有限雙天線單航過干涉SAR ①景物相關(guān)特性好; ②具有穩(wěn)定的物理基線和全軌道周期干涉成像的條件,干涉效率高 基線測量精度較高、平臺控制精度高,衛(wèi)星規(guī)模大而復(fù)雜

2.2 衛(wèi)星總體技術(shù)特點

雙天線干涉SAR衛(wèi)星需向兩側(cè)各伸出較長的天線支撐臂，且需要滿足穩(wěn)定的物理基線需求，衛(wèi)星的總體技術(shù)特點主要有：

(1)構(gòu)形布局收納比高。為了滿足整星發(fā)射時的收縮包絡(luò)要求，兩側(cè)較長的天線支撐臂需收攏在星體內(nèi)，且由于載荷的功率需求大，較大面積的太陽電池陣也需要采用折疊的方式壓緊在衛(wèi)星表面；

(2)機構(gòu)數(shù)量多。機構(gòu)主要包括兩副天線的壓緊釋放與展開機構(gòu)、天線指向機構(gòu)、支撐臂阻尼機構(gòu)、太陽電池翼機械部分和支撐臂釋放機構(gòu)等，較多的機構(gòu)對系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性提出了更高的要求；

(3)基線測量與控制精度要求高。雙天線干涉SAR衛(wèi)星呈現(xiàn)大結(jié)構(gòu)柔性、大環(huán)境擾動、動力學(xué)模型不確定性等特點，面向超長展開臂的高精度基線測量和控制是完成雙天線干涉成像任務(wù)的前提保障。

通過對衛(wèi)星總體技術(shù)特點的分析可知，星載雙天線SAR系統(tǒng)的技術(shù)難點一方面來自于較長的天線展開臂帶來的布局和控制問題，另一方面來自于干涉測量精度對系統(tǒng)的高指標(biāo)要求，因此，進行總體技術(shù)研究的前提與核心是開展軌道高度、載荷工作機理、天線伸展臂抖動等方面與測高精度的關(guān)系與影響分析，從而在系統(tǒng)層面對雙天線干涉SAR衛(wèi)星進行設(shè)計優(yōu)化。

3 星載雙天線干涉SAR系統(tǒng)總體技術(shù)

干涉SAR目的是獲取高精度高程數(shù)據(jù)，因此圍繞這一目標(biāo)來展開影響分析是衛(wèi)星總體研究的重點和關(guān)鍵。干涉SAR的高程誤差受多個因素的影響：主要包括基線長度測量誤差ΔhB、基線傾角測量誤差Δhα、干涉相位誤差Δhφ三個因素引起的高程誤差。在不考慮姿態(tài)測量誤差、定軌誤差等其他因素影響的情況下，基線長度測量誤差ΔhB、基線傾角測量誤差Δhα、干涉相位誤差Δhφ三個因素引起的總的高程誤差表達式為

(1)

基線與相位既影響測量精度又與工程實現(xiàn)難度相關(guān)，要折中考慮。

研究載荷工作機理是開展基線與相位精度分析的前提，可以得出基線與相位的主要影響因子，進而開展影響高程測量精度的關(guān)鍵指標(biāo)誤差分配，提出對基線長度和基線角測量精度的要求；同時，通過載荷工作機理的分析可以指導(dǎo)雷達工作視角等關(guān)鍵系統(tǒng)指標(biāo)的選取，有效載荷分系統(tǒng)的絕大部分指標(biāo)都與雷達的工作視角有關(guān)系，如地距分辨率、測繪帶寬、脈沖重復(fù)頻率(PRF)的選取、噪聲等效后向散射系數(shù)(NESZ)、高程測量精度等。

由衛(wèi)星發(fā)射的電磁波是通過電離層和中性大氣到達地面的，而地面回波又要通過中性大氣和電離層才能到達星載SAR的接收機，電磁波的傳播由于介質(zhì)的作用而減速，所以在測定干涉SAR到地物目標(biāo)的距離時會發(fā)生視伸長、不同的軌道高度將帶來不同的延遲影響。從雷達能力的角度考慮，干涉SAR對系統(tǒng)靈敏度的要求較高，在SAR天線發(fā)射功率有限的前提下，這就限制了雷達的作用距離不能太遠，衛(wèi)星軌道高度不能太高。同時，軌道高度影響著斜距的大小和工作視角的選擇，是高程測量精度的直接影響因素。

雙天線干涉SAR系統(tǒng)天線間的空間基線長度由天線伸展臂來保證，由于連接結(jié)構(gòu)之間的熱變形、在軌微重力釋放、在軌微振動等原因，將引起天線伸展臂的抖動，使天線的陣面產(chǎn)生位移，天線方向圖的相位受到振動頻率的調(diào)制，帶來回波幅度和相位畸變，嚴重影響干涉性能。

綜上所述，載荷工作機理、軌道高度和天線伸展臂抖動是影響星載雙天線干涉SAR系統(tǒng)高程測量精度的主要因素，下文將針對這3個因素與測高精度的關(guān)系進行重點分析。

3.1 載荷工作機理及高程測量精度分析

干涉SAR系統(tǒng)是通過兩部SAR從不同視角觀測同一目標(biāo)所引起的相位差來獲得目標(biāo)高程信息的。在干涉SAR系統(tǒng)中，兩部SAR位于空間不同位置，其間隔距離稱為干涉基線。干涉SAR的幾何關(guān)系如圖1所示。

圖1 干涉SAR的幾何關(guān)系示意圖Fig.1 Geometrical relation of InSAR

圖中S1和S2為干涉SAR系統(tǒng)的兩個天線，其干涉基線長度為B，B┴為垂直于斜距向的基線分量，基線與水平面的夾角α稱為基線傾角，T(h)表示高程為h的地面某一散射單元T，H代表軌道高度。兩天線以下視角θ0對某一地區(qū)進行觀測，其中S1作為主天線照射觀測區(qū)域，兩副天線同時接收地面散射的回波信號。利用SAR原理，S1和S2的回波數(shù)據(jù)可以形成兩幅高分辨率圖像，每個像素對應(yīng)于地面上的一個散射單元。

由于兩天線S1和S2分置，它們到T(h)的距離不同，分別為R0和R0+ΔR，存在距離差ΔR，該距離差可以非常精確地反映到兩幅圖像中該象素單元的相位差φ，定義λ為天線輻射電磁波的波長，則ΔR與φ的關(guān)系如下。

(2)

由于對相位的測量可以精確到2π范圍內(nèi)，因此對ΔR的測量也可以到波長量級。已知ΔR后，再根據(jù)圖中的幾何關(guān)系，可解出高程h。

(3)

(4)

本文對平地的干涉測高精度進行仿真分析，衛(wèi)星運行于500 km軌道，雙天線基線長度140 m，整星采用一發(fā)兩收干涉模式，相對測高精度和絕對測高精度隨視角的變化情況如圖2所示。

圖2 平地區(qū)域的測高精度Fig.2 Measurement precision of flat area

通過仿真分析可知，當(dāng)入射角小于40°時，平地區(qū)域相對測高誤差優(yōu)于2.5 m，絕對測高誤差優(yōu)于7 m。

3.2 軌道高度與高程測繪精度的關(guān)系研究

干涉SAR高程測量精度與基高比沒有直接的聯(lián)系，而體現(xiàn)在與斜距、視角和基線長度這三個量的關(guān)系上。在給定干涉參數(shù)相對測量誤差分配條件下分析相對高程誤差與軌道高度的關(guān)系。圖3給出了物理基線長度為140 m時相對高程誤差隨軌道高度變化的情況。

從圖3可以看出，基線長度一定時，軌道越低，高程重建精度越高，當(dāng)軌道高度為500 km時，25°視角的相對高程誤差優(yōu)于2.2 m，35°視角的相對高程誤差優(yōu)于2.5 m。

3.3 天線伸展臂的抖動對干涉性能的影響分析

天線伸展臂的主要功能是形成干涉SAR系統(tǒng)天線間的空間基線長度，同時在其末端提供天線的安裝和支承位置，滿足干涉SAR系統(tǒng)測高精度需求，因此對天線伸展臂提出了高的剛度、強度和穩(wěn)定度的要求[9-10]。

超長伸展臂在空間中呈大型撓性結(jié)構(gòu)，各種擾動會引起伸展臂末端相對于衛(wèi)星本體的運動，導(dǎo)致天線的位置和指向發(fā)生變化，進而影響兩副SAR天線圖像的相干性或直接引入干涉相位誤差，帶來高程測量誤差。

天線伸展臂的抖動將引起天線的波束指向抖動，導(dǎo)致雙天線的波束指向不一致，影響SAR復(fù)圖像對的相干性。天線伸展臂的側(cè)滾方向彎曲、偏航方向彎曲和俯仰方向扭轉(zhuǎn)對副天線波束指向的影響分別為：距離向波束指向誤差、距離向和方位向波束指向誤差、方位向波束指向誤差。

由于天線的距離向波束寬度較寬，距離向波束指向發(fā)生微小變化時對干涉性能的影響較小，通?？珊雎?。而方位向波束指向失配對干涉性能的影響要比距離向失配高一個數(shù)量級，因此主要分析方位向波束指向誤差對干涉性能的影響。

1)低頻抖動誤差

低頻抖動的波束指向誤差是抖動周期遠大于合成孔徑時間的慢變化誤差。這種波束指向誤差引起的頻譜偏移造成了復(fù)圖像對去相干，但不影響干涉相位。

圖4給出了相干系數(shù)和其對應(yīng)的干涉相位誤差隨波束指向抖動幅度的變化曲線。從圖4可知相干系數(shù)隨波束指向誤差的變化較顯著。

圖4 相干系數(shù)和其對應(yīng)的相位誤差隨抖動幅度的變化Fig.4 Variety of the coherence and phasic error with the shake range

方位向波束指向誤差引起的斜視角使得目標(biāo)點脈沖響應(yīng)出現(xiàn)旁瓣傾斜，并產(chǎn)生隨方位向和距離向變化的線性相位。這使得圖像對間微小的失配就將引起很大的干涉相位誤差，對系統(tǒng)性能影響顯著。實際上可以通過干涉處理時的配準(zhǔn)將慢變化波束指向誤差的影響減小。

2)高頻抖動誤差

波束指向的高頻抖動將使回波信號產(chǎn)生附加的成對回波，成對回波對復(fù)圖像對相關(guān)系數(shù)的影響類似于熱噪聲，成對回波是圖像信號經(jīng)過幅度加權(quán)并在時域和頻域平移后得到的，與圖像信號存在一定的相關(guān)性。兩者的相關(guān)程度由成對回波相對于主回波的偏移量決定，隨著波束抖動頻率增高，成對回波在時域和頻域均遠離主回波，與主回波相關(guān)性下降。因此隨著抖動頻率增大至一定程度后，復(fù)圖像對相關(guān)系數(shù)的影響逐漸減小并趨于一個穩(wěn)定值。

假設(shè)天線伸展臂的快速抖動引起的方位向波束指向的抖動幅度為1/20個波束寬度，Ts表示合成孔徑時間，Tb為抖動周期，當(dāng)抖動周期分別為0.1、0.5、1倍的合成孔徑時間時，受影響后的復(fù)圖像對相干系數(shù)見圖5。

圖5 相干系數(shù)和其對應(yīng)的相位誤差隨方位向波束指向抖動幅度的變化關(guān)系Fig.5 Variety relation of the coherence and phasic error with the shake range of the beam pointing

圖5(a)和(b)分別給出了相干系數(shù)和相位誤差隨波束指向抖動幅度的變化。從圖5可知，方位向波束指向快速抖動對復(fù)圖像對相干性的影響很小，尤其當(dāng)抖動頻率高于合成孔徑時間倒數(shù)的2倍后，成對回波完全偏離主回波，因而抖動頻率進一步增大對相干性并無顯著影響。

4 雙天線干涉SAR衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 一體化系統(tǒng)集成仿真技術(shù)

綜合考慮數(shù)傳、測控、電源、熱控等約束，與衛(wèi)星軌道、構(gòu)形、載荷、控制及各個分系統(tǒng)的方案設(shè)計開展反復(fù)迭代與優(yōu)化研究，該系統(tǒng)的能力包絡(luò)、驗證系統(tǒng)指標(biāo)提升的匹配性、合理性、可行性，是雙天線干涉SAR衛(wèi)星需要重點解決的問題。其中，尤其星地一體化指標(biāo)是影響成像和測高性能等與用戶應(yīng)用直接相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)，它是由天地各系統(tǒng)(包括衛(wèi)星系統(tǒng)、地面接收系統(tǒng)、地面處理系統(tǒng)等)相關(guān)指標(biāo)所決定和影響的。各因素間相互影響、相互耦合，必須定量化分析出天地各系統(tǒng)指標(biāo)對最終的成像和測繪的影響。

為了驗證系統(tǒng)指標(biāo)的合理可行性，需要研究集系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計和分析、回波仿真、成像處理、圖像指標(biāo)評估和高程反演等功能于一體的系統(tǒng)仿真技術(shù)。高精度地仿真天地各系統(tǒng)對干涉SAR回波的影響，定量化評估系統(tǒng)性能對干涉SAR應(yīng)用效果的影響。

4.2 超長展開臂的在軌高精度、高穩(wěn)定度控制技術(shù)

在星載雙天線干涉SAR系統(tǒng)中，為了滿足測高精度的要求，兩副天線的基線長度需要幾十米甚至上百米，在測繪工作模式下，干涉SAR衛(wèi)星在軌受到執(zhí)行機構(gòu)擾動、液體晃動耦合、太陽翼撓性耦合、溫度變化、外界氣動干擾、控制系統(tǒng)耦合等一系列外界因素的作用下，超長天線支撐臂可能產(chǎn)生特定幅值的靜態(tài)與動態(tài)變形，從而影響干涉天線的相對位置關(guān)系及測繪精度，這給衛(wèi)星姿態(tài)控制和結(jié)構(gòu)振動抑制帶來了極大的挑戰(zhàn)。

同時，如何在地面仿真中準(zhǔn)確預(yù)示天線支撐臂的動態(tài)變形量級、如何在多擾動因素耦合條件下實現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)的高精度控制以及對支撐臂動態(tài)變形的振動抑制，是雙天線干涉SAR衛(wèi)星研制中需要突破的重要難點，也是干涉SAR衛(wèi)星實現(xiàn)高精度測繪目標(biāo)的核心保障。

4.3 雙通道幅相誤差測量與補償技術(shù)

在軌干涉SAR衛(wèi)星在傳統(tǒng)SAR的基礎(chǔ)之上，利用兩幅SAR圖像的相干性得到干涉相位，將SAR的測量拓展到三維空間。它以不同視角對地面同一區(qū)域進行兩次觀測，通過干涉處理獲得地面的精確數(shù)字高程圖，干涉成像的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型決定了其受空間環(huán)境的影響比較大，工作過程中產(chǎn)生的誤差來源較多。同時，雙接收通道傳輸路徑造成通道間的信噪比不同，補償由于連接長電纜的損耗帶來的通道間幅度的不一致性，是系統(tǒng)誤差測量補償?shù)碾y點之一。因此，對于這些系統(tǒng)誤差的測量與補償即為技術(shù)的關(guān)鍵所在。

5 結(jié)束語

本文針對星載雙天線SAR系統(tǒng)的測繪特點和總體技術(shù)特點進行了分析，開展了軌道高度與高程測繪精度的關(guān)系研究、載荷工作機理及高程測量精度分析、天線伸展臂的抖動對干涉性能的影響分析，最后進行了星載雙天線干涉SAR系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析。通過仿真結(jié)果可知，當(dāng)衛(wèi)星軌道高度為500 km、基線長度為140 m時，25°視角的相對高程誤差優(yōu)于2.2 m，35°視角的相對高程誤差優(yōu)于2.5 m；在一發(fā)兩收干涉模式下，當(dāng)入射角小于40°時，平地區(qū)域相對測高誤差優(yōu)于2.5 m，絕對測高誤差優(yōu)于7 m。本文研究結(jié)果對軌道選擇、載荷工作模式選擇及任務(wù)設(shè)計、總體指標(biāo)分解等總體技術(shù)的進一步研究提供了參考，對雙天線干涉SAR衛(wèi)星的工程實現(xiàn)亦具有參考作用。

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(編輯：張小琳)

2016年度《航天器工程》審稿專家名單

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湯恩生 唐治華 田百義 田科豐 王海紅 王 浩 王家勝

王 劼 王勁榕 王九龍 王慶成 王同桓 王 翔 王曉耕

吳國庭 謝 軍 徐 鵬 雪亞林 鄢婉娟 楊 慧 楊維廉

葉云裳 袁仕耿 張 熇 張加迅 張立華 張 猛 張慶祥

張潤寧 張云彤 張照炎 趙海濤 趙和平 趙會光 趙堅成

鐘 奇 周傲松 周 靜 周勝利 周文艷 朱毅麟

System Technologies of Spaceborne Dual-antenna InSAR

WANG Tao1,2YU Haifeng1LIU Jie1ZHANG Qingjun1

(1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)(2 Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

According to mapping ways the InSAR satellites include repeated orbit InSAR, dual-antenna InSAR and distributed InSAR. The way of dual-antenna InSAR can achieve higher interferometry mapping efficiency. This paper focuses on spaceborne dual-antenna InSAR, researching the system technologies, such as the relationship between the height of orbit and the altitude mapping precision, the payload operation mechanism and altitude mapping precision, and the impact on interferometry performance by the jitter of the antenna arm. Then it analyzes the key technologies of the spaceborne dual-antenna InSAR.

InSAR；system technologies；satellite；dual antenna

2016-10-31；

2016-11-18

王濤，男，工程師，從事衛(wèi)星微波遙感衛(wèi)星總體設(shè)計工作。Email：terry1860@126.com。

TN959.6

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.002