高分三號(hào)衛(wèi)星SAR工作模式與載荷設(shè)計(jì)

孫吉利 禹衛(wèi)東 鄧云凱

(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所,北京 100190)

高分三號(hào)衛(wèi)星SAR工作模式與載荷設(shè)計(jì)

孫吉利 禹衛(wèi)東 鄧云凱

(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所,北京 100190)

高分三號(hào)(GF-3)衛(wèi)星為滿(mǎn)足多樣化的用戶(hù)需求,其合成孔徑雷達(dá)(SAR)載荷具有高分辨率、寬覆蓋、多極化、多工作模式、高圖像質(zhì)量等特點(diǎn),設(shè)計(jì)難度大。文章進(jìn)行了任務(wù)需求分析,確定了SAR載荷總體實(shí)現(xiàn)方案,給出了SAR各工作模式的設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步給出了SAR載荷的設(shè)計(jì),即采用大規(guī)模有源相控陣天線(xiàn)技術(shù),并結(jié)合靈活的中央電子設(shè)備,使其能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜工作模式下的高質(zhì)量成像,滿(mǎn)足任務(wù)需求。

高分三號(hào)衛(wèi)星;合成孔徑雷達(dá);工作模式;載荷設(shè)計(jì)

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種主動(dòng)式的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng),利用合成孔徑原理實(shí)現(xiàn)高分辨的微波成像,具備全天時(shí)、全天候的對(duì)地觀測(cè)能力[1]。高分三號(hào)(GF-3)衛(wèi)星是一顆SAR衛(wèi)星,運(yùn)行于太陽(yáng)同步晨昏軌道,軌道平均高度為755 km,通過(guò)其C頻段多極化SAR載荷實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)。GF-3衛(wèi)星服務(wù)于中國(guó)海洋、減災(zāi)、水利及氣象等多個(gè)領(lǐng)域,不同行業(yè)及業(yè)務(wù)部門(mén)用戶(hù)提出了多種觀測(cè)任務(wù)需求,對(duì)應(yīng)的圖像特性具有非常大的差異,這給SAR工作模式和載荷的設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。

本文從分析任務(wù)需求著手,闡述了GF-3衛(wèi)星SAR載荷的總體實(shí)現(xiàn)方案,給出了SAR各工作模式的設(shè)計(jì),以及SAR載荷的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2 SAR載荷的總體方案

為滿(mǎn)足各用戶(hù)的應(yīng)用需求,GF-3衛(wèi)星共選取了12種SAR成像模式[2],見(jiàn)表1。從表1中可以看出:不同模式的分辨率從1 m到500 m,相應(yīng)的幅寬從10 km到650 m,極化方式包括可選單極化(HH或VV)、可選雙極化(HH＋HV或者VH＋VV)和全極化(HH＋HV＋VH＋VV),模式之間差異非常大。

表1 GF-3衛(wèi)星SAR成像模式Table 1 Imaging modes of GF-3 satellite SAR

綜合考慮以上因素,SAR載荷采用雙極化平板有源相控陣天線(xiàn)方案,天線(xiàn)尺寸為15 m(方位向)×1．232 m(距離向),能進(jìn)行天線(xiàn)波束的兩維快速掃描,通過(guò)幅相優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)大掃描角下的低天線(xiàn)副瓣;天線(xiàn)沿方位向分為4個(gè)面板(A、B、C、D),可通過(guò)各面板的加電、斷電改變天線(xiàn)方位向孔徑尺寸,并有利于衛(wèi)星發(fā)射前天線(xiàn)的折疊壓緊;天線(xiàn)的A＋B面板和C＋D面板的接收通路相互獨(dú)立,兩者的水平(H)和垂直(V)極化接收通路相互獨(dú)立;采用微波組合單元進(jìn)行不同成像模式下接收機(jī)輸入射頻信號(hào)的組合和切換,僅用2個(gè)接收采樣通道就能實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)的接收采樣。

3 工作模式設(shè)計(jì)

3．1 成像模式

從SAR成像技術(shù)的角度,可以把12種成像模式劃分為聚束模式、超精細(xì)條帶模式、全極化條帶模式、波成像模式、雙極化條帶模式和雙極化掃描模式6組。其中:全極化條帶模式包括全極化條帶1模式和全極化條帶2模式;雙極化條帶模式包括精細(xì)條帶1模式、精細(xì)條帶2模式、標(biāo)準(zhǔn)條帶模式和擴(kuò)展入射角模式;雙極化掃描模式包括窄幅掃描模式、寬幅掃瞄模式和全球觀測(cè)模式。

1)聚束模式

聚束模式采用滑動(dòng)聚束技術(shù)[3]來(lái)提高方位向分辨率,其代價(jià)是成像區(qū)域不連續(xù)。該模式僅使用1/2方位向天線(xiàn)孔徑(7．5 m),可以由任意相鄰的2個(gè)面板組成,即A＋B或B＋C或C＋D,同時(shí)其他2塊不工作的面板則斷電以降低功耗。天線(xiàn)方位向最大掃描角為±1．9°,能夠滿(mǎn)足方位向10 km區(qū)域內(nèi)1 m分辨率的成像需求。在距離向采用240 MHz的線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào),在20°～50°入射角范圍對(duì)應(yīng)的地距分辨率為2．29～0．98 m。

2)超精細(xì)條帶模式

超精細(xì)條帶模式采用單發(fā)雙收技術(shù)[4],通過(guò)增加方位向空間采樣來(lái)降低脈沖重復(fù)頻率(PRF),從而改善距離模糊性能。該模式采用1/2方位向天線(xiàn)孔徑,天線(xiàn)B面板和C面板共同用于發(fā)射功率信號(hào),天線(xiàn)發(fā)射波束展寬1．7倍以匹配接收波束;天線(xiàn)B面板和C面板分別獨(dú)立接收地面回波信號(hào),形成具有不同相位中心的2個(gè)接收波束,從而增加空間采樣,降低PRF。在該模式下,2個(gè)接收機(jī)通道要切換至相同極化下的天線(xiàn)左、右翼,即分別對(duì)應(yīng)天線(xiàn)B、C面板。

3)全極化條帶模式

全極化條帶模式采用天線(xiàn)全孔徑工作,包括全極化條帶1模式和全極化條帶2模式,2種模式實(shí)現(xiàn)上的差別在于觀測(cè)所采用的系統(tǒng)參數(shù)不同,例如天線(xiàn)波束指向和寬度、信號(hào)時(shí)寬和帶寬、成像處理所使用的多視數(shù)等,以滿(mǎn)足2種模式下不同的圖像分辨率和幅寬要求。

全極化條帶模式采用極化時(shí)分加碼分的工作方式[5],見(jiàn)圖1。極化時(shí)分工作方式交替發(fā)射H或V極化功率信號(hào),同時(shí)接收H和V極化地面回波,通過(guò)收發(fā)組合獲得準(zhǔn)實(shí)時(shí)的全極化信號(hào)。極化碼分工作方式是在H和V極化發(fā)射信號(hào)中采用正交的信號(hào)編碼,SAR載荷在H和V極化發(fā)射信號(hào)中采用相反的調(diào)頻信號(hào)調(diào)制斜率,H極化采用正調(diào)頻斜率,V極化采用負(fù)調(diào)頻斜率。極化時(shí)分加碼分的工作方式,在簡(jiǎn)化設(shè)備的同時(shí),可以有效抑制地面強(qiáng)反射目標(biāo)導(dǎo)致的交叉極化模糊。

4)波成像模式

波成像模式[6]同樣采用極化時(shí)分加碼分的工作方式實(shí)現(xiàn)全極化成像,與全極化條帶模式不同的是,它的成像區(qū)域是一系列離散的方形區(qū)域,這些方形區(qū)域可分布在1個(gè)或2個(gè)入射角范圍內(nèi),并且沿方位向等間隔分布。波成像模式實(shí)質(zhì)上是對(duì)大面積均勻地球表面(通常是海面)的離散采樣,這種間歇不連續(xù)的觀測(cè)方式可以大大降低SAR載荷的平均功耗,從而使GF-3衛(wèi)星在該模式下單次開(kāi)機(jī)可連續(xù)工作超過(guò)50 min。波成像模式采用與全極化條帶1模式相同的天線(xiàn)波束,通過(guò)精確控制SAR觀測(cè)時(shí)間和采樣時(shí)間,實(shí)現(xiàn)要求的成像區(qū)域面積(通常為5 km×5 km)和方位向間隔(通常為50 km)。

5)雙極化條帶模式

雙極化條帶模式包括精細(xì)條帶1模式、精細(xì)條帶2模式、標(biāo)準(zhǔn)條帶模式和擴(kuò)展入射角模式,采用常規(guī)的條帶模式來(lái)實(shí)現(xiàn)單波束連續(xù)成像。這些模式實(shí)現(xiàn)上的差異在于觀測(cè)所采用的系統(tǒng)參數(shù)不同,例如天線(xiàn)波束指向和寬度、信號(hào)時(shí)寬和帶寬、成像處理所使用的多視數(shù)等,以滿(mǎn)足不同模式下的圖像分辨率和幅寬要求。擴(kuò)展入射角模式采用的視角超出其他模式的范圍,其目的是能夠擴(kuò)展單顆SAR衛(wèi)星的觀測(cè)能力,從而降低重訪(fǎng)時(shí)間間隔。

6)雙極化掃描模式

雙極化掃描模式包括窄幅掃描模式、寬幅掃瞄模式和全球觀測(cè)模式,采用掃描SAR(ScanSAR)[7]成像技術(shù),即通過(guò)多個(gè)距離子帶的順序掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)大幅寬成像。雙極化掃描模式采用與標(biāo)準(zhǔn)條帶模式相同的天線(xiàn)波束,每個(gè)波束覆蓋約130 km的幅寬,考慮到相鄰距離子帶間的交疊,窄幅掃描模式、寬幅掃瞄模式和全球觀測(cè)模式分別采用3個(gè)、5個(gè)和7個(gè)相鄰距離波束的拼接來(lái)實(shí)現(xiàn)所要求的成像幅寬。其中:全球觀測(cè)模式采用非常低的發(fā)射占空比(約1.6%),使SAR載荷的平均功耗大大降低,并且通過(guò)采用2 MHz的信號(hào)帶寬使數(shù)據(jù)率大大降低,因此該模式下單次開(kāi)機(jī)可連續(xù)觀測(cè)超過(guò)30 min。

3．2 內(nèi)定標(biāo)模式

除了成像模式,SAR載荷還采用多種內(nèi)定標(biāo)模式,可在軌監(jiān)測(cè)SAR載荷的部分性能和工作狀態(tài)。與外定標(biāo)不同的是,內(nèi)定標(biāo)可以在每次成像前、成像后甚至成像過(guò)程中進(jìn)行,能夠更加頻繁地獲取SAR載荷的運(yùn)行狀態(tài)。

4 SAR載荷設(shè)計(jì)

4．1 總體設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)SAR載荷各工作模式設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,開(kāi)展SAR載荷的詳細(xì)設(shè)計(jì),表2給出了SAR載荷的主要參數(shù)。SAR載荷由SAR天線(xiàn)子系統(tǒng)和中央電子設(shè)備子系統(tǒng)組成。在衛(wèi)星發(fā)射前,SAR天線(xiàn)的4個(gè)面板通過(guò)可展開(kāi)機(jī)構(gòu)壓緊折疊于衛(wèi)星的兩側(cè)。衛(wèi)星發(fā)射入軌后,天線(xiàn)展開(kāi)至平板狀態(tài)。在SAR開(kāi)機(jī)成像前,衛(wèi)星星體要繞X軸(指向飛行方向)轉(zhuǎn)動(dòng),使天線(xiàn)法向(衛(wèi)星本體坐標(biāo)系Z軸)與衛(wèi)星指向地心的矢量呈－31．5°(右側(cè)視)或＋31．5°(左側(cè)視)的夾角,如圖2所示,這種雙側(cè)視能力能夠大大降低重訪(fǎng)間隔時(shí)間。GF-3衛(wèi)星采用了偏航和俯仰兩維聯(lián)合姿態(tài)導(dǎo)引[8]來(lái)降低多普勒中心頻率。

表2 SAR載荷主要參數(shù)Table 2 Key parameters of SAR payload

4．2 SAR天線(xiàn)子系統(tǒng)

SAR天線(xiàn)子系統(tǒng)采用平板有源相控陣[9]技術(shù),天線(xiàn)尺寸為15 m(方位向)×1．232 m(距離向)。天線(xiàn)陣面在方位向分為4個(gè)面板,每個(gè)面板可分為6列,每列為一個(gè)模塊,每列由64個(gè)距離單元組成,共計(jì)1536個(gè)發(fā)射/接收(T/R)通道。圖3給出了SAR天線(xiàn)子系統(tǒng)的電原理框圖。

(1)天線(xiàn)配電器。整個(gè)天線(xiàn)的供電由2臺(tái)天線(xiàn)配電器提供,每臺(tái)配電器為2塊天線(xiàn)面板提供大功耗高壓母線(xiàn)電源,同時(shí)提供各天線(xiàn)面板的DC/DC模塊使能信號(hào)。

(2)波束控制器。它用于接收中央電子設(shè)備的指令,進(jìn)行指令解釋、波控碼形成,并將波控碼通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)發(fā)送至天線(xiàn)各面板,從而控制天線(xiàn)的波束形成和掃描。GF-3衛(wèi)星SAR所有成像模式共計(jì)需要形成左、右側(cè)視各205個(gè)距離向天線(xiàn)波束,所有波束的幅度和相位控制碼均存儲(chǔ)于波束控制器中。波束控制器在軌實(shí)時(shí)計(jì)算天線(xiàn)波束方位向掃描所需要的幅度和相位控制碼。

(3)驅(qū)動(dòng)放大器。它對(duì)中央電子設(shè)備輸出的調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行功率放大,以驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)陣面。天線(xiàn)陣面的接收信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大器中的環(huán)形器送至中央電子設(shè)備。2臺(tái)驅(qū)動(dòng)放大器分別驅(qū)動(dòng)接收H極化和V極化天線(xiàn)信號(hào)。

發(fā)射時(shí),調(diào)頻信號(hào)經(jīng)射頻功率放大器放大后,由功率分配器分為2路,分別驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)極化的A、B面板和C、D面板。因此,可采用使能射頻功率放大器的方法來(lái)選擇發(fā)射極化,例如發(fā)射H極化信號(hào)時(shí),僅使能H極化驅(qū)動(dòng)放大器中的射頻功率放大器。為提高天線(xiàn)的極化隔離,天線(xiàn)陣面同樣需要進(jìn)行相應(yīng)的極化使能選擇。天線(xiàn)A面板和B面板的相同極化接收信號(hào)合成為一路,然后分別分為2路,以實(shí)現(xiàn)射頻通道冗余。天線(xiàn)C面板和D面板的接收信號(hào)采用相同的方式實(shí)現(xiàn)通道冗余。

圖4給出了單塊天線(xiàn)面板的電原理框圖。每個(gè)天線(xiàn)面板由6個(gè)模塊組成,射頻信號(hào)通過(guò)3個(gè)1分6功率分配器連接到各天線(xiàn)模塊,控制和供電信號(hào)則通過(guò)總線(xiàn)的方式分配至各天線(xiàn)模塊。

SAR天線(xiàn)采用了模塊化設(shè)計(jì),每個(gè)天線(xiàn)模塊均包含1個(gè)波控單元、1個(gè)電源單元、8個(gè)延時(shí)放大器、16個(gè)T/R組件、32個(gè)雙極化輻射單元和3個(gè)功率分配器,以及相應(yīng)的安裝板和電纜網(wǎng)。

(1)波控單元接收波束控制器的指令和定時(shí)信號(hào),轉(zhuǎn)換后發(fā)送至8個(gè)延時(shí)放大器和T/R組件,從而控制波束的形成和收發(fā)切換。

(2)電源單元將高壓直流電源轉(zhuǎn)換為模塊內(nèi)其他有源單元工作需要的低壓直流電源,并通過(guò)電纜網(wǎng)分配至各單元,包括延時(shí)放大器、T/R組件和波控單元。

(3)雙極化輻射單元采用波導(dǎo)裂縫技術(shù)提高極化隔離度和輻射效率,輻射單元行間距的選取可保證天線(xiàn)波束在距離向±20°掃描角下沒(méi)有明顯的柵瓣,能夠滿(mǎn)足12種成像模式(特別是擴(kuò)展入射角模式)對(duì)天線(xiàn)波束距離向掃描的要求。輻射單元列間距的選取,在聚束模式所要求的±1．9°方位向掃描角下難以滿(mǎn)足低柵瓣的嚴(yán)格要求,但可以適當(dāng)?shù)剡x取PRF,使模糊區(qū)避開(kāi)柵瓣所在位置,滿(mǎn)足方位模糊的性能要求。

(4)2個(gè)1∶4功率分配器分別將H和V極化射頻信號(hào)分配至每個(gè)延時(shí)放大器,一個(gè)1∶32功率分配器用來(lái)合成每個(gè)T/R組件的定標(biāo)耦合信號(hào)。每個(gè)T/R組件包含有4個(gè)T/R通道,1個(gè)與延時(shí)放大器的接口。每個(gè)雙極化輻射單元具有完全隔離的H極化和V極化饋電端口,分別對(duì)應(yīng)H極化和V極化的1個(gè)T/R通道。

4．3 SAR中央電子設(shè)備子系統(tǒng)

SAR中央電子設(shè)備(見(jiàn)圖5)采用備份冗余設(shè)計(jì)(除內(nèi)定標(biāo)器),實(shí)現(xiàn)的功能包括:冗余切換控制,加斷電控制,工作流程控制,時(shí)序控制;發(fā)射調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生;接收信號(hào)變頻、濾波;采樣量化,數(shù)據(jù)壓縮,數(shù)據(jù)打包。

(1)監(jiān)控定時(shí)器。通過(guò)衛(wèi)星平臺(tái)總線(xiàn),監(jiān)控定時(shí)器接收衛(wèi)星平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)的地面指令,并將SAR載荷的遙測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)給衛(wèi)星平臺(tái)。監(jiān)控定時(shí)器實(shí)現(xiàn)SAR載荷各單機(jī)的冗余切換、加電斷電和定時(shí)控制,以及成像流程和參數(shù)控制,同時(shí)監(jiān)測(cè)中央電子設(shè)備的工作狀態(tài),天線(xiàn)子系統(tǒng)的工作狀態(tài)由波束控制器通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)提供給監(jiān)控定時(shí)器。

(2)雷達(dá)配電器。它將衛(wèi)星平臺(tái)電源母線(xiàn)分配至中央電子設(shè)備各單機(jī)、波束控制器和驅(qū)動(dòng)放大器,并執(zhí)行衛(wèi)星平臺(tái)和監(jiān)控定時(shí)器的指令,進(jìn)行加電、斷電?？紤]到各單機(jī)對(duì)二次電源的需求種類(lèi)較多,將DC/DC模塊分布在各單機(jī)中,而不是集中在雷達(dá)配電器中。

(3)基準(zhǔn)頻率源。它基于高穩(wěn)晶振產(chǎn)生SAR載荷工作所需要的各種同步時(shí)鐘。根據(jù)監(jiān)控計(jì)算機(jī)的時(shí)寬、脈寬、斜率和定時(shí)指令,調(diào)頻信號(hào)源在軌實(shí)時(shí)計(jì)算產(chǎn)生SAR載荷工作所需要的線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào),經(jīng)調(diào)制、上變頻、濾波、放大后送至驅(qū)動(dòng)放大器和內(nèi)定標(biāo)器?？紤]到調(diào)頻信號(hào)帶寬的多樣化需求,在調(diào)頻信號(hào)源中采用具有8種帶寬的中頻濾波器組實(shí)現(xiàn)硬件帶通濾波。

(4)微波組合。接收自天線(xiàn)的四路射頻信號(hào)(HAB、HCD、VAB和VCD),由微波組合根據(jù)成像工作模式進(jìn)行選擇或合成,形成2路射頻信號(hào)送至雷達(dá)接收機(jī)。在H極化超精細(xì)條帶模式下,選擇HAB和HCD輸出至雷達(dá)接收機(jī);在V極化超精細(xì)條帶模式下,選擇VAB和VCD輸出至雷達(dá)接收機(jī);在其他模式下,HAB與HCD合成,VAB與VCD合成,合成后的2路信號(hào)送至雷達(dá)接收機(jī)。

(5)雷達(dá)接收機(jī)。它具有2個(gè)接收通道,將接收的射頻信號(hào)下變頻、濾波、放大后的中頻信號(hào)直接送至數(shù)據(jù)形成器。雷達(dá)接收機(jī)可采用手動(dòng)增益控制(MGC)或自動(dòng)增益控制(AGC)模式進(jìn)行增益控制。MGC模式下數(shù)據(jù)形成器根據(jù)地面上發(fā)指令,輸出固定衰減控制碼至雷達(dá)接收機(jī);AGC模式下數(shù)據(jù)形成器在軌實(shí)時(shí)計(jì)算,根據(jù)信號(hào)幅度自動(dòng)選擇適當(dāng)?shù)乃p控制碼,輸出至雷達(dá)接收機(jī)。雷達(dá)接收機(jī)中采用與調(diào)頻信號(hào)源相同的中頻濾波器組,實(shí)現(xiàn)多帶寬信號(hào)濾波。

(6)數(shù)據(jù)形成器。它采用中頻采樣技術(shù)[10],采樣頻率為533．33 MHz,在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)解調(diào)和濾波。在小帶寬情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取,以降低輸出數(shù)據(jù)率。數(shù)據(jù)形成器可實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)壓縮方式,包括3 bit BAQ、4 bit BAQ、高4 bit截取及8 bit直通(不壓縮)方式,依據(jù)監(jiān)控定時(shí)器轉(zhuǎn)發(fā)的地面指令進(jìn)行壓縮方式切換。根據(jù)成像工作模式和壓縮方式不同,數(shù)據(jù)形成器將壓縮后的回波數(shù)據(jù)與輔助數(shù)據(jù)按不同格式打包,形成SAR數(shù)據(jù)包送給數(shù)傳分系統(tǒng)。在內(nèi)定標(biāo)模式下,定標(biāo)數(shù)據(jù)不壓縮,與輔助數(shù)據(jù)打包形成SAR數(shù)據(jù)包。

(7)內(nèi)定標(biāo)器。SAR載荷通過(guò)內(nèi)定標(biāo)器與內(nèi)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)形成內(nèi)部射頻閉環(huán)回路,獲取內(nèi)定標(biāo)數(shù)據(jù)。內(nèi)定標(biāo)器內(nèi)部包含射頻開(kāi)關(guān)、光電轉(zhuǎn)換模塊和光延遲線(xiàn)等,可形成延遲或非延遲通路。內(nèi)定標(biāo)器與調(diào)頻信號(hào)源、驅(qū)動(dòng)放大器、天線(xiàn)陣面之間有定標(biāo)接口,通過(guò)切換內(nèi)定標(biāo)器中的微波開(kāi)關(guān),可形成多條內(nèi)定標(biāo)回路。

5 圖像性能

在SAR載荷設(shè)計(jì)過(guò)程中,通過(guò)仿真獲取了預(yù)計(jì)的SAR圖像性能。在SAR載荷地面測(cè)試階段,基于天線(xiàn)方向圖、通道性能等地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),在衛(wèi)星發(fā)射前對(duì)SAR圖像性能進(jìn)行復(fù)核復(fù)算。GF-3衛(wèi)星于2016年8月10日從太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射,于8月15日進(jìn)行了SAR載荷首次開(kāi)機(jī)成像,隨后在軌測(cè)試和應(yīng)用評(píng)估逐步開(kāi)展,于2017年1月正式投入業(yè)務(wù)化運(yùn)行。地面仿真的SAR圖像部分性能的準(zhǔn)確性已通過(guò)在軌測(cè)試進(jìn)行了驗(yàn)證,主要SAR圖像性能指標(biāo)見(jiàn)表3,表中所列指標(biāo)均為相應(yīng)成像模式的入射角范圍內(nèi)的最差值。方位模糊和距離模糊均基于均勻地物模型計(jì)算,通過(guò)適當(dāng)選擇天線(xiàn)尺寸并進(jìn)行波束優(yōu)化,保證了模糊性能夠滿(mǎn)足要求。H極化和V極化的射頻通路完全分離,實(shí)現(xiàn)了高極化隔離度。低噪聲系數(shù)、高效率輻射單元、高天線(xiàn)增益和高發(fā)射功率,共同保證了噪聲等效后向散射系數(shù)滿(mǎn)足要求。

表3 SAR圖像指標(biāo)性能Table 3 Performance indexes of SAR image

6 結(jié)束語(yǔ)

GF-3是中國(guó)首顆C頻段多極化SAR衛(wèi)星,為滿(mǎn)足多用戶(hù)的應(yīng)用需求,SAR載荷具有12種成像模式,包含了從高分辨到寬覆蓋,從單極化到全極化的成像能力。其多種模式兼容及高圖像性能指標(biāo)要求,給SAR載荷的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。本文通過(guò)分析任務(wù)需求,確定了SAR載荷總體實(shí)現(xiàn)思路,采用多種先進(jìn)星載SAR成像技術(shù),實(shí)現(xiàn)不同性能指標(biāo)的12種成像模式設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)成像模式的需求,進(jìn)一步確定SAR載荷的詳細(xì)方案設(shè)計(jì)。SAR載荷采用大規(guī)模有源相控陣天線(xiàn),以及靈活的中央電子設(shè)備,實(shí)現(xiàn)12種成像模式下高質(zhì)量成像,圖像各項(xiàng)性能指標(biāo)經(jīng)地面仿真及在軌驗(yàn)證,均滿(mǎn)足任務(wù)要求。目前,GF-3衛(wèi)星SAR圖像產(chǎn)品已在多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用[11-13],首次實(shí)現(xiàn)了中國(guó)SAR衛(wèi)星的定量化應(yīng)用[14]和地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(GMTI)[15],展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能和重要價(jià)值。

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Design of Working Modes and Payload of SAR for GF-3 Satellite

SUN Jili YU Weidong DENG Yunkai
(Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

Considering the different requirements from multiple users,SAR payload of GF-3 satellite has the characteristics of high resolution,large observing swath,multiple polarization,multiple working mode and high image quality,which bring great challenges to the design of SAR payload．The paper describes the SAR payload for the GF-3 satellite．Based on the requirement analysis,the overall realization scheme is determined and the working mode design is given．Furthermore,the design of SAR payload is described．Using a deployable planar active phased array antenna and the configurable electronics subsystem,the SAR payload has the abilities to obtain high-quality images and meet the requirements of mission．

GF-3 satellite;SAR;working mode;payload design

V474．2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.010

2017-10-30;

2017-11-21

國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)工程

孫吉利,男,博士,副研究員,研究方向?yàn)樾禽dSAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)。Email:jlsun＠m(xù)ail．ie．a(chǎn)c．cn。

(編輯:夏光)