Ka波段機(jī)載雙模式干涉SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測(cè)量精度分析

鄭世超，王 輝，孫志強(qiáng)，孔令振

(1.上海航天技術(shù)研究院 毫米波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100086；2. 上海航天技術(shù)研究院 毫米波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201109)

0 引言

與傳統(tǒng)低頻段合成孔徑雷達(dá)(SAR)相比，Ka波段SAR系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是分辨率更高。Ka波段可用的帶寬更大，相同波束寬度下天線尺寸更小，因此Ka波段SAR比低頻段SAR容易獲得更高的距離向和方位向分辨率。二是體積更小、重量更輕。Ka波段天線和射頻模塊的尺寸更小，具有體積小的特點(diǎn)。三是目標(biāo)輪廓效應(yīng)更加明顯。雷達(dá)工作頻段越高，目標(biāo)輪廓效應(yīng)越明顯，因此Ka波段目標(biāo)幾何外形的輪廓能產(chǎn)生更強(qiáng)的回波，有利于獲取清晰的目標(biāo)細(xì)節(jié)。

近幾年，隨著核心功率器件水平的不斷提升，美國、歐洲開始研究Ka波段在SAR領(lǐng)域尤其在干涉SAR領(lǐng)域的應(yīng)用[1]。與低波段SAR系統(tǒng)相比，Ka波段干涉SAR能以較短的干涉基線獲得相同的干涉測(cè)量精度，大幅降低了高精度干涉測(cè)量的實(shí)現(xiàn)難度[2-3]，能夠在同一系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高精度的順軌干涉與交軌干涉?；谝陨咸攸c(diǎn)，本文提出了1套Ka波段雙模式干涉SAR系統(tǒng)，可用于驗(yàn)證雙模式干涉SAR的可行性。

該系統(tǒng)在交軌干涉模式下，針對(duì)Ka波段電磁波穿透性較弱的特點(diǎn)，重點(diǎn)驗(yàn)證對(duì)水面高度、水流速度的測(cè)量能力。考慮到Ka波段SAR系統(tǒng)的損耗較大，該驗(yàn)證系統(tǒng)選取較小的工作視角。在小入射角條件下，水面較強(qiáng)的后向散射系數(shù)可大幅降低系統(tǒng)所需的發(fā)射功率與天線增益，且根據(jù)干涉測(cè)高原理，小視角更有利于實(shí)現(xiàn)更高的干涉測(cè)高精度[4-6]。

在順軌干涉模式下，為保證測(cè)量精度，該驗(yàn)證系統(tǒng)選取較大的工作視角[7-8]。采用數(shù)字波束合成掃描接收技術(shù)(DBF-SCORE)滿足在較大工作視角下系統(tǒng)所需的功率增益積[9-10]。

本文對(duì)Ka波段雙模式干涉SAR驗(yàn)證系統(tǒng)進(jìn)行介紹，并給出該系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，對(duì)該系統(tǒng)在雙模式下的干涉測(cè)量精度進(jìn)行了仿真分析，為后續(xù)的飛行試驗(yàn)干涉測(cè)量性能提供了理論分析依據(jù)。

1 Ka波段雙模式干涉SAR系統(tǒng)

Ka波段雙模式干涉SAR系統(tǒng)主要由三部分組成：天線子系統(tǒng)、雷達(dá)數(shù)字子系統(tǒng)和穩(wěn)定平臺(tái)。系統(tǒng)的組成架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System structure

1.1 天線子系統(tǒng)

天線子系統(tǒng)由天線、頻綜接收機(jī)、內(nèi)定標(biāo)器、預(yù)功放組成。為了降低天線設(shè)計(jì)難度，提高天線工作效率，該系統(tǒng)采用天線收發(fā)分置設(shè)計(jì)。發(fā)射天線尺寸為450.0 mm×33.6 mm，峰值發(fā)射功率為315 W。根據(jù)系統(tǒng)工作模式，接收天線可分為交軌天線和順軌天線兩部分。單副交軌天線陣列口徑為44.8 mm×450.0 mm，2副交軌天線沿距離向間隔排布，形成224 mm的交軌基線；單副順軌天線陣列口徑為89.6 mm×225.0 mm，2副順軌天線沿方位向間隔排布，形成225 mm的順軌基線。其中單副順軌陣列沿距離向由4個(gè)接收子陣構(gòu)成，每個(gè)子陣口徑為22.4 mm×225.0 mm。整個(gè)天線的布局如圖2所示。

圖2 天線布局示意圖Fig.2 Antenna architecture

發(fā)射天線仿真的天線方向如圖3所示。

圖3 發(fā)射天線方向圖Fig.3 Transmitting antenna pattern

交軌接收天線仿真得到的天線方向如圖4所示。

圖4 交軌接收天線方向圖Fig.4 Cross-track receiving antenna pattern

順軌接收天線單個(gè)子陣仿真得到的方向如圖5所示。

圖5 順軌接收天線方向圖Fig.5 Along-track receiving antenna pattern

1.2 雷達(dá)數(shù)字子系統(tǒng)

雷達(dá)數(shù)字子系統(tǒng)由監(jiān)控定時(shí)器、DBF數(shù)字接收機(jī)、雷達(dá)配電器組成。其中：DBF數(shù)字接收機(jī)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、DBF實(shí)時(shí)處理及存儲(chǔ)等功能，由采集處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、通信接口模塊、主機(jī)模塊和電源模塊組成。

該驗(yàn)證系統(tǒng)在順軌干涉模式下采用4通道DBF-SCORE技術(shù)。為了降低輸出的數(shù)據(jù)率，需要實(shí)時(shí)進(jìn)行DBF處理。為滿足該需求，數(shù)字接收機(jī)選用Xilinx Virtex-6系列FPGA，將所有的功能模塊集中在單片F(xiàn)PGA中實(shí)現(xiàn)，完成所有高速數(shù)據(jù)I/O接口和外部芯片的控制，配合PCIE接口及主機(jī)平臺(tái)協(xié)同完成高達(dá)3.2 GBit/s的持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，并完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)信號(hào)處理。

1.3 穩(wěn)定平臺(tái)

根據(jù)系統(tǒng)干涉測(cè)量性能仿真要求，穩(wěn)定平臺(tái)及導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)滿足姿態(tài)測(cè)量精度0.01°、位置精度0.05 m的要求。

高質(zhì)量的SAR成像是高精度干涉測(cè)量的前提，該驗(yàn)證系統(tǒng)選用徠卡PAV80陀螺穩(wěn)定座架，以保證天線波束指向的穩(wěn)定性，減小波束指向不穩(wěn)定對(duì)成像質(zhì)量的影響，其垂直于偏流方向的穩(wěn)定精度均優(yōu)于0.02°(RMS)，可以很好地實(shí)現(xiàn)雷達(dá)波束的高穩(wěn)定度控制。同時(shí)，為了降低系統(tǒng)誤差對(duì)干涉測(cè)量結(jié)果的影響，穩(wěn)定平臺(tái)集成了POS AV610高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄定位定向數(shù)據(jù)并經(jīng)過高效率軟件處理后，獲得了高精度的定位定向數(shù)據(jù)，后處理定位精度為0.05 m,姿態(tài)精度為0.008°。

2 系統(tǒng)參數(shù)及干涉測(cè)量精度仿真分析

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)設(shè)計(jì)及信號(hào)處理方法，開展雙模式干涉測(cè)量的機(jī)載飛行試驗(yàn)，系統(tǒng)的基本工作模式為條帶模式。飛行試驗(yàn)的主要參數(shù)見表1。對(duì)于機(jī)載飛行試驗(yàn)，模糊度指標(biāo)很容易滿足要求。因此，在SAR系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)針對(duì)分辨率和等效噪聲系數(shù)(NESZ)指標(biāo)開展分析。其中：分辨率主要影響干涉測(cè)量數(shù)據(jù)的網(wǎng)格大??；NESZ指標(biāo)主要影響系統(tǒng)信噪比，進(jìn)而影響干涉處理2幅圖像之間的相干性。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 System parameters

2.1 交軌干涉模式

根據(jù)法國太空研究中心的近底視Ka波段數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得：當(dāng)入射角≤15°時(shí)，Ka波段的水面后向散射系數(shù)優(yōu)于0 dB。該系統(tǒng)交軌干涉模式下的最大工作視角為13.3°，因此對(duì)應(yīng)的目標(biāo)后向散射系數(shù)優(yōu)于0 dB，當(dāng)系統(tǒng)NESZ優(yōu)于-10 dB時(shí)，可保證系統(tǒng)獲得足夠高的信噪比和較好的干涉測(cè)量結(jié)果。交軌干涉模式工作視角范圍內(nèi)的NESZ仿真結(jié)果如圖6(a)所示。該系統(tǒng)在交軌干涉模式下的方位分辨率優(yōu)于0.3 m。地距分辨率取決于發(fā)射信號(hào)帶寬和系統(tǒng)工作視角，該系統(tǒng)在工作視角范圍內(nèi)的地距分辨率仿真結(jié)果如圖6(b)所示。

圖6 系統(tǒng)參數(shù)仿真結(jié)果Fig.6 System parameter simulation results

根據(jù)干涉測(cè)高原理，直接影響干涉高程測(cè)量精度的因素有5個(gè)：飛行高度H、雷達(dá)至目標(biāo)點(diǎn)的作用距離R、基線長度B、基線傾角α和干涉相位φ[5]。在機(jī)載飛行試驗(yàn)中，H由GPS測(cè)量信息得到；R通過雷達(dá)回波延時(shí)測(cè)得；B，α通過基線測(cè)量系統(tǒng)或間接估計(jì)所得；φ由2幅SAR圖像干涉處理獲取。假設(shè)各因素不相關(guān)，InSAR測(cè)高的總均方根誤差(高程測(cè)量的絕對(duì)精度)可表示為

(1)

式中：σH，σR，σB，σα，σφ分別為飛行高度誤差、斜距誤差、基線長度誤差、基線傾角誤差、干涉相位誤差。其中，前4項(xiàng)誤差可根據(jù)系統(tǒng)所采用的導(dǎo)航系統(tǒng)及穩(wěn)定平臺(tái)精度初步確定，基于相應(yīng)參數(shù)分析其對(duì)應(yīng)的高程測(cè)量誤差，并可在處理過程中進(jìn)行校正，以進(jìn)一步降低其對(duì)最終高程測(cè)量結(jié)果的影響。σφ主要取決于主輔圖像的相干系數(shù)和處理過程中選取的多視數(shù)，影響主輔圖像相干系數(shù)的因素主要包括體散射去相干、時(shí)間去相干、多普勒去相干、基線去相干、模糊去相干和信噪比去相干。由于該系統(tǒng)采用單次航過單平臺(tái)干涉測(cè)量，因此體散射去相干和時(shí)間去相干的影響可以忽略不計(jì)。

基于以上分析，結(jié)合該系統(tǒng)相應(yīng)工作參數(shù)，對(duì)各項(xiàng)誤差導(dǎo)致的高程測(cè)量誤差和絕對(duì)高程測(cè)量精度進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果如圖7所示。在100 m網(wǎng)格條件下，絕對(duì)高程測(cè)量精度可達(dá)到0.5 m。分析各誤差因素的測(cè)高誤差貢獻(xiàn)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：干涉相位誤差和基線誤差是影響高程測(cè)量精度的主要因素。

基于以上仿真分析，表2給出了交軌干涉模式下的系統(tǒng)參數(shù)及性能。

2.2 順軌干涉模式

根據(jù)順軌測(cè)速原理，目標(biāo)距離向速度與干涉相位之間的關(guān)系為

(2)

式中：λ為波長；φ為干涉相位；vp為平臺(tái)速度；B為順軌干涉基線；θ為入射角。由式(2)可見，θ越大，目標(biāo)距離向速度的測(cè)量精度越高。綜合考慮系統(tǒng)代價(jià)與測(cè)速精度，該驗(yàn)證系統(tǒng)選取的工作視角為15.6°～28.3°。

圖7 測(cè)高誤差貢獻(xiàn)量與絕對(duì)測(cè)高精度的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of height error contribution and absolute height error

表2 交軌干涉模式系統(tǒng)性能參數(shù)Tab.2 System performance of XTI mode

由雷達(dá)后向散射統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可得：當(dāng)θ≤30°時(shí)，Ka波段水面后向散射系數(shù)優(yōu)于-26 dB。為保證系統(tǒng)信噪比，該系統(tǒng)在順軌干涉模式下的NESZ需優(yōu)于-34 dB[11]。

經(jīng)過天線設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)在順軌干涉模式下的方位分辨率優(yōu)于0.2 m，系統(tǒng)參數(shù)仿真結(jié)果如圖8所示。地距分辨率仿真結(jié)果如圖8(a)所示。根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)仿真得到的NESZ如圖8(b)所示。

圖8 系統(tǒng)參數(shù)仿真結(jié)果Fig.8 System parameter simulation results

根據(jù)系統(tǒng)天線設(shè)計(jì)，順軌干涉模式下的基線長度為0.225 m，據(jù)此仿真得到10 m網(wǎng)格條件下的目標(biāo)速度測(cè)量精度，如圖9所示。由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于Ka波段的波長短，系統(tǒng)在基線較短、工作視角較小的情況下仍能獲得0.1 m/s的測(cè)速精度。

圖9 測(cè)速精度仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of velocity measurement accuracy

基于以上仿真分析，給出了順軌干涉模式下的系統(tǒng)參數(shù)及性能，見表3。

表3 順軌干涉模式系統(tǒng)性能參數(shù)Tab.3 System performance of ATI mode

4 結(jié)束語

高精度、高效率測(cè)量已成為現(xiàn)代遙感的重要發(fā)展方向。傳統(tǒng)低波段干涉SAR系統(tǒng)所需基線長，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)交軌干涉測(cè)高和順軌干涉測(cè)速，不利于高效率干涉測(cè)量。Ka波段波長較短，對(duì)干涉相位敏感，能以較短的基線獲得高精度的干涉測(cè)量結(jié)果。為此，對(duì)機(jī)載Ka波段雙模式干涉SAR系統(tǒng)開展了研究，對(duì)該驗(yàn)證系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，仿真分析了系統(tǒng)參數(shù)與干涉測(cè)量精度，驗(yàn)證了Ka波段雙模式干涉SAR系統(tǒng)的可行性，為后續(xù)的飛行試驗(yàn)干涉測(cè)量性能提供了理論分析依據(jù)。

由于目前研究主要基于干涉理論，缺乏相應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的支撐，因此后續(xù)將根據(jù)飛行試驗(yàn)獲取的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。