合成孔徑雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于星載平臺的現(xiàn)狀與發(fā)展

謝 輝，趙 強，曾祥能

(1.空軍駐京西地區(qū)代表室，北京 100071；2.解放軍93436部隊，北京 102604； 3.空軍裝備研究院,北京 100085)

0 引 言

天基SAR作為對地觀測的一種有效手段，正得到各方高度重視和大力發(fā)展。隨著微電子工藝、發(fā)射與控制技術(shù)、信號處理技術(shù)及數(shù)據(jù)傳輸與存儲能力的不斷進(jìn)步，當(dāng)前天基SAR一般具有多種工作模式，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，但通常只能在有限的預(yù)設(shè)模式(條帶、聚束、掃描)中選擇，且每次只能工作于一種設(shè)定模式，模式間不易相互切換，各模式優(yōu)點不能兼顧。隨著天基SAR技術(shù)的不斷發(fā)展，其未來的發(fā)展方向是滿足不同用戶對特定產(chǎn)品的需求[1]，最近發(fā)射的TERRASAR-X就向這方面邁出了堅實的一步，其通過對系統(tǒng)發(fā)射接收單元的設(shè)定參數(shù)進(jìn)行逐一調(diào)整，可實現(xiàn)非預(yù)設(shè)的工作模式，靈活地在分辨率、觀測范圍等方面進(jìn)行自定義[2]。然而，隨著天基SAR規(guī)劃任務(wù)的多樣性變化、各種即時任務(wù)的快速響應(yīng)追求，希望未來天基SAR能全面實現(xiàn)經(jīng)濟型、敏捷型和功能全的目標(biāo)，因此未來天基SAR將面臨超低成本實現(xiàn)、超輕重量化與敏捷快速響應(yīng)的挑戰(zhàn)?？梢灶A(yù)見，完成這一系列挑戰(zhàn)的跨越，“天線SAR”的設(shè)計理念具有重要的前瞻性與指導(dǎo)意義。其核心思想是：采用現(xiàn)代電子工藝完成天基SAR的輕量化設(shè)計，將SAR天線與太陽能帆板集成于一體，整個系統(tǒng)基于功能模塊化的結(jié)構(gòu)，具備滿足即時任務(wù)需求的可重構(gòu)性，因此整個系統(tǒng)獲得低成本與多功能敏捷快響應(yīng)的多重優(yōu)勢，模塊化設(shè)計兼具維護簡易、系統(tǒng)穩(wěn)健的特點。從整體設(shè)計外觀來看，天線SAR的所有功能組件都集成于天線結(jié)構(gòu)上，形成由SAR天線支撐的所有功能模塊可重構(gòu)式新型雷達(dá)系統(tǒng)。

1 當(dāng)前星載SAR系統(tǒng)的發(fā)展水平簡介

1.1 主要成像工作模式與測繪精度

星載SAR系統(tǒng)受測繪任務(wù)的牽引而不斷發(fā)展，與測繪精度要求相適應(yīng)，發(fā)展出不同的工作模式，沿方位向通過聚束模式增長合成孔徑長度，可提高方位分辨率至厘米量級；而掃描模式則可增加測繪帶寬達(dá)500 km。距離向最高分辨率可達(dá)米級，而通過多子帶合成[3]大帶寬信號可將距離分辨率提高至厘米級。星載SAR雙航過干涉測高模式的測高精度大約可以達(dá)到10 m左右(ERS-1/2，RadarSAR，SIR-C/X-SAR)。單航過模式下(SRTM)的測高精度在6 m以內(nèi)。目前差分干涉的精度已經(jīng)可以達(dá)到厘米級。

1.2 高分辨-寬測繪帶體制預(yù)研

隨著對地觀測技術(shù)的發(fā)展，高分辨-寬測繪帶成為一種重要目標(biāo)，由于星載SAR平臺離場景很遠(yuǎn)，高分辨對應(yīng)著方位向大的多普勒帶寬，要求系統(tǒng)以高脈沖重復(fù)頻率(PRF)對方位多普勒信號進(jìn)行采樣；而距離向?qū)挏y繪帶則要求系統(tǒng)工作在較低PRF，造成高分辨-寬測繪帶成為一對固有矛盾。當(dāng)前解決此矛盾的方法主要可分為三大類：第1種是系統(tǒng)工作在高PRF，距離向分多個子測繪帶進(jìn)行脈內(nèi)掃描照射[4-5]，系統(tǒng)PRF滿足子測繪帶幅寬要求即可，相對提高了系統(tǒng)的方位向采樣率，避免了方位模糊，該技術(shù)可能造成測繪帶不連續(xù)，可采用Scan模式設(shè)計多個波位使各波位的測繪盲區(qū)錯開，或通過變PRF來獲得連續(xù)的測繪帶；第2種是系統(tǒng)工作在較低PRF完成寬測繪帶，在方位向形成多個等效相位中心，將方位向的時間密集采樣用時間稀疏采樣與空間采樣來聯(lián)合實現(xiàn)[3，6]，單個相位中心對方位向多普勒采樣是模糊的，但將所有相位中心的方位向接收數(shù)據(jù)通過頻譜重構(gòu)就可滿足方位向無模糊采樣；第3種是系統(tǒng)工作在較低的PRF，方位向形成發(fā)射多波束，配以接收端數(shù)字波束形成(DBF)完成方位解模糊[7]，每個方位子波束對應(yīng)的是窄的多普勒帶寬，系統(tǒng)通過多普勒譜重構(gòu)完成方位向高分辨無模糊測繪。而對于這3種技術(shù)，距離向的高分辨則可通過多個頻域子帶信號發(fā)射[6]，接收端進(jìn)行子帶拼接來完成，以解決當(dāng)前器件工藝對采樣率的限制?？偨Y(jié)高分辨寬測繪帶技術(shù)如圖1所示。

圖1 實現(xiàn)高分辨寬測繪帶的3種途徑

當(dāng)前，高分辨寬測繪帶技術(shù)要么將模糊放在距離向解決，要么在方位向再解決模糊問題。相比較而言，距離向解模糊意味著將方位模糊轉(zhuǎn)移到距離向，可以使天線由“長桿型”轉(zhuǎn)化為“方形”，便于天線的展開撤收。通常，多個相位中心由編隊飛行的多顆衛(wèi)星平臺上的載荷形成，而多波束則可由單個平臺上的陣列天線形成。

1.3 天線與功率

對星載雷達(dá)系統(tǒng)來講，天線是最基本的關(guān)鍵部件，也是重量最重的部分。每一個和SAR設(shè)計相關(guān)的因素都包含有天線參數(shù)。采用半導(dǎo)體T/R組件的相控陣天線可以工作于P、L、C和X波段，德國的TerraSAR就是當(dāng)前成功應(yīng)用的典范。

SRTM系統(tǒng)所用天線的尺寸約為10 m×3 m。目前其它星載SAR系統(tǒng)(如ENVISAR，Radarsat)采用的微帶陣天線的尺寸大約是10 m×1 m。Radarsat2陣列天線的設(shè)計重量大約800 kg，安裝體積7 m3。通常星載SAR系統(tǒng)的天線設(shè)計重量為幾百公斤到千公斤量級。反射面天線如膨脹展開式已經(jīng)過原理驗證并開始得到應(yīng)用，如以色列的TecSAR就是采用反射面天線，并且已經(jīng)獲得了高精度的SAR圖像數(shù)據(jù)。然而，受工藝發(fā)展水平的限制，這種支撐天線表面的剛性支架往往占去了天線的絕大部分重量，而且增加的載荷重量將嚴(yán)重提高發(fā)射成本。

膨脹展開式的相控陣天線目前已得到各方關(guān)注。JPL論證的高軌道SAR大型輕量化天線就是采用這種膨脹展開式的天線，主要的技術(shù)難點包括：結(jié)構(gòu)主動控制、表面輪廓和粗糙度。加拿大的麥克唐納公司(MacDonald)研制的WiSAR[8]就是采用去剛性支架的柔性相控陣天線，其采用天線陣列與太陽能帆板集成設(shè)計，將天線陣元附著在太陽能帆板背面，從而大大減輕天線重量，而去掉剛性支架后的柔性陣列容易形變，對此采用自適應(yīng)的陣列形變感應(yīng)系統(tǒng)(ADMS)[9]進(jìn)行陣元位置實時檢測，并通過實時的波束形成來控制天線陣列波束。

發(fā)射機的功率限制了SAR系統(tǒng)的有效探測距離和測繪帶寬度，從而在一定程度上限制了衛(wèi)星的軌道高度。通常，固態(tài)功率器件在S波段的功率約為100 W，能實現(xiàn)45%的效率；在X波段具有12 W的功率，25%的效率[8]。行波管(TWT)的平均功率約為幾百瓦，峰值功率約為6～10 kW。當(dāng)前星載SAR系統(tǒng)主要由太陽能電池供電，當(dāng)然也可由原子能發(fā)電機供電。

1.4 WiSAR的先進(jìn)體制設(shè)計

加拿大的麥克唐納公司(MacDonald)研制的WiSAR秉承經(jīng)濟型、功能全、敏捷型的設(shè)計理念，在未來星載SAR發(fā)展的歷程中邁出了重要一步，已分別研制出了X波段、C波段的試驗樣機。與現(xiàn)有的星載SAR系統(tǒng)相比，WiSAR采用的全新關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在如下方面：

(1) 獨立的有源相控陣單元，將T/R模塊的射頻電路、太陽能帆板單元、鋰電池、檢測與控制單元集成于一體，去除了功率分配環(huán)節(jié)所需的電纜及其配套。

(2) 采用無線“輸格”(feed-space)模式對天線單元饋電，每個天線子系統(tǒng)包含有集成在展開天線面板上的主動無線節(jié)點與射頻輻射單元，每個無線節(jié)點通過“輸格”完成變頻、發(fā)射信號的增益與相位的調(diào)整，接收時完成接收信號的增益與相位的調(diào)整，去除了方位、俯仰向功率分配網(wǎng)絡(luò)、傳輸電纜及其配套，從而獲得了一定的可重構(gòu)性，并能承受一定的機械形變。

(3) 去除剛性支架。由于去除了發(fā)射、接收配電網(wǎng)絡(luò)，極大減輕了載荷重量，可采用低成本的太陽能電池陣列展開裝置對主動有源陣列進(jìn)行裝載、展開。

(4) 低功耗的射頻發(fā)射端，降低了系統(tǒng)的功率開銷，減小了總功率需求，減小了陣列的總面積。

(5) 具有一定的射頻功率動態(tài)范圍，在獲得陣列形變后，能通過實時的天線波束控制來補償形變。

總的看來，WiSAR的優(yōu)勢是明顯的，其減除了功率分配、傳輸饋線，因此可稱作“無線SAR”(Wireless SAR)，通過實時波束形成技術(shù)來補償陣列形變，去除了剛性支架，獲得了超輕量化設(shè)計。這些嶄新的舉措，在沒有削減系統(tǒng)性能的同時，大大降低了系統(tǒng)成本，滿足了設(shè)計的最小化成本原則。當(dāng)然，受數(shù)字陣列技術(shù)[10]在采樣帶寬、存儲等工程化方面條件的限制，WiSAR仍采用了有源相控陣，諸如數(shù)字陣列雷達(dá)技術(shù)、多維波形編碼技術(shù)、信號一體化處理技術(shù)等還未得到應(yīng)用。無論如何，WiSAR是對未來星載SAR發(fā)展的大膽探索。

2 未來星載SAR發(fā)展的幾點構(gòu)想

2.1 集成設(shè)計獲得載荷的超輕量化、高穩(wěn)健性

WiSAR設(shè)計表明，星載SAR系統(tǒng)的天線陣元與太陽能帆板、電池陣列集成于一體是可行的方案，圖 2為WiSAR天線設(shè)計實景圖[8]。天線陣列的每個陣元都配備有獨立的電源設(shè)備、檢測控制設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，各陣元類似于一部小的雷達(dá)，可獨立工作，局部的陣元電路等部件出錯不會牽連影響其它部件的工作，只是減少了一個陣列單元，使整個系統(tǒng)具備高穩(wěn)健性，系統(tǒng)的工作壽命大大延長。同時，超高集成化的陣列單元，免除了一切功率分配網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備及其配套，饋電、數(shù)傳等都將通過無線傳輸實現(xiàn)，最大程度地減輕了載荷重量，提高了系統(tǒng)的空間機動靈活性，降低了搭載平臺的發(fā)射難度。

圖2 WiSAR天線陣列

2.2 模塊化設(shè)計實現(xiàn)的可重構(gòu)性

全數(shù)字陣列雷達(dá)是未來雷達(dá)的發(fā)展方向，未來的星載SAR必將全面采用全數(shù)字陣列技術(shù)，解決海量數(shù)據(jù)存儲、空間平臺上計算能力成為問題關(guān)鍵。當(dāng)前，隨著通信領(lǐng)域的飛速發(fā)展，遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)得到極大提高。未來星載SAR將利用全數(shù)字陣列的強大優(yōu)勢實現(xiàn)可重構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計，即采用模塊化的理念，與異構(gòu)式集群飛行平臺結(jié)合，具備完成各種任務(wù)的能力，從而極大地降低投入成本?；诋悩?gòu)式集群飛行平臺，未來星載SAR將由一個或多個天線模塊、數(shù)傳模塊、控制模塊、存儲模塊等組成，每個模塊搭載于集群飛行的小衛(wèi)星。其中，天線模塊是天線SAR的主體，完成系統(tǒng)發(fā)射-接收的主體功能。數(shù)傳模塊完成海量數(shù)據(jù)的星地間傳輸，控制模塊完成天線模塊的計算控制及平臺的集群飛行控制等，存儲模塊則完成空間平臺級數(shù)據(jù)存儲。各模塊由集群飛行的小衛(wèi)星搭載，可分離并單獨維護、使用，能通過低成本火箭發(fā)射實施SAR衛(wèi)星的快速布置；針對多功能應(yīng)用需求，通過一顆衛(wèi)星、一個集群或一個編隊可完成用戶的各種應(yīng)用需求；可迅速重組與布置，對即時任務(wù)做出快速反應(yīng)以執(zhí)行即時任務(wù)，如圖 3所示。

圖3 異構(gòu)集群飛行的模塊化星載SAR示意圖

2.3 模塊復(fù)用執(zhí)行即時任務(wù)的敏捷快響能力

通用化功能模塊的設(shè)計理念將貫穿于未來星載SAR的發(fā)展，每個功能模塊可即時重組，針對特定任務(wù)的需求，可迅速以相應(yīng)模式執(zhí)行目標(biāo)任務(wù)。如單個天線模塊以常規(guī)條帶式進(jìn)行寬幅對地監(jiān)視，多個天線模塊組成集群飛行進(jìn)行高分辨寬測繪帶的場景測繪，或者是多顆小衛(wèi)星搭載的天線模塊編隊飛行進(jìn)行干涉測高。各種工作模式的轉(zhuǎn)換只要通過控制模塊就可即時執(zhí)行，也可以通過多維波形編碼技術(shù)同時執(zhí)行多種工作模式，以最小的開銷完成目標(biāo)任務(wù)。

3 結(jié)束語

可以預(yù)見，未來星載SAR將以天線為主體進(jìn)行集成化設(shè)計，輔以計算控制、存儲、數(shù)傳等功能模塊。輕量化、模塊化、數(shù)字化的設(shè)計理念必將成為發(fā)展的主題，而經(jīng)濟性、穩(wěn)健性、多功能敏捷型是星載SAR發(fā)展的最終目標(biāo)。