面向應(yīng)急減災(zāi)的中軌多頻多極化SAR載荷設(shè)計(jì)

郭磊 李立 顏昭 黨紅杏 劉昕 李浩

(1 西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所，西安 710000)(2 西安航天恒星科技實(shí)業(yè)(集團(tuán))有限公司，西安 710000)

當(dāng)前我國(guó)極端天氣事件頻發(fā)，嚴(yán)重自然災(zāi)害也日益增多，自然災(zāi)害影響范圍廣，災(zāi)害損失大，并呈現(xiàn)出多災(zāi)并發(fā)、群發(fā)和集中爆發(fā)的特征；另外，當(dāng)前我國(guó)重大工業(yè)災(zāi)害也逐年增長(zhǎng)。為更好地應(yīng)對(duì)重大自然災(zāi)害和工業(yè)災(zāi)害，迫切要加強(qiáng)天基對(duì)地觀測(cè)手段應(yīng)用，提高對(duì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)能力，增強(qiáng)災(zāi)害救助決策和災(zāi)情評(píng)估的科學(xué)性、及時(shí)性，最大限度地減少災(zāi)害造成的損失[1]。合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種利用距離向脈沖壓縮和方位向多普勒效應(yīng)進(jìn)行成像的微波遙感雷達(dá)[2-4]，能通過(guò)自身發(fā)射脈沖信號(hào)，而后對(duì)接收到的回波進(jìn)行處理得到圖像。不同于光學(xué)、高光譜等被動(dòng)式遙感設(shè)備，SAR不受云、雨、霧等惡劣氣候影響，能實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候成像。同時(shí)，由于SAR所工作的電磁頻段具備一定的穿透能力，能發(fā)現(xiàn)隱藏在植被或地表下的目標(biāo)，因此現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于地形測(cè)繪、災(zāi)害評(píng)估、地質(zhì)勘探、海洋應(yīng)用、農(nóng)林監(jiān)測(cè)、軍事偵察及科學(xué)研究等多個(gè)方面。在應(yīng)急減災(zāi)方面，為了應(yīng)對(duì)我國(guó)主要的災(zāi)害(包括洪澇災(zāi)害、地震及地質(zhì)災(zāi)害、干旱、雪災(zāi)、森林火災(zāi)、工業(yè)災(zāi)害等)，快速有效對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行評(píng)估，SAR需要具備以下能力：①具備大范圍監(jiān)測(cè)能力，監(jiān)測(cè)面積達(dá)到百萬(wàn)平方千米，幅寬大于1000 km(洪澇、干旱、雪災(zāi)等)；②具備米級(jí)的高分辨率成像能力(地質(zhì)災(zāi)害、工業(yè)事故等)；③具備小時(shí)級(jí)重訪觀測(cè)能力(洪澇、地質(zhì)災(zāi)害、森林火災(zāi)等)；④具備穿透云雨、煙霧及一定的地表穿透能力(洪澇、地質(zhì)災(zāi)害、雪災(zāi)、森林火災(zāi)等)；⑤具備多頻多極化等多元數(shù)據(jù)獲取能力(洪澇、地質(zhì)災(zāi)害、干旱、雪災(zāi)等)。

目前，國(guó)際上還沒(méi)有在軌運(yùn)行的中軌SAR衛(wèi)星，但美國(guó)等國(guó)家已開(kāi)展了中軌SAR技術(shù)的研究，并初步分析了衛(wèi)星軌道高度對(duì)星載SAR特性的影響[5]，但中軌多頻多極化SAR還未見(jiàn)報(bào)道。我國(guó)所有的陸地觀測(cè)SAR衛(wèi)星運(yùn)行在1000 km以下的低軌道，回歸周期在數(shù)十天數(shù)量級(jí)，難以滿(mǎn)足災(zāi)害應(yīng)急時(shí)效性需求，而在研的高軌衛(wèi)星空間分辨率較低，難以滿(mǎn)足應(yīng)急高分辨率監(jiān)測(cè)需求[6]；另外，當(dāng)前對(duì)地觀測(cè)SAR衛(wèi)星多為單一頻段、單一極化方式，獲取信息量少、維度單一，不能通過(guò)多元信息融合提升圖像判讀能力，圖像解譯度不高，無(wú)法有效滿(mǎn)足應(yīng)急減災(zāi)應(yīng)用需求。針對(duì)上述SAR衛(wèi)星在應(yīng)急減災(zāi)領(lǐng)域的能力不足，本文提出一種中軌多頻多極化SAR衛(wèi)星載荷設(shè)計(jì)，能兼顧低軌衛(wèi)星和高軌衛(wèi)星的優(yōu)點(diǎn)，具備高時(shí)空分辨率、大幅寬、應(yīng)急成像等特點(diǎn)，且能同時(shí)獲取多個(gè)頻段的多種極化信息，通過(guò)多元信息融合有效、高效應(yīng)用于災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)觀測(cè)。

1 中軌多頻多極化SAR載荷設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)思路

中軌多頻多極化SAR由于軌道選擇、信息獲取方式的差異，其設(shè)計(jì)思路與傳統(tǒng)的低軌SAR不同，具體體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

(1)軌道位于中軌，SAR具體軌道設(shè)計(jì)和覆蓋范圍與SAR的波束速度、分辨率、合成孔徑時(shí)間等指標(biāo)相關(guān)，不能按照低軌SAR進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要考慮中軌星地相對(duì)關(guān)系進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)。另外，由于中軌電磁環(huán)境惡劣，需要考慮SAR防護(hù)設(shè)計(jì)。

(2)中軌SAR衛(wèi)星由于軌道高、作用距離遠(yuǎn)，SAR需要大口徑天線進(jìn)行收發(fā)。傳統(tǒng)SAR衛(wèi)星采用的相控陣天線體制若要實(shí)現(xiàn)大口徑，則天線質(zhì)量大，成本高，載荷效費(fèi)比較低，因此選用大口徑可展開(kāi)反射面天線，其質(zhì)量小，收攏包絡(luò)小，成本較低，滿(mǎn)足中軌SAR需求。

(3)相比于傳統(tǒng)單頻單極化SAR，由于SAR需要實(shí)現(xiàn)多頻多極化能力，SAR的收發(fā)通道需要具備不同極化通道、不同頻段通道同時(shí)收發(fā)能力。

1.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

1.2.1 軌道設(shè)計(jì)

對(duì)于應(yīng)急減災(zāi)應(yīng)用領(lǐng)域，軌道設(shè)計(jì)的原則是在可接受的載荷質(zhì)量功耗下，最大限度提升SAR對(duì)我國(guó)領(lǐng)土的觀測(cè)范圍和重訪時(shí)間。根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，中軌多頻多極化SAR載荷位于2000～5000 km，采用較小的軌道傾角，在兼顧載荷質(zhì)量功耗等工程可實(shí)現(xiàn)性條件下滿(mǎn)足觀測(cè)分辨率和測(cè)繪幅寬需求，并能顯著提升目標(biāo)重訪時(shí)間，覆蓋我國(guó)全部領(lǐng)土范圍。表1給出了不同軌道高度及傾角下SAR對(duì)我國(guó)主要目標(biāo)(北緯10°，30°，50°)重訪時(shí)間的仿真結(jié)果。

表1 不同軌道重訪時(shí)間

綜合折衷載荷質(zhì)量功耗、覆蓋我國(guó)全境能力、平均重訪時(shí)間等參數(shù)，SAR衛(wèi)星選擇軌道高度為4000 km，軌道傾角為28°，圖1給出了中軌SAR觀測(cè)范圍。

圖1 中軌SAR觀測(cè)范圍

通過(guò)仿真分析，對(duì)于我國(guó)范圍，中軌SAR衛(wèi)星的平均重訪時(shí)間為7.50 h，相比于低軌SAR衛(wèi)星幾天到幾十天的重訪時(shí)間，其數(shù)據(jù)時(shí)效性及應(yīng)急觀測(cè)能力大大提升。未來(lái)可通過(guò)增加衛(wèi)星數(shù)量并組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)近小時(shí)級(jí)重訪能力。

1.2.2 工作頻段

觀測(cè)目標(biāo)對(duì)不同頻段的電磁波有不同的散射能力。其中，低頻段電磁波能穿透樹(shù)冠及地表，可獲取樹(shù)下、地下等目標(biāo)信息，而高頻段電磁波能獲取目標(biāo)表面的高精度信息。傳統(tǒng)單頻段SAR只能獲取單一頻段目標(biāo)散射信息，在災(zāi)害地物分類(lèi)識(shí)別、輪廓檢測(cè)及生物量反演等方面能力不足，而中軌多頻多極化SAR采用多頻段設(shè)計(jì)，能通過(guò)多種不同頻段SAR圖像融合實(shí)現(xiàn)地物的準(zhǔn)確分類(lèi)，有效提升災(zāi)害監(jiān)測(cè)能力。本文設(shè)計(jì)的中軌SAR擬采用L，S，C，X多種頻段。若采用相控陣天線體制，需要4副獨(dú)立天線滿(mǎn)足多頻段要求，造成載荷質(zhì)量及成本增加，為此，擬采用大口徑反射面天線，4種頻段共用天線反射器，通過(guò)不同頻段的饋源收發(fā)實(shí)現(xiàn)多頻段同時(shí)工作的能力。其中，L和S頻段共用1套收發(fā)網(wǎng)絡(luò)，C和X頻段共用1套收發(fā)網(wǎng)絡(luò)，因此具備至少2個(gè)頻段同時(shí)工作的能力(L和C，L和X，S和C，S和X)。

1.2.3 極化方式

傳統(tǒng)單極化SAR只能獲取單一極化信息，而通過(guò)全極化成像可以獲得目標(biāo)的全極化散射矩陣，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的有效分類(lèi)和定量反演。本文設(shè)計(jì)的SAR能實(shí)現(xiàn)單極化、雙極化和全極化工作模式。在全極化工作時(shí)，SAR采用交替發(fā)射、同時(shí)接收方式實(shí)現(xiàn)全極化，即首先在半個(gè)合成孔徑內(nèi)發(fā)射多個(gè)水平極化的電磁波，然后接收HH和VH回波，接著在另外半個(gè)合成孔徑內(nèi)發(fā)射多個(gè)垂直極化的電磁波，然后再接收VV和HV回波。SAR在功率器件輸出大功率發(fā)射信號(hào)后，通過(guò)極化選擇開(kāi)關(guān)，選擇反射面天線饋源的極化輸出端口，實(shí)現(xiàn)不同的極化模式工作，其全極化工作示意如圖2所示。

注：H表示水平極化，V表示垂直極化。

多極化設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于不同極化間需要到達(dá)較高的極化隔離度，以滿(mǎn)足SAR多極化模式對(duì)成像性能的需求。在具體設(shè)計(jì)中，采用正交模耦合器對(duì)H及V極化進(jìn)行有效隔離，該耦合器極化隔離度為70 dB，能保證總體極化隔離度達(dá)到30 dB，滿(mǎn)足多極化成像性能。

1.2.4 工作模式

為滿(mǎn)足應(yīng)急減災(zāi)觀測(cè)需求，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害及工業(yè)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分辨率要達(dá)到米級(jí)；而監(jiān)測(cè)洪水、干旱、雪災(zāi)等，需要1000 km以上的觀測(cè)幅寬[7]。本文設(shè)計(jì)2種工作模式，條帶模式(見(jiàn)圖3)實(shí)現(xiàn)5 m分辨率/300 km幅寬，用于監(jiān)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害、森林火災(zāi)、工業(yè)災(zāi)害等；掃描模式(見(jiàn)圖4)通過(guò)3個(gè)子測(cè)繪帶掃描實(shí)現(xiàn)20 m分辨率/1000 km幅寬，用于監(jiān)測(cè)洪澇災(zāi)害、干旱、雪災(zāi)等。

圖3 條帶模式工作示意

圖4 掃描模式工作示意

中軌方位向分辨率ρa(bǔ)如式(1)所示，其中，vb為波束地面速度，vs為衛(wèi)星飛行速度，la為天線方位向口徑，ka為方位向處理展寬系數(shù)(取1.1)。

(1)

中軌波束地面速度vb計(jì)算公式為

vs-Reωecosβ

(2)

式中：H為軌道高度；Re為地球半徑；R為斜距距離；θi為入射角；ωe為地球自轉(zhuǎn)角速度；β為地面位置的緯度。

根據(jù)軌道信息計(jì)算波束地面速度vb為3167 m/s，衛(wèi)星飛行速度vs為5747 m/s，則實(shí)現(xiàn)優(yōu)于5 m分辨率需要方位向天線尺寸小于16.7 m。

距離向分辨率ρr與發(fā)射帶寬B相關(guān)。

(3)

式中：kr為方位向處理展寬系數(shù)，取1.1；c為光速。

可以得到,選擇90 MHz發(fā)射帶寬，即可滿(mǎn)足5 m距離向分辨率需求。

載荷觀測(cè)幅寬和波束覆蓋范圍相關(guān)。選擇入射角20°～38°，在4000 km軌道位置上，SAR可視幅寬若要達(dá)到300 km，則天線距離向波束寬度需要達(dá)到3.5°。

1.2.5 時(shí)序設(shè)計(jì)

SAR采用正側(cè)視成像方式，在20°～38°入射角范圍內(nèi)共設(shè)計(jì)3個(gè)波位，每個(gè)波位成像幅寬大于350 km。在條帶模式下，SAR在同一時(shí)間只輻射1個(gè)波位，實(shí)現(xiàn)5 m分辨率/300 km幅寬成像能力；在掃描模式下，SAR交替照射3個(gè)波位，實(shí)現(xiàn)20 m分辨率/1000 km幅寬成像能力。SAR脈沖重復(fù)頻率(PRF)選擇在780～820 Hz，其波位圖如圖5所示。

圖5 SAR波位圖

1.2.6 發(fā)射功率

根據(jù)雷達(dá)方程，SAR的平均發(fā)射功率為

(4)

式中：k為波爾茲曼常數(shù)；T0為噪聲溫度；Fn為噪聲系數(shù)；L為損耗；G為天線增益；λ為工作波長(zhǎng)；σNESZ為噪聲等效后向散射系數(shù)(NESZ)。

在滿(mǎn)足應(yīng)急減災(zāi)應(yīng)用需求的情況下，L頻段選擇NESZ小于-30 dB，S頻段選擇NESZ小于-25 dB，C頻段選擇NESZ小于-22 dB，X頻段選擇NESZ小于-20 dB，可計(jì)算得到各個(gè)頻段需要的平均發(fā)射功率為4 kW，按照15%發(fā)射占空比計(jì)算，每個(gè)頻段的發(fā)射峰值功率為27 kW。2個(gè)頻段同時(shí)工作時(shí)，最大峰值發(fā)射功率為54 kW，最大平均發(fā)射功率為8 kW。

1.3 載荷組成及工作流程

中軌SAR具備多頻段同時(shí)工作能力，通過(guò)大型多頻段共用反射器滿(mǎn)足高增益、輕量化要求，載荷具備全極化工作能力，由調(diào)頻信號(hào)源、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、射頻前端、天線等單機(jī)構(gòu)成。天線采用16 m口徑的大型可展開(kāi)反射面天線，16 m口徑反射器各頻段共用，通過(guò)不同頻段的饋源進(jìn)行信號(hào)收發(fā)。各頻段采用多個(gè)大功率行波管放大器合成方式實(shí)現(xiàn)27 kW的峰值發(fā)射輸出。L和S頻段共用1組信號(hào)源及收發(fā)通道，C和X頻段共用1組信號(hào)源及收發(fā)通道。其組成框圖如圖6所示。

圖6 中軌SAR組成框圖

載荷的工作流程是：調(diào)頻信號(hào)源生成所需的線性調(diào)頻信號(hào)，通過(guò)上變頻、大功率發(fā)射器件及射頻前端，到達(dá)不同頻段的饋源陣，再通過(guò)多頻段共用反射面輻射大功率電磁波信號(hào)。接收時(shí)信號(hào)通過(guò)不同頻段饋源及射頻前端后，再通過(guò)低噪聲放大器、接收機(jī)，進(jìn)行數(shù)字采集、壓縮打包下傳地面。地面通過(guò)接收到的原始回波進(jìn)行成像處理，并經(jīng)過(guò)多元信息融合產(chǎn)生應(yīng)急減災(zāi)遙感產(chǎn)品。

1.4 對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的需求

1)功耗需求

載荷的功耗包括發(fā)射功耗和電子設(shè)備功耗。不同工作模式發(fā)射時(shí)最大峰值功率為54 kW(2個(gè)頻段同時(shí)工作)，最大發(fā)射占空比為15%，則最大發(fā)射平均功率為8 kW。按照50%熱效率計(jì)算，總的發(fā)射功耗為16 kW。電子設(shè)備包括數(shù)據(jù)處理器、有源器件等，總的電子設(shè)備功耗小于500 W，因此載荷對(duì)平臺(tái)的功耗要求小于16.5 kW。當(dāng)載荷采用掃描工作模式工作時(shí)，產(chǎn)生一景1000 km×1000 km幅寬的圖像需要6 min的工作時(shí)間。根據(jù)軌道設(shè)計(jì)結(jié)果，衛(wèi)星單軌能對(duì)我國(guó)領(lǐng)土區(qū)域3～4景1000 km×1000 km范圍進(jìn)行成像，因此衛(wèi)星需要具備單軌24 min的16.5 kW供電能力，保證載荷能發(fā)揮最大應(yīng)用效能。

2)承載質(zhì)量需求

載荷質(zhì)量主要分為天線和中央電子設(shè)備。16 m口徑輕量化反射面天線質(zhì)量約400 kg，中央電子設(shè)備主要包括處理器、收發(fā)通道及行波管放大器組等，總質(zhì)量約200 kg，載荷總質(zhì)量約600 kg。

3)對(duì)軌道及衛(wèi)星姿態(tài)的需求

為了滿(mǎn)足SAR成像性能及目標(biāo)定位精度，載荷對(duì)衛(wèi)星軌道位置測(cè)量誤差為7 m(1σ)，對(duì)速度的測(cè)量誤差為0.02 m/s(1σ)，衛(wèi)星三軸指向誤差小于0.02°(3σ)，3軸姿態(tài)測(cè)量誤差小于0.002°(3σ)，姿態(tài)穩(wěn)定度需要小于0.001(°)/s。

4)中軌環(huán)境適應(yīng)性防護(hù)需求

中軌空間環(huán)境由于受范艾倫輻射帶的影響，其環(huán)境較低軌更加惡劣。為了保證設(shè)備艙中的電子設(shè)備正常運(yùn)行，分析設(shè)備艙內(nèi)部在0°，28°，90°軌道傾角下的輻射強(qiáng)度,見(jiàn)圖7。

圖7 中軌SAR輻射強(qiáng)度

由圖7可以看出，在28°傾角時(shí)，4000 km軌道高度下衛(wèi)星艙內(nèi)電子設(shè)備所受輻射強(qiáng)度約1.50×105Si/年，低于中軌導(dǎo)航衛(wèi)星(22 000 km軌道高度)受輻射水平，因此采用傳統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星電磁防護(hù)方案(設(shè)備外殼等效鋁厚度達(dá)到2 mm)即可保護(hù)中軌艙內(nèi)電子設(shè)備。

2 載荷性能仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的SAR載荷性能，本節(jié)通過(guò)仿真計(jì)算對(duì)其分辨率、模糊度、NESZ等重要應(yīng)用指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。表2給出了SAR載荷主要參數(shù)。

表2 SAR載荷主要參數(shù)

(1)二維分辨率。根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算SAR載荷在不同入射角的方位向分辨率和距離向分辨率,如圖8所示?？梢钥吹剑谒腥肷浣欠秶鷥?nèi)都能滿(mǎn)足5.00 m分辨率的設(shè)計(jì)要求，滿(mǎn)足對(duì)地質(zhì)災(zāi)害及工業(yè)災(zāi)害進(jìn)行高分辨率監(jiān)測(cè)的需求。

(2)模糊度。根據(jù)SAR載荷參數(shù)計(jì)算，其方位模糊度及距離模糊度如圖9所示，都小于-24 dB，滿(mǎn)足應(yīng)急減災(zāi)應(yīng)用需求。

(3)NESZ。根據(jù)SAR載荷參數(shù)計(jì)算，不同頻段NESZ曲線如圖10所示，能滿(mǎn)足應(yīng)急減災(zāi)應(yīng)用對(duì)其N(xiāo)ESZ的需求。

通過(guò)以上仿真分析結(jié)果可以看出，SAR載荷的主要指標(biāo)(如分辨率、模糊度、NESZ等)均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，能滿(mǎn)足應(yīng)急減災(zāi)應(yīng)用對(duì)SAR載荷性能的需求。

圖8 方位向和距離向分辨率

圖9 方位和距離模糊度

圖10 不同頻段NESZ曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種中軌多頻多極化SAR載荷設(shè)計(jì)，能有效滿(mǎn)足應(yīng)急減災(zāi)領(lǐng)域?qū)μ旎O(jiān)測(cè)手段的需求，獲得高時(shí)空分辨率、大幅寬、多元信息融合的微波遙感圖像，在災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警及應(yīng)急響應(yīng)觀測(cè)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。后續(xù)載荷可通過(guò)二維陣列饋源和反射面結(jié)合的技術(shù)手段[8-10]，實(shí)現(xiàn)天線波束的二維快速掃描，有效提升載荷的靈活觀測(cè)能力，并通過(guò)多衛(wèi)星組網(wǎng)方式，具備更快的應(yīng)急響應(yīng)監(jiān)測(cè)能力，有效提升我國(guó)應(yīng)急減災(zāi)能力。