一種天基監(jiān)視SAR系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計方法

郭子涵 李飛 張巖巖 韓碩

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2101-5640-4215

摘? 要：天基監(jiān)視合成孔徑雷達(dá)（SAR）在空間信息獲取和未來空間雷達(dá)發(fā)展等方面具有重要意義。針對天基監(jiān)視SAR的特點，本文以中國空間站為平臺，基于運動目標(biāo)的高分辨率成像和多種約束條件研究天基監(jiān)視SAR的工作模式，并且提出一種SAR系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計方法。此外，本文通過仿真實驗，給出一個天基監(jiān)視SAR系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計案例。仿真結(jié)果驗證了本文所提出系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計方法的有效性，其對后續(xù)的工程實現(xiàn)和應(yīng)用具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：天基監(jiān)視雷達(dá)? 合成孔徑雷達(dá)（SAR）? 任務(wù)分析? 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

中圖分類號：V57 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）03（c）-0005-07

A Design Method of Space-based Surveillance SAR System Parameters

GUO Zihan1，2，3? LI Fei1，2*? ZHANG Yanyan1，2，3? HAN Shuo1，2，3

（1. Aerospace Information Research Institute， Chinese Academy of Sciences， Beijing， 100190 China;? ? ? ? ? ? ? ? ? 2. Aerospace Microwave Remote Sensing System Department， Aerospace Information Research Institute， Chinese Academy of Sciences ， Beijing， 100190 China; 3.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing， 100049 China）

Abstract： Space-based surveillance synthetic aperture radar （SAR） is of great significance in space information acquisition and future space radar development. Aiming at the characteristics of space-based surveillance SAR， this paper uses China Space Station as a platform to study the working mode of space-based surveillance SAR based on high-resolution imaging of moving targets and multiple constraints， and proposes a SAR system parameter design method. In addition， this article gives a design case of space-based surveillance SAR system parameters through simulation experiments. The simulation results verify the effectiveness of the system parameter design method proposed in this paper， and it has certain reference value for subsequent engineering implementation and application.

Key Words： Space-based surveillance radar; Synthetic aperture radar （SAR）; Mission analysis; System parameter design

天基雷達(dá)（Space-based Radar）以人造衛(wèi)星等空間飛行器為平臺，在太空中執(zhí)行任務(wù)，進而滿足現(xiàn)代陸?？者b感一體化以及其他的民用需求，其主要具有空間交會、天基成像和天基監(jiān)視等三方面的功能。

2020年12月17日，我國嫦娥五號返回器于內(nèi)蒙古成功著陸，其通過采用空間交會技術(shù)與上升器的成功對接等，完成月球采樣。天基成像功能通過空間雷達(dá)對目標(biāo)區(qū)域的全程觀測，實現(xiàn)任務(wù)偵查、空間遙感、危險預(yù)警等任務(wù);其可以大范圍地跟蹤監(jiān)視空域和地面目標(biāo)，并且不受氣候和時間的限制，具有探測能力強的特點。代表衛(wèi)星包括美國的“長曲棍球”、俄羅斯的“眼睛”，中國的“高分三號”等[1-3]。天基監(jiān)視雷達(dá)包括對地監(jiān)視模式和空間監(jiān)視模式，其中較為成熟的對地監(jiān)視模式主要是對艦船、汽車等交通工具進行運動目標(biāo)檢測和成像，監(jiān)視并獲取信息。雖然空間監(jiān)視模式目前仍處于襁褓階段，但是也有美國SBSS，ORS-5，歐空局ESSS計劃、加拿大SoS計劃和中國伴星一、二號等空間監(jiān)視任務(wù)被不斷地被實現(xiàn)。它們主要用于對衛(wèi)星、空間站、飛行器和空間碎片等進行監(jiān)視、編目和預(yù)警。

目前，在軌的天基跟蹤監(jiān)視手段主要包括有源和無源兩種方式。其中，有源方式的代表是天基雷達(dá)，無源方式的代表是天基光學(xué)傳感器。天基雷達(dá)因為研發(fā)費用昂貴和技術(shù)難度大的特點，仍處于研究階段;而天基光學(xué)因其偵測范圍廣、分辨率高、傳輸信號損耗小和功耗低等多個優(yōu)點已經(jīng)處于試驗階段，和地基監(jiān)視系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，成為目前主流的天基監(jiān)視手段[4]。但是，光學(xué)系統(tǒng)容易受到光線和氣候等的影響;而雷達(dá)系統(tǒng)具有全天時、全天候工作的特點，并且其理論知識完備、發(fā)展歷史悠久、技術(shù)方式多樣。因此，天基雷達(dá)探測成為空間目標(biāo)監(jiān)視探測的重要發(fā)展趨勢。

本文以中國空間站為雷達(dá)平臺，基于運動目標(biāo)高分辨率成像的任務(wù)目標(biāo)和多種約束條件，研究天基監(jiān)視SAR的工作模式，并且提出了一種SAR系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計方法。此外，本文通過仿真實驗，給出了一個天基監(jiān)視SAR系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計的實例。其結(jié)果驗證了本文所提出系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計方法的有效性，對后續(xù)的工程實現(xiàn)和應(yīng)用具有一定的參考價值。

1? 總體工作模式設(shè)計分析

本文天基監(jiān)視雷達(dá)以中國空間站為平臺。受限于工作平臺的物理屬性，雷達(dá)無法具備高荷載功率和大尺寸天線，導(dǎo)致雷達(dá)的作用距離和成像時間受到影響。這就要求雷達(dá)必須能夠快速、準(zhǔn)確的完成監(jiān)視目標(biāo)的信息獲取。

本文天基雷達(dá)的任務(wù)目標(biāo)是對其他衛(wèi)星進行監(jiān)視和高分辨率成像。一般來說衛(wèi)星的運動特性較為簡單，沒有太多變軌操作，其運行軌道也較為規(guī)律，容易被判斷和預(yù)估。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，雷達(dá)和探測目標(biāo)之間的距離可用時間的低階函數(shù)進行模擬。但考慮到被監(jiān)視衛(wèi)星是非合作目標(biāo)，存在衛(wèi)星軌跡抖動和軌道參數(shù)誤差，致使先驗信息不足以提供準(zhǔn)確、實時的成像區(qū)域和成像時段信息。同時，監(jiān)視目標(biāo)體積一般不大，需要對其進行高分辨率成像才能獲得詳細(xì)信息。綜上所述，天基監(jiān)視SAR應(yīng)該具備：能夠根據(jù)監(jiān)視衛(wèi)星的先驗信息，在特定時段對衛(wèi)星活動區(qū)域進行搜索、獲取目標(biāo)運動狀態(tài)的搜索跟蹤功能;根據(jù)搜索雷達(dá)反饋的目標(biāo)運動信息，在合適的成像區(qū)域和成像時段進行高分辨率成像的功能。

天基監(jiān)視SAR總體工作模式分析如圖1所示，搜索跟蹤雷達(dá)根據(jù)一定的先驗信息搜索目標(biāo)可能出現(xiàn)的空域，對其進行捕獲并跟蹤，然后將合適的成像區(qū)域和成像時段信息反饋給成像雷達(dá);成像雷達(dá)自適應(yīng)調(diào)整波束方向和和俯仰角度，控制波門開啟時間以減小數(shù)據(jù)量，完成高分辨率成像，并把跟蹤狀態(tài)反饋給搜索跟蹤雷達(dá)，促使其決策下一步動作。

2? 成像雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計

雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計核心在于指標(biāo)體系在各約束條件互相制約下的建立，即基于任務(wù)目標(biāo)、技術(shù)限制、物理條件等約束對各項參數(shù)進行取舍，以達(dá)到最好的工作效果[6]。圖2給出了系統(tǒng)總體設(shè)計流程圖，可以看出系統(tǒng)設(shè)計是一個參數(shù)不斷迭代、取舍的過程。圖3給出了系統(tǒng)各參數(shù)的數(shù)據(jù)流圖，分析可知，系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)基于任務(wù)目標(biāo)、觀測性能要求和工程約束條件，對雷達(dá)系統(tǒng)和波位參數(shù)進行設(shè)計，然后分析雷達(dá)性能，判斷其是否滿足要求，不滿足則重新設(shè)計，循環(huán)直至完成。

雷達(dá)設(shè)計的主要指標(biāo)有系統(tǒng)頻段、工作體制、信號帶寬和采樣率、天線口徑尺寸、功率孔徑積、脈沖重復(fù)頻率（PRF），下面依次對其具體展開分析[7]。

2.1 雷達(dá)系統(tǒng)頻段分析

天基雷達(dá)工作于對地監(jiān)視模式時，頻段設(shè)計主要考慮因素有目標(biāo)對不同頻率信號的靈敏度、電離層效應(yīng)以及大氣層、云雨天氣等造成的信號衰減損失。一般來說，低頻信號（P波段、L波段等）技術(shù)實現(xiàn)難度低，受大氣、云雨氣候的影響較小，輸出功率上限較高，適用于小目標(biāo)探測，但其容易受到電離層效應(yīng)影響，硬件實現(xiàn)平臺也較為笨重;高頻信號（X波段、K波段等）在云雨、大氣等影響下?lián)p失較大[8]。從目前的天線、高頻收發(fā)組件、大功率微波功放器件的實現(xiàn)等技術(shù)可行性來說，波長越短，技術(shù)成熟度也越低，這也是工作頻率確定的一個重要因素。

本文天基雷達(dá)工作于空間監(jiān)視模式，無需考慮電離層效應(yīng)和大氣、云雨的影響，僅考慮技術(shù)實現(xiàn)難度、平臺物理條件即可。綜合考慮后，本文仿真分析選擇K波段。

2.2 雷達(dá)體制分析

本文設(shè)計目的是通過天基監(jiān)視雷達(dá)對其他衛(wèi)星進行高分辨率成像，算法分析上可以簡化為對高速運動目標(biāo)進行成像。動目標(biāo)成像可采用Keystone算法去除距離走動，但高速運動目標(biāo)會導(dǎo)致多普勒模糊，致使該算法失效。針對這個問題，本文采用文獻(xiàn)[9]提出的信號處理方法來解決，進而確定本文雷達(dá)系統(tǒng)天線收發(fā)體制為一發(fā)三收，配置三組接收通道的信號記錄和數(shù)據(jù)處理設(shè)備。天線需要發(fā)送3個不同頻率的單頻波，采用多頻段系統(tǒng)的同步工作方式[10]。

2.3 信號帶寬與采樣率

本文雷達(dá)系統(tǒng)監(jiān)視的是空間目標(biāo)，可根據(jù)先驗信息選擇交會時間和交匯區(qū)域，自適應(yīng)調(diào)整俯仰角度。在雷達(dá)信號帶寬參數(shù)設(shè)計中，帶寬受到目標(biāo)分辨率和俯仰角的約束：

式中，為距離向分辨率;1.1為Kaiser加權(quán)窗展寬系數(shù);B為信號帶寬;θ為俯仰角。采樣率一般取帶寬的1.2倍。

2.4 天線口徑尺寸分析

天線距離向尺寸受到SAR觀測帶寬度和俯仰角約束，存在最大尺寸限制：

式中，R為目標(biāo)與雷達(dá)之間的直線距離，即斜距;Wgrd為觀測帶寬度。天線在采用有源相控陣體制時，距離向波束角度可擴大，因此天線距離向尺寸Lra實際可以取大于此約束的值[11]。

星載SAR方位向分辨率近似為天線方位向長度的一半。在引入IRW展開因子的條件下，方位向分辨率和天線方位向尺寸的公式為：

對于星載SAR成像，為了避免距離向、方位向出現(xiàn)模糊問題[12]，天線最小面積Amin在條帶和掃描模式下應(yīng)滿足：

式中，k為系數(shù)，模糊系數(shù)代表天線面積下限的冗余度，其大小與成像模糊度成反比關(guān)系，k>1;kaz和kra為方位向、距離向加權(quán)系數(shù)，取0.886;Vs為衛(wèi)星速度?？紤]到光線的實際照射面積變化，天線的設(shè)計面積應(yīng)至少為最小面積的兩倍[13]。

2.5 功率孔徑積

等效后向散射系數(shù)的值等于經(jīng)過雷達(dá)信號處理成像后圖像的加信熱噪聲電平，通常代表圖像的噪底[14]。合成孔徑雷達(dá)的雷達(dá)方程如下：

式中：R為斜距;L1為雷達(dá)系統(tǒng)損耗;k是玻爾茲曼常數(shù);F1為接收機噪聲系數(shù);T0為標(biāo)準(zhǔn)工作溫度;Pt為雷達(dá)平均功率;G為天線增益;Ti為相參積累時間;σ為目標(biāo)雷達(dá)截面積。天線增益G于天線孔徑面積A的關(guān)系為;相參積累時間，Vs為雷達(dá)運行速度。

功率孔徑積是雷達(dá)參數(shù)設(shè)計中十分重要的參數(shù)，在數(shù)學(xué)上表示為雷達(dá)功率與天線面積的乘積。由雷達(dá)公式變換得到功率孔徑平方積公式：

分析可知，功率孔徑平方積主要與探測距離、等效后向散射系數(shù)、信號波長和衛(wèi)星運行速度相關(guān)。通過衡量任務(wù)可接受的等效后向散射系數(shù) （一般取-20dB）得到功率孔徑平方積的大小，再根據(jù)由方位向分辨率決定的天線方位向尺寸，對雷達(dá)功率和天線距離向尺寸進行取舍，得到合適的參數(shù)。如圖4、圖5所示，在等效后向散射系數(shù)分別為-18dB、-19dB和-20dB時，得到功率孔徑平方積與探測距離的關(guān)系;按照探測距離設(shè)定為200km時功率孔徑平方積的值，根據(jù)由方位向分辨率決定的天線方位向尺寸，對雷達(dá)功率和天線距離向尺寸進行取舍。

2.6 脈沖重復(fù)頻率（PRF）設(shè)計

在星載SAR系統(tǒng)設(shè)計中，合理的脈沖重復(fù)頻率（PRF）設(shè)計能使發(fā)射脈沖回波正好落在發(fā)射窗口之間，且使干擾回波落在回波接收窗口之外。脈沖重復(fù)頻率設(shè)計根據(jù)多普勒帶寬、距離模糊度、方位模糊度來得到上下限，再考慮發(fā)射脈沖阻擋和星下點回波阻擋兩方面限制來繪制斑馬圖，進而實現(xiàn)波位設(shè)計[15-16]。

首先分析方位模糊度和距離模糊度對PRF設(shè)計的影響。同時兼顧兩種模糊度可得：

式中，Vst為衛(wèi)星速度，ka、kr分別為方位向、距離向過采樣系數(shù)，La、Lr為方位向、距離向天線尺寸，R為斜距，θ為俯仰角。

方位向調(diào)頻率是由衛(wèi)星運動引起的多普勒頻率的變化率，結(jié)合方位向天線長度，得到多普勒帶寬與方位向天線長度的一般條件：

多普勒帶寬決定了信號的采樣要求，根據(jù)文獻(xiàn)[17]，PRF一般取多普勒帶寬的1.2～2倍。

圖6給出了信號回波時序圖。因為發(fā)射接收機的物理限制、衛(wèi)星的高速運動特性和雷達(dá)與探測目標(biāo)之間的遠(yuǎn)距離影響，信號在經(jīng)過目標(biāo)反射后，勢必經(jīng)過多個信號發(fā)射周期才能到達(dá)接收機。如果不對脈沖重復(fù)頻率PRF進行設(shè)計，將受到雜波干擾，影響成像效果。

因為本文的應(yīng)用場景是對空間目標(biāo)成像，所以無需考慮星下點回波遮擋，只需考慮將脈沖信號發(fā)射時段和反射信號接受窗口錯開。

發(fā)射脈沖對PRF的約束可表示為：

式中，fr表示脈沖重復(fù)頻率，為保護時間;函數(shù)Frac（·）和Int（·）分別表示取小數(shù)和整數(shù)部分。因為采用多頻段同步工作體制，所以此處的脈沖寬度τ視為多頻段之和。

借助PRF上下限估計值和PRF約束公式（9）、（10）和（11），繪制斑馬圖，設(shè)計波位，分析方位模糊度，完成PRF參數(shù)設(shè)計。

3? 系統(tǒng)仿真分析結(jié)果

基于已知參數(shù)和多種約束條件，分別對信號帶寬、天線口徑尺寸、功率孔徑積、雷達(dá)功率、脈沖重復(fù)頻率進行仿真分析，得到天基監(jiān)視SAR系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計的一個實例，分析設(shè)計波位的方位模糊度，驗證本文提出的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計流程的有效性。

中國空間站已知參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)要求見表1～表2。

圖7為根據(jù)參數(shù)分析方法繪制的斑馬圖，可以看出，在規(guī)避發(fā)射脈沖阻擋的條件下，斑馬圖只存在一組干擾曲線。圖8是俯仰角在30°～40°范圍內(nèi)設(shè)計的8個波位結(jié)果。系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果如表3～表4所示，分析可得8個波位的方位模糊度大于-22dB。

通過對信號帶寬、距離分辨率、方位分辨率、天線尺寸、雷達(dá)功率、模糊度、等效后向散射系數(shù)等參數(shù)的分析驗證，證明該系統(tǒng)設(shè)計方法是有效的。設(shè)計結(jié)果具備科學(xué)性合理性，對后續(xù)的工程實現(xiàn)和應(yīng)用具有一定的參考價值。

4? 結(jié)語

本文針對以中國空間站為平臺的天基雷達(dá)，基于運動目標(biāo)的高分辨率成像和多種約束條件，研究了天基監(jiān)視SAR的工作模式，提出一種SAR系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計方法。通過仿真實驗，給出一個天基監(jiān)視SAR系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計案例，證明系統(tǒng)設(shè)計方法的有效性，具有一定工程應(yīng)用價值。

根據(jù)本文對天基監(jiān)視SAR總體工作模式的研究，搜索跟蹤雷達(dá)需要提供一定的先驗信息，與成像雷達(dá)模塊互相配合完成監(jiān)視工作。兩者之間相互關(guān)系的研究將在后續(xù)工作中進行。雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計還包含有其它未分析的系統(tǒng)參數(shù)，作者將基于這點對系統(tǒng)設(shè)計方法進行優(yōu)化。

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