基于反射面天線的高分辨率星載SAR技術(shù)研究

譚小敏 黨紅杏 劉昕 孫嘉 高陽(yáng) 楊娟娟 安建平

(1 北京理工大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，北京 100081)(2 中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710100)

合成孔徑雷達(dá)(SAR)通過(guò)發(fā)射大帶寬信號(hào)實(shí)現(xiàn)距離向高分辨率，通過(guò)長(zhǎng)合成孔徑實(shí)現(xiàn)方位高分辨率[1-2]，具備全天時(shí)、全天候成像能力，空間分辨率是其最為核心的性能指標(biāo)，直接反映了雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)電磁散射特性的表征信息，在地形測(cè)繪和防災(zāi)減災(zāi)等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。21世紀(jì)以來(lái)，隨著SAR技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用的逐步深入，對(duì)于高分辨率和寬測(cè)繪帶的需求愈來(lái)愈迫切，因此，研究高分寬幅SAR技術(shù)的實(shí)現(xiàn)途徑具有重要意義[3-4]。當(dāng)分辨率和觀測(cè)帶寬都要求較高時(shí)，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)功率孔徑積的要求會(huì)大幅提升，其實(shí)現(xiàn)難度也隨之增加。

縱觀世界各國(guó)，美國(guó)的長(zhǎng)曲棍球(Lacrosse)衛(wèi)星是世界首次實(shí)現(xiàn)0.3 m分辨率的星載SAR；作為更新?lián)Q代產(chǎn)品的未來(lái)成像體制-雷達(dá)(FIA-Radar)衛(wèi)星，其分辨率優(yōu)于0.3 m，均采用大型反射面天線。德國(guó)的陸地合成孔徑雷達(dá)(TerraSAR)衛(wèi)星獲得了0.24 m的方位向分辨率，美國(guó)的卡佩拉(Capella)衛(wèi)星獲得了0.25 m的方位向分辨率，我國(guó)也在發(fā)展更高分辨率的星載SAR。高分寬幅的星載SAR已經(jīng)成為星載SAR的主流發(fā)展方向之一。

制約高分辨率星載SAR實(shí)現(xiàn)的因素，主要是隨著發(fā)射信號(hào)帶寬的增大及合成孔徑長(zhǎng)度的增加，雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)難度也增大，主要表現(xiàn)在：①系統(tǒng)發(fā)射的超寬帶信號(hào)的實(shí)現(xiàn)對(duì)高速數(shù)字器件提出了更高的要求，為了降低要求，可采用多子帶拼接方式緩解大帶寬信號(hào)發(fā)射與接收壓力[5]，方位向通過(guò)大掃描角滑動(dòng)聚束模式增加合成孔徑時(shí)間，提高方位向分辨率；②系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)波束指向控制的精度和穩(wěn)定度也提出了較高的要求。

本文針對(duì)高分辨率星載SAR的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)，提出基于反射面天線的SAR系統(tǒng)，反射面天線易于實(shí)現(xiàn)高增益，在高分辨率實(shí)現(xiàn)時(shí)具有一定的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，利用多波束技術(shù)在高分辨率和寬測(cè)繪帶之間獲得折衷和平衡。針對(duì)寬帶發(fā)射的難題，提出多子帶合成寬帶發(fā)射的方法實(shí)現(xiàn)距離向高分辨率，并通過(guò)機(jī)載實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 星載SAR高分辨率設(shè)計(jì)

1.1 距離向高分辨率

SAR通過(guò)發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)獲得高分辨率，隨著分辨率的提高，發(fā)射信號(hào)帶寬要求隨之提高，例如，分辨率達(dá)到0.2 m以上，發(fā)射信號(hào)帶寬要求2 GHz以上，如此大帶寬信號(hào)的產(chǎn)生、發(fā)射、接收、采集均面臨諸多技術(shù)和方法上的難題，且對(duì)系統(tǒng)硬件提出了極高的要求，尤其受到寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換(DAC)、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)器件性能及等級(jí)的限制，因此，直接產(chǎn)生全帶寬的信號(hào)難度極大。為降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度，可將大帶寬信號(hào)分為若干個(gè)步進(jìn)調(diào)頻信號(hào)，并采用中頻直讀的方法產(chǎn)生，再上變頻至所需要的射頻，通過(guò)天線發(fā)射并接收目標(biāo)回波信號(hào)，在中頻進(jìn)行采樣后利用信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)大帶寬的拼接，獲得距離向高分辨率。該方法的優(yōu)勢(shì)在于降低了系統(tǒng)瞬時(shí)帶寬和采樣率要求，有效解決了星載SAR系統(tǒng)超寬帶信號(hào)產(chǎn)生與收發(fā)的技術(shù)難題。

以3個(gè)線性調(diào)頻子脈沖為例，說(shuō)明實(shí)現(xiàn)超寬帶信號(hào)的原理，如圖1所示。圖1(a)為中頻濾波后連續(xù)輸出的3個(gè)帶寬為B、脈寬為T的子脈沖，3個(gè)子脈沖的頻帶范圍都是[f0-B/2,f0+B/2]，其中，f0為發(fā)射中頻中心頻率；將3個(gè)子脈沖分別調(diào)制到fc1，fc2，fc3這3個(gè)載頻上，且fc3-fc2=fc2-fc1≈B。至此，輸出的信號(hào)就是帶寬為3B的超寬帶線性調(diào)頻脈沖，如圖1(b)所示。圖1(c)為單子帶脈壓和3個(gè)子帶合成后脈壓結(jié)果，可見，合成后的信號(hào)距離向分辨率得到明顯提升，與理想超寬帶線性調(diào)頻信號(hào)在主瓣寬度、旁瓣電平方面相當(dāng)。

圖1 超寬帶信號(hào)產(chǎn)生及實(shí)現(xiàn)原理

在實(shí)際系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于會(huì)存在各種子帶間的誤差，這些誤差會(huì)影響到大帶寬合成的效果和匹配濾波的性能。為此，系統(tǒng)上設(shè)計(jì)多通道內(nèi)定標(biāo)功能，在成像時(shí)能夠按照實(shí)際的時(shí)序獲得不同子帶的定標(biāo)信號(hào)，計(jì)算得到不同子帶之間的幅相誤差，完成多子帶間的誤差標(biāo)定及校準(zhǔn)，在子帶帶寬設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合信噪比損失考慮子帶間一定比例的頻譜重疊，用于提高相位誤差獲取的精度。另外，在高分辨率星載SAR成像處理時(shí)，需要考慮子脈沖之間的斜距差異，以及衛(wèi)星平臺(tái)運(yùn)動(dòng)引入的誤差。

1.2 方位向高分辨率

方位向高分辨率通過(guò)大轉(zhuǎn)動(dòng)角滑動(dòng)聚束模式實(shí)現(xiàn)?；瑒?dòng)聚束模式與凝視聚束模式不同，其虛擬旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)遠(yuǎn)離測(cè)繪帶，位于地球內(nèi)部，通過(guò)控制天線波束在地面的移動(dòng)行進(jìn)速度增加合成孔徑時(shí)間，并由此提高方位向分辨率。一方面，當(dāng)波束地面移動(dòng)速度介于零與雷達(dá)平臺(tái)速度之間時(shí)，滑動(dòng)聚束模式的方位向合成孔徑累計(jì)時(shí)間大于條帶模式，因此其方位向的分辨率優(yōu)于條帶模式[6]；另一方面，在天線掃描過(guò)程中，波束的地面足跡仍具有一定的前進(jìn)速度，所以其方位向滑動(dòng)掃描寬度大于聚束模式下的方位向觀測(cè)寬度?；瑒?dòng)聚束模式可以在高分辨率和大成像區(qū)域之間獲得較好的折衷，圖2給出了滑動(dòng)聚束模式成像幾何關(guān)系示意。

圖2 星載SAR滑動(dòng)聚束模式成像幾何關(guān)系示意

在滑動(dòng)聚束模式下，天線波束足跡前進(jìn)速度Vg小于衛(wèi)星平臺(tái)的前向速度Vs，滑動(dòng)聚束SAR的滑動(dòng)因子定義為

(1)

由于方位向滑動(dòng)掃描寬度遠(yuǎn)小于參考斜距，因此滑動(dòng)因子A在觀測(cè)范圍內(nèi)隨斜距的變化可忽略不計(jì)，Vg在整個(gè)觀測(cè)范圍帶內(nèi)近似恒定，滑動(dòng)因子A取其在中心斜距處的值即可?；瑒?dòng)聚束SAR模式下的分辨率最終改善程度由其滑動(dòng)因子A決定[7]。

設(shè)天線的方位向波束寬度θa，滑動(dòng)聚束模式達(dá)到相應(yīng)的方位向分辨率和場(chǎng)景方位向幅寬時(shí)，方位向最大斜視角Ψa滿足式(2)[7]。

(2)

通過(guò)式(2)，即可在已知方位向天線波束寬度θa及星下點(diǎn)視角α的前提下求解出Ψa，其表達(dá)式為

(3)

目前，國(guó)內(nèi)外許多高分辨率星載SAR系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)了滑動(dòng)聚束模式，獲得了方位向高分辨率。該模式對(duì)于反射面天線而言，需要利用衛(wèi)星平臺(tái)或伺服系統(tǒng)獲得大的轉(zhuǎn)角，因此對(duì)天線波束控制的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度提出了較高的要求。通過(guò)基于虛擬點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的3維衛(wèi)星平臺(tái)或天線伺服控制策略及方法，可以實(shí)現(xiàn)大角度滑動(dòng)聚束所需要的姿態(tài)曲線，從而保證方位向信號(hào)的有效合成，實(shí)現(xiàn)方位向高分辨率。

2 反射面天線SAR系統(tǒng)技術(shù)

星載SAR系統(tǒng)的天線形式多樣，包括平面相控陣天線和反射面天線，反射面天線又包括固態(tài)反射面天線、傘狀拋物面天線、構(gòu)架拋物面天線、環(huán)形拋物面天線等。一般，需要根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)、衛(wèi)星平臺(tái)能力、SAR系統(tǒng)功能等因素綜合考慮，選擇合適的天線形式。對(duì)于高分辨率星載SAR，要求天線具備高增益、低旁瓣，以保證成像性能。

考慮到反射面天線掃描范圍小，采用衛(wèi)星平臺(tái)與反射面天線固連，利用衛(wèi)星平臺(tái)機(jī)動(dòng)帶動(dòng)天線波束掃描的方式實(shí)現(xiàn)高分辨率所需要的大轉(zhuǎn)動(dòng)角。這種方式最大的好處是掃描連續(xù)，易于實(shí)現(xiàn)大視角連續(xù)觀測(cè)；同時(shí)，在成像過(guò)程中保證天線具有恒定的峰值增益和圖像質(zhì)量的穩(wěn)定。另外，可利用衛(wèi)星平臺(tái)左右側(cè)擺實(shí)現(xiàn)雙側(cè)視成像。圖3為輕量化、高型面精度反射面天線。

在衛(wèi)星平臺(tái)帶動(dòng)天線轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，要求SAR天線引入的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量足夠小，且天線波束具備高指向精度和穩(wěn)定性。由于高分辨率要求天線口徑大，必須考慮天線的輕量化設(shè)計(jì)，因此，一般SAR天線反射器采用柔性網(wǎng)面形式，利用其低的面密度實(shí)現(xiàn)天線的輕量化，進(jìn)而降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。同時(shí)，需要利用熱穩(wěn)定性較好的材料，以保證高的型面精度，從而保證天線性能。

本文設(shè)計(jì)一種反射面天線及大功率合成的高分辨率星載SAR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，SAR系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理單元、大功率發(fā)射通道、反射面天線、接收通道、頻率綜合器及內(nèi)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)6個(gè)部分組成(如圖4所示)。其中：內(nèi)定標(biāo)單元用于對(duì)獲得成像處理所需要的幅相誤差傳遞函數(shù)；大功率發(fā)射通道完成大功率合成。

注：TWTA為行波管放大器。

數(shù)據(jù)處理單元實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻信號(hào)生成、整機(jī)定時(shí)、數(shù)據(jù)采集等功能；大功率發(fā)射通道包括發(fā)射機(jī)、合成網(wǎng)絡(luò)、TWTA組等，最終將大功率信號(hào)通過(guò)環(huán)形器輸入至對(duì)應(yīng)的饋源；SAR反射面天線包括饋源陣列及大型傘狀反射器，實(shí)現(xiàn)電磁波發(fā)射及回波接收；接收通道實(shí)現(xiàn)對(duì)天線接收回波信號(hào)的下變頻、中頻放大、增益控制等功能。內(nèi)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)耦合器組、內(nèi)定標(biāo)單元等實(shí)現(xiàn)對(duì)多通道SAR系統(tǒng)幅相誤差標(biāo)定，保證圖像質(zhì)量。

反射面體制SAR采用集中發(fā)射的方式，功率放大器可選擇固態(tài)放大器或TWTA[8]，在實(shí)現(xiàn)高分辨率時(shí)，雷達(dá)系統(tǒng)需要大功率、超寬帶信號(hào)，且工作在較高頻率，考慮行波管本身具有寬帶特性，且效率相對(duì)較高，優(yōu)先選用TWTA，其由行波管和脈沖電源組成，原理框圖如圖5所示。行波管屬于真空器件，其基本原理是通過(guò)慢波系統(tǒng)把電子注能量轉(zhuǎn)化為微波能量，獲得大功率；脈沖電源產(chǎn)生行波管需要的各級(jí)高壓、脈沖調(diào)制信號(hào)等；二者通過(guò)高壓電纜互聯(lián)，最終獲得大功率的脈沖信號(hào)。近些年，隨著元器件及工藝水平的不斷發(fā)展，為空間脈沖TWTA技術(shù)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，可用于高分辨率星載SAR。

圖5 TWTA組成

由于單臺(tái)放大器難以產(chǎn)生高分辨率SAR所需要的上萬(wàn)瓦的功率，因此無(wú)論采用哪種放大器，一般均需要進(jìn)行功率合成。功率合成時(shí)可采取基于巴特勒(Butler)矩陣等[9]形式的微波組件進(jìn)行功率合成，并根據(jù)需要靈活選擇對(duì)應(yīng)的輸出端口。

2.1 距離向多波束技術(shù)

利用饋源陣列的傘狀反射面天線體制，可實(shí)現(xiàn)發(fā)射寬波束覆蓋所需要的測(cè)繪帶寬，利用俯仰向窄波束掃描接收，在獲得高接收增益[10]的同時(shí)獲得寬測(cè)繪帶，該方案稱為掃描SAR(Sweep-SAR)，其實(shí)現(xiàn)的基本原理如圖6所示。

圖6 Sweep-SAR實(shí)現(xiàn)原理

同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率和寬測(cè)繪帶，會(huì)導(dǎo)致星載SAR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度的增加，主要表現(xiàn)在利用傳統(tǒng)的距離向采樣時(shí)僅需要1個(gè)通道，采用距離向多波束技術(shù)要多個(gè)饋源同時(shí)發(fā)射脈沖，而回波被N個(gè)通道獨(dú)立接收，對(duì)應(yīng)的信噪比由于發(fā)射波束展寬被降低為1/N倍，瞬時(shí)視場(chǎng)由于展寬的波束寬度相應(yīng)增加了N倍，雷達(dá)方程可以表示為

(4)

式中：σNESZ為等效噪聲后向散射系數(shù)；R(θ)和η分別為斜距和入射角，其中，θ為波束指向角；k為玻耳茲曼常數(shù)；T為噪聲溫度；Bw為噪聲帶寬；F為噪聲系數(shù)；L為系統(tǒng)損耗；Pav為寬波束發(fā)射信號(hào)的平均功率；GT和GR分別為寬波束發(fā)射和接收的天線增益；λ為波長(zhǎng)；c為光速。

可見，相對(duì)于單饋源，其增益下降了N倍，但是相對(duì)于寬波束發(fā)射、寬波束接收，其增益增大了N倍。Sweep-SAR系統(tǒng)工作示意如圖7所示。

注：LNA為低噪聲放大器。

由于不同饋源對(duì)應(yīng)的波束指向不同的距離向測(cè)繪帶位置，在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)可通過(guò)切換接收通道實(shí)現(xiàn)全測(cè)繪帶的覆蓋。但是，由于邊緣饋源距離反射面天線焦點(diǎn)較遠(yuǎn)，其方向圖會(huì)存在一定的畸變，造成主瓣擴(kuò)展和旁瓣增高的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象會(huì)影響到距離向模糊度等系統(tǒng)性能指標(biāo)[11]。同時(shí)，由于各個(gè)波束指向不同，其波束重疊部分的相鄰波束增益都較低，直接進(jìn)行加權(quán)處理不僅會(huì)引起輻射增益產(chǎn)生周期調(diào)制，還會(huì)導(dǎo)致接收信噪比和系統(tǒng)靈敏度的嚴(yán)重下降。因此，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)需要應(yīng)用適于Sweep模式的多波束處理技術(shù)，保證掃描接收的同時(shí)獲得更高的相對(duì)穩(wěn)定的回波接收增益[12-15]。

仿真發(fā)射波束與接收波束的方向圖如圖8所示。實(shí)線為發(fā)射波束的方向圖，虛線為不同饋電單元對(duì)應(yīng)的接收波束方向圖。

圖8 天線方向圖

SAR系統(tǒng)可利用俯仰向多通道接收回波信號(hào)，并通過(guò)選擇合適的加權(quán)處理獲得期望的波束寬度，最大化天線增益等效于最大化接收信噪比(SNR)，這樣，最終的輸出加權(quán)信號(hào)可以通過(guò)式(5)計(jì)算獲得。

(5)

式中：Sout為接收合成后的輸出信號(hào)；t為時(shí)間序列；ωn為加權(quán)因子，n=1，…，N；Sin，n為接收到的各路信號(hào)。

對(duì)式(5)進(jìn)行最優(yōu)化求解，可獲得最大的信噪比。

基于饋源陣列的反射面天線SAR通過(guò)距離向多波束技術(shù)，可以利用較小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)高分寬幅所需要的功率孔徑。該技術(shù)在地面和機(jī)載已經(jīng)獲得了驗(yàn)證，尚未在軌應(yīng)用，研究的重點(diǎn)在于雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與信號(hào)處理性能之間的迭代和邊界確定，也就是結(jié)合系統(tǒng)復(fù)雜度及自適應(yīng)的波束加權(quán)因子優(yōu)化，可以采用線性約束最小方差波束形成等方法，在獲得天線增益最大化的同時(shí)，通過(guò)空域?yàn)V波方法抑制距離向模糊回波，從而獲得最優(yōu)的SNR和模糊度，無(wú)論是否在星上進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，都需要修正多個(gè)通道之間的誤差。

2.2 變脈沖重復(fù)間隔(PRI)

高分寬幅時(shí)要進(jìn)行PRI獲得回波的有效接收，這就需要系統(tǒng)能夠自適應(yīng)進(jìn)行PRI的調(diào)整，其調(diào)整精度會(huì)影響到成像結(jié)果。

與一般分辨率的星載SAR相比，高分辨率SAR具有大合成孔徑角及長(zhǎng)合成孔徑時(shí)間，在成像過(guò)程中星地幾何關(guān)系變化較大，造成場(chǎng)景回波具有超大距離向徙動(dòng)。而高精度定時(shí)的PRI時(shí)序設(shè)計(jì)，使得接收窗的移動(dòng)能夠與回波的徙動(dòng)特性相匹配，保證對(duì)回波的完整接收。此外，對(duì)于大幅寬觀測(cè)需要連續(xù)變PRI時(shí)序設(shè)計(jì)保證接收回波的完整性。

變PRI對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了諸多約束[16]，如PRI產(chǎn)生的精度、最小間隔的設(shè)計(jì)及變PRI時(shí)系統(tǒng)相位的穩(wěn)定性，按照以下規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)：假設(shè)TPRI,0為脈沖重復(fù)間隔初始值，那么TPRI,m=TPRI,m-1-Δτ，其中，m=1，…，M-1，M為變PRI總次數(shù)，Δτ為變化時(shí)間步進(jìn)。

需要考慮的約束如下。

(6)

(7)

變PRI的主要限制因素是使得脈沖丟失的比例足夠小，因?yàn)樵谧兎轿籔RI時(shí)，回波窗位置隨斜距的變化沿方位向變化，受發(fā)射干擾和星下點(diǎn)回波干擾影響，部分PRI段末尾的回波在下一恒定PRI段回來(lái)時(shí)不能被有效接收，導(dǎo)致目標(biāo)脈沖丟失。脈沖丟失會(huì)導(dǎo)致旁瓣電平抬高，導(dǎo)致峰值旁瓣比(PSLR)和積分旁瓣比(ISLR)性能存在一定下降。如果在孔徑邊緣丟失脈沖，則直接影響分辨率。圖9分析了在靠近合成孔徑中心丟失脈沖占比及其對(duì)性能影響。可以看出：若將脈沖丟失的比例控制在合適范圍內(nèi)，可以保證SAR系統(tǒng)的成像性能。

圖9 脈沖丟失對(duì)成像性能的影響

聚束及滑動(dòng)聚束模式中，隨著斜視角的增加，會(huì)導(dǎo)致分辨率和幅寬降低，以及合成孔徑時(shí)間和距離向徙動(dòng)增加。由于距離向徙動(dòng)的影響，某些方位位置的回波脈沖可能會(huì)超出接收窗，此時(shí)可以連續(xù)改變PRI，使得接收窗或者盲區(qū)的變化與瞬時(shí)斜距的變化一致。

變PRI的雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)方位向高分辨率、大斜視觀測(cè)不可或缺的技術(shù)途徑[17]。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中涉及的因素眾多，包括變PRI的方式、精度，大功率發(fā)射時(shí)的脈沖相位一致性、占空比最優(yōu)等。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要結(jié)合星地幾何、最優(yōu)SNR及圖像模糊比等參數(shù)，迭代獲得最優(yōu)變PRI時(shí)序，從而在保證接收回波完整性和有效性的同時(shí)，保證圖像質(zhì)量。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

3.1 校飛系統(tǒng)

為了對(duì)基于反射面天線的高分辨率星載SAR關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，尤其是針對(duì)距離向子帶合成實(shí)現(xiàn)距離向高分辨率、天線大角度掃描實(shí)現(xiàn)方位向高分辨率、變PRI技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)反射面SAR校飛試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括采集存儲(chǔ)器、頻率綜合器、發(fā)射機(jī)、大功率TWTA、大功率環(huán)形器、合路器、中頻接收機(jī)、耦合器、限幅低噪放、天線及指向機(jī)構(gòu)等，其中，雷達(dá)設(shè)備的天線子系統(tǒng)安裝在吊艙內(nèi)。校飛設(shè)備如圖10所示，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

圖10 高分辨率SAR機(jī)載校飛設(shè)備

表1 校飛試驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)

3.2 驗(yàn)證結(jié)果

在地面進(jìn)行校飛數(shù)據(jù)帶寬合成處理時(shí)，采取頻域子帶合成方法。首先，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的內(nèi)定標(biāo)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，獲得多個(gè)子脈沖對(duì)應(yīng)的通道誤差及時(shí)延；然后，對(duì)各子脈沖信號(hào)進(jìn)行匹配濾波，并進(jìn)行通道幅相及時(shí)延一致性補(bǔ)償；之后，進(jìn)行頻譜去冗余處理、頻譜搬移和帶寬拼接；最后，通過(guò)逆傅里葉變換獲得距離向高分辨率成像。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合方位向采樣均勻化處理及高精度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，利用波數(shù)域算法最終獲得2維高分辨率圖像。

圖11給出了單子帶成像結(jié)果與子帶拼接后的成像結(jié)果，可以看到：屋頂?shù)募y理細(xì)節(jié)有了明顯的提升，子帶拼接后系統(tǒng)的分辨率得到了提高。圖12(a)給出了變PRI采樣非均勻時(shí)成像結(jié)果，圖12(b)給出了采樣均勻時(shí)成像結(jié)果，可以看到：本文提出的變PRI時(shí)序設(shè)計(jì)可有效地保證圖像質(zhì)量。圖13為機(jī)載校飛結(jié)果(角反射器成像圖)，表2給出了利用角反射器對(duì)系統(tǒng)性能定量分析的結(jié)果。其中：距離向分辨率達(dá)到0.07 m，方位向分辨率達(dá)到0.09 m，PSLR和ISLR均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，圖像聚焦效果良好。

圖11 子帶拼接后SAR圖像

圖12 變PRI優(yōu)化處理結(jié)果

圖13 機(jī)載校飛結(jié)果

表2 系統(tǒng)性能分析結(jié)果

4 發(fā)展前景

隨著2維高分辨率星載SAR技術(shù)的發(fā)展，尤其是方位向大轉(zhuǎn)動(dòng)角實(shí)現(xiàn)聚束觀測(cè)和滑動(dòng)聚束觀測(cè)模式的應(yīng)用不斷成熟，以及對(duì)于特定目標(biāo)從不同角度觀測(cè)可以獲得更為全面的特征信息，多方位角觀測(cè)、大斜視觀測(cè)及高分寬幅觀測(cè)成為星載SAR發(fā)展的趨勢(shì)。

4.1 多方位角觀測(cè)技術(shù)

多方位角觀測(cè)(如圖14所示)是獲得更為豐富的目標(biāo)信息的有效途徑。地面目標(biāo)具有復(fù)雜的幾何和表面特性，由于陰影效應(yīng)、目標(biāo)與背景的耦合及后向散射系數(shù)(RCS)對(duì)方位角敏感等因素，同一目標(biāo)在不同雷達(dá)觀測(cè)角下展現(xiàn)出不同的散射特性，單一角度的雷達(dá)觀測(cè)無(wú)法充分反映目標(biāo)的特性信息。利用多幅不同方位角的SAR圖像進(jìn)行目標(biāo)觀測(cè)，獲取不同散射特性，可進(jìn)一步通過(guò)匹配融合實(shí)現(xiàn)目標(biāo)特征增強(qiáng)，從而極大地提升識(shí)別描述能力。

圖14 多方位角觀測(cè)過(guò)程

圖15給出了對(duì)屋頂?shù)亩喾轿唤怯^測(cè)結(jié)果，可見，通過(guò)不同方位角的觀測(cè)，可以獲得屋頂更為全面的散射信息。

圖15 多方位角校飛試驗(yàn)成像及融合結(jié)果

采用基于反射面天線的高分辨率SAR系統(tǒng)進(jìn)行多角度觀測(cè)，尤其是大斜視觀測(cè)時(shí)，能獲得圖像質(zhì)量較好的高分辨率SAR圖像數(shù)據(jù)，有效實(shí)現(xiàn)多角度數(shù)據(jù)融合，提升SAR圖像的解譯能力。同時(shí)，構(gòu)建高分辨率SAR組網(wǎng)系統(tǒng)，不但在方位向可實(shí)現(xiàn)多角度高分辨率，且通過(guò)多星多軌不同視角可獲取目標(biāo)全方位的圖像信息，增強(qiáng)系統(tǒng)復(fù)雜目標(biāo)細(xì)節(jié)信息獲取及識(shí)別能力。

基于反射面天線的高分辨率SAR系統(tǒng)已初步具備了多角度觀測(cè)的能力，但與目標(biāo)識(shí)別等實(shí)際應(yīng)用需求仍有一定差距，特別是在目標(biāo)圖像解譯和多角度數(shù)據(jù)融合等方面，仍需要進(jìn)一步研究其優(yōu)化算法，未來(lái)隨著高分辨率組網(wǎng)系統(tǒng)的建立，會(huì)給多角度觀測(cè)提供更加有力的條件。

4.2 2維多波束觀測(cè)技術(shù)

基于反射面天線的單通道高分辨率SAR，由于最小天線面積限制，難以同時(shí)滿足高分寬幅成像的要求，采用俯仰向Sweep-SAR技術(shù)可顯著增大雷達(dá)系統(tǒng)空時(shí)自由度，克服傳統(tǒng)SAR系統(tǒng)模糊與觀測(cè)幅寬之間的固有矛盾，使SAR系統(tǒng)同時(shí)獲得高分辨率、寬測(cè)繪帶成像能力，大大提高SAR的觀測(cè)效率。

未來(lái)可在此基礎(chǔ)上，拓展為2維多波束，即利用相控陣饋源的方法實(shí)現(xiàn)反射面天線方位、俯仰2維多波束[18]，并進(jìn)一步增加2維的通道數(shù)量，加大系統(tǒng)自由度，使高分辨率、寬測(cè)繪帶指標(biāo)得到進(jìn)一步提升。

4.3 大斜視成像觀測(cè)技術(shù)

大斜視SAR具有提前觀測(cè)衛(wèi)星斜前視區(qū)域的能力，靈活性及觀測(cè)區(qū)域較正側(cè)視SAR均大大增強(qiáng)，但高分辨率大斜視SAR實(shí)現(xiàn)難度很大?；诜瓷涿嫣炀€的星載SAR系統(tǒng)，具備波束增益穩(wěn)定、掃描連續(xù)等特點(diǎn)，在大斜視情況下，更容易獲得穩(wěn)定的大掃描角聚束模式回波，從而保證高分辨率SAR系統(tǒng)的圖像質(zhì)量。圖16給出了利用反射面天線SAR獲取的前斜視及后斜視高分辨率圖像，圖像質(zhì)量良好。

圖16 高分辨率SAR大斜視成像結(jié)果

未來(lái)，隨著高分辨率大斜視成像算法的深入研究，斜視角將會(huì)進(jìn)一步加大，可增加載荷可視區(qū)域面積，豐富觀測(cè)模式，提高應(yīng)用過(guò)程中對(duì)關(guān)注目標(biāo)成像的靈活性，提升高分辨率觀測(cè)的效能。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于反射面天線的高分辨率星載SAR系統(tǒng)，通過(guò)距離向子帶合成實(shí)現(xiàn)距離向高分辨率，由衛(wèi)星平臺(tái)帶動(dòng)SAR天線進(jìn)行大角度掃描，實(shí)現(xiàn)方位向高分辨率，系統(tǒng)具有波束連續(xù)和掃描穩(wěn)定等特點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)高的空間分辨率上優(yōu)勢(shì)明顯。在此基礎(chǔ)上，可利用距離向同時(shí)多波束滿足寬幅觀測(cè)的需求。作為高分辨率星載SAR的技術(shù)路線之一，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別確認(rèn)及詳細(xì)描述，充分滿足用戶高精度觀測(cè)的需求。