合成孔径雷达技术应用于星载平台的现状与发展

谢 辉，赵 强，曾祥能

(1.空军驻京西地区代表室，北京 100071；2.解放军93436部队，北京 102604； 3.空军装备研究院,北京 100085)

0 引 言

天基SAR作为对地观测的一种有效手段，正得到各方高度重视和大力发展。随着微电子工艺、发射与控制技术、信号处理技术及数据传输与存储能力的不断进步，当前天基SAR一般具有多种工作模式，以适应不同的应用需求，但通常只能在有限的预设模式(条带、聚束、扫描)中选择，且每次只能工作于一种设定模式，模式间不易相互切换，各模式优点不能兼顾。随着天基SAR技术的不断发展，其未来的发展方向是满足不同用户对特定产品的需求[1]，最近发射的TERRASAR-X就向这方面迈出了坚实的一步，其通过对系统发射接收单元的设定参数进行逐一调整，可实现非预设的工作模式，灵活地在分辨率、观测范围等方面进行自定义[2]。然而，随着天基SAR规划任务的多样性变化、各种即时任务的快速响应追求，希望未来天基SAR能全面实现经济型、敏捷型和功能全的目标，因此未来天基SAR将面临超低成本实现、超轻重量化与敏捷快速响应的挑战。可以预见，完成这一系列挑战的跨越，“天线SAR”的设计理念具有重要的前瞻性与指导意义。其核心思想是：采用现代电子工艺完成天基SAR的轻量化设计，将SAR天线与太阳能帆板集成于一体，整个系统基于功能模块化的结构，具备满足即时任务需求的可重构性，因此整个系统获得低成本与多功能敏捷快响应的多重优势，模块化设计兼具维护简易、系统稳健的特点。从整体设计外观来看，天线SAR的所有功能组件都集成于天线结构上，形成由SAR天线支撑的所有功能模块可重构式新型雷达系统。

1 当前星载SAR系统的发展水平简介

1.1 主要成像工作模式与测绘精度

星载SAR系统受测绘任务的牵引而不断发展，与测绘精度要求相适应，发展出不同的工作模式，沿方位向通过聚束模式增长合成孔径长度，可提高方位分辨率至厘米量级；而扫描模式则可增加测绘带宽达500 km。距离向最高分辨率可达米级，而通过多子带合成[3]大带宽信号可将距离分辨率提高至厘米级。星载SAR双航过干涉测高模式的测高精度大约可以达到10 m左右(ERS-1/2，RadarSAR，SIR-C/X-SAR)。单航过模式下(SRTM)的测高精度在6 m以内。目前差分干涉的精度已经可以达到厘米级。

1.2 高分辨-宽测绘带体制预研

随着对地观测技术的发展，高分辨-宽测绘带成为一种重要目标，由于星载SAR平台离场景很远，高分辨对应着方位向大的多普勒带宽，要求系统以高脉冲重复频率(PRF)对方位多普勒信号进行采样；而距离向宽测绘带则要求系统工作在较低PRF，造成高分辨-宽测绘带成为一对固有矛盾。当前解决此矛盾的方法主要可分为三大类：第1种是系统工作在高PRF，距离向分多个子测绘带进行脉内扫描照射[4-5]，系统PRF满足子测绘带幅宽要求即可，相对提高了系统的方位向采样率，避免了方位模糊，该技术可能造成测绘带不连续，可采用Scan模式设计多个波位使各波位的测绘盲区错开，或通过变PRF来获得连续的测绘带；第2种是系统工作在较低PRF完成宽测绘带，在方位向形成多个等效相位中心，将方位向的时间密集采样用时间稀疏采样与空间采样来联合实现[3，6]，单个相位中心对方位向多普勒采样是模糊的，但将所有相位中心的方位向接收数据通过频谱重构就可满足方位向无模糊采样；第3种是系统工作在较低的PRF，方位向形成发射多波束，配以接收端数字波束形成(DBF)完成方位解模糊[7]，每个方位子波束对应的是窄的多普勒带宽，系统通过多普勒谱重构完成方位向高分辨无模糊测绘。而对于这3种技术，距离向的高分辨则可通过多个频域子带信号发射[6]，接收端进行子带拼接来完成，以解决当前器件工艺对采样率的限制。总结高分辨宽测绘带技术如图1所示。

图1 实现高分辨宽测绘带的3种途径

当前，高分辨宽测绘带技术要么将模糊放在距离向解决，要么在方位向再解决模糊问题。相比较而言，距离向解模糊意味着将方位模糊转移到距离向，可以使天线由“长杆型”转化为“方形”，便于天线的展开撤收。通常，多个相位中心由编队飞行的多颗卫星平台上的载荷形成，而多波束则可由单个平台上的阵列天线形成。

1.3 天线与功率

对星载雷达系统来讲，天线是最基本的关键部件，也是重量最重的部分。每一个和SAR设计相关的因素都包含有天线参数。采用半导体T/R组件的相控阵天线可以工作于P、L、C和X波段，德国的TerraSAR就是当前成功应用的典范。

SRTM系统所用天线的尺寸约为10 m×3 m。目前其它星载SAR系统(如ENVISAR，Radarsat)采用的微带阵天线的尺寸大约是10 m×1 m。Radarsat2阵列天线的设计重量大约800 kg，安装体积7 m3。通常星载SAR系统的天线设计重量为几百公斤到千公斤量级。反射面天线如膨胀展开式已经过原理验证并开始得到应用，如以色列的TecSAR就是采用反射面天线，并且已经获得了高精度的SAR图像数据。然而，受工艺发展水平的限制，这种支撑天线表面的刚性支架往往占去了天线的绝大部分重量，而且增加的载荷重量将严重提高发射成本。

膨胀展开式的相控阵天线目前已得到各方关注。JPL论证的高轨道SAR大型轻量化天线就是采用这种膨胀展开式的天线，主要的技术难点包括：结构主动控制、表面轮廓和粗糙度。加拿大的麦克唐纳公司(MacDonald)研制的WiSAR[8]就是采用去刚性支架的柔性相控阵天线，其采用天线阵列与太阳能帆板集成设计，将天线阵元附着在太阳能帆板背面，从而大大减轻天线重量，而去掉刚性支架后的柔性阵列容易形变，对此采用自适应的阵列形变感应系统(ADMS)[9]进行阵元位置实时检测，并通过实时的波束形成来控制天线阵列波束。

发射机的功率限制了SAR系统的有效探测距离和测绘带宽度，从而在一定程度上限制了卫星的轨道高度。通常，固态功率器件在S波段的功率约为100 W，能实现45%的效率；在X波段具有12 W的功率，25%的效率[8]。行波管(TWT)的平均功率约为几百瓦，峰值功率约为6～10 kW。当前星载SAR系统主要由太阳能电池供电，当然也可由原子能发电机供电。

1.4 WiSAR的先进体制设计

加拿大的麦克唐纳公司(MacDonald)研制的WiSAR秉承经济型、功能全、敏捷型的设计理念，在未来星载SAR发展的历程中迈出了重要一步，已分别研制出了X波段、C波段的试验样机。与现有的星载SAR系统相比，WiSAR采用的全新关键技术体现在如下方面：

(1) 独立的有源相控阵单元，将T/R模块的射频电路、太阳能帆板单元、锂电池、检测与控制单元集成于一体，去除了功率分配环节所需的电缆及其配套。

(2) 采用无线“输格”(feed-space)模式对天线单元馈电，每个天线子系统包含有集成在展开天线面板上的主动无线节点与射频辐射单元，每个无线节点通过“输格”完成变频、发射信号的增益与相位的调整，接收时完成接收信号的增益与相位的调整，去除了方位、俯仰向功率分配网络、传输电缆及其配套，从而获得了一定的可重构性，并能承受一定的机械形变。

(3) 去除刚性支架。由于去除了发射、接收配电网络，极大减轻了载荷重量，可采用低成本的太阳能电池阵列展开装置对主动有源阵列进行装载、展开。

(4) 低功耗的射频发射端，降低了系统的功率开销，减小了总功率需求，减小了阵列的总面积。

(5) 具有一定的射频功率动态范围，在获得阵列形变后，能通过实时的天线波束控制来补偿形变。

总的看来，WiSAR的优势是明显的，其减除了功率分配、传输馈线，因此可称作“无线SAR”(Wireless SAR)，通过实时波束形成技术来补偿阵列形变，去除了刚性支架，获得了超轻量化设计。这些崭新的举措，在没有削减系统性能的同时，大大降低了系统成本，满足了设计的最小化成本原则。当然，受数字阵列技术[10]在采样带宽、存储等工程化方面条件的限制，WiSAR仍采用了有源相控阵，诸如数字阵列雷达技术、多维波形编码技术、信号一体化处理技术等还未得到应用。无论如何，WiSAR是对未来星载SAR发展的大胆探索。

2 未来星载SAR发展的几点构想

2.1 集成设计获得载荷的超轻量化、高稳健性

WiSAR设计表明，星载SAR系统的天线阵元与太阳能帆板、电池阵列集成于一体是可行的方案，图 2为WiSAR天线设计实景图[8]。天线阵列的每个阵元都配备有独立的电源设备、检测控制设备、数据传输设备，各阵元类似于一部小的雷达，可独立工作，局部的阵元电路等部件出错不会牵连影响其它部件的工作，只是减少了一个阵列单元，使整个系统具备高稳健性，系统的工作寿命大大延长。同时，超高集成化的阵列单元，免除了一切功率分配网络、数据传输设备及其配套，馈电、数传等都将通过无线传输实现，最大程度地减轻了载荷重量，提高了系统的空间机动灵活性，降低了搭载平台的发射难度。

图2 WiSAR天线阵列

2.2 模块化设计实现的可重构性

全数字阵列雷达是未来雷达的发展方向，未来的星载SAR必将全面采用全数字阵列技术，解决海量数据存储、空间平台上计算能力成为问题关键。当前，随着通信领域的飞速发展，远程无线通信技术得到极大提高。未来星载SAR将利用全数字阵列的强大优势实现可重构的系统设计，即采用模块化的理念，与异构式集群飞行平台结合，具备完成各种任务的能力，从而极大地降低投入成本。基于异构式集群飞行平台，未来星载SAR将由一个或多个天线模块、数传模块、控制模块、存储模块等组成，每个模块搭载于集群飞行的小卫星。其中，天线模块是天线SAR的主体，完成系统发射-接收的主体功能。数传模块完成海量数据的星地间传输，控制模块完成天线模块的计算控制及平台的集群飞行控制等，存储模块则完成空间平台级数据存储。各模块由集群飞行的小卫星搭载，可分离并单独维护、使用，能通过低成本火箭发射实施SAR卫星的快速布置；针对多功能应用需求，通过一颗卫星、一个集群或一个编队可完成用户的各种应用需求；可迅速重组与布置，对即时任务做出快速反应以执行即时任务，如图 3所示。

图3 异构集群飞行的模块化星载SAR示意图

2.3 模块复用执行即时任务的敏捷快响能力

通用化功能模块的设计理念将贯穿于未来星载SAR的发展，每个功能模块可即时重组，针对特定任务的需求，可迅速以相应模式执行目标任务。如单个天线模块以常规条带式进行宽幅对地监视，多个天线模块组成集群飞行进行高分辨宽测绘带的场景测绘，或者是多颗小卫星搭载的天线模块编队飞行进行干涉测高。各种工作模式的转换只要通过控制模块就可即时执行，也可以通过多维波形编码技术同时执行多种工作模式，以最小的开销完成目标任务。

3 结束语

可以预见，未来星载SAR将以天线为主体进行集成化设计，辅以计算控制、存储、数传等功能模块。轻量化、模块化、数字化的设计理念必将成为发展的主题，而经济性、稳健性、多功能敏捷型是星载SAR发展的最终目标。