面向应急减灾的中轨多频多极化SAR载荷设计

郭磊 李立 颜昭 党红杏 刘昕 李浩

(1 西安空间无线电技术研究所，西安 710000)(2 西安航天恒星科技实业(集团)有限公司，西安 710000)

当前我国极端天气事件频发，严重自然灾害也日益增多，自然灾害影响范围广，灾害损失大，并呈现出多灾并发、群发和集中爆发的特征；另外，当前我国重大工业灾害也逐年增长。为更好地应对重大自然灾害和工业灾害，迫切要加强天基对地观测手段应用，提高对灾害的监测预警和应急响应能力，增强灾害救助决策和灾情评估的科学性、及时性，最大限度地减少灾害造成的损失[1]。合成孔径雷达(SAR)是一种利用距离向脉冲压缩和方位向多普勒效应进行成像的微波遥感雷达[2-4]，能通过自身发射脉冲信号，而后对接收到的回波进行处理得到图像。不同于光学、高光谱等被动式遥感设备，SAR不受云、雨、雾等恶劣气候影响，能实现全天时、全天候成像。同时，由于SAR所工作的电磁频段具备一定的穿透能力，能发现隐藏在植被或地表下的目标，因此现已广泛应用于地形测绘、灾害评估、地质勘探、海洋应用、农林监测、军事侦察及科学研究等多个方面。在应急减灾方面，为了应对我国主要的灾害(包括洪涝灾害、地震及地质灾害、干旱、雪灾、森林火灾、工业灾害等)，快速有效对灾区进行评估，SAR需要具备以下能力：①具备大范围监测能力，监测面积达到百万平方千米，幅宽大于1000 km(洪涝、干旱、雪灾等)；②具备米级的高分辨率成像能力(地质灾害、工业事故等)；③具备小时级重访观测能力(洪涝、地质灾害、森林火灾等)；④具备穿透云雨、烟雾及一定的地表穿透能力(洪涝、地质灾害、雪灾、森林火灾等)；⑤具备多频多极化等多元数据获取能力(洪涝、地质灾害、干旱、雪灾等)。

目前，国际上还没有在轨运行的中轨SAR卫星，但美国等国家已开展了中轨SAR技术的研究，并初步分析了卫星轨道高度对星载SAR特性的影响[5]，但中轨多频多极化SAR还未见报道。我国所有的陆地观测SAR卫星运行在1000 km以下的低轨道，回归周期在数十天数量级，难以满足灾害应急时效性需求，而在研的高轨卫星空间分辨率较低，难以满足应急高分辨率监测需求[6]；另外，当前对地观测SAR卫星多为单一频段、单一极化方式，获取信息量少、维度单一，不能通过多元信息融合提升图像判读能力，图像解译度不高，无法有效满足应急减灾应用需求。针对上述SAR卫星在应急减灾领域的能力不足，本文提出一种中轨多频多极化SAR卫星载荷设计，能兼顾低轨卫星和高轨卫星的优点，具备高时空分辨率、大幅宽、应急成像等特点，且能同时获取多个频段的多种极化信息，通过多元信息融合有效、高效应用于灾害的监测预警和应急响应观测。

1 中轨多频多极化SAR载荷设计

1.1 总体设计思路

中轨多频多极化SAR由于轨道选择、信息获取方式的差异，其设计思路与传统的低轨SAR不同，具体体现在以下3个方面。

(1)轨道位于中轨，SAR具体轨道设计和覆盖范围与SAR的波束速度、分辨率、合成孔径时间等指标相关，不能按照低轨SAR进行设计，需要考虑中轨星地相对关系进行适应性设计。另外，由于中轨电磁环境恶劣，需要考虑SAR防护设计。

(2)中轨SAR卫星由于轨道高、作用距离远，SAR需要大口径天线进行收发。传统SAR卫星采用的相控阵天线体制若要实现大口径，则天线质量大，成本高，载荷效费比较低，因此选用大口径可展开反射面天线，其质量小，收拢包络小，成本较低，满足中轨SAR需求。

(3)相比于传统单频单极化SAR，由于SAR需要实现多频多极化能力，SAR的收发通道需要具备不同极化通道、不同频段通道同时收发能力。

1.2 参数设计

1.2.1 轨道设计

对于应急减灾应用领域，轨道设计的原则是在可接受的载荷质量功耗下，最大限度提升SAR对我国领土的观测范围和重访时间。根据以上设计要求，中轨多频多极化SAR载荷位于2000～5000 km，采用较小的轨道倾角，在兼顾载荷质量功耗等工程可实现性条件下满足观测分辨率和测绘幅宽需求，并能显著提升目标重访时间，覆盖我国全部领土范围。表1给出了不同轨道高度及倾角下SAR对我国主要目标(北纬10°，30°，50°)重访时间的仿真结果。

表1 不同轨道重访时间

综合折衷载荷质量功耗、覆盖我国全境能力、平均重访时间等参数，SAR卫星选择轨道高度为4000 km，轨道倾角为28°，图1给出了中轨SAR观测范围。

图1 中轨SAR观测范围

通过仿真分析，对于我国范围，中轨SAR卫星的平均重访时间为7.50 h，相比于低轨SAR卫星几天到几十天的重访时间，其数据时效性及应急观测能力大大提升。未来可通过增加卫星数量并组网，实现近小时级重访能力。

1.2.2 工作频段

观测目标对不同频段的电磁波有不同的散射能力。其中，低频段电磁波能穿透树冠及地表，可获取树下、地下等目标信息，而高频段电磁波能获取目标表面的高精度信息。传统单频段SAR只能获取单一频段目标散射信息，在灾害地物分类识别、轮廓检测及生物量反演等方面能力不足，而中轨多频多极化SAR采用多频段设计，能通过多种不同频段SAR图像融合实现地物的准确分类，有效提升灾害监测能力。本文设计的中轨SAR拟采用L，S，C，X多种频段。若采用相控阵天线体制，需要4副独立天线满足多频段要求，造成载荷质量及成本增加，为此，拟采用大口径反射面天线，4种频段共用天线反射器，通过不同频段的馈源收发实现多频段同时工作的能力。其中，L和S频段共用1套收发网络，C和X频段共用1套收发网络，因此具备至少2个频段同时工作的能力(L和C，L和X，S和C，S和X)。

1.2.3 极化方式

传统单极化SAR只能获取单一极化信息，而通过全极化成像可以获得目标的全极化散射矩阵，实现目标的有效分类和定量反演。本文设计的SAR能实现单极化、双极化和全极化工作模式。在全极化工作时，SAR采用交替发射、同时接收方式实现全极化，即首先在半个合成孔径内发射多个水平极化的电磁波，然后接收HH和VH回波，接着在另外半个合成孔径内发射多个垂直极化的电磁波，然后再接收VV和HV回波。SAR在功率器件输出大功率发射信号后，通过极化选择开关，选择反射面天线馈源的极化输出端口，实现不同的极化模式工作，其全极化工作示意如图2所示。

注：H表示水平极化，V表示垂直极化。

多极化设计的难点在于不同极化间需要到达较高的极化隔离度，以满足SAR多极化模式对成像性能的需求。在具体设计中，采用正交模耦合器对H及V极化进行有效隔离，该耦合器极化隔离度为70 dB，能保证总体极化隔离度达到30 dB，满足多极化成像性能。

1.2.4 工作模式

为满足应急减灾观测需求，对地质灾害及工业灾害进行监测，分辨率要达到米级；而监测洪水、干旱、雪灾等，需要1000 km以上的观测幅宽[7]。本文设计2种工作模式，条带模式(见图3)实现5 m分辨率/300 km幅宽，用于监测地质灾害、森林火灾、工业灾害等；扫描模式(见图4)通过3个子测绘带扫描实现20 m分辨率/1000 km幅宽，用于监测洪涝灾害、干旱、雪灾等。

图3 条带模式工作示意

图4 扫描模式工作示意

中轨方位向分辨率ρa如式(1)所示，其中，vb为波束地面速度，vs为卫星飞行速度，la为天线方位向口径，ka为方位向处理展宽系数(取1.1)。

(1)

中轨波束地面速度vb计算公式为

vs-Reωecosβ

(2)

式中：H为轨道高度；Re为地球半径；R为斜距距离；θi为入射角；ωe为地球自转角速度；β为地面位置的纬度。

根据轨道信息计算波束地面速度vb为3167 m/s，卫星飞行速度vs为5747 m/s，则实现优于5 m分辨率需要方位向天线尺寸小于16.7 m。

距离向分辨率ρr与发射带宽B相关。

(3)

式中：kr为方位向处理展宽系数，取1.1；c为光速。

可以得到,选择90 MHz发射带宽，即可满足5 m距离向分辨率需求。

载荷观测幅宽和波束覆盖范围相关。选择入射角20°～38°，在4000 km轨道位置上，SAR可视幅宽若要达到300 km，则天线距离向波束宽度需要达到3.5°。

1.2.5 时序设计

SAR采用正侧视成像方式，在20°～38°入射角范围内共设计3个波位，每个波位成像幅宽大于350 km。在条带模式下，SAR在同一时间只辐射1个波位，实现5 m分辨率/300 km幅宽成像能力；在扫描模式下，SAR交替照射3个波位，实现20 m分辨率/1000 km幅宽成像能力。SAR脉冲重复频率(PRF)选择在780～820 Hz，其波位图如图5所示。

图5 SAR波位图

1.2.6 发射功率

根据雷达方程，SAR的平均发射功率为

(4)

式中：k为波尔兹曼常数；T0为噪声温度；Fn为噪声系数；L为损耗；G为天线增益；λ为工作波长；σNESZ为噪声等效后向散射系数(NESZ)。

在满足应急减灾应用需求的情况下，L频段选择NESZ小于-30 dB，S频段选择NESZ小于-25 dB，C频段选择NESZ小于-22 dB，X频段选择NESZ小于-20 dB，可计算得到各个频段需要的平均发射功率为4 kW，按照15%发射占空比计算，每个频段的发射峰值功率为27 kW。2个频段同时工作时，最大峰值发射功率为54 kW，最大平均发射功率为8 kW。

1.3 载荷组成及工作流程

中轨SAR具备多频段同时工作能力，通过大型多频段共用反射器满足高增益、轻量化要求，载荷具备全极化工作能力，由调频信号源、发射机、接收机、射频前端、天线等单机构成。天线采用16 m口径的大型可展开反射面天线，16 m口径反射器各频段共用，通过不同频段的馈源进行信号收发。各频段采用多个大功率行波管放大器合成方式实现27 kW的峰值发射输出。L和S频段共用1组信号源及收发通道，C和X频段共用1组信号源及收发通道。其组成框图如图6所示。

图6 中轨SAR组成框图

载荷的工作流程是：调频信号源生成所需的线性调频信号，通过上变频、大功率发射器件及射频前端，到达不同频段的馈源阵，再通过多频段共用反射面辐射大功率电磁波信号。接收时信号通过不同频段馈源及射频前端后，再通过低噪声放大器、接收机，进行数字采集、压缩打包下传地面。地面通过接收到的原始回波进行成像处理，并经过多元信息融合产生应急减灾遥感产品。

1.4 对卫星平台的需求

1)功耗需求

载荷的功耗包括发射功耗和电子设备功耗。不同工作模式发射时最大峰值功率为54 kW(2个频段同时工作)，最大发射占空比为15%，则最大发射平均功率为8 kW。按照50%热效率计算，总的发射功耗为16 kW。电子设备包括数据处理器、有源器件等，总的电子设备功耗小于500 W，因此载荷对平台的功耗要求小于16.5 kW。当载荷采用扫描工作模式工作时，产生一景1000 km×1000 km幅宽的图像需要6 min的工作时间。根据轨道设计结果，卫星单轨能对我国领土区域3～4景1000 km×1000 km范围进行成像，因此卫星需要具备单轨24 min的16.5 kW供电能力，保证载荷能发挥最大应用效能。

2)承载质量需求

载荷质量主要分为天线和中央电子设备。16 m口径轻量化反射面天线质量约400 kg，中央电子设备主要包括处理器、收发通道及行波管放大器组等，总质量约200 kg，载荷总质量约600 kg。

3)对轨道及卫星姿态的需求

为了满足SAR成像性能及目标定位精度，载荷对卫星轨道位置测量误差为7 m(1σ)，对速度的测量误差为0.02 m/s(1σ)，卫星三轴指向误差小于0.02°(3σ)，3轴姿态测量误差小于0.002°(3σ)，姿态稳定度需要小于0.001(°)/s。

4)中轨环境适应性防护需求

中轨空间环境由于受范艾伦辐射带的影响，其环境较低轨更加恶劣。为了保证设备舱中的电子设备正常运行，分析设备舱内部在0°，28°，90°轨道倾角下的辐射强度,见图7。

图7 中轨SAR辐射强度

由图7可以看出，在28°倾角时，4000 km轨道高度下卫星舱内电子设备所受辐射强度约1.50×105Si/年，低于中轨导航卫星(22 000 km轨道高度)受辐射水平，因此采用传统导航卫星电磁防护方案(设备外壳等效铝厚度达到2 mm)即可保护中轨舱内电子设备。

2 载荷性能仿真验证

为了验证本文设计的SAR载荷性能，本节通过仿真计算对其分辨率、模糊度、NESZ等重要应用指标进行验证。表2给出了SAR载荷主要参数。

表2 SAR载荷主要参数

(1)二维分辨率。根据上述参数计算SAR载荷在不同入射角的方位向分辨率和距离向分辨率,如图8所示。可以看到，在所有入射角范围内都能满足5.00 m分辨率的设计要求，满足对地质灾害及工业灾害进行高分辨率监测的需求。

(2)模糊度。根据SAR载荷参数计算，其方位模糊度及距离模糊度如图9所示，都小于-24 dB，满足应急减灾应用需求。

(3)NESZ。根据SAR载荷参数计算，不同频段NESZ曲线如图10所示，能满足应急减灾应用对其NESZ的需求。

通过以上仿真分析结果可以看出，SAR载荷的主要指标(如分辨率、模糊度、NESZ等)均能满足设计要求，能满足应急减灾应用对SAR载荷性能的需求。

图8 方位向和距离向分辨率

图9 方位和距离模糊度

图10 不同频段NESZ曲线

3 结束语

本文提出了一种中轨多频多极化SAR载荷设计，能有效满足应急减灾领域对天基监测手段的需求，获得高时空分辨率、大幅宽、多元信息融合的微波遥感图像，在灾害监测预警及应急响应观测领域具有重要的应用价值。后续载荷可通过二维阵列馈源和反射面结合的技术手段[8-10]，实现天线波束的二维快速扫描，有效提升载荷的灵活观测能力，并通过多卫星组网方式，具备更快的应急响应监测能力，有效提升我国应急减灾能力。