大椭圆轨道SAR系统设计及关键技术研究

姚佰栋， 盛 磊， 孙光才， 谈璐璐， 吴 浩， 周子成， 王 岩

(1. 中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088；2. 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室， 陕西西安 710071)

0 引言

星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)作为宽幅主动微波成像设备，不仅具有可见光和红外遥感器所不具有的全天时和全天候观测能力，而且具有雷达高度计和微波辐射计不具有的高空间分辨率信息获取能力，在军事侦察，地形测绘，灾害监测，洋流、冰川、风浪监测，路上、海上交通管制，农林监测等领域，都具有重要的应用价值和广阔的发展前景。

随着高纬度地区海冰的逐渐消融，经由北冰洋连接太平洋和大西洋的海上运输航线年通航时间也逐渐增加，其中东北航道是连接东北亚与西欧最短的海上航线，西北航道是连接东北亚与北美最短的海上航线。它的开通将使航程大大缩短，不仅能减少运输成本，而且可以避开海盗的威胁。因此，对该航道区域的持续大范围观测将成为未来对地观测卫星的重要需求，但由于航道整体位于北纬70°～80°范围内，低倾角卫星、低轨卫星都无法对整个高纬度地区航道完成有效的持续监测；中轨卫星的连续观测能力相对偏弱，难以实现1 h以上的连续观测；地球同步轨道卫星的代价大，且轨道灵活性不足，对传统航道监测难以兼顾。为克服上述系统能力相对不足，结合观测区域特点，本文提出一种大椭圆轨道设计，通过将远地点设置在中高轨轨道，实现对高纬度地区航道的长时间连续监视能力，将近地点设置在低轨轨道，实现对中低纬地区传统航道、南半球重点区域的高分辨率探测，满足不同应用需求，是低、中、高轨SAR系统的有益补充[1-4]。

本文针对大椭圆轨道SAR的应用优势，对大椭圆轨道SAR的系统特点、关键技术、信号处理等开展论证，为大椭圆轨道SAR系统实现提供设计依据。

1 大椭圆轨道SAR系统设计关键问题

1.1 轨道选择

根据观测区域应用需求，通过对不同轨道资源需求及性能仿真论证，本系统运行的大椭圆轨道远地点高度选择18 000 km，近地点高度选择650 km，并对远地点18 000 km、近地点650 km的大椭圆轨道SAR进行了覆盖性能仿真分析，选取了3个典型目标区域，如图1所示，红色线条为高纬度地区航道东北航线区域，绿色线条为途经马六甲海峡和苏伊士运河的传统海上航道区域，另外还选取了澳大利亚周边海域进行仿真，分别代表了高纬度地区、中纬度地区和低纬度地区，仿真所用参数如表1所示，3个区域的覆盖性分析如图1所示。

图1 大椭圆轨道仿真模型

表1 大椭圆轨道仿真参数

图2的仿真结果显示，大椭圆轨道SAR 14个小时可以实现对高纬度航道东北航线的全覆盖，25 h可以实现对传统海上航道的全覆盖，37 h可以实现对澳大利亚沿岸海域的全覆盖，对较高纬度区域的覆盖性能优于中低纬度。以上仿真表明，大椭圆轨道SAR系统可以满足高纬度地区航道持续侦察监视和中低纬度传统航道、澳大利亚周边海域的成像应用需求。

(a) 高纬度东北航线覆盖情况

(b) 传统海上航线覆盖情况

(c) 澳大利亚沿岸海域覆盖情况图2 典型区域覆盖性能仿真结果

1.2 频率选择

SAR是一种工作于微波频段的对地遥感传感器，可以测量地面被观测区域的后向散射系数σ0，σ0很大程度上依赖于频段选择。本系统的SAR需要同时支撑海上和陆地目标侦察的需求。

对海洋目标观测来说，L、S、C频段作为海洋观测的主要频段，L、S频段更多应用于海洋内波、浅海地形等探测，而对目标探测，波长更短的C频段是更佳的方式。此外，X波段由于其散射特性，在目标检测方面也有一定的优势，虽然传统的低轨X波段因为波束较窄，在对海大幅宽成像方面受到限制，且处于高轨时，这一限制则不复存在，因此，C、X波段更能满足海洋目标观测的需求。

从陆地目标观测的角度来看，核心需求为提升分辨率。从国内外高分辨率星载SAR的发展来看，工作在高频段的合成孔径雷达更易于实现较高的分辨率，是星载高分辨率系统的主要选择频段之一。因此，C、X、Ku、Ka频段更能满足陆地目标观测的需求。

对于大椭圆轨道SAR系统，由于其轨道的特殊性，在满足系统成像性能的要求下，不同频段的资源需求不尽相同，综合应用需求及工程可实现性因素，X波段既能满足高分辨率宽覆盖要求，天线面积及单机数量适中，易于工程实现，且成本可控。因此，本文基于X波段开展大椭圆轨道SAR系统设计。

1.3 工作体制选择

星载SAR系统的方位分辨率和距离向观测带宽度是一对固有矛盾。现有的主要高分宽幅体制包括方位向多通道体制、数字阵列体制及单通道滑动聚束/马赛克拼接体制。

方位向多通道技术采用一个小孔径天线发射、多个通道接收回波，通过方位向多通道重构处理消除欠采样导致的方位频谱混叠。该方法降低了实际工作PRF，可以避免距离模糊，增加观测带宽，同时提高方位分辨率。然而，由于使用较小的发射天线，发射天线增益较小，为满足系统的灵敏度指标，需增大发射功率，这会增大系统功耗。若采用方位向多通道体制，必须依靠发射功率来补偿发射天线展宽带来的增益损失，功耗需求过大，平台难以满足。

数字阵列SAR体制主要包括一维数字波束形成( Digital Beam Forming,DBF)体制和二维DBF体制。其中一维DBF体制包括距离向一维DBF技术体制、方位向一维DBF技术体制、方位向单发多收结合距离一维DBF体制以及方位向多发多收结合距离向一维DBF体制等。其中，方位向单发多收结合距离向一维DBF体制是当前高分宽幅SAR的一个重要的技术方向，该技术体制通过在方位向上将雷达分成多个孔径，单个孔径发射信号，多个孔径同时接收信号，同时将方位向SIMO与距离向DBF相结合，距离向扫描接收形成一个由远及近实时追踪回波脉冲的高增益波束，以部分弥补发射孔径面积减小导致的增益损失。同时，距离向DBF技术还可以通过波束赋形抑制距离模糊。经分析，该体制针对由于斑马图限制，距离向观测带宽度受限且系统灵敏度有一定余量的系统非常适用，但仍然难以补偿方位向多通道发射引起的增益损失。通过DBF技术的应用，以增加系统复杂度为代价实现高分宽幅，基于本系统的技术指标分析得出，方位向多通道结合距离向一维DBF体制费效比较高，系统复杂度过大，实现难度较大。

单通道滑动聚束/马赛克拼接体制以方位向大角度扫描为代价，通过增加目标的合成孔径时间提高目标方位向分辨率。在可选距离向观测带宽度满足斑马图限制的条件下，采用单通道滑动聚束体制，可在不减小天线增益情况下实现分辨率和观测带指标，同时有利于实现灵活多变的用户配置要求，有利于在轨应用扩展。

综合上述分析，对大椭圆轨道SAR系统来说，制约系统较大的问题是系统灵敏度及系统功耗，综合系统费效比、指标实现情况，选择单通道滑动聚束体制实现大椭圆轨道SAR系统指标。

1.4 天线尺寸设计

星载SAR的天线口径受NESZ、模糊度、分辨率和观测带宽等指标限制。为满足NESZ、模糊度要求具有较大的天线面积，而为达到分辨率、观测带宽要求，则要求具有较小的天线方位和距离向尺寸，两者要求是相互矛盾的。

对大椭圆轨道SAR系统来说，卫星处于高轨时，因为雷达作用距离远，要满足性能指标，天线面积要远大于低轨系统，考虑到卫星包络的限制，在天线尺寸的设计上，遵循满足性能指标基础上，天线尺寸最小化的原则。

通过最小不模糊面积仿真结果(见图3)可以看出，高轨时天线面积需求超过60 m2，低轨时不超过10 m2，因此，按照高轨要求开展天线尺寸设计，而低轨工作时可根据成像性能需求选择其中一部分天线及组件工作。

(a) 低轨需求

(b) 高轨需求图3 最小不模糊面积

1.5 几何分辨率

大椭圆轨道SAR的距离向分辨率与瞬时工作带宽的设计有关，这与低轨SAR系统是一致的，在此不作赘述。但方位分辨率则与天线方位向孔径、轨道高度等有关，方位分辨率的表达式如下[5-6]：

(1)

式中，θ为波束入射角，La为天线孔径，ka和km分别为加权函数引起的波形展宽系数、幅相误差引起的波形展宽系数。图4所示的是满足5 m分辨率要求的最大方位向天线尺寸，为了提高方位分辨率，需要减小方位向孔径，增大方位向波束宽度，增加合成孔径积累时间，但天线孔径的减小会导致系统功率的增加，因此，需要适当增加天线孔径。

图4 高轨SAR方位分辨率对方位向天线长度的限制

1.6 波位选择及系统性能

大椭圆轨道SAR的波位选择和低轨SAR类似，同样要考虑发射遮挡、星下点回波干扰等因素。当卫星运行至远地点时，由于轨道高 、卫星运动速度慢、多普勒带宽比低轨SAR窄，且天线口径远大于低轨SAR，此时PRF远低于低轨SAR，可选观测带宽度也远大于低轨SAR，因此，大椭圆轨道SAR在宽覆盖成像上具有更大的应用潜力；当卫星运行至近地点时，此时卫星运动几何与低轨卫星类似，波位选择上可按低轨SAR来进行设计。

综合应用需求，通过合理的轨道、频率、工作体制、天线尺寸、几何分辨率等主要参数的选择，通过不同轨道高度的波位仿真设计，系统可在远/近地点、上升/下降段实现表2所示的主要性能指标。

表2 系统主要性能指标设计结果

2 大椭圆轨道SAR系统设计关键技术

大椭圆轨道SAR系统特性与低轨SAR有较大不同，在提升观测能力的同时也给系统实现带来了特殊的难点，主要集中在轻量化天线设计与研制、成像处理、轨道空间环境适应性3个方面。

2.1 轻质大口径有源相控阵天线技术

轻量化、大功率有源相控阵天线是实现大椭圆轨道SAR系统的关键，一方面要满足两维大角度扫描和工作带宽要求，还要满足运载和平台费效比需求，天线的重量、功耗、热设计等面临极大挑战，大口径两维扫描的实时延时补偿技术也极具挑战。必须基于大椭圆轨道SAR系统的全新需求，开展高集成的轻量化大口径两维扫描有源相控阵天线技术研究。实现的难点在于：

1) 大面积轻量化天线阵面的设计与制造。轻薄型天线辐射阵面的研制是天线设计重点，需对单元形式、材料、结构、热控和安装支撑机构等进行综合优化，实现轻量化的同时需保证阵面平面度。

2) 高集成度一体化模块设计与集成技术。为实现天线的低剖面、轻量化，用新型瓦片结构代替传统的砖块式结构，将辐射阵面、结构支撑层、高集成馈电网络、热控层以及有源器件层设计为片式结构，通过三维垂直互联方式集成，减轻天线重量。

3) 由于大部分时间工作在18 000 km的高轨段，系统口径大、密度高、设备量大，系统可采用两种密度单元的天线集成设计，针对高轨对天线口径大，但扫描能力要求较低的特点，采用低天线密度单元设计；针对低轨对天线面积要求小，扫描能力要求高的特点,将高密度天线嵌套在大口径天线中(见图5)，高轨工作时，高、低密度单元均参与工作，而低轨时，仅使用部分高密度天线阵面参与工作。

图5 高、低密度集成天线阵面构型

图6是对均匀加权情况下高轨天线的理论法向波瓣性能仿真结果，天线方位、距离向理想第一副瓣电平从均匀分布的-13.29 dB下降到-17.92 dB、-18.28 dB。可以看出，通过高、低密度单元混合设计，产生了幅度加权效果，这在一定程度下改善了高轨成像的模糊性能。

(a) 高轨方位向法向波束方向图

(b) 高轨距离向法向波束方向图图6 高轨波束方向图

2.2 大椭圆轨道SAR系统成像处理技术

大椭圆全轨道不同时段的轨道特性差异导致不同时段成像难点不同，很难用一种成像算法实现全轨道时段成像。根据不同时段轨道特性以及成像难点不同，可分为近地、上升/下降和远地3个时段(如图7所示)，针对不同时段采用不同的成像算法。近地时段轨道类似低轨，所以低轨成像算法足以适用，因此重点针对另外两个时段的成像难点进行分析并设计合适的成像算法。

图7 大椭圆轨道示意图

1) 上升/下降时段

为了较大的观测区域以及持续观测能力，上升/下降时段需要工作在大斜视模式。大斜视成像存在的主要问题有：大距离走动带来的数据获取长度的增加，也就是说雷达要将测绘带宽和距离走动相叠加的回波数据长度全部采集，才能够得到完整的测绘带宽，这将采集大量的冗余数据，同时过长的回波窗也造成波位选择困难，相反，如果保持采样窗长度不变，则必须减小测绘带宽；因为大椭圆轨道大斜视模式成像需要较长的合成孔径时间，这使得轨道弯曲对成像的影响更加显著，信号存在严重的空变问题。

为了缓解采样窗长度与脉冲重复周期之间的矛盾和实现大距离走动的校正，这里可以选择变PRI(Pulse Repetition Interval)技术录取回波。接着针对信号中存在的严重方位空变问题，可采用方位两步非线性调频变标(NCS)成像算法(流程见图8)解决，5 m分辨率的点目标仿真及旁瓣性能评估结果分别见图9和表3。

图8 方位两步NCS成像算法流程

(a) 仿真点目标分布

(b) 点目标仿真结果图9 方位两步NCS成像算法流程

表3 方位两步NCS算法点目标成像性能仿真结果

2) 远地时段

远地时段SAR成像存在以下问题[7-8]：

(1) 卫星运行速度低，合成孔径时间超长，研究卫星相对于地面点目标的相对运动关系时需考虑地球自转；

(2) 超长的波束作用距离导致传统的“停-走-停”假设斜距模型不再成立；

(3) 合成孔径时间为几百～几千秒，加上地球自转，卫星运动轨迹为复杂的三维曲线。

这些问题大大增加了频域成像算法难度，其根本原因在于上述潜在的问题会导致远地时段SAR存在严重的方位空变，这使得满足方位平移不变性的传统频域成像算法及其改进的频域算法都将失去作用。针对大椭圆轨道SAR卫星远地时段方位空变问题，可采用文献[8]中介绍的基于方位非线性变标的两次串联SVD成像算法解决。5 m分辨率的点目标仿真及旁瓣性能评估结果分别见图10和表4。

(a) 仿真点目标分布

(b) 点目标仿真结果图10 基于方位非线性变标的两次串联SVD成像算法流程

表4 方位非线性变标的两次串联SVD算法成像性能仿真结果

续表4

2.3 空间环境适应性技术

大椭圆轨道SAR在高、低轨之间切换运行，长寿命工作是卫星的主要要求之一，目前国外航天先进国家的SAR卫星平台一般达到在轨可靠工作8年以上。中高轨卫星表面带电环境问题被认为是中高轨卫星最严重的环境威胁之一。根据大椭圆轨道SAR所处的实际工作环境，仿真分析了大椭圆轨道SAR在1 000～30 000 km轨道高度范围内，4种轨道倾角、等效铝屏蔽厚度为1 mm情况下的电离总剂量情况(如图11所示)。可以看出，不同轨道高度、轨道倾角情况下的总剂量区别很大，因此，在满足应用需求的情况下设计合理的轨道是保障卫星寿命的重要途径。

图11 不同轨道条件下电离总剂量

此外，当大椭圆轨道SAR运行至中高轨时，其所处的热环境与低轨SAR有很大差别，由于卫星运行速度相对较慢，在中高轨运行时间超过3 h，卫星暴露在日照环境下的时间是低轨SAR的4～5倍，此外，为了实现高纬度地区航道连续监测，天线工作时间为1～2 h，是低轨SAR的4倍以上，因此天线热控难度大，应重点加强主被动热控功能设计。

3 结束语

大椭圆轨道SAR同时具备低轨SAR、高轨SAR的特点，通过合理轨道选择、载荷系统及成像算法设计，可实现对高纬度地区航道的高时间分辨率成像及对传统航道地区的高空间分辨率成像，是有巨大应用前景的新型SAR系统。本文对大椭圆轨道SAR系统的概念、系统设计方法进行了研究，较深入地分析了大椭圆轨道SAR面临的关键技术问题并给出了相关解决思路，为大椭圆轨道SAR系统设计与应用提供了有益参考。