毫米波SAR 卫星未来发展展望

王 辉，付玉龙，李金亮

（1.上海市毫米波空天信息获取及应用技术重点实验室，上海 201109；2.上海卫星工程研究所，上海 201109；3.上海航天技术研究院毫米波成像技术重点实验室，上海 201109）

0 引言

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一种主动微波遥感设备，它通过雷达平台和目标之间的相对运动，在一定积累时间内，将雷达在不同空间位置上接收的宽带回波信号进行相干处理得到目标二维图像。在距离向，SAR 通过发射宽带线性调频信号并进行脉冲压缩来提高分辨率；在方位向，SAR 利用目标和雷达的相对运动形成一个虚拟的合成孔径来获得高分辨率，通过在匀速直线运动的平台上以一定的脉冲重复频率发射和接收脉冲信号，将回波信号进行相干处理之后实现方位向高分辨率。由于SAR 不受天气、气候的影响，具备全天时、全天候的优势，其在军事侦察、全球测绘、自然灾害防治等军民领域得到了广泛的应用。

自1978 年第一颗SAR 卫星SeaSAT 成功发射以来，星载SAR 技术受到了各国的高度重视，目前在轨的SAR 卫星主要频段已涵盖L、C、X、Ku等。毫米波是处于微波和光波之间的电磁波，频率范围为30～300 GHz（波长1～10 mm），其中Ka波段（35 GHz）具有极佳的星载SAR 能力，为目前毫米波星载SAR 卫星主要关注的大气窗口频段。与厘米波段相比，毫米波SAR 有如下优点：带宽可以更大、天线尺寸更小，更容易实现超高分辨率；具有类光学特性，目标轮廓效应更加清晰；对植被、雪、土壤等的穿透力较弱，更加适合数字表面模型的生成；在相同干涉测量精度下，毫米波干涉SAR（Interferometric SAR，InSAR）基线要短许多，更加适合单星多模式观测；系统体积小、重量轻，更利于轻小型化SAR 卫星的实现等。基于上述优点，毫米波SAR 卫星技术的研究与应用已成为国内外对地观测的研究热点。

本文以毫米波SAR 卫星的发展为背景，首先分析了毫米波SAR 卫星的特点，其次综述了其发展现状。在此基础上，进一步阐述了毫米波SAR 卫星的主要应用方向，并从连续波体制和脉冲体制两个方面展望了毫米波SAR 卫星技术的发展趋势。

1 毫米波SAR 卫星概述

1.1 毫米波SAR 卫星特点

与低频段的SAR 相比，毫米波SAR 具有如下特点：

1）可实现高分辨率。毫米波SAR 的工作频率更高，系统可发射相对较大的带宽信号，可获得距离向高分辨率；毫米波SAR 工作波长更短，系统天线的实孔径尺寸更小，可获得方位向高分辨。

2）体积小、重量轻。毫米波波段天线及射频模块的尺寸远小于低波段，因此毫米波SAR 系统具有体积小、质量轻的特点。

3）干涉基线短。毫米波波长短，因此在获取相同的干涉测量精度时，毫米波InSAR 所需的基线比低频段SAR 要小很多。

4）目标轮廓效应明显。雷达工作频段越高，目标轮廓效应就越明显。在Ka 波段，目标几何外形的轮廓能产生更强的回波，有利于获取清晰的目标几何特征。

5）穿透力较弱。毫米波对植被、雪、土壤等的穿透力较弱，更加适合观测对象表面信息的提取，并形成观测区域高精度数字表面模型。

6）姿态控制与测量精度要求高。毫米波较短的波长使得其天线波束宽度较窄，为了保证成像质量，对波束指向精度提出了更高的要求。波束指向精度的保证，一方面取决于天线自身的波束指向；另一方面也依赖于卫星平台的姿态控制精度。特别是天线的方位向波束宽度，往往小于0.1°。从控制角度要满足星载毫米波SAR 天线波束指向精度的要求极为困难，往往需要结合姿态测量信息在成像处理时进行补偿，对卫星平台的姿态测量精度提出了较高的要求。而应用于干涉测绘时，毫米波较短的波长使得其对基线长度的需求较低，使得毫米波InSAR 具备实现单星高精度干涉的能力，是毫米波SAR 的一大优势。但是单星干涉测量，其基线倾角的确定在很大程度上取决于卫星平台的姿态确定精度，同样对卫星平台的姿态确定能力提出了严苛的要求。

7）供配电能力要求高。星载毫米波SAR 较大的传输损耗，要求SAR 系统天线具有较高的功率孔径积，即毫米波SAR 系统需要较高的发射功率；同时，毫米波频段功放组件较低的效率，使得毫米波SAR 系统的功耗问题凸显，功耗往往达到上万瓦甚至更高。大功率的脉冲供电需求，给卫星平台供配电分系统的设计带来了巨大挑战。因此，满足毫米波SAR 在轨的有效工作时长成为毫米波SAR 卫星设计面临的重要难题。

8）热控要求高。一方面，星载毫米波SAR 较高的功耗和较低的功放组件发射效率，使得卫星平台供给的大量功率在SAR 天线工作时被转化为热耗，而及时排散发射天线大功率TR 组件和多通道电源组件工作时发出的热量，并将TR 组件温度一致性控制在指标范围内，这对星载毫米波天线热控提出了极高要求。同时，为了满足幅宽覆盖的要求，毫米波SAR 天线的距离向尺寸往往较小，不能给天线热控提供足够的散热面，这就要求卫星平台在结构布局设计时给SAR 天线留出足够的散热面空间。另一方面，毫米波频段射频电路幅相特性受温度变化的影响非常大，因此卫星平台需要采取针对性热控措施，将舱内射频单机的工作温度控制在较小的温度范围内，以保证其工作性能的稳定。

9）载荷占比要求高。相比传统频段星载SAR，毫米波SAR 天线较小的尺寸使得毫米波SAR 卫星具有较好的轻小化潜力。但是毫米波SAR 对卫星平台姿态、供配电、热控等方面的高要求，又制约了整星小型化的实现。因此，为了充分开发毫米波SAR 卫星的轻小化潜力，高载荷占比的设计与实现是毫米波SAR 卫星必须攻克的关键技术，从某种程度上来说也是决定毫米波SAR 卫星成败的核心因素之一。

1.2 毫米波SAR 卫星发展概况

由于毫米波波段大气衰减大于传统低频段，前期星载毫米波SAR 卫星的发展受到了较多的限制。近年来，随着大量毫米波SAR 技术研究的开展和相应工艺水平的提高，星载毫米波SAR 卫星技术开始进入快速发展阶段。

2003 年，美国洛克希德·马丁公司首次提出了Ka 波段星载可重构孔径聚束SAR 的设计方案，如图1 所示。该方案中卫星轨道高度为700 km，采用8.51 m×2.90 m 的卡塞格伦天线，发射功率密度为25.5 W/m，馈源为高功率固态收发（Transmit/Receive，TR）阵列器件，每个TR 器件输出功率为2～4 W，数据率为0.10～0.44 Gbit/s，入射角为 15°～70°，距离向和方位向设计分辨率都为1 m。

图1 Ka 波段星载可重构孔径聚束SAR 系统Fig.1 Schematic diagram of Ka-band reconfigurable SAR

2005 年，德宇航针对地球探索者计划（EE8）提出了SIGNAL 系统（SAR for Ice Glacier and Global Dynamics）。SIGNAL 是一种创新的Ka 频段SAR卫星，轨道为750 km 太阳同步轨道，测高精度10 cm～1 m，测绘带宽20 km，其主要目的是准确测量冰川、冰盖、极地变化、海拔、流速，为更好了解冰川盆地的水文以及为南北极水循环提供科学研究支撑，填补全球冰川的平衡和动力学数据库的空白。该系统使用一对编队飞行卫星，获得所需的长基线以实现高灵敏度和测量的稳定性。

2006 年，加州理工学院喷气推进实验室提出了“冰川和陆地冰面地形干涉仪”（Glacier and Land Ice Surface Topography Interferometer，GLISTIN）系统的论证方案，该系统是一个实现冰川和冰层表面测绘的新型单平台InSAR，一颗星安装两部天线，干涉基线为8 m，如图2 所示。该系统具有高空间分辨率、高垂直测量精度，并且不受云层覆盖影响的特点。为解决宽测绘和高发射功率的限制，GLISTIN 采用数字波束合成技术（DBF）。GLISTIN 为天基系统中首次提出这样的设计理念。通过论证，该系统在内陆表面高程测量精度优于10 cm，在沿海地区高程精度达到几十厘米。该系统轨道高度大约为600 km，运行于92°倾角非太阳同步轨道，地面测绘带宽为70 km，其他主要参数见表1。

图2 GLISTIN 系统Fig.2 Schematic diagram of GLISTIN system

表1 GLISTIN 系统参数表Tab.1 Parameters for GLISTIN system

2007 年，美国国家研究理事会发布了第一个有关地球科学和应用的10 年空间观测计划——“地表水和海洋地形”（Surface Water and Ocean Topography，SWOT）卫星，如图3 所示。该星主要由NASA 与法国航天局（CNES）合作研制，其他参与方包括加拿大和英国航天局。项目人员已完成了SWOT 有效载荷模块研制，目前正在与法国提供的卫星平台集成。SWOT 发射计划一再推迟，预计2022 年12 月由SpaceX“猎鹰-9”火箭发射。SWOT 主载荷之一为Ka 波段的InSAR，其工作频率35 GHz，信号带宽200 MHz，可以实现0.75 m 的斜距分辨率和5 m 的地距分辨率。系统采用4 m×0.2 m 的相控阵天线，干涉基线长度为10 m，采用星下点双测绘带模式，同时对星下点两侧进行观测，每个测绘带宽度为60 km，两侧共120 km，详细参数见表2。SWOT 可实现海面的高精度和宽测绘带测量，从而对海洋中小范围的变化进行研究，同时也可测量陆地水体高度，对陆地水体的储存、流失导致的空间和时间分布进行研究。

表2 SWOT 系统参数表［12-14］Tab.2 Parameters for SWOT system［12-14］

图3 SWOT 系统Fig.3 Schematic diagram of SWOT system

2008 年，欧空局（European Space Agency，ESA）提出了基于扫描接收技术（Scan on Receive，SCORE）的Ka 波段星载SAR（Interferometric SAR，InSAR）的设计方案。鉴于系统组件在高频段容易产生较大的损耗，因此在设计时采用收发分离的天线架构：发射时选用高增益的反射面天线，接收时选用8 通道的相控阵天线，并采用基于DBF的扫描接收技术。采用这种系统架构，能有效降低对发射功率的需求，采用扫描接收技术还能减小雨水后向散射对成像性能的干扰。

2010 年欧空局又进行了Ka 波段SAR 单平台高分辨率干涉的验证工作，用于获取高精度数字表面模型（Digital Surface Model，DSM），其中DSM 瞄准HRTI-3 标准。该系统采用单星双天线一发两收体制和DBF 扫描接收技术，如图4 所示。该系统工作频率为35.75 GHz，发射带宽为300 MHz，发射天线尺寸为2 m×0.35 m 的，接收天线直径为2.25 m，接收天线干涉基线为12 m，能够获得1 m×1 m 的分辨率，详细参数见表3。

图4 欧空局Ka InSARFig.4 Schematic diagram of ESA Ka InSAR

表3 欧空局Ka InSAR 参数表Tab.3 Parameters for ESA Ka InSAR

2012 年，意大利阿莱尼亚宇航公司（Alenia）提出一种在Ka 频段工作的单星SAR 干涉仪，采用变异的双基地方案设计满足单星干涉测量需求，采用三根天线：其中一根只用于发射，安装在卫星本体；另外两根接收天线安装在吊杆顶端。通过天线的设计和部署，能够实现交轨干涉和顺轨干涉的能力。系统示意图如图5 所示，系统详细参数见表4。

图5 阿莱尼亚宇航公司Ka InSARFig.5 Schematic diagram of Alenia Ka InSAR

表4 意大利阿莱尼亚航天公司Ka INSAR 参数表Tab.4 Parameters for Alenia Ka InSAR

2012 年，德宇航（Deutsches Zentrum für Luftund Raumfahrt，DLR）在欧空局提供基金的条件下，也对Ka 波段InSAR 系统进行了研究并提出了设计方案，如图6 所示。该方案中卫星向两侧各伸出10 m 的天线支撑臂，2 个发射天线安装在天线支撑臂末端，2 个接收天线则安装在卫星星体上，干涉基线长度约为10 m，2 个发射天线和2 个接收天线均为抛物面天线。该系统在方位向两发两收，采用DBF 技术，并在数据处理上采用多孔径处理方法（Multi-aperture Processing Method，MAPS）降 低PRF，同时获得宽测绘带，距离向采用SCORE 技术获得高增益。系统结构可以调整为4 个相位中心的结构，以同时实现干涉和地面运动目标检测技术（Ground Moving Target Indication，GMTI），系统详细参数见表5。

图6 德宇航Ka InSARFig.6 Schematic diagram of DLR Ka InSAR

表5 德宇航Ka InSAR 参数表Tab.5 Parameters for DLR Ka InSAR

2014 年，阿斯特里厄姆公司（Astrium GmbH）和德宇航在欧空局的支持下提出了一种9 通道MPAS Ka SAR 系统，可以同时实现干涉和GMTI，如图7所示。双偏置发射天线安装在10 m展开臂末端，接收天线长13 m 由9 个单偏置天线模块组成。轨道高度400～450 km，测高精度1.80～2.85 m，窄幅工作模式下距离向分辨率为2 m，测绘带宽12 km，宽幅模式下距离向分辨率为5 m，测绘带宽50 km。

图7 阿斯特里厄姆公司Ka InSARFig.7 Schematic diagram of Astrium GmbH Ka InSAR

2016 年，德宇航提出了一种在Ka 波段中运行的单通道跨轨道星载InSAR 方案，如图8 所示。该单通道跨轨SAR 扫描波束侧视角为25°，包含1副发射天线和2 副多功能接收天线（Multi-Function Antenna，MFA）。发射天线为馈源阵列位于为焦平面的单偏置反射面天线。基于每个波束一个馈源的设计，以及利用放置在馈源阵列和2 kW 放大器之间的开关矩阵，该天线能够生成8 个高程扫描波束。每副接收天线为馈源阵列，位于焦平面的偏置三反射面，以实现扫描接收操作。每个接收天线可产生56 个波束，每个波束由3 个相邻馈源产生。接收天线位于可展开臂的尖端，展开后支撑臂与卫星本体间的夹角为60°。

图8 德宇航Ka 波段单通道跨轨道星载InSARFig.8 Schematic diagram of DLR Ka-band InSAR antenna farm

经过10 多年的发展，星载毫米波SAR 技术已经由单纯的技术验证性质的系统探索论证阶段，发展到具有明确应用和工程研制计划的系统设计、研制阶段。随着天基毫米波遥感机理研究的不断深入和各国相应项目的不断推进，星载毫米波SAR 系统在不久的将来将很快加入到在轨星载SAR 卫星的大家庭中。

2 毫米波SAR 卫星应用前景

2.1 冰雪探测

冰川、冰盖、海冰和积雪是全球冰冻圈的重要组成部分，是气候和生态环境变化的指示器。在经济全球化、区域一体化不断深入发展的背景下，冰川、冰盖和积雪探测在战略、经济、科研、环保、航道、资源等方面的价值不断提升，受到国际社会的普遍关注。海冰监测有定点监测、机载和船舶监测、可见光遥感、近红外遥感、远红外遥感和微波卫星遥感等技术手段，其中卫星遥感因幅宽大、重访周期短等技术优势成为海冰监测的主要手段。可见光及近红外遥感卫星具有分辨率较高、直观等特点，但其受日照、云雾、雨雪等天气的影响较大，难以满足全天时、全天候监测需求。远红外遥感卫星通过获得的热红外图像温度分布可明显区分出海冰和海水，但其测量精度受雨雪风云天气及季节影响较大。积雪监测方法主要有花杆法、自动气象站超声高度计测量法、地面微降雨雷达、云星载廓线雷达、激光雷达、微波遥感等。微波遥感具有全天时、全天候的工作能力，主要包括SAR、微波高度计、微波辐射计等，其中SAR 因其分辨率高、轮廓清晰、幅宽大等优势是未来冰雪探测发展的趋势。相比于其他微波频段，毫米波具有冰雪穿透能力小的优点，可用于大气-雪、大气-冰、大气-水界面高精度观测；毫米波频段高，实现厘米级测高和亚米级每秒测速所需接收天线基线长度在10 m 量级，具备单星多模式集约高效，具有避免重轨和分布式SAR 时间去相干的优势。通过毫米波SAR 图像可实现冰雪测绘、海冰密集度测量、海冰分类，对极区人类活动、北极航道进行观测，保证极地科考、航行安全等。通过单星毫米波SAR 干涉测高可绘制冰雪覆盖地区DSM 图、海冰厚度图、冰雪储量变化图等，推动极区、高原冰雪物质平衡研究，提高冰雪变化预测精度，为冰雪与全球气候变化等科学研究提供参考。通过单星毫米波SAR 干涉测速，可对冰川、冰盖变化，极区洋流、极区涡流、海洋亚中尺度现象，陆地水资源评估等进行动态观测，为极区交通线路规划、洪涝、海洋灾害预测等提供科学依据。

2.2 农作物识别与分类

我国是农业生产和消费大国，及时掌握农作物类型、分布、结构、长势等信息，是我国农作物生产管理、农业结构调整及粮食政策制定等的重要科学依据。国内外学者利用光学遥感影像对不同时空尺度下的多种农作物进行了种类识别与长势监测研究。我国大部分农作物生产地区长期受云雾覆盖，光学遥感常常无法获取完整的、连续的有效数据。SAR 全天时、全天候的监测能力，能够提供不同于光学遥感的信息。毫米波SAR 成像具有类光学、轮廓清晰、穿透性弱等特点，更容易反映不同农作物的高度、冠层结构、几何特性信息，提高农作识别与分类的精度。此外，毫米波SAR 图像纹理特征清晰，可解决农作物遥感监测存在的“异物同谱”和“同物异谱”的现象，可为全天时农作物精细化监测提供科学支撑。

2.3 森林参数反演

森林是全球陆地生态系统中的最大碳存储库，全球地面生态系统的生物量90%都是由森林组成。准确地掌握森林参数信息，对森林的科学管理、可持续性开发和利用具有非常重要的意义。对森林参数估测有多光谱、高光谱光学遥感，激光雷达和微波遥感等方法。多光谱、高光谱等光学遥感具有对森林的表层特征表现敏感、直观的优点，在叶面积指数、森林树种等森林参数反演的应用中，早期发挥了很大作用，但其穿透性较弱，不能够获取森林内部信息。激光雷达具有森林垂直结构信息获取的能力，在树高、森林生物量反演等方面起到了重要作用，但其受大气、云雾及复杂地形的影响较大。SAR 依据雷达波与森林散射体后向散射系数进行测量，更具有物理含义。目前长波L、P SAR 由于能够获取森林中下部及内部信息，已被广泛应用到森林参数的估计中。研究表明，L 等波段获取的森林冠层高程精度低于地面高程精度。精确测量森林不同树木不同生长阶段冠高、冠幅等生长结构信息，对生物量估计、森林精准培育等至关重要。利用毫米波对树冠穿透性小、图像轮廓清晰及纹理特征清晰的特点，可精确获取森林冠层高程信息，绘制树冠数字表面模型，在推动森林有效管理、森林报告、灾害预防等方面具有重要应用价值。

3 毫米波SAR 卫星发展趋势

3.1 脉冲体制毫米波SAR 卫星技术

脉冲体制SAR 由于收发同置的优点，是目前星载SAR 应用中的主要形式。本节基于毫米波SAR的特点，重点论述脉冲体制毫米波SAR 技术在面向干涉测量、视频成像观测、双频观测、自适应观测等4 个方面的发展趋势。

3.1.1 毫米波高精度InSAR 卫星技术

毫米波高精度InSAR 卫星主要用于极地综合观测、陆地水监测、冰雪测绘等前沿任务，助力我国在高频SAR 卫星领域的发展，提升极地、洋流观测综合观测能力，填补我国天基极区遥感高精度测绘手段空白，实现高纬度地区全天时全天候监测。综合考虑极区目标穿透特性、观测目标后向散射特性等因素的影响，毫米波高精度InSAR 卫星择优选取Ka 频段。综合考虑高精度干涉时Ka 基线需求、分布InSAR 系统的时间去相关性等因素，毫米波高精度InSAR 卫星采用单星部署沿航迹、跨航迹多接收天线的多模式干涉方式，系统详细设计见文献［37］，卫星示意如图9 所示。

图9 毫米波高精度InSAR 工作Fig.9 Operation schematic diagram of millimeter wave high-precision InSAR

卫星轨道根据观测需求、测量精度、幅宽等因素择优选取，一般建议选择极地轨道，以满足极区冰雪、极地洋流等重点观测区域需求。主载荷毫米波InSAR 采用单发射天线对星下点两侧交替扫描，实现观测带倍增；交轨向通过布置于星体垂直航迹两侧的天线形成空间基线对目标区域测高；顺轨向通过布置于星体航向前后的天线形成时间基线对目标区域测速，详见文献［38］。交轨、顺轨相位中心基线长度在十米量级，卫星具备3 种工作模式：标准测高模式，可实现百公里幅宽下厘米级高精度测高；标准测速模式，可实现百公里幅宽下亚分米/秒的高精度测速精度；传统高度计测高模式，可实现数十公里幅宽下厘米量级测高。

系统特点：1）多模式干涉。基于Ka 频段干涉基线短的优势，单星可实现成像、测速、测高。2）测绘带宽大。相比于传统高度计几十公里的测绘带宽，可实现百公里测绘，大大缩短覆盖时间，并可实现海洋亚中尺度现象的观测。3）高精度基线保持和测量。可实现毫米级基线展开精度及多自由度基线测量。

3.1.2 毫米波视频SAR(VISAR)卫星技术

在相同方位分辨率下，与低频段相比，Ka 频段波束较窄，所需要的合成孔径时间短，具备高分辨率、高帧率视频成像得天独厚的优势。毫米波VISAR 卫星将毫米波SAR 技术与视频技术相结合，主要用于热点区域、运动目标的持续监测和跟踪，所获得的视频产品能够直观地反映出热点地区运动目标位置、速度及运动趋势等动态信息，如图10 所示。毫米波VISAR 通过天线的电扫描控制天线波束始终照射目标区域，从而获得对目标区域的持续观测能力；通过对大角度聚束模式下回波数据的合理分割，形成该场景的序贯图像序列，经过图像处理后以视频的形式再现目标场景的信息。方位向采用偏置相位中心多波束技术降低PRF，距离向采用DBF-SCORE 技术提高接收增益，降低数据率，并采用阴影检测方法实现动目标监测。毫米波VISAR 运行于太阳同步轨道，卫星主要工作模式为聚束模式，该模式下图像分辨率可达亚米级，测速精度可达亚分米/秒，帧率优于10 Hz 并且可调。

图10 毫米波VISAR 工作Fig.10 Operation schematic diagram of millimeter wave VISAR

3.1.3 毫米波双频SAR(DSAR)卫星技术

传统波段（L、C、X）SAR 图像存在判读效果不佳、细节描述能力不强的问题，毫米波DSAR 卫星技术旨在通过单平台多源信息融合的理念，利用毫米波特点，实现高效率、精准化观测，如Ka+L 双频（如图11 所示）、Ka+X 双频等，图11 中给出了一种Ka+L 双频SAR 工作示意图，利用毫米波穿透性小、轮廓及纹理特征清晰的特点，可以弥补L 频段树冠高程精度低等问题，通过双频段数据融合可提高森林参数反演、农作物识别的精细化。图11 中毫米波DSAR 卫星运行在太阳同步轨道，工作在双频融合模式下，Ka 带宽内双频共同测绘覆盖，进一步对共同目标区域双频数据融合，可实现高效率、精细化观测；Ka 频段和L 频段也灵活组合以实现多种工作模式，如可在距离向通过测绘带宽拼接实现幅宽扩大模式观测等。

图11 毫米波DSAR 工作Fig.11 Operation schematic diagram of millimeter wave DSAR

3.1.4 毫米波ZSAR 卫星技术

传统SAR 在系统设计和信号处理中通常基于一定的假设开展，如信号衰减特性、杂波分布等采用已知或者先验模型为指导，信号处理中假设外界环境在空间上均匀、时间上平稳等，且系统发射信号为固定形式，通过接收端自适应处理及滤波算法设计来提高性能，为开环系统。面对复杂环境、多背景环境，传统SAR 紧靠开环系统难以取得满意的效果。毫米波自适应SAR（ZSAR）卫星系统是一种实现发射—环境—接收的全自适应闭合环路系统，如图12 所示。

图12 毫米波ZSAR 工作Fig.12 Operation schematic diagram of millimeter wave ZSAR

星载毫米波ZSAR 系统的典型工作模式为：1）采用大幅宽工作模式实时成像，获取大范围场景信息；2）结合先验信息进行重点区域、目标识别；3）针对重点区域、目标类型优化工作模式、系统参数，其中Ka 频段合成孔径时间短、散射特性丰富，易于实现实时成像和实时检测，数据库可在轨实时更新。

3.2 调频连续波毫米波SAR 卫星技术

调频连续波毫米波SAR 是调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW）技术与毫米波SAR 技术的结合。与传统脉冲体制SAR 相比，FMCW 毫米波SAR 采用去斜率接收方式，仅需很低的距离向采样频率即可记录下回波信号，极大降低了A/D 采样及处理设备的性能要求；FMCW 毫米波SAR 具有很大的时宽带宽积，其峰值发射功率比相同平均功率脉冲雷达的峰值发射功率大大降低，采用固态放大器就可满足要求。因此，FMCW 毫米波SAR 可以做到结构简单、体积小、重量轻、成本低。尤其是在星载条件下，小型化系统将有助于减少对平台空间和负荷的需求，有利于提高平台机动性、灵活性和续航能力，具备广阔的发展前景。

FMCW 毫米波SAR 卫星作为一种创新性技术体制，既可用于开展传统空间遥感应用，又可满足未来一段时期军民各领域多类型、多维度、多方向的应用需求。鉴于FMCW 毫米波SAR 卫星同时具有低成本、规模小、可快速构建的特点，可通过多种具有创新性的编队形式，实现在不同应用领域满足多类型的需求。

3.2.1 轻小型毫米波SAR 卫星技术

轻小型毫米波SAR 卫星是一项高度创新的卫星应用方案，其充分考虑星载模式下收发信号功率、信噪比以及收发天线之间的隔离，系统采用双星平台。轻小型毫米波SAR 主要应用于对地观测，系统如图13 所示。发射天线和接收天线分别安装在2 个小卫星平台上。发射星和接收星组成飞行编队，发射星向观测区发射Ka 波段信号，接收星接收回波信号。卫星轨道高度可根据需要观测的对地幅宽和观测分辨率进行适当选取，一般建议选择太阳同步轨道，双星系统星间距离主要依据发射星信号功率对接收星回波接收能力的影响开展分析，一般在几十公里。与传统的FMCW SAR 不同，系统发射信号采用高占空比。卫星系统采用双星编队时，工作模式更加灵活，可根据不同的用户需求选择条带模式、聚束模式、滑动聚束模式等。卫星系统详细方案及关键技术见文献［41］。

图13 轻小型毫米波SAR 卫星系统Fig.13 Schematic diagram of light and small millimeter wave SAR satellite system

轻小型毫米波SAR 卫星系统特点：1）收发分置SAR 成像系统。为了能够在时序上实现发射信号与回波信号的隔离，在SAR 卫星采用FMCW 技术对地实施成像任务时，通过将发射系统和接收系统分置于不同卫星平台实现发射信号与回波信号的隔离，可以实现近100%的占空比，从而大大减少T 组件数量，有利于部署在小卫星平台实现。2）编队飞行设计。系统内的两颗卫星轨道参数基本相同，仅双星相位存在较小差异，在轨飞行时双星前后跟随飞行，可以通过多种在轨编队完成各类任务应用，包括双星跟飞编队、螺旋编队等。3）星间高精度同步与测量。空、时、频、相四同步技术。4）实时成像。卫星通过星载实时数据处理完成遥感业务数据的在轨实时处理，卫星可随时向地面提供最新的数据信息产品。5）高扩展能力。借助轻小型毫米波SAR 卫星的研究基础，使用多颗卫星形成不同长度组合的基线，多星系统具备以高分辨率和短重复周期实施各类遥感任务的能力。

3.2.2 多基线毫米波InSAR 卫星技术

InSAR 的相位解缠是InSAR 面对的另一个难题，多基线InSAR 相位解缠技术不需要满足相位梯度小于等于π 的假设，具有良好的相位解缠绕能力，其系统设计及数据处理近年来逐渐受到广泛关注。通过对轻小型毫米波SAR 卫星系统进行拓展，按照特定的轨道编队构型采用一发多收的方式，可实现多基线交轨干涉，如图14 所示。

图14 多基线毫米波InSAR 卫星系统Fig.14 Schematic diagram of multi-baseline millimeter wave InSAR satellite system

图14 中，多基线毫米波InSAR 系统由1 颗发射星4 颗接收星构成，共形成4 个相位中心，如图15 所示，构成了3 条交轨基线。为保证基线倾角尽可能为0°，卫星编队采用侧摆形构型，选定其中1 颗接收星为基准，保证其与发射星的轨道倾角、轨道半长轴、偏心率、近地点幅角、升交点赤经都相同，只修改其平近点角，使得两星顺轨向距离在约10 km 的范围之内；对3 颗接收星设计不同的升交点赤经，使得卫星拉开交轨向距离，使其满足交轨向基线要求，并通过小幅度修改3 颗接收星的平近点角，使其拉开顺轨向距离。在多基线交轨干涉模式下，可实现厘米级测高精度。

图15 多基线毫米波In SAR 系统基线Fig.15 Schematic diagram of multi-baseline millimeter wave InSAR system baseline

3.2.3 多基线毫米波GMTI InSAR 卫星技术

GMTI 在军事侦察、农业勘探、地质勘探、灾害防治等军民领域具有重要的意义。多基线毫米波GMTI InSAR 卫星可解决单基线卫星盲速、最小可检测速度与最大模糊速度不可兼得等问题，且具有较平坦的速度响应速度，越来越受到人们的重视。利用轻小型毫米波SAR 卫星系统高扩展性，按照特定的轨道编队构型采用一发多收的方式，可实现多基线毫米波GMTI，如图16 所示。

图16 多基线毫米波GMTI SAR 卫星系统Fig.16 Schematic diagram of multi-baseline millimeter wave GMTI SAR satellite system

图16 中，多基线毫米波GMTI InSAR 卫星系统由1 颗发射星3 颗接收星构成，共构成了3 条顺轨基线。整个卫星系统采用串行编队，所有发射星与接收星的轨道倾角、轨道半长轴、偏心率、近地点俯角、升交点赤经都相同，对三颗接收星设计不同的平近点角，使得卫星拉开顺轨向距离。在多基线顺轨干涉模式下，可实现亚米级/秒测速精度。

3.2.4 毫米波高分宽幅SAR 卫星技术

高分宽幅（High Resolution Wide Swath，HRWS）测绘是SAR 系统发展的趋势之一。一方面，宽测绘带宽可以获取更大观测区域信息，帮助快速了解区域宏观信息，缩短重访周期等；另一方面，高分辨率可以获取观测区域更多的细节信息，提高目标图像识别的准确性。传统SAR 系统由于天线面积的制约，高分辨率和宽测绘带宽不可兼得。基于轻小型毫米波SAR 体积小、重量轻、成本低的优点，通过多组卫星编队飞行，便可解决这一矛盾，如图17 所示。图17 中，毫米波高分宽幅SAR 卫星系统由4 组轻小型毫米波SAR 卫星组成，整个系统采用串行编队，所有发射星与接收星的轨道倾角、轨道半长轴、偏心率、近地点幅角、升交点赤经都相同，只修改每颗卫星的平近点角，使其拉开顺轨向距离，组内星间距离约为10 km，多组卫星距离向观测带宽拼接便可实现百公里级高分宽幅测绘。

图17 毫米波HRWS SAR 卫星系统工作Fig.17 Operation schematic diagram of millimeter wave HRWS SAR satellite system

4 结束语

经过20 多年的发展，L、C、X、Ku 等多种频段SAR 已在全球测绘、灾害防治、资源勘探等领域得到了广泛的应用。与低频段相比，毫米波SAR 因其独特的特点，在测绘、冰雪监测、农作物分类、森林参数反演等军民领域具有巨大的应用潜力。相信随着毫米波技术的发展，毫米波SAR 卫星必将对地观测带入一个超高分辨率、高精度、宽带测绘、多模式系统工作的新时代。