科普：先進合成孔徑雷達的工作原理及系統(tǒng)組成

繼高度成功的ERS-1/2 SAR之后，歐洲航天局發(fā)射了攜帶先進的合成孔徑雷達(ASAR)的遙感衛(wèi)星。ASAR是一種全天候全天時高分辨率的雷達成像系統(tǒng)。與ERS SAR相比，它具有擴展的觀測能力，三種新的工作模式和改進的性能。

測量原理

雷達天線波束照射面向衛(wèi)星的地面。由于衛(wèi)星的運動，目標單元被波束照亮一段時間，稱為“積分時間”。回波地面處理時，積分時間內(nèi)接受的復雜回波信號會相干積累。這種處理過程等效于一個長天線(稱為“合成孔徑”)照射目標。合成的孔徑大小等于衛(wèi)星在積分時間內(nèi)移動的距離。

使用SAR原理可獲得的沿軌道分辨率(相當于地面處理中的方位)是物理天線長度的一半。可以在圖像分辨率與其他圖像質(zhì)量參數(shù)(如輻射分辨率)之間權衡。

垂直于軌道方向的分辨率或距離分辨率是發(fā)射雷達帶寬的函數(shù)。

考慮到儀器的峰值功率限制，利用了脈沖壓縮技術來提高其性能。端到端系統(tǒng)相參工作的事實意味著，在整個儀器和信號處理鏈中，復雜的傳輸和接收信號之間的振幅和相位關系都保持不變。

工作模式

ASAR設備的設計提供了很強的任務靈活性。地面控制站可以在五種工作模式中任選其一：

--圖像模式。生成空間高分辨率圖像(圖像精度30米)。這種模式下，雷達可以從入射角范圍在15°到45°之間的七個可選成像條帶中選擇一個條帶進行成像。

--波模式。產(chǎn)生5KM*5Km區(qū)塊的圖像，沿衛(wèi)星運行軌道方向間隔100公里。圖像區(qū)塊的位置可以從七個條帶中的任意兩個交替顯示。

--寬條帶和全球監(jiān)視模式。基于掃描SAR技術，使用五個條帶，產(chǎn)生寬的條帶，子條帶和寬條帶的空間分辨率分別為150m和1000m。

這四種模式可以在兩個極化中的一個(HH或VV)。

--可選極化模式。在“HH和VV”、“HH和HV”或“VV和VH”中選擇，來自相同區(qū)域的兩個同時圖像，從而獲得與圖像模式相同的成像幾何形狀和類似的高空間分辨率。

ASAR系統(tǒng)組成

ASAR系統(tǒng)包含兩個主要部分：中央電子組件和天線電子組件。

有源天線由20個模組組成，每個模組包含16個子陣列，每個模塊包含一個收發(fā)模塊。系統(tǒng)由控制子系統(tǒng)驅(qū)動，控制子系統(tǒng)向空間飛行器提供命令和控制接口，管理任務參數(shù)的分發(fā)(如發(fā)射脈沖參數(shù)和天線波束設置)，以及空中系統(tǒng)運行的時序。

發(fā)射脈沖的參數(shù)由數(shù)據(jù)子系統(tǒng)(DSS)設置，是一個正斜率線性調(diào)頻脈沖，中心頻率是中頻載波的頻率(124MHz)。在射頻子系統(tǒng)，脈沖經(jīng)過上變頻到射頻頻率(5.331GHz)并進行放大。

信號通過波導功分網(wǎng)絡傳輸?shù)教炀€模組子系統(tǒng)，隨后，在模組中，通過微帶傳輸?shù)矫總€T/R組件。T/R組件根據(jù)控制子系統(tǒng)發(fā)送來并存儲在模組控制接口單元中的波束位置參數(shù)配置發(fā)射波的相位和增益。

在接收部分，射頻回波信號沿與發(fā)射信號倒置的路徑下變頻到數(shù)據(jù)子系統(tǒng)，在這部分，產(chǎn)生原始的科學數(shù)據(jù)并發(fā)送到空間平臺接口。

中央電子組件

中央電子組件控制發(fā)射線性調(diào)頻信號，將回波信號轉(zhuǎn)換成測量數(shù)據(jù)，并且控制和監(jiān)視整個設備。ERS-1和ERS-2使用聲表面波器件產(chǎn)生模擬的線性調(diào)頻信號，使用星載數(shù)據(jù)范圍壓縮，而ASAR使用數(shù)字技術實現(xiàn)星載線性調(diào)頻信號的產(chǎn)生和數(shù)據(jù)壓縮并緩存，輔以地面數(shù)據(jù)壓縮。

使用數(shù)字技術產(chǎn)生線性調(diào)頻信號的主要優(yōu)勢在于這種設計的功能靈活性更好，這種體制產(chǎn)生線性調(diào)頻的脈沖駐留時間和帶寬都是可調(diào)的，從而根據(jù)不同的需求更有效地調(diào)節(jié)信號參數(shù)，實現(xiàn)更多的任務模式和條帶樣式。

在接收時，回波信號首先經(jīng)過濾波和下變頻，而后經(jīng)過解調(diào)形成I&Q分量。這兩路信號隨后數(shù)字化采樣為8位的數(shù)字信號。如果需要可以進行數(shù)據(jù)抽取，以壓縮數(shù)據(jù)量，如在全球監(jiān)視模式發(fā)射帶寬比較窄的時候。數(shù)據(jù)經(jīng)過抽取后，使用彈性自適應數(shù)字化轉(zhuǎn)換器對回波信號進行處理。

FBAQ算法允許在有限的數(shù)據(jù)傳輸速率下傳輸圖像而不會降低圖像質(zhì)量。這是通過使用優(yōu)化的雷達信號統(tǒng)計壓縮算法來實現(xiàn)的。已經(jīng)開發(fā)出來的FBAQ ASIC有三種操作方式：根據(jù)FBAQ算法(8至4位、3位或2位)壓縮、根據(jù)旁路或噪聲(固定指數(shù))壓縮，這取決于要處理的數(shù)據(jù)類型。

為了優(yōu)化原始數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)設備也包含存儲器，進行回波數(shù)據(jù)傳輸前的暫存。

有源相控陣天線

ASAR的有源天線是一個1.3m*10m的相位陣列。天線包含五個1.3*2m的面板，在設備隨衛(wèi)星發(fā)射的時候可以折疊起來。每個面板由四個0.65*1m的模組組合而成。天線子模塊可以分成三個子系統(tǒng)：天線伺服子系統(tǒng)，模組子系統(tǒng)和天線開關電源和監(jiān)控子系統(tǒng)。

天線是基于機械架構的，包含五個堅硬的碳纖維增強塑料框架和兩個碳纖維加強波導制成的射頻功分網(wǎng)絡為五個面板并行饋電。在發(fā)射時，這五個面板折疊在中間那個固定的面板上面，由八個收放機械結構固定住。

衛(wèi)星被釋放之后，天線面板通過步進電機依次展開，并使用八個鎖定銷實現(xiàn)天線±4mm的平整精度。20個模組的任何一個都是完全獨立運行的子系統(tǒng)，包含四個供電單元，一個模組控制接口單元，兩個微帶射頻公分以及16個子陣，每個子陣有24個微帶雙極化的低損耗無色散輻射單元。

每個子陣連接有1個T/R組件，兩種極化信號獨立鏈接。16個子陣安裝到一起，通過熱和機械解耦，發(fā)射面板具有結構和熱一致性。模組控制接口單元提供模組的控制功能。它實現(xiàn)T/R組件的本地控制，發(fā)送數(shù)據(jù)并實現(xiàn)與控制子系統(tǒng)的接口功能。

這320個T/R組件的每一個都包含兩路發(fā)射鏈路和一個共同的接收鏈路。為了實現(xiàn)校準，在模塊到天線之間安裝有一個耦合器。對于有源天線來說，T/R模塊的相位和幅度特性是溫度的函數(shù)。為了處理這個問題，設備中存儲了補償溫度漂移的數(shù)據(jù)，T/R模塊的溫度被實時監(jiān)控，模組控制接口單元根據(jù)溫度進行相位和幅度校準，這為天線提供了較高的穩(wěn)定性。

ASAR性能

合成孔徑雷達的固有原理決定了ASAR設備的性能無法直接測試。替代方法是從儀器測試的各個階段測量設備的底層參數(shù)。

以ASAR為例，由于其有許多工作模式并且需要測量多種參數(shù)，所以，完成整個設備性能的驗證需要大量的測試。在測試中還可以調(diào)整設備的工作參數(shù)，以便在所有工作模式下都能獲得最佳的整體性能。

ASAR儀器的壽命預測結果如表所示。這些數(shù)字是在假設最壞情況的情況下得出的，并證明Envisat ASAR的使命目標確實可以實現(xiàn)。

ESA開發(fā)了能夠近似實時處理和離線處理ASAR任何工作模式下傳回的數(shù)據(jù)的ASAR一體化處理器。這個處理器將被安裝在ESA的載荷數(shù)據(jù)處理站，歐洲環(huán)境衛(wèi)星處理和存檔中心(PACs)，以及各個國家提供ESA ASAR服務的工作站。

使用一體化處理器將確保用戶獲得的產(chǎn)品的一致性(具有相同的格式和處理算法)，并將簡化產(chǎn)品驗證和未來產(chǎn)品升級的周期。

ASAR一體化處理器的關鍵新特性之一是能夠生成中等分辨率(150米)和低分辨率(1公里)的連續(xù)條帶圖像。處理后的條帶圖像相當于十分鐘的成像模式，交叉極化模式和寬條帶模式，或者全球監(jiān)測模式中一個完整的軌道的圖像的數(shù)據(jù)量。用戶可以選擇處理后的條帶的任何一部分進行查看。

處理器會計算校準脈沖測量系統(tǒng)發(fā)射的脈沖、地面站測量的每行天線的方向圖以及外部特征數(shù)據(jù)的副本。通過對數(shù)據(jù)副本的處理跟蹤傳輸和接收鏈中的參數(shù)變化，用于確定距離壓縮處理的距離參考函數(shù)。

一體化數(shù)據(jù)處理器包括一個多普勒質(zhì)心估計器，對于ERS的圖像模式和波模式具有50hz的精度，對于ScanSAR模式具有25hz的精度，以限制方位角的測量誤差。

ASAR的一體化數(shù)據(jù)處理器可以確保對所有接收到的高速率數(shù)據(jù)系統(tǒng)地近乎實時處理，以生成中分辨率和瀏覽圖像。波模式或全球監(jiān)測模式下的數(shù)據(jù)也將以近乎實時的方式系統(tǒng)地處理。

此外，ASAR一體化數(shù)據(jù)處理器將根據(jù)用戶請求，允許高分辨率產(chǎn)品在接近實時或離線狀態(tài)下，對圖像模式或交叉極化模式(精確圖像、單一外觀復雜或橢球形地理編碼圖像)進行處理。附圖顯示了精確圖像和中等分辨率圖像的示例。

ASAR的任務模式可以分成兩類：

--低數(shù)據(jù)率模式(全球監(jiān)測和波模式)可以在整個軌道周期中持續(xù)運行。

--高數(shù)據(jù)率模式(成像，可選極化和寬條帶模式)每個軌道周期運行30min。

總結

先進合成孔徑雷達(ASAR)具有很強的靈活性，具有五種工作模式，能夠工作在水平和和垂直極化狀態(tài)，俯仰角覆蓋范圍廣，可以通過對320個收發(fā)模塊的幅度相位進行控制實現(xiàn)天線波束的銳化。為了達到指標要求和使用的靈活性，許多新技術、過程和組件需要進行控制。

所有獲取的數(shù)據(jù)都將以近似實時或者離線的方式由歐洲航天局的地面站的一體化數(shù)據(jù)處理器進行處理。使用一體化數(shù)據(jù)處理器保證了數(shù)據(jù)處理的一致性。ASAR系統(tǒng)的大量產(chǎn)品需要歐洲航天局監(jiān)制來保證用戶的使用。

來源：雷達通信電子戰(zhàn)

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