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卫星与网络:合成孔径雷达侦察卫星

发布时间:2019-11-29 00:21 来源:未知 编辑:admin

  从20世纪90年代开始,合成孔径雷达卫星就已成为空间对地观测发展的“热点”,使空间对地观测跨上了一个新台阶。合成孔径雷达侦察卫星是以SAR为有效载荷的侦察卫星。

  星载SAR系统可以分为两大部分,一部分是天线,它安装在卫星舱体外,由于发射时运载火箭整流罩容积的限制,星载SAR的天线常常要求可以折叠起来;另一部分是中央电子设备,它们安装在卫星舱内。

  星载SAR中央电子设备的功能是根据卫星指令,选择星载SAR的工作模式,控制各分机的工作。监控各分级的“健康”情况。与卫星“数管”通讯联系,向卫星监控报告SAR的工作状态,同时将卫星指令输入,控制SAR分机的工作。监控分机另有一功能是将卫星数管关于卫星的星历表数据传至星载SAR数据形成分机的辅助数据部分,使之与SAR回波数据一起组成星载SAR的数据流,将来供成像处理器成像用。另外两个主要功能是形成相干的星载SAR发射信号,将其放大,量化成数字信号,数传至地面接收、成像处理部分。或暂时在星上记录下来,然后再适时下传至地面进行成像处理。

  LFM:产生星载SAR的发射信号,线性调频信号并将信号送至功分网络,分配到每一个T/R组件,经其发射链路,放大后推动整个天线。

  Rx:接收天线来的SAR回波信号放大到设计的电平后送至数据形成(DF)单元。

  DF:将SAR回波模拟信号经A/D变换,量化成数字信号,再与来自卫星数管的星历表数据,组成SAR原始数据送至卫星数传。

  M&C/T:监察、控制星载SAR所有分机的工作。供给所有分机的定时,控制信号,将监察信号传送到卫星测控系统。产生SAR工作模式的波束控制信号。

  雷达侦察可分为主动和被动两种方式。被动方式与可见光和红外遥感类似,是由微波扫描辐射计接收地表目标的微波辐射。目前多数星载雷达采用主动方式,即由侦察平台发射电磁波,然后接收辐射和散射回波信号,主要探测地物的后向散射系数和介电常数。它发射的电磁波波长一般较长,在1mm~1m之间。我们知道卫星雷达天线越长,对地物的观测分辨率就越高。由于受雷达天线长度的限制,真实孔径雷达的地表分辨率往往很低,难以满足应用要求。而合成孔径雷达正是解决了利用有限的雷达天线长度来获取高分辨率雷达图像的问题。

  合成孔径雷达技术是干涉合成孔径雷达技术和差分干涉合成孔径雷达技术的基础,它涉及到侧视雷达系统、雷达波信号处理技术以及雷达图像的生成等诸方面。而干涉雷达技术和差分干涉雷达技术则是基于合成孔径雷达技术的图像处理方法和模型,是合成孔径雷达技术的应用延伸和扩展。

  SAR成像处理最初是利用光学方法实现的,随着计算机和数字信号处理技术的发展,成像处理逐渐由数字处理器取代了光学处理器。与光学处理相比,数字处理更精确,也更灵活,在距离抖动校正、输出图像的坐标转换等方面有明显的优势。

  20世纪90年代出现的成像处理算法中,波数域算法和C h i r pScaling(CS)算法比较成熟,应用也较为广泛。Cafforio等提出的波数域算法(也称为ù k 算法)(Cafforio,1991),其主要思路是基于波动方程,分析距离处理后信号的二维频谱,是一类不同于RD算法的成像处理方法。该方法较为精确,可以对距离抖动较大的情况进行成像处理,但是在变量置换时要运用插值处理,将引起计算量的增加和成像精度的下降。CS算法(Moreira,1996)是一种先进的成像算法。CS是指线性调频信号与一个具有相关调频率的线性调频信号(CS因子)相乘,可以使调频信号的相位中心和调频率发生微小的变化。在SAR成像处理中,通过CS因子相乘,修正不同距离上目标的距离抖动曲线的微小差别,可以将所有距离徙动曲线补偿到相同形状,然后进行精确的距离抖动校正和方位处理。从算法的步骤来看,CS算法不需要先进行距离压缩,而是直接从SAR的回波信号出发,通过傅里叶变换和相位补偿完成成像处理。该算法不需要插值处理,仅通过复乘和FFT就可以实现整个成像算法。从CS算法的推导过程可以看出,此算法相位补偿精确,是一种优秀的成像处理算法[1]。

  “长曲棍球”(Lacrosse)卫星是美国的军用雷达成像侦察卫星。卫星的主体呈八棱体,长8m,直径约4 m , 一对太阳能电池帆在轨道上展开后跨度为4 5 . 1 m,可提供1 0 k W 以上的电力,因为这种卫星要向地面发射微波能量,所以需要大量的能量。卫星设计寿命8 年, 运行倾角为57°~68°,轨道高度为670~703km。该星的合成孔径雷达天线个平面天线个长度相等的子阵。雷达的几何分辨率为0.3~3m,所获图像数据通过大型抛物面可跟踪天线经“跟踪与数据中继卫星”传至白沙地面站,再经过美国国内通信卫星传到贝尔沃堡。它不仅适于跟踪舰船和装甲车辆的活动,监视机动或弹道导弹的动向,还能发现伪装的武器和识别假目标,甚至能穿透干燥的地表,发现藏在地下数米深处的设施。“长曲棍球”卫星还载有用于目标识别的光学遥感器,以供KH-12详细成像之用。1997年10月23日发射升空的第3颗 “长曲棍球”卫星带有相控阵馈电系统,采用抛物面雷达天线,成像质量有所改善。该星与另一颗星配对工作,因而可以反复侦察地面目标[3]。

  TerraSAR卫星是德国的军用雷达成像侦察卫星。它采用太阳同步轨道,高度为660km,设计寿命5年,固体存储器容量500Gbit,下行通道为X 频段, 数据率2 ×130Mbit/s。SAR的波段为X/L。极化方式L波段为全极化,X波段为双极化。SAR有3种工作模式:点模式地面分辨率1~3m,幅宽10km;条幅模式地面分辨率3~15m,幅宽40~60km;宽扫模式地面分辨率15~30m,幅宽100~200km。SAR倾角15°~60°可变,重访周期2天。TerraSAR卫星计划已于1997年启动,由马特拉-马可尼空间公司(MMS)和戴姆勒-奔驰航空航天公司(DASA)承包研制。

  Cosmo-Skymed卫星星座是意大利的SAR成像侦察卫星星座,共包括4颗SAR卫星。该星座是与法

  国Pleiade光学卫星星座配套使用的,两者采用太阳同步轨道,高度均为480km,每颗Cosmo-Skymed卫星质量600kg,下行数据通道为X频段。其SAR型号为SAR-2000,工作频段为X频段,地面分辨率3m,多视角。

  以色列正在建造新TecSAR合成孔径雷达侦察卫星。以色列国防部及Elta系统公司披露了TecSAR卫星的细节,TecSAR卫星是一种低地球轨道合成孔径雷达技术演示器。根据在Elta总部展示的设计说明书及其模型可知,该卫星重量达300kg,其中包括100kg的合成孔径雷达有效载荷。这种多模式有效载荷采用电子束控制。TecSAR卫星与以色列的“地平线”(Ofeq)系列间谍卫星一样,将以大约每90min一次的速率通过特定的目标区域,因为TecSAR的合成孔径雷达有效载荷能够在白天、夜晚及全天候条件下提供高分辨率图像,并能在24h内提供双倍数量的可用情报,而Ofeq电子光学摄像机则不能在夜晚或者多云以及其他天气障碍下捕获图像。Elta公司在公告中称,一个强大的地面站已经被部署,用来通过高速数据链路分派新的任务,同时也可以通过高速数据链路下载图片以备进一步利用及解释。数据链路有240G的存储容量[5]。

  SAR技术的空间应用,使其成为20世纪末最受欢迎的侦察仪器之一,对它的应用和发展还刚刚开

  SAR技术发展的一个最重要的趋势就是充分利用地物电磁特性,地物电磁特性与电磁波的频率、极化和入射角有着密切的关系,因此利用不同频率、不同极化以及不同入射角的电磁波对地物进行观测,能够得到更加丰富的地物信息。

  SAR干涉技术已经成为SAR技术发展的重要领域。它解决了SAR对地物第三维信息(高程信息或速度信息)的提取。目前干涉SAR有以下3种形式:(1)单道干涉,将双天线刚性安装在一个飞行平台上,在一次飞行中完成干涉测量,又称为空间基线)双道干涉,属于单天线结构,分时进行二次测量,要求二次飞行轨道相互平行,又称为时间基线)差分干涉,在航迹正交向安装双天线个测量相结合,测量微小起伏和移位的干涉。

  SAR有多种成像体制,主要是带状成像(Strip map)和聚束成像(Spotlight)两种。带状SAR的天线波束与飞行航迹成固定交角,随着载体的移动,在地面形成条状的连续观测带,适于大面积观测。聚束SAR则不同,它的天线波束在合成孔径时间内始终凝视着照射区域,实现小区域成像。聚束SAR比带状SAR具有较高的分辨能力。此外,大多数目标的散射特性随观测角剧烈地改变,由于聚束SAR在宽观测角范围内成像,因而获得的图像信息比带状SAR更加丰富。聚束SAR与带状SAR是两种优势互补的体制。

  目前许多应用部门希望卫星能缩短对某一特定地区的重复观测周期,获得高时间分辨率的动态信息。解决这个问题,除了采用较小的轨道倾角增加中、低纬度地区的覆盖密度以缩短重复周期外,还可以组织卫星观测的国际合作,例如SIR-C与X-SAR的联合飞行,今后还将组织SIR-C/X-SAR与ERS/Envisat或Radarsat的SAR编队飞行。然而只有积极研制对地观测小型卫星星座,才是解决动态侦察的最有效办要技术困难是:既要保证侦察技术性能,又要降低其重量和功耗,还要有足够的测轨与姿态控制精度,以保证侦察数据的质量。[2]

  由若干颗微小卫星组成一定形状的飞行轨迹,以分布方式构成一颗“虚拟卫星”。这是小卫星向更快、更省、更好的方向发展,也是当前正在为小卫星开拓的另一个崭新的应用领域。编队飞行的军事应用是最早受到关注的领域之一。一方面,组成编队飞行的卫星可以实现对地观测,获取地面目标信息;另一方面,多颗卫星的协同工作,可以实现更多的功能,例如立体成像,可以为军事需求提供服务。由若干颗微小卫星编队飞行,组成一个具有立体侦察的虚拟大卫星,可以较低的成本、较高的可靠性和生存能力替代相同功能的单颗卫星,最大限度地发挥微小卫星的特点和优势。

  虽然编队飞行扩展了单颗卫星的功能,提高了单颗卫星的性能,但编队飞行中卫星的密集分布,其覆盖依然是非连续的;如果要实现连续覆盖,则由编队飞行组成卫星星座,即编队飞行卫星星座。在传统的卫星星座中,组成星座的单元为单颗卫星;而在编队飞行卫星星座中,组成星座的单元为飞行编队。编队飞行可以实现立体成像功能,由飞行编队组成的卫星星座则可以实现对某个区域的连续立体成像。

  SAR侦察卫星具有全天时、全天候、不受大气传播和气候影响、穿透力强等优点,并对某些地物具有一定的穿透能力。这些特点使它在军事应用中具有独特的优势,必将成为未来战场上的杀手锏。因此,各航天国家纷纷计划或正在发展自己的SAR侦察卫星。我们完全有理由相信,21世纪是SAR卫星飞速发展的新世纪。

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