ASAR | 先进合成孔径雷达,系统应用及设计细节 留言
使命任务
欧洲环境卫星是提供长期连续的地球观测数据的重要组成部分，这些数据对于解决环境和气候问题至关重要。同时，它将进一步促进遥感数据的应用从试验转向正式运行。
这项任务同时具有“全球性”和“地区性”的目的，可以为科研和应用研究用户在不同的时间尺度上提供一致的数据。ASAR为全球的各项研究任务所做的重要贡献包括：
–在不同尺度上测量海况状态；
–冰盖特性和动态绘图；
–探测大范围内的植被变化；
–监控海面的自然和人为污染；
ASAR设施通过提供持续可靠的数据包为区域任务提供重要贡献，如以下应用：
— 海冰区域内的近海任务；
–地球表面的雪和冰情况测绘；
–海岸保护和污染监测；
–海洋航线监测；
–农业和森林监测；
–土壤湿度监测；
–地质探测；
–自然灾害的预测，跟踪和响应；
–地球表面的形变监测；
一些区域性的行动任务(海冰应用，海洋污染，海事航运，灾害监测等)需要根据用户的需求获取近似实时的数据(在几个小时内获取探测数据)。另外的一些(例如农业，土壤湿度等)需要快速的周期数据服务(通常是几天时间内)。
其余的任务可以通过离线数据传送服务即可满足需求。ASAR除了可以满足特定的任务和商业需求之外，还有系统的数据收集项目来为科学研究提供数据档案。
(文后附本文的英文下载)
地面
通过地球资源卫星进行地球表面的观测，催生出了大量的地面观测应用场景，一些应用是基于SAR干涉成像领域的重大发展。SAR数据被用来进行农业监测，森林测绘，地质探测和水灾监测。另外，基于INSAR的地质地形的微小变化测量为包括地震和地面下沉在内的环境风险评估做出了重要贡献。
InSAR应用
与ERS SAR相比，ASAR扩展了观测能力，提供了SAR任务的连续性，并可以从ERS和其他SAR任务的结果中获益。ASAR可以与其他Envisat-1仪器MERIS和AATSR协同工作，为研究地表变化和空气/海洋的相互作用提供必要的地表粗糙度和土地覆盖信息。
35天轨道周期内的平均重访频次
ASAR具有更高的观测频率。这将大大提高SAR数据用于危险监测的价值，因为地震、火山爆发、洪水和火灾等局部罕见事件需要在短时间内进行密集观测。波束控制模式还允许(至少)对某些局部事件进行周期为3天的高空间分辨率重复观测。
ASAR工作模式和地面应用
全球监测模式的潜在价值体现在替代具有25公里空间分辨率的ERS风散射仪的工作。对于区域土地覆盖测绘，ASAR高分辨率产品将继续发挥ERS SAR的作用，用以补充来自其他卫星的传统光学图像，特别是在恶劣的太阳光照条件或多云地区。ASAR的新特性包括多入射角和双极化的图像获取，这将为SAR的土地覆盖分类提供新的可能性。
海和冰
ERS计划的最初重点是海洋和冰的监测，在海洋学、极地科学、冰川学和气候研究方面进行了一系列令人印象深刻的科学研究，这些研究今后将得到ASAR的支持。这些测量包括海洋表面特征(洋流、锋面、涡旋、内波)、定向海波谱、海床地形、雪的覆盖情况和冰盖动力学。用于绘制海冰、浮油监测和船舶探测的任务系统已经开发出来了。
ASAR工作模式和海洋应用
海洋和大气相互作用的主要特征是海面风产生波浪和洋流。风和波浪数据是气候研究所需要的，作为气象模型和海洋状态预测的输入，以支持海洋活动研究。ASAR将提供对海洋表面波浪和风的观测。
ASAR的波模式包含了一种称为“inter-look交叉谱处理”的新算法，这种算法通过计算一对在时间上隔开的单视图像，获取波传播方向上所携带的信息。典型的时间间隔是几个主要波的周期，这将为气象用户提供波方向和地球物理参数以及风的参数。
最近，研究表明可以从SAR数据中得到风速估计。由于ASAR宽列扫描模式覆盖面积大，重扫周期短，因此在这方面很有潜力。
测量原理
雷达天线波束照射面向卫星的地面。由于卫星的运动，目标单元被波束照亮一段时间，称为“积分时间”。回波地面处理时，积分时间内接受的复杂回波信号会相干积累。这种处理过程等效于一个长天线(称为“合成孔径”)照射目标。合成的孔径大小等于卫星在积分时间内移动的距离。
使用SAR原理可获得的沿轨道分辨率(相当于地面处理中的方位)是物理天线长度的一半。可以在图像分辨率与其他图像质量参数(如辐射分辨率)之间权衡。
垂直于轨道方向的分辨率或距离分辨率是发射雷达带宽的函数。考虑到仪器的峰值功率限制，利用了脉冲压缩技术来提高其性能。端到端系统相参工作的事实意味着，在整个仪器和信号处理链中，复杂的传输和接收信号之间的振幅和相位关系都保持不变。
工作模式
ASAR设备的设计提供了很强的任务灵活性。地面控制站可以在五种工作模式中任选其一：
–图像模式。生成空间高分辨率图像(图像精度30米)。这种模式下，雷达可以从入射角范围在15°到45°之间的七个可选成像条带中选择一个条带进行成像。
–波模式。产生5KM*5Km区块的图像，沿卫星运行轨道方向间隔100公里。图像区块的位置可以从七个条带中的任意两个交替显示。
–宽条带和全球监视模式。基于扫描SAR技术，使用五个条带，产生宽的条带，子条带和宽条带的空间分辨率分别为150m和1000m。
这四种模式可以在两个极化中的一个(HH或VV)。
–可选极化模式。在“HH和VV”、“HH和HV”或“VV和VH”中选择，来自相同区域的两个同时图像，从而获得与图像模式相同的成像几何形状和类似的高空间分辨率。
ASAR系统
ASAR系统包含两个主要部分：中央电子组件和天线电子组件。
有源天线由20个模组组成，每个模组包含16个子阵列，每个模块包含一个收发模块。系统由控制子系统驱动，控制子系统向空间飞行器提供命令和控制接口，管理任务参数的分发(如发射脉冲参数和天线波束设置)，以及空中系统运行的时序。
发射脉冲的参数由数据子系统(DSS)设置，是一个正斜率线性调频脉冲，中心频率是中频载波的频率(124MHz)。在射频子系统，脉冲经过上变频到射频频率(5.331GHz)并进行放大。
信号通过波导功分网络传输到天线模组子系统，随后，在模组中，通过微带传输到每个T/R组件。T/R组件根据控制子系统发送来并存储在模组控制接口单元中的波束位置参数配置发射波的相位和增益。
在接收部分，射频回波信号沿与发射信号倒置的路径下变频到数据子系统，在这部分，产生原始的科学数据并发送到空间平台接口。
中央电子组件
中央电子组件控制发射线性调频信号，将回波信号转换成测量数据，并且控制和监视整个设备。ERS-1和ERS-2使用声表面波器件产生模拟的线性调频信号，使用星载数据范围压缩，而ASAR使用数字技术实现星载线性调频信号的产生和数据压缩并缓存，辅以地面数据压缩。
使用数字技术产生线性调频信号的主要优势在于这种设计的功能灵活性更好，这种体制产生线性调频的脉冲驻留时间和带宽都是可调的，从而根据不同的需求更有效地调节信号参数，实现更多的任务模式和条带样式。
在接收时，回波信号首先经过滤波和下变频，而后经过解调形成I&Q分量。这两路信号随后数字化采样为8位的数字信号。如果需要可以进行数据抽取，以压缩数据量，如在全球监视模式发射带宽比较窄的时候。数据经过抽取后，使用弹性自适应数字化转换器对回波信号进行处理。
FBAQ算法允许在有限的数据传输速率下传输图像而不会降低图像质量。这是通过使用优化的雷达信号统计压缩算法来实现的。已经开发出来的FBAQ ASIC有三种操作方式：根据FBAQ算法(8至4位、3位或2位)压缩、根据旁路或噪声(固定指数)压缩，这取决于要处理的数据类型。
为了优化原始数据传输，数据设备也包含存储器，进行回波数据传输前的暂存。
有源相控阵天线
ASAR的有源天线是一个1.3m*10m的相位阵列。天线包含五个1.3*2m的面板，在设备随卫星发射的时候可以折叠起来。每个面板由四个0.65*1m的模组组合而成。天线子模块可以分成三个子系统：天线伺服子系统，模组子系统和天线开关电源和监控子系统。
天线是基于机械架构的，包含五个坚硬的碳纤维增强塑料框架和两个碳纤维加强波导制成的射频功分网络为五个面板并行馈电。在发射时，这五个面板折叠在中间那个固定的面板上面，由八个收放机械结构固定住。
卫星被释放之后，天线面板通过步进电机依次展开，并使用八个锁定销实现天线±4mm的平整精度。20个模组的任何一个都是完全独立运行的子系统，包含四个供电单元，一个模组控制接口单元，两个微带射频公分以及16个子阵，每个子阵有24个微带双极化的低损耗无色散辐射单元。
每个子阵连接有1个T/R组件，两种极化信号独立链接。16个子阵安装到一起，通过热和机械解耦，发射面板具有结构和热一致性。模组控制接口单元提供模组的控制功能。它实现T/R组件的本地控制，发送数据并实现与控制子系统的接口功能。
这320个T/R组件的每一个都包含两路发射链路和一个共同的接收链路。为了实现校准，在模块到天线之间安装有一个耦合器。对于有源天线来说，T/R模块的相位和幅度特性是温度的函数。为了处理这个问题，设备中存储了补偿温度漂移的数据，T/R模块的温度被实时监控，模组控制接口单元根据温度进行相位和幅度校准，这为天线提供了较高的稳定性。
性能
合成孔径雷达的固有原理决定了ASAR设备的性能无法直接测试。替代方法是从仪器测试的各个阶段测量设备的底层参数。
以ASAR为例，由于其有许多工作模式并且需要测量多种参数，所以，完成整个设备性能的验证需要大量的测试。在测试中还可以调整设备的工作参数，以便在所有工作模式下都能获得最佳的整体性能。
ASAR系统参数
ASAR仪器的寿命预测结果如表所示。这些数字是在假设最坏情况的情况下得出的，并证明Envisat ASAR的使命目标确实可以实现。
设备校准
与ERS的AMI-SAR雷达不同，ASAR使用有源天线，任何增益和相位特性的不稳定性都会导致波束方向图失真，并可能导致SAR图像的辐射误差。为此，选择了一种精密的ASAR辐射定标方案，该方案由内部校准、外部校准和外部特征三部分组成。
内部校准
ASAR仪器内部校准的目的是推导仪器内部路径传递函数并进行噪声校准。ASAR在任何工作模式下的正常工作期间，校准脉冲序列与正常雷达脉冲交替传输。这些脉冲可以一行一行地测量有源阵的传输和接收特性。
除了在测量模式中提供内部校准外，ASAR还包括一种特殊的“模块步进”模式，在这种模式中可以测量单个T/R模块的特征。它可以用来研究T/R模块失效和老化的影响。在这种模式下，在传输或接收中每次只激活一个模块。
内部校准方案还包括设备噪声电平的测量。它们是在模式开始时的初始校准序列中获取的。在有工作间隙的模式(即宽扫描模式和全球监测模式)中，噪声测量也会进行。
外部校准
外部校准的目的是推导出整体比例因子。ASAR继承了ERS的外部校准方法。
外部校准使用四个高精度应答器，具有0.08dB的稳定性和0.13dB的精度。这些应答器将部署在位于ASAR扫描带上，并在35天的轨道周期内校准数次。
在亚马逊雨林的适当区域获得的图像也将用于推导飞行中的天线俯仰方向图。从应答器测量得到的绝对校准因子和从雷达方程推导出的的横向扫描修正数据将用于校准最终的图像。
对于基于扫描SAR技术的宽条带模式，外部校准方法类似于窄条带模式。
外部特性
ASAR有一个专用的外部特征模式来监视内部校准回路之外的影响因素，以及校准回路本身。
在这种模式每六个月运行一次，每一排天线单元依次发射一段脉冲序列，同时由卫星上的天线校准回路和地面校准应答器中的特殊接收器在地面上记录。在地面处理时，将记录在应答器中的数据与从卫星下传的数据进行比较，以比较每行天线单元发射的脉冲的相对相位和振幅。这些相对振幅和相位用于描述每行天线单元和校准回路的幅相特性。
ASAR的地面数据处理
ASAR的地面数据处理是基于以下技术概念的驱动：
–用户对获取的处理结果的一致性需求；
–在保证卫星成像雷达高分辨率质量的前提下提高雷达的使用范围的需求；
–应对雷达产生的大量数据的能力；
–产生持续的中低分辨率图像的能力(沿运行轨道的条带，无图像不连续)。
基于上述需求，ESA开发了能够近似实时处理和离线处理ASAR任何工作模式下传回的数据的ASAR一体化处理器。这个处理器将被安装在ESA的载荷数据处理站，欧洲环境卫星处理和存档中心(PACs)，以及各个国家提供ESA ASAR服务的工作站。
使用一体化处理器将确保用户获得的产品的一致性(具有相同的格式和处理算法)，并将简化产品验证和未来产品升级的周期。
ASAR一体化处理器的关键新特性之一是能够生成中等分辨率(150米)和低分辨率(1公里)的连续条带图像。处理后的条带图像相当于十分钟的成像模式，交叉极化模式和宽条带模式，或者全球监测模式中一个完整的轨道的图像的数据量。用户可以选择处理后的条带的任何一部分进行查看。
处理器会计算校准脉冲测量系统发射的脉冲、地面站测量的每行天线的方向图以及外部特征数据的副本。通过对数据副本的处理跟踪传输和接收链中的参数变化，用于确定距离压缩处理的距离参考函数。
一体化数据处理器包括一个多普勒质心估计器，对于ERS的图像模式和波模式具有50hz的精度，对于ScanSAR模式具有25hz的精度，以限制方位角的测量误差。
ASAR的一体化数据处理器可以确保对所有接收到的高速率数据系统地近乎实时处理，以生成中分辨率和浏览图像。波模式或全球监测模式下的数据也将以近乎实时的方式系统地处理。
此外，ASAR一体化数据处理器将根据用户请求，允许高分辨率产品在接近实时或离线状态下，对图像模式或交叉极化模式(精确图像、单一外观复杂或椭球形地理编码图像)进行处理。附图显示了精确图像和中等分辨率图像的示例。
数据收集和用户服务
ASAR的任务模式可以分成两类：
–低数据率模式(全球监测和波模式)可以在整个轨道周期中持续运行。
–高数据率模式(成像，可选极化和宽条带模式)每个轨道周期运行30min。
总结
先进合成孔径雷达(ASAR)具有很强的灵活性，具有五种工作模式，能够工作在水平和和垂直极化状态，俯仰角覆盖范围广，可以通过对320个收发模块的幅度相位进行控制实现天线波束的锐化。为了达到指标要求和使用的灵活性，许多新技术、过程和组件需要进行控制。
所有获取的数据都将以近似实时或者离线的方式由欧洲航天局的地面站的一体化数据处理器进行处理。使用一体化数据处理器保证了数据处理的一致性。ASAR系统的大量产品需要欧洲航天局监制来保证用户的使用。
原文始发于微信公众号（雷达通信电子战）：射频易商城
