100kg级小卫星的X波段SAR系统 留言

合成孔径雷达(SAR)是一种总所周知的遥感技术，具有可靠的性能。数百公斤以上的大中型卫星都可以搭载SAR传感器。中型SAR卫星如：

SAR-Lupe(德国,770kg,2006发射)

TecSAR(以色列,300kg,2008年发射)

NovaSAR-S(英国,400kg,已经发射)

ASNARO-2(日本,500kg)计划发射

加上发射费用，这些大中型卫星耗资数亿美元。

本文介绍了一种100kg级卫星搭载的合成孔径雷达传感器。当这颗小型SAR卫星位于500-600km高度的典型地球观测轨道时，其地面分辨率预计为3~10m，可用于对地观测和监视。如果该卫星位于300km高度的近地轨道，其地面分辨率可达1m，不过卫星使用寿命较短。

本文讨论100kg级小卫星搭载的SAR系统参数和小卫星配置。

为了研发适合小卫星的SAR系统，需要考虑SAR系统参数，权衡卫星的资源(射频功率和天线尺寸)和SAR性能(分辨率和图像质量)。

公式左侧为性能指标，即地面分辨率和图像噪声的乘积。公式右侧为实现其性能所需的资源，如射频功率、天线面积、噪声系数和射频损耗。

需要注意的是，所需资源项与平均射频功率和天线面积的平方成反比，与观测波长成正比。射频功率和天线面积可以获得恒定的SAR性能参数，数值会随着观测波长的缩短而变小。如果我们可以接受较低的地面分辨率，那么就可以改善图像质量。

如表所示，设计的一个100kg级卫星搭载的X波段SAR。射频峰值功率为1000w，不采用电子行波管放大器，而采用氮化镓固态放大器。为了获得更好的图像质量，地面分辨率可达10m。此外，如果接受图像退化，则地面分辨率可达3m，这依然足以进行视觉识别。

另一种小型SAR卫星是低轨高分辨率SAR。在轨道高度300km、射频带宽300MHz、射频峰值功率1000w的情况下，地面分辨率可达1m。卫星在该轨道工作时使用寿命短，仅限于灾害管理的应急响应任务。

SAR系统具有条带地图模式和通过卫星姿态机动实现的聚束模式。具有两种分辨率模式：一种是退化图像质量，用于视觉识别的高分辨率(3m)模式；另一种是图像质量更好的低分辨率(10m)模式。

在确定小卫星SAR系统配置时，SAR天线和射频馈电系统的结构是一个关键因素。一般来说，SAR系统需要一个面积为几平方米的天线。

目前有几种类型的SAR天线：0)大卫星上的贴体天线，长3-5m(TerrSAR-X，Nova SAR-S)；1a)可展开(无源)抛物面天线，直径3-4m(SAR-Lupe，TecSAR，ASNARO-2)；1b)可展开的无源平面天线(Seasat，ERS-1)；2a)集成TX / RX模块的可展开有源相控阵(RadarSat-1)；2b)安装分布式TX/RX模块的可展开有源相控阵天线(ALOS 1，2，RadarSAT-2)。

上表为可展开的SAR天线和馈电系统结构，不包括0)贴体天线。贴体天线0)和抛物面天线1a)类型不适用于尺寸较小的小型卫星。在2a)和2b)情况下，安装移相器或TX/RX模块的有源相控阵天线，暴露在恶劣的空间环境中。需要复杂的设计和生产工序，包括热，结构和射频问题，大幅降低成本似乎是不可能的。

(左)小型SAR卫星0.7×0.7的装载配置。天线尺寸为4.9m×0.7m。(右)铰链处带有扼流法兰的非接触式波导馈电。如图所示，兼容组合式发射的100kg SAR卫星配置可能是卫星发展前景。

所有的电子仪器都安装在卫星上，展开若干无源天线面板后可形成几平方米的天线面积。其装载尺寸为0.7m×0.7m ×0.7m，太阳能电池安装在天线背面。图1展示了小型SAR天线的概念配置。

接着，我们可以设计小型SAR系统模块。所有的电子仪器都在一颗卫星里面。图为小型SAR系统的系统框图。具体内容将在下面几节中介绍。需要注意的是，安装在SAR天线背面的柔性太阳能电池负责供电。

 

原文始发于微信公众号（雷达通信电子战）