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(dá)（ASAR）的遙感衛(wèi)星。ASAR是一種全天候全天時高分辨率的雷達(dá)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(dá)天線波束照射面向衛(wèi)星的地面。由于衛(wèi)星的運動，目標(biāo)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(fù)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(biāo)。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(dāng)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(quán)衡。

垂直于軌道方向的分辨率或距離分辨率是發(fā)射雷達(dá)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(shù)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(fù)雜的傳輸和接收信號之間的振幅和相位關(guān)系都保持不變。

工作模式

ASAR設(shè)備的設(shè)計提供了很強的任務(wù)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(dá)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(shù)，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(wù)參數(shù)的分發(fā)（如發(fā)射脈沖參數(shù)和天線波束設(shè)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(shè)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(dǎo)功分網(wǎng)絡(luò)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(xué)數(shù)據(jù)并發(fā)送到空間平臺接口。

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(shè)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(shù)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(shù)產(chǎn)生線性調(diào)頻信號的主要優(yōu)勢在于這種設(shè)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(wù)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(yīng)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(dá)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(shè)備也包含存儲器，進行回波數(shù)據(jù)傳輸前的暫存。

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(shè)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(guān)電源和監(jiān)控子系統(tǒng)。

天線是基于機械架構(gòu)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(dǎo)制成的射頻功分網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhǔn)，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(shè)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(zhǔn)，這為天線提供了較高的穩(wěn)定性。

ASAR性能

合成孔徑雷達(dá)的固有原理決定了ASAR設(shè)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(shè)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(shè)備性能的驗證需要大量的測試。在測試中還可以調(diào)整設(shè)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(yù)測結(jié)果如表所示。這些數(shù)字是在假設(shè)最壞情況的情況下得出的，并證明Envisat ASAR的使命目標(biāo)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(wù)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(guān)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(dāng)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(zhǔn)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(fù)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(wù)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(jié)

先進合成孔徑雷達(dá)（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(dá)到指標(biāo)要求和使用的靈活性，許多新技術(shù)、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。

責(zé)任編輯：haq