航天器天线工程设计技术：合成孔径雷达天线应用

1.德国SAR-Lupe系统

SAR-Lupe卫星是首次为德国提供天基军用侦察能力的卫星。SAR-Lupe系统的空间段包括5颗卫星，运行在3个轨道面上，其中两个轨道面分别部署2颗卫星，如图7-56所示。SAR-Lupe星座响应非常迅速，并具有较高的系统冗余。据分析，只要4颗卫星在轨就能满足全部系统要求，第5颗卫星主要作为轨道备份，降低风险。卫星于2005年开始发射，2006年全部发射入轨。

图7-56　SAR-Lupe卫星示意

SAR天线采用固定抛物面天线，尺寸为3.3 m×2.7 m。卫星采用单块太阳翼，平均功耗250 W，设计寿命10年。SAR-Lupe卫星外形如图7-57所示。

卫星有两种成像模式：条带模式和聚束模式。卫星工作在条带模式时，天线指向固定，随卫星飞行形成成像条带，成像幅宽为8 km×60 km。由于卫星采用固定天线，因此在聚束模式成像中，整个星体侧摆，使天线对准目标区域，提高积分时间。此模式下成像幅宽为6 km×6 km，分辨率优于1 m（有报道为0.5 m）。

图7-57　SAR-Lupe卫星外形

另外，利用多次通过目标上空进行干涉测量，SAR-Lupe卫星提供地面高程模型、目标立体图像、目标变化检测信息以及辐射分辨率增强等产品。

SAR-Lupe卫星主要技术性能如表7-5所示。

表7-5　SAR-Lupe卫星主要技术性能

续表

2.德国TerraSAR-X卫星

TerraSAR-X是首颗由德国宇航中心和EADS Astrium共建的德国卫星，于2007年6月15日利用俄罗斯Dnepr-1火箭从拜科努尔发射升空，卫星运行轨道为500 km×517 km，倾角为97.45°。TerraSAR-X雷达数据可以应用于多个领域，包括：勘测、大范围地形图、灾害管理、林业及农业等，而且该卫星最高分辨率优于2 m，具有极高的军事应用潜力，特别是其数字高程模型（DEM）产品，能够补充SAR-Lupe卫星系统的能力。TerraSAR-X装备了X频段有源相控阵天线，可收集高质量的X频段雷达数据。TerraSAR-X卫星外形如图7-58所示。

图7-58　TerraSAR-X卫星外形

卫星承力结构采用碳纤维复合材料，在棱柱的六个面上分别安装SAR天线、太阳电池、热辐射器等。SAR天线安装在其中的一个面上，偏离天底点33.8°。另一个对地面安装有一部S频段TT&C天线、一部X频段数传天线以及一台用于精密定轨的激光发射器。数传天线安装在长3.3 m的可伸展桁架上，以避免SAR的干扰，可以在SAR成像期间同步传输数据。在背地面上安装有激光通信终端（LCT）和热辐射器。整个卫星质量约1 230 kg。卫星控制系统采用一组大扭矩反作用飞轮作为精指向控制部件，可以快速姿态机动对高优先级目标成像，滚动机动67.6°，时间小于180 s。

TerraSAR-X卫星主要技术性能如表7-6所示。

表7-6　TerraSAR-X卫星主要技术性能

TerraSAR-X卫星的SAR载荷具备双通道接收能力，相控阵天线可以分两个子阵工作，辐射单元为双极化波导缝隙线阵，也可以双极化工作，因此可以采用动目标指示（ATI）技术进行海洋洋流运动测量试验和全极化接收试验。

TerraSAR-X具有三种成像模式，分别为扫描、聚束和条带模式，如图7-59所示。

图7-59　TerraSAR-X成像模式示意

3.加拿大Radarsat卫星

加拿大与美国NASA合作在1995年发射了Radarsat-1卫星，分辨率为8～100 m。Radarsat-2是由CSA（Canadian Space Agency）和MDA（MacDonald，Dettwiler and Associates Ltd）联合出资开发的星载合成孔径雷达系统，如图7-60所示。Radarsat-2于2007年12月14日由Kazakhstan发射基地的Soyuz火箭送入太空，卫星发射质量为2 200 kg，寿命设计为7年。为了保持数据的连续性，Radarsat-2继承了Radarsat-1所有的工作模式，并在原有的基础上增加了多极化成像、3 m分辨率成像、双通道成像和动目标监测MODEX（Moving Object Detection Experiment）。Radarsat-2与Radarsat-1拥有相同的轨道，但是比Radarsat-1滞后30 min，这是为了获得两星干涉数据。Radarsat-2的用途是给商业用户提供全极化方式的高分辨率的星载合成孔径雷达图像，在地形测绘、环境监测、海洋和冰川的观测等方面都有很高的实用价值。

图7-60　Radarsat-2空中姿态模拟情况(www.xing528.com)

Radarsat-2卫星本身具有的双侧视功能，进一步增加了SAR系统的可视测绘带宽度，缩短了重访周期。Radarsat-2的工作模式多达10种，对应的波束照射范围非常灵活，如图7-61所示。图像最高分辨率达到了3 m，每种工作模式都具有可选极化功能，其中可选双极化或全极化模式有七种。

图7-61　Radarsat-2卫星的工作模式示意图

SAR雷达卫星的功能决定了对天线的要求，SAR系统工作时有多个成像模式，如标准条带、精细条带、宽角成像、聚束等；为了提高对目标的识别率，还需要工作在不同的极化，如HH、VV、HV、VH等。每一种工作模式需要天线具备相应的功能。

Radarsat-2的主要性能参数如表7-7所示。

表7-7　Radarsat-2参数指标

续表

4.以色列TecSAR卫星

TecSAR是以色列国防部的第一个雷达卫星任务，TecSAR于2006年秋季于印度Sriharikota的SDSC（Satish Dhawan Space Center）基地发射升空。

卫星运行在550 km、倾角143.3°的轨道上，轨道周期约90 min。整个卫星质量只有300 kg，其中SAR载荷仅为100 kg，外形如图7-62所示。卫星设计寿命4年，但期望寿命可达到8年，主要取决于太阳活动和轨道高度。

SAR天线为轻型伞状可展开天线（图7-63），采用X频段波导喇叭阵列馈电，距离向8个喇叭交错排列，形成距离向8个快速扫描波束，应用于Scan-SAR模式；另外配置一个水平极化的波导喇叭，具有HH、VV、HV、VH极化成像能力。

图7-62　TecSAR卫星外形

图7-63　TecSAR天线及馈源阵

TecSAR主要技术性能如表7-8所示。

表7-8　TecSAR主要技术性能

5.中国高分三号SAR卫星

高分三号SAR卫星为中国第一个多工作模式全极化SAR卫星（图7-64），工作模式超过加拿大的Radasat-2卫星，达到了12种。该卫星能够全天候、全天时实现全球海洋和陆地信息的环境监视与监测，并通过左右姿态机动扩大对地观测范围和提升快速响应能力，其获取的C频段多极化微波遥感信息可以用于海洋、减灾、水利及气象等多个领域，服务于我国海洋、减灾、水利及气象等多个行业及业务部门，其获得的信息是我国实施海洋开发、陆地环境资源监测和防灾减灾等方面的重要数据库。此卫星于2016年8月发射，运行于750 km轨道，倾角为98.5°。此卫星发射后，获得了大量的图像信息，为国民经济做出了重要贡献。

图7-64　中国高分三号SAR卫星

高分三号卫星SAR天线具有多极化、多工作模式能力，采用可展开平面二维扫描固态有源相控阵天线体制，实现聚束、条带、扫描等多种SAR成像模式，能够高精度定量化地对海洋、陆地信息进行探测。

天线工作于C频段，在发射模式下，其发射链路完成输入线性调频信号的功率放大，向指定空域辐射水平或垂直极化电磁能量；在接收模式下，天线阵面接收水平极化或垂直极化回波信号，也可同时接收双极化回波信号，并经过低噪声放大链路后送至SAR中央电子设备。为实现天线的性能检测、故障检测和隔离，天线具有独立定标网络，在中央电子设备的控制下，可完成首发链路的标定。同时，天线具有多极化、高极化隔离度、海量赋形波束的功能，具有15 360 W高峰值输出功率，采用了以T/R组件、薄壁波导为代表的轻量化设计技术、天线面板、展开机构等复杂结构的高强度力学设计技术。

天线展开机构能够满足天线阵面的折叠、展开、支撑等功能。阵面热控实现了SAR天线阵面的控温功能，满足了各电性单机的使用环境要求，保证了电气设备的使用寿命。

高分三号卫星主要技术性能如表7-9所示。

表7-9　高分三号卫星主要技术性能