小卫星X波段合成孔径雷达

本文介绍了小卫星X波段合成孔径雷达的工程模型结果及其在星座任务中的应用。下一个问题是将射频输入到可展开铰链处的每个天线面板。可展开天线有几种传统的射频馈电方式，比如柔性电缆、柔性波导和旋转接头。不过，缺点是射频损耗大、阻力矩大、结构复杂。

小卫星X波段合成孔径雷达

• 一、摘要
  • 本文介绍了小卫星X波段合成孔径雷达的工程模型结果及其在星座任务中的应用。SAR性能指标为单极化SAR，轨道高度350 km时地面分辨率为1m，轨道高度600km时地面分辨率为3m。假设有一颗卫星质量为130kg，在火箭上的尺寸为0.7m x 0.8m x 0.9m。天线展开时尺寸为4.9mx0.7m。1个线性调频发射信号经过波导谐振腔中6组GaN HEMT 200W放大器模块放大。该天线系统体积小，是一种可展开的平面天线。我们研制了一种新型的平行板槽阵列天线，并进行了紧缩场试验，近场测试了一个2.8m x 0.7m尺寸的天线翼。测量的峰值孔径效率大于50%。2019年底，我们将发射第一颗验证卫星。我们最终将组建数十颗1-3m分辨率的SAR卫星星座，将回访时间从每天提高到每隔几小时。
• 二、引言
  • 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)和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。
  • 第2节讨论了SAR系统的换算规则和100kg级小卫星搭载的SAR系统的规范。第3节介绍了工程模型的技术发展和测试结果。第4节和第5节分别介绍了未来的飞机以及结论。
  • SAR系统分级
    • 为了研发适合小卫星的SAR系统，需要考虑SAR换算规则，关注卫星数据(射频功率和天线尺寸)和SAR性能(分辨率和图像质量)。具体情况见[4-6]。
    • 其中，(噪声等效)是一个雷达反射截面单位面积接收的信噪比。该数值被广泛用作SAR图像质量的评价指标。是地面距离分辨率，是卫星和观察目标之间的距离，是玻尔兹曼常数，=290k，是卫星速度，是接收系统的噪声系数，是系统损耗，是射频平均发射功率，是观测波长。和是天线的面积和孔径效率。
    • 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(分辨时间噪声)，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1所示，我们设计了一个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。
    • 表1 100kg级卫星搭载的SAR系统说明书
    • 系统参数 SAR模式 条带模式 滑动聚束模式 高度 600km 300km 分辨率 3m 1m 中心频率 9.65GHz 测绘带 25km 10km 线性调频带宽 75MHz 300MHz 极化方式 垂直极化 天线尺寸 4.9m×0.7m Ant面板效率 50% 发射峰值功率 1000-1100w 发射占空比 25% 系统损耗 3.5dB 系统噪声系数 4.3dB 倾角 15-45° 脉冲重复频率 3000-8000(TBD检测算法)Hz 等效噪声系统 (波束中心) -15dB -22dB 模糊度(波束中心) >15dB
    • 为了获得更好的图像质量，=-20 dB时，地面分辨率可达10 m。此外，如果接受=-15dB的图像退化，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。
    • 在一次地球公转中，我们设计了5分钟的SAR观测，注重散热设计、功率和数据管理。
    • 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(=-15dB)，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(=-20dB)。
• 三、小型SAR技术
  • (一)小型SAR卫星配置
    • 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)。表2为可展开的SAR天线和馈电系统结构，不包括0)贴体天线。
    • 表2 小型SAR天线与馈电系统的体系结构
    • 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。
    • 如图1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。
    • 图1 (左)小型SAR卫星展望。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
    • 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2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。
    • 图2 小型SAR系统框图
  • (二)可展开的平面天线
    • 如表1所示，在轨SAR系统需要一个几米长的天线。对于小型运载火箭，火箭中卫星的装载尺寸应小于0.7×0.7×0.7。最可行的备选方案之一是，采用隙缝天线阵列的无源可展开的蜂窝面板天线。该天线结构与平面蜂窝结构兼容，孔径效率较高。
    • 图3显示了天线面板的结构。它的尺寸大约是70cm×70cm×0.6cm。波导嵌在背面的中心，通过耦合隙缝天线将射频馈电到天线面板。天线面板由一个电介质蜂窝芯和金属外壳组成，用于射频的平行板指示工作。正面有辐射隙缝天线的二维阵列，作为垂直极化SAR模式的天线辐射器。为了达到1m的地面分辨率，天线带宽应该在300MHz左右。这种天线是行波阵天线。因此，阵列的长度应该小于30cm。
    • 图3 天线面板结构。上半部分带有馈电波导。下部的馈电波导不执行天线功能
    • 为了使天线测量更加简单，TX和RX仪器都安装在卫星里面。因此，射频应从卫星馈电到每个等电长度的面板。图4为天线翼波导馈电网络。0号面板位于卫星内部，另一翼是对称结构。图5为3号天线板(70cm×70cm)的工程模型照片。
    • 图4 波导馈电网络嵌入在天线面板中。0号面板在卫星上。左翼是对称的(图中省略)
    • 图5 3号天线面板工程模型照片。70 cm×70cm
  • (三)非接触式波导法兰射频馈线
    • 下一个问题是将射频输入到可展开铰链处的每个天线面板。可展开天线有几种传统的射频馈电方式，比如柔性电缆、柔性波导和旋转接头。不过，缺点是射频损耗大、阻力矩大、结构复杂。
    • 针对这个问题，我们采用波导扼流法兰，实现通过非接触式波导法兰进行射频馈电。扼流法兰已广泛应用，可以避免因法兰表面的加工缺陷或氧化，导致通过波导法兰时产生电流传导劣化现象。宽的波导壁中沟的深度和距离大约是波长λ的四分之一。沟作为四分之一波长谐振短路传输线。虽然主波导有缝隙，但在缝隙处，壁电流流动平稳，阻抗较低。
    • 每个天线面板有一个馈线波导，面板通过展开铰链连接。展开后，一个扼流法兰和一个封头法兰面对面。尽管两个波导法兰之间存在物理间隙，通过扼流连接可以最大限度地降低射频损耗。
    • 我们测量了扼流法兰的作用。对于一种新研发的扼流法兰，射频损耗在所有工作频段都低于0.05dB，数值可能存在误差。需要注意的是，间隙处的反射小于-25dB。
  • (四)单天线翼的工程模型
    • 我们正在研发一种天线翼的电气模型、结构模型和工程模型，该翼由四个尺寸为2.8m×0.7m的面板组成。图6为日本京都大学A-Metlab设备的近场射频测量和工程模型照相测量的照片。图7显示了几种面板配置的天线方向性，如单面板(3号)、双面板(2+3号)、三面板(1+2+3号)和四面板(0+1+2+3号)。面板识别号如图3所示。在中心频率9.65GHz处的峰值数值分别为：单板36.7dBi，双板39.6dBi，三板41.6dBi，四板42.4dBi。这些数值几乎与面板的分贝数成正比，说明天线面板实现了有效的同相激励，天线阵列可按设计工作。
    • 图6 京都大学A-Metlab设备(1翼4板，2.8m ×0.7m)的近场射频测量与工程模型照相测量
    • 图7 近场测量表明，天线的方向性是频率的函数。天线面板配置为单面板、双面板、三面板和四面板(2.8m×0.7m)
    • 图8 星载天线翼结构模型振动试验
    • 图8是卫星上安装的天线翼的结构模型振动试验照片。我们还对一种安装气浮系统的天线翼模型进行了展开测试。展开后的表面形状通过照相测量测量，以确定天线表面精度。图9是展开试验的照片。充填式展开结构为“回绕”类型，其优点是铰链机械部件不会从辐射面突出。
    • 图9 气浮系统单翼天线结构模型展开试验。我们用照相测量测量展开后的表面形状
  • (五)X波段功率放大器
    • 近年来，人们利用GaN HEMT器件，研发了先进的固态放大器。这种放大器可以取代传统、笨重的行波电子管放大器(需要高压电源)。目前，我们的系统采用了内匹配的200w脉冲放大器封装。占空比对SAR性能也很重要(见公式(1))。常规SAR卫星采用的占空比一般为10%。我们的GaN放大器模块采用高达25%的占空比，注重散热设计。每个放大器模块的末端放大级由两个并联的200w级功率器件组成，每个器件放大100w级功率，占功率输出的一半。在这种情况下，器件结温低于150 C，器件封装温度低于90 C，满足器件可靠性条件。在微带电路中合成两个100w输出，可以实现200w输出。接着，波导谐振合成器合成6个放大器模块的输出，可以得到1000w的峰值输出。
    • 功率放大器模块和功率合成器，直接集成在质量为5kg的铝合金卫星面板上。以1000w射频输出工作时，占空比为25%，放大器系统会产生1100w的热量。热量储存在铝合金面板上，5分钟SAR操作后面板温度升高50°。接着，在大约50分钟内，储存的热量从面板的散热器表面辐射到深空。我们在热真空试验中验证了这种散热设计。图10是X波段功率放大器(XPA)的照片。
    • 图10 铝合金卫星面板上的X波段功率放大器(XPA)照片
  • (六)SAR数据处理与存储
    • 一个SAR电子装置(S-ELU)负责SAR传感器的发射信号生成、接收信号处理(频率转换和模数转换)。小型卫星的SAR电子装置是在机载SAR仪器仪表的基础上研发的。线性调频带宽为300MHz，地面分辨率为1m。接收信号转换为8位×720M采样率的数字信号。数据压缩率约为50%。采用合适的信噪比时，接收占空比约为50%。平均数据速率为1.5Gbit/sec。在SAR观测模式下，该1.5Gbit/sec SAR数据通过串行RapidIO(sRIO)接口传输到任务数据记录仪(MDR)。
    • 任务数据记录仪由商用的16个NAND闪存设备组成，内存总量为768Gbyte。NAND装置的总剂量耐受性，通过Co60照射试验确定。单事件误差通过商用NAND设备的标准误差校正代码进行校正。Xilinx公司的UltraScale FPGA(现场可编程门阵列)器件，可以实现高速数据流和标准强纠错码。专门研究了BGA(Ball Brid阵列)封装的散热路径和热应力。在下行链路通信模式下，存储的数据被传输到高数据率X波段发射机(XTX)。X波段发射机具有双极化(RHCP/LHCP)通道，可以提高下行链路能力。存储的数据被切换到2个通道，通过Xilinx 公司的Aurora数据接口传输到X波段发射机。任务数据记录仪和X波段发射机之间的数据率为每个通道2Gbit/sec，总数据率为4Gbit/sec。图11是任务数据记录仪(MDR)的照片。
    • 图11 任务数据记录仪(MDR)照片
  • (七)与地面站之间的SAR数据下行链路
    • 观测数据通过高速X波段链路传输到地面站。2014年，我们已经用Hodoyoshi 4卫星验证了64 APSK、100Msps的高速下行链路。基于该技术，我们正研发2-3Gbit/sec性能的双极化通道X波段链路。用于地球观测的无线电频率为8025-8400MHz(375MHz带宽)。不过，下一个频段8400-8450MHz是深空下行链路频段，应保护其不受干扰。我们采用的300Msymbol/s的64APSK调制符合频率保护规定。我们将DVB-S2X标准应用于该高速下行链路。
    • 传输信号的数字处理包括DVB-S2X标准格式、I-Q测绘、路由奈奎斯特滤波等，通过Xilinx公司的UltraScale FPGA实现。采用商用高性能数模转换器，可以生成1.2 GHz中频信号。也特别关注了BGA(Ball Brid阵列)封装的散热路径和热应力。该中频信号被上变频到X波段，射频段被放大到1w。末端功率放大器的非线性(特别是三阶互调)，是射频段的关键问题。图12为64APSK、DVBS-2X、1.45Gbps频段的解调星座图。矢量误差大小约为-27dB rms。
    • 图12 64APSK、DVBS-2X、1.45Gbps频段的解调星座图
    • 为了确保双偏振信道链路的安全，交叉偏振鉴别率(XPD)因子是通信链路系统避免双偏振信道间干扰的重要因素。大气传播的交叉偏振鉴别率、机载和地面天线的交叉偏振鉴别率是主要因素。因此，我们研发了波纹喇叭天线和隔板偏振器。天线增益为17dBi，交叉偏振鉴别率大于33dB。
    • 目前，正在研发一种直径10m的地面接收天线。日本宇宙航空研究开发机构JAXA下属的臼田宇宙空间观测站现有的Ku波段10m天线，可以转换为X波段接收天线。天线增益为56.5dBi，系统噪声温度为55K(极值)，交叉偏振鉴别率>35dB。
    • 地面站接收到的射频信号经过频率下行转换，存储在双通道、高速和大容量的数据记录仪中。目前，正在研发非实时软件解调系统。
    • “创新卫星技术示范项目”的首颗小卫星(计划于2019年发射)将演示该高速下行链路系统。图13为高速X波段发射机(XTX)和中增益天线(MGA)的飞行模型。
    • 图13 左：高速X波段发射机(XTX)；右：中增益天线(MGA)
• 四、未来RLANE
  • 今年成立了一家名为Synspective的公司。该公司计划研发一颗小型SAR卫星，验证这种小型SAR系统。卫星定于2019年底发射。此外，我们还在研发3kw功率放大器，以实现1m的地面分辨率。接着，该公司将搭建一个1m地面分辨率的小型SAR卫星星座。来自SAR星座的快速信息被处理后将提供给用户。
• 五、小结
  • 本文介绍了100kg级卫星搭载的X波段SAR系统及其工程模型试验。当该小型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高空的近地轨道，地面分辨率可达1m。2019年，将首次在飞机上进行验证。