CN107102329A - Ka波段TOPS InSAR系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了Ka波段TOPS InSAR系统及其工作方法，本发明所公开的Ka波段TOPS InSAR系统包括：搭载于卫星的发射天线，和同一星上分别位于发射天线两侧的第一接收天线和第二接收天线，天线的工作波段为Ka波段。

Description

Ka波段TOPS InSAR系统及其工作方法

技术领域

本发明属于合成孔径雷达成像技术领域，尤其涉及一种Ka波段TOPS InSAR系统实现方法。

背景技术

随着世界各国对海洋资源的进一步开发，获取大范围区域内高精度的海洋数据信息成为海洋资源利用必不可少的一环。通过对海洋数据反演的需求分析和广泛调研发现，为获得有效的海面动力高度、海面波高、海面风速、海底地形、海洋温跃层、汇聚区等数据产品，需要测量海面高度。

但传统的底视高度计其空间覆盖范围仅有10km左右。这是由于传统底视高度计的工作原理是：向海面发射信号，接收经海面反射后的返回脉冲，测量发射脉冲与接收脉冲之间的时间差，根据此时间差以及返回的波形计算得到卫星到海面之间的距离，然后结合地面对卫星的跟踪数据得到海面高度。因此对底视高度计而言，如果要得到数值模式全网格点上的海面高度数据，需要进行插值计算或进行长时间的数据积累，因此将牺牲小尺度或短时间内的海面运动信息，无法得到高精度(厘米量级)、大范围(百公里量级幅宽)的海面高度数据，影响应用产品的可靠性。

与底视高度计相比，星载SAR干涉测高的工作方式使其可以获得百公里量级的观测刈幅，从而实现大范围的海面信息获取。

星载SAR干涉测高技术从原理上讲包括三种方案：重复轨道干涉、单星双天线干涉和分布式卫星干涉。重复轨道干涉由于满足干涉需要的基线条件难于保证，因而效率低，无法获得连续稳定的雷达干涉数据产品；分布式卫星干涉形成的基线稳定，容易获得较长的基线，可以获得较高的干涉测量精度，但是需要多颗卫星编队组网，任务难度高，技术复杂；单平台双天线干涉的基线由刚性结构形成，飞行一次就可获取有效干涉数据。对于低波段InSAR，双天线系统固有的基线较短的特点，使得干涉测高精度受到限制。

发明内容

本发明解决的问题是现有星载SAR干涉测高方式无法实现高精度大范围的海面高度测量；为解决所述问题，本发明提供Ka波段TOPS InSAR系统及其工作方法。

本发明提供的Ka波段TOPS InSAR系统包括：搭载于卫星的发射天线，和同一星上分别位于发射天线两侧的第一接收天线和第二接收天线，天线的工作波段为Ka波段；所述发射天线、第一接收天线、第二接收天线质心的连线垂直于卫星航迹；采用单轨一发双收干涉模式测量星下高度；所述Ka波段TOPS InSAR系统的工作视角小于15°；所述发射天线由近到远在距离指向依次向星下两侧区域发射脉冲信号，所述第一接收天线、第二接收天线同时接收脉冲信号回波，在同一个距离指向持续时间内，发射天线和接收天线从后向前扫描完成对该子测绘带的覆盖。在一个距离指向完成发射后，跳转距离向波束指向再次发射和接收脉冲信号。

进一步，所述发射天线、第一接收天线、第二接收天线采用有源相控阵天线，第一接收天线、第二接收天线距离向有N个孔径，N为任意自然数，各个孔径配置单独的天线接收网络。

本发明还提提供所述的Ka波段TOPS InSAR系统的工作方法，包括：

步骤一、发射天线向星下任意侧发射Ka波段脉冲信号；发射天线两侧的第一接收天线和第二接收天线同时接收脉冲信号回波；所述第一接收天线、第二接收天线上的各个孔径单独接收脉冲信号回波；发射天线单次向星下区域发射脉冲信号形成的照射区域为子测绘带，在覆盖该子测绘带的过程中，发射和接收天线从后向前扫描，各子测绘带相互平行；

步骤二、发射天线在同一距离指向向星下另外一侧发射Ka波段脉冲信号；发射信号两侧的第一接收天线和第二接收天线同时接收脉冲信号回波；

步骤三、发射天线重复步骤一和步骤二，直至完成对整个目标区域的扫描。

本发明的优点包括：

采用Ka波段为工作波段，由于波长较短，相比其它波段，要获取相同的干涉测量精度，系统所需的干涉基线长度仅为传统低频段InSAR系统的几分之一。因此，在Ka波段只需在单颗卫星上同时搭载两部SAR天线就可实现干涉测量，两部SAR天线之间通过可以收拢的天线支撑臂连接。相比分布式卫星SAR，Ka波段单星InSAR系统大大节约了卫星成本和任务开支。

距离向接收天线采用多个孔径分别单独接收脉冲信号回波，采用DBF-SCORE技术可以合成高增益的窄波束实现对回波的接收，从而提高系统的接收增益，在保证系统信噪比的前提下降低系统的发射功率需求。解决了对于Ka波段的毫米波SAR系统在大气传播中的损耗要比其它低波段大气损耗强，对系统的功率增益需求更大的问题。

综上所述，Ka波段DBF InSAR系统能够以单星为载体，实现大幅宽范围内厘米级精度的海面高程测量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的Ka波段TOPS InSAR系统的工作示意图；

图2为本发明实施例提供的Ka波段TOPS InSAR系统的TOPS模式工作示意图；

图3为本发明实施例提供的Ka波段TOPS InSAR系统距离向采用DBF-SCORE接收回波的工作示意图；

图4为本发明实施例提供的Ka波段TOPS InSAR系统工作视角范围内的地距分辨率仿真结果。

具体实施方式

下文中，结合附图和实施例对本发明的精神和实质作进一步阐述。

由背景技术可知，传统的底视高度计无法满足海面测高精度的要求，星载SAR干涉测高方法或者需要多颗卫星组网测量，系统复杂难度高，或者单星测量精度受限。申请人针对上述问题进行分析，在本发明中提供一种可以在百公里量级幅宽，得到厘米量级高精度海面高度数据的Ka波段TOPS InSAR系统及其工作方法。

如图1所示，本发明所提供的Ka波段TOPS InSAR系统包括：搭载于卫星的发射天线，和同一星上，分别位于发射天线两侧的第一接收天线1和第二接收天线2，所述第一接收天线1和第二接收天线2之间通过可以收拢的天线支撑臂连接，天线的工作波段为Ka波段。继续参考图1，本实施例中，所述第一接收天线1、第二接收天线2结构相同，对称分布于发射天线两侧，所述发射天线、第一接收天线、第二接收天线质心的连线垂直于航迹；采用单轨一发双收干涉模式测量海面高度。这样设置的好处是以保证系统干涉基线的稳定性，从而减小基线误差；同时，单轨一发双收干涉测量可以同时获取同一区域的两幅图像完成干涉测量，不存在时间去相干的问题。因此，与重轨干涉或分布式干涉相比，单轨一发双收干涉测量中系统误差对测量精度的影响较小。

干涉测高系统的干涉相位的表达式为：

其中，B为干涉基线长度，λ为波长，θ₀为入射角，α为基线倾角。由上式可以发现，随着波长的减小，系统对干涉相位的敏感度越高。因此，选用Ka波段可以降低对基线长度的需求，使得单轨一发双收干涉测量可以获得较高的测量精度。在本实施例中，SAR天线工作频率为35GHz。基线长度在20m以内，获得优于10cm的测高精度。

正如本领域技术人员所知道的，在Ka波段，海面的后向散射系数随入射角的增大而迅速减小。为了在保证系统信噪比的同时降低系统代价，本方案采用小工作视角。传统星载SAR系统工作视角一般在20°～50°范围内，本方案设计工作视角小于15°，比如1°～15°等，申请人通过大量理论分析和仿真计算，系统在该工作视角范围内可以满足分辨率的要求，并且实现海面的后向散射系数最优。

系统工作在小工作视角时，其可以获得的地距分辨率较差，但是本系统用于海面高程测量，对分辨率的要求与传统SAR系统相比较低。根据海面高程测量的应用需求，网格分辨率要求为公里量级。通过系统仿真分析发现，本方案所选取的工作视角可以满足系统对分辨率的要求。图4为本方案工作视角范围内的地距分辨率仿真结果，从图4可以看出，本实施例可以满足分辨率要求。

如图1和图2所示，本发明实施例所提供的Ka波段TOPS InSAR系统采用TOPS模式。工作时，所述发射天线依次向星下两侧区域发射脉冲信号，所述第一接收天线、第二接收天线同时接收脉冲信号回波，形成多个平行的子测绘带，在覆盖每个子测绘带的过程中，发射和接收天线从后向前扫描，各个子测绘带之间存在一定的重叠。所述星下两侧区域指的是卫星航迹在星下区域投影线两侧区域。

结合参考图2，TOPS模式是一种新型的宽幅SAR工作模式，通过波束扫描增加幅宽，突破了距离向测绘带宽的限制。天线先在一个距离指向上发射脉冲并接收相应的回波，形成第一子测绘带11的回波数据块，然后跳转距离向波束指向再发射和接收，获取第二个子测绘带22的回波数据。如此反复，获得几个相邻且互相平行的子测绘带的回波数据，经过回波处理和距离向拼接，就可以获取较条带模式更宽的测绘带宽度。此外，天线除了周期性地工作在距离向各条子测绘带中，还通过方位向波束主动扫描的方式加快雷达获取地面信息的速度。方位波束的主动扫描等效“压缩”了目标的合成孔径时间，同时使得不同方位位置的各个点目标都遍历了完整的方位向主波束，保证了整个观测区域相同的相位历程，在保证测高精度的同时进一步增大了观测幅宽。

本方案采用较小的工作视角，导致系统覆盖范围受限。本方案采用相邻脉冲依次照射星下点两侧的工作方式，同时覆盖星下点两侧的测绘带，从而保证了系统的覆盖能力。

本实施例中，发射天线每隔PRT(pulse repetition time，脉冲重复时间)时间发射脉冲信号，发射天线首先发射波束照射星下点左侧(或右侧)区域，两幅跨航迹设置的接收天线接收星下点左侧(或右侧)的回波信号；PRT时间之后发射天线发射波束照射星下点右侧(或左侧)区域，两幅跨航迹设置的接收天线接收星下点右侧的回波信号；再隔PRT时间之后发射天线照射星下点左侧(或左侧)区域区域，如此循环完成对星下点两侧区域的覆盖(如图1所示)。

参考图3，在接收端距离向使用DBF-SCORE技术，距离向DBF模型如图3所示，星载SAR使用有源相控阵天线，接收天线距离向有N个孔径，N为任意自然数，各个孔径配置单独的天线发射或接收网络，相应有N个通道，本实施例中N＝4，研究发现N＝4可以实现系统与效果的最优化配置。发射天线发射宽波束照射宽测绘带区域，接收时各个孔径单独接收回波，通过DBF处理产生窄的高增益笔状波束，最大利用天线的增益。DBF处理的具体操作方法已为本领域技术人员所熟知，在此不再详述。

系统采用距离向DBF-SCORE技术可以有效提高系统接收增益，与单通道接收相比，N通道的DBF接收可以增加10log10(N)dB的接收增益。根据两组接收天线采集的回波信号计算星下区域高度的方法已为本领域技术人员所熟知，在此不再详述。

本发明还提供所述的Ka波段TOPS InSAR系统的工作方法。

综上，传统的测量手段难以满足对小尺度海面高度的高精度测量，而多星组网编队干涉的手段虽然可以满足大范围区域内海面高度的高精度测量需求，但是其任务难度高、技术复杂。Ka波段波长较短，相比其它波段，要获取相同的干涉测量精度，系统所需的干涉基线长度仅为传统低频段SAR干涉系统的几分之一。因此，在Ka波段只需在单颗卫星上同时搭载两部SAR天线就可实现高精度的干涉测量。

现有本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (2)

1.Ka波段TOPS InSAR系统，包括：搭载于卫星的发射天线，和同一星上分别位于发射天线两侧的第一接收天线和第二接收天线，其特征在于，天线的工作波段为Ka波段；所述发射天线、第一接收天线、第二接收天线质心的连线垂直于卫星航迹；采用单轨一发双收干涉模式测量星下高度；所述跨航迹干涉SAR系统的工作视角为1°～15°；所述发射天线由近到远在距离指向依次向星下两侧区域发射脉冲信号，所述第一接收天线、第二接收天线同时接收脉冲信号回波，在一个距离指向完成发射后，跳转距离向波束指向再次发射和接收脉冲信号；所述发射天线、第一接收天线、第二接收天线采用有源相控阵天线，第一接收天线、第二接收天线距离向有4个孔径，各个孔径配置单独的天线接收网络。

2.权利要求1所提供的Ka波段TOPS InSAR系统的工作方法，其特征在于，包括：

步骤一、发射天线向星下任意侧发射Ka波段脉冲信号；发射天线两侧的第一接收天线和第二接收天线同时接收脉冲信号回波；所述第一接收天线、第二接收天线上的各个孔径单独接收脉冲信号回波；发射天线单次向星下区域发射脉冲信号形成的照射区域为子测绘带，各子测绘带相互平行；

步骤二、发射天线在同一距离指向向星下另外一侧发射Ka波段脉冲信号；发射信号两侧的第一接收天线和第二接收天线同时接收脉冲信号回波；

步骤三、发射天线重复步骤一和步骤二，直至完成对整个目标区域的扫描。