小卫星X波段合成孔径雷达.docx

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350km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 0.8mx 0.9m天线展开时尺寸为o 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l-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一、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S AR-Lupe（德国,770kg, 2006发 射），TecSAR（以色列，300kg, 2008 年发射）和 NovaSAR-S（英图6京都大学A-Metlab设备（1翼4板，2.8m x0.7m）的近场射频测量与工程模型照相测量二三二 C二=ek_Hand #2»Panel 稣Panel <» I-Panel »2-Pancl »3Pond Panel M ・Paad m2«Pmc4 1? (9.65 Gliz)▲ Panel Mh PmcI • I • Panel •：• Panel -3 (9 S (ilI/) ▼ Pmd «a-Pancl «l-Panel «-Pand 八(9 » Gib)Frequent》（（；Hz）图7近场测量说明，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（2.8mx0.7m）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 展开后的外表形状通过照相测量测量，以确定天线外表精度图9是展开试验的照片充填式展开结构为“回绕”类 型，其优点是较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外表形状（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 （l））o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lOOOw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lOOOw射频输出工作时，占空比为 25%,放大器系统会产生HOOw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° o接着，在大 约50分钟内，储存的热量从面板的散热器外表辐射到深空 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 x720M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% o平均数据速率为 1.5Gbit/seco在SAR观测模式下，该1.5Gbit/sec SAR数据通 过串行RapidlO(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768Gbyteo 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 场可编程门阵歹I)器件，可以实现高速数据流和标准强纠错 码专门研究了 BGA(BallBrid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)0X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、lOOMsps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（BallBrid阵歹|）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lw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-27dBrms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平安，交叉偏振鉴别率（XPD） 因子是通信链路系统防止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工程”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1m2019年，将首次在飞机上进行验证。

六、致谢该研究工程得到了日本内阁府科技创新委员会(Cabinet Office, Government of Japan)的 ImPACT 工程资助国，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系统的换算规那么和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开展和 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二、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 规那么，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］b-5 =密版kT°v3txNFLJf~~P-A T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。

a是地面距离分辨率，尺是卫星和观察目标之间的距离，上是 玻尔兹曼常数，T°=290k,七是卫星速度，液是接收系统的 噪声系数，4是系统损耗，之…是射频平均发射功率，丸是 观测波长A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SARo射频峰值功率为1000w,不采用电子行波管放大器, 而采用氮化线固态放大器表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600km300km分辨率3mIm中心频率9.65GHz测绘带25km10km线性调频带宽75MHz300MHz极化方式垂直极化天线尺寸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，*。

20dB时，地面分辨率 可达10m此外，如果接受b/=-15dB的图像退化，那么地面 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SAR0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。