HJ-1-C 卫星合成孔径雷达载荷的设计与实现

HJ-1-C 是我国环境与灾害监测小卫星2+1星座中的一颗合成孔径雷达(SAR)卫星,工作于S 波段,具有5 m 分辨率。SAR 载荷采用网状反射面天线和大功率放大器方案,具有重量轻、效率高的特点,适合于小卫星平台。目前HJ-1-C 卫星已在轨运行,获得我国首批S 波段星载SAR 图像,图像质量高,地物信息丰富,表明SAR 载荷的设计合理,试验和测试充分。HJ-1-C 卫星将为我国减灾和环境应用发展做出贡献。该文将对HJ-1-C卫星SAR 载荷的设计和研制进行全面介绍,包括其主要功能和技术指标,各部分的设计,以及研制、测试和试验工程,最后给出其在轨获得的图像。      

HJ-1-C 卫星SAR 系统的内定标

HJ-1-C 卫星是我国环境与灾害监测小卫星星座中的一颗合成孔径雷达(SAR)卫星,目前已在轨运行。其SAR 系统采用网状反射面天线和集中式功率放大器,且具有星上在轨内定标的功能。该文详细介绍了HJ-1-C 卫星SAR 系统的内定标模式和算法,给出内定标器的设计和实现原理,并对SAR 系统在轨工作内定标数据进行分析。      

环境一号C 卫星系统总体设计及其在轨验证

HJ-1-C 卫星是我国环境与灾害监测预报小卫星星座的一颗合成孔径雷达卫星,与光学卫星HJ-1-A/B 共同完成环境与自然灾害监测。该文介绍了中国第1 颗民用SAR 卫星的系统总体及载荷的设计特点,研究了卫星平台部分的数传、姿态控制、供配电和热控分系统对SAR 载荷的支持能力以及相互之间的匹配关系,同时,给出了卫星在轨测试验证的相应结果。      

基于多通道合成的优于0.1m分辨率的机载SAR系统

针对合成孔径雷达(SAR)高分辨率成像的应用需求,该文给出一种基于单通道发射、多通道并行接收的新的高分辨率SAR系统实现方案。SAR系统共有8个接收通道,信号带宽达到3.2 GHz,具有高分辨率成像、InSAR干涉成像以及全极化成像功能。文中提出一种新的采用空间辐射测量和频偏误差修正测量的分段测量与综合补偿的通道传递误差测量补偿方法,有效解决了高分辨率SAR宽频带收发系统中关键的多通道接收幅度相位误差校正问题,并在国内首次获得了优于0.1 m分辨率的SAR图像。文中详细介绍了系统的组成方案以及主要技术性能指标,重点探讨和分析了多通道系统的频带合成、系统幅度相位误差测量补偿、运动误差补偿和成像处理等实现技术,给出了测量、补偿和成像的试验结果。通过实际飞行试验,验证了高分辨率SAR系统的技术及方案的有效性和可行性。     

基于特征融合的HJ-1-CSAR图像道路特征提取算法

在SAR图像中精准地提取道路网络是大量军事和民用技术开发的重要环节。针对HJ-1-C SAR图像道路提取问题,该文提出一种融合比率信息和方向信息的道路提取算法。在进行道路提取前,针对HJ-1-C数据动态范围窄、信噪比低等特点,提出非线性量化和建立在多尺度自回归模型基础上的图像滤波相结合的预处理方法;随后,使用该文提出的基于特征融合的道路提取算法进行道路提取,算法综合考虑了道路比率和方向性信息,通过对比率图进行Radon变换提取道路主方向,然后进行主方向对齐和2次道路提取步骤,最大可能性地去除了交叉道路的干扰,使得提取道路的准确度和连续性都得到提升。采用HJ-1-C获取的武汉地区数据进行算法验证,实验表明,该方法在大场景复杂地形区域具有更高的正确率(80.5%)和品质因数(70.1%)。     

一种星载合成孔径雷达微波辐射场定标接收机

介绍一种星载合成孔径雷达微波辐射定标场定标接收机,阐述该定标接收机功率标定、通道增益校准、接收数据时空同步技术的实现方法,给出该定标接收机在星载合成孔径雷达(SAR)在轨测试中的应用结果.     

HJ-1A/B星CCD相机在轨辐射性能检测分析

为检测分析HJ-1A/B星CCD相机在轨辐射探测性能及其辐射定标的有效性,提出了基于多种光学特性地面目标的在轨检测方法。首先,介绍了HJ-1A/B星CCD相机在轨辐射性能检测方法,并基于2013年HJ-1A/B卫星地面同步观测试验数据,获取了HJ-1A/B星过境时刻的卫星入瞳处等效辐亮度。然后以该等效辐亮度为基准,对HJ-1A/B星CCD相机历次在轨辐射定标结果进行检验,分析HJ-1A/B星CCD相机的在轨运行期间辐射探测性能变化趋势。结果表明：HJ-1A/B星在轨运行过程中,辐射性能在不断发生变化;在轨运行5年多时间里,HJ-1A/B星的CCD相机各波段的辐射性能平均衰变量最低为3.7%,最大为39.6%;为保证遥感数据的定量化精度,定期的在轨绝对辐射定标十分必要。     

多视极化合成孔径雷达图象的分类和极化通道优化

本文提出一个新的最大似然(ML)分类算法对多视全极化合成孔径雷达(SAR)图象进行分类,给出了应用NASA/JPL机载L波段四视全极化SAR实测数据的试验结果,证明了新算法的有效性。此外,本文还将所提算法应用于部分的多视全极化SAR数据中,实现了地貌类型分类的极化通道优化。     

毫米波零中频全功率辐射计系统

提出了一种零中频接收的毫米波全功率辐射计系统,可降低外差式全功率辐射计系统实现的难度和成本,有利于实现系统的集成化和轻小型化。运用随机过程理论分析了全功率辐射计视频信号功率谱和温度灵敏度,在此基础上分析了零中频全功率辐射计的温度灵敏度。结果表明,在满足截止频率高于1/2视频积分滤波器带宽条件下,零中频辐射计中频通道可采用高通滤波器抑制直流漂移和低频噪声,而不会影响辐射计温度灵敏度,其理论值与射频带宽2倍于中频带宽的全功率辐射计相同。完成了一个34～40GHz毫米波多通道零中频全功率辐射计系统的设计和研制,采用10通道一体化集成和本振空馈功率分配技术,实现了系统的集成化和小型化,测试温度灵敏度与理论值相符,表明了理论分析的正确性和设计方法的可行性。     

多视极化SAR图象相干斑抑制的研究

本文研究多视极化合成孔径雷达(SAR)图象的相干斑抑制,提出多视极化白化滤波(MPWF)法,并进一步将它发展成具有多通道输出的全极化滤波器。本文还定量地分析了MPWF方法抑制相干斑的能力,并在理论上同全功率法、加权法和功率均衡法进行了比较。应用NASA/JPL机载L波段四视全极化SAR数据的试验结果验证了所提方法的有效性和优越性,也说明了MPWF处理能显著地提高SAR图象的分类精度。     

一种宽带多通道合成孔径雷达系统幅相特性测量与校正方法

多通道技术可以用来提高系统的频带宽度,是实现分辨率优于0.1 m的超高分辨率机载合成孔径雷达(SAR)系统的一种有效的技术途径。该文针对实际雷达系统中采用的单通道宽带信号发射、8通道下变频接收来完成宽带信号收发的方案,提出一种对该收发系统的幅相误差进行测量和校正的方法,该方法采用空间闭环辐射提取宽带收发通道的幅相误差,采取具有频偏误差修正的矢量网络分析技术完成多通道接收单元中各子通道幅相误差的提取,将两者结合用于补偿整个系统误差对信号合成和成像处理所带来的影响。实际测试数据和外场飞行试验结果验证了该系统测量和校正方法的有效性和可行性。     

基于GaN HEMT的13～17 GHz收发多功能芯片

基于GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺设计制作了一款收发(T/R)多功能芯片(MFC),主要用于射频前端收发系统.该芯片集成了单刀双掷(SPDT)开关用于选择接收通道或发射通道工作,芯片具有低噪声性能、高饱和输出功率和高功率附加效率等特点.芯片接收通道的LNA采用四级放大、单电源供电、电流复用结构,发射通道的功率放大器采用三级放大、末级四胞功率合成结构,选通SPDT开关采用两个并联器件完成.采用微波在片测试系统完成该芯片测试,测试结果表明,在13～ 17 GHz频段内,发射通道功率增益大于17.5 dB,输出功率大于12W,功率附加效率大于27％.接收通道小信号增益大于24 dB,噪声系数小于2.7 dB,1 dB压缩点输出功率大于9 dBm,输入/输出电压驻波比小于1.8∶1,芯片尺寸为3.70 mm×3.55 mm.     

极化SAR目标相对最优极化研究

极化SAR通过测量地物目标的散射回波得到极化散射矩阵或Stokes矩阵，利用极化合成技术得到任意发射和接收极化组合下的天线接收功率。目标相对最优极化就是选取一种收发极化状态使得研究目标和背景地物的接收功率对比度达到最大。文中首先分析了目标相对最优极化的模型，指出了它们的优缺点，然后提出了一种新的改进模型，并用交替迭代方法进行了模型的解算，最后结合荷兰Flevoland地区全极化数据作了试验，证明了其有效性和正确一陆。     

HJ-1B热红外通道探元级星上辐射定标方法研究

HJ-1B热红外通道在轨星上定标精度直接影响着后续遥感数据的定量化应用。以往针对整个通道的星上辐射定标忽视了各个探元的响应差异问题。使用查找表法、半高宽法和矩方法,分别对2009年9月14日星上下传的黑体数据进行处理,得到HJ-1B热红外通道探元级辐射定标结果。分析结果,红外相机热红外通道各探元扫描校正黑体时存在2个DN左右的波动,引入误差约0.28%~0.45%。其中,探元9和10相对其他探元波动范围较大。     

环境一号C 卫星SAR 图像典型环境遥感应用初探

环境一号C 卫星(HJ-1C)于2012 年11 月19 日成功发射,并与2008 年9 月6 日一箭双星发射的环境一号A 星,B 星(HJ-1A/1B)组成2+1环境与灾害监测预报小卫星星座系统。该文以2012 年12 月～2013 年1 月期间获取的9 景HJ-1C 卫星数据2 级产品(S 波段,VV 极化,Strip 模式,5 m 分辨率)为实验数据,以北京市和福建省近海海域为研究实验区,以HJ-1C 卫星SAR 图像土地利用类型人工解译与制图、地表覆盖自动分类、近海海洋溢油污染识别、海浪特征参数反演、海水养殖区特征提取等近海海洋环境监测等为例,开展了HJ-1C卫星SAR 图像环境遥感应用能力的分析与评价。结果表明:(1)HJ-1C 卫星SAR 图像可用于耕地、林地、公路用地、河流水面、城镇住宅用地、农村宅基地等土地利用类型的人工解译和制图,地类图斑面积勾绘误差小于5%;(2)HJ-1C 卫星SAR 与HJ-1B CCD 图像融合可有效提高地表覆盖自动分类精度;(3)HJ-1C 卫星SAR 图像可用于海洋溢油污染识别、海浪特征参数反演及近海养殖区信息提取等近海海洋环境遥感监测。      

Ku波段多通道收发组件设计

阐述了一种包含四路接收通道和一路发射通道的Ku波段收发组件的工作原理,并对组成的单元电路和关键技术进行了分析。试验结果表明,在2 GHz带宽和-55～+85 ℃温度下,发射通道输出功率为(31±1) dBm,带内功率平坦度≤±0.5 dB,开关隔离度≥90 dB;接收通道增益为(30±1) dB,噪声系数≤5.0 dB,通道隔离度≥60 dB。测试结果表明,方案切实可行,满足使用要求。     

有源相控阵接收系统的噪声测试

讨论有源相控阵中接收系统的噪声测试问题。在推广了IRE噪声系数定义的基础上 ,采用Y参数法可测得在特定条件下各通道接收组件、子阵组件或整个接收阵的有效输入噪声温度。讨论中可设定各通道接收组件的有效输入噪声温度和增益均不相同 ,并考虑了功率合成网络的损耗、不等功率合成和两层功率合成网络等情况     

环境一号C 卫星合成孔径雷达相干性分析

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)是一种相干成像雷达,相干性是保证SAR 成像的关键。对相干系统而言,诸多因素会破坏其相干性。该文以环境一号C 卫星SAR 分系统方案和指标为基础,主要分析了频率源稳定度和脉间定时抖动对系统相干性的影响。环境一号C 卫星SAR 采用短期稳定度为101.010 / 5 ms 的晶振,经过直接倍频与分频提供系统所需的基准频率信号,由短期稳定度引入的方位向随机相位误差对积分旁瓣的影响可忽略。环境一号C 卫星SAR 定时脉冲前沿抖动优于2 ns (rms),合成孔径时间内的随机相位误差对方位脉冲压缩旁瓣略有影响。该文通过公式推导和仿真分析证明了HJ-1-C 卫星SAR 系统相干性设计满足合成孔径雷达成像要求。      

骚扰功率与辐射骚扰场强

介绍了GB 13837标准中规定的两种考察受试设备(EUT)对外辐射能量的测试方法,即骚扰功率测试和辐射骚扰场强测试.分别阐述了两种方法的区别,并结合实践提出问题.通过试验证明骚扰功率和辐射骚扰场强的测试结果无法相互转换.从而得出结论,针对音视频功能,不论其工作频率如何,都应进行骚扰功率测试.     

GEO-LEO双基SAR序贯多帧-多通道联合重建无模糊成像方法

采用地球同步轨道(GEO)卫星作为双基合成孔径雷达(SAR)的发射站,可为低轨(LEO)接收站提供大范围、持续的波束覆盖。同时,由于收发分置的系统形态,LEO接收站可以实现下视、前视、后视等多视区成像,因此,GEO-LEO双基SAR在地球测绘、侦察监视等领域具有广阔的应用前景。为实现大幅宽成像,GEO SAR发射站的脉冲重复频率较低,而LEO SAR接收站会引入大的多普勒带宽,造成GEO-LEO双基SAR方位欠采样。通过在接收站引入多通道技术虽可抑制模糊,但是面临GEO-LEO双基SAR的严重欠采样问题,多通道无模糊重建方法所需通道数过多,不利于接收系统小型化。针对方位严重欠采样条件下的复杂观测场景无模糊成像问题,该文提出了序贯多帧-多接收通道联合重建无模糊成像方法,通过利用序贯观测场景多帧图像的相关性和多接收通道的采样信息进行联合重建,实现无模糊成像。首先将GEO-LEO双基SAR无模糊成像问题建模为张量联合低秩与稀疏优化问题,然后在交替方向乘子法迭代求解中利用多接收通道信息,实现了GEO-LEO双基SAR对复杂观测场景的无模糊成像。相比于基于传统多通道重构的成像方法,该方法可显著减少无模糊成像所需的接收通道数,仿真实验验证了该方法的有效性。