相控阵SAR卫星的配置与性能提升

卫星的配置

正如名字中体现的一样,“DAICHI-2”是“DAICHI”的后继型号,但“DAICHI-2”的结构与“DAICHI”完全不同。“DAICHI”装备三个传感器,分别为先进可见光与近红外辐射计-2(AVNIR-2)、全色遥感立体测绘仪(PRISM)和相控阵L波段合成孔径雷达(PALSAR),但“DAICHI-2”仅配备合成孔径雷达。

相控阵SAR卫星的配置与性能提升

将“DAICHI-2”合成孔径雷达的性能做到最优,以适应其全天时全天候进行灾害监视的主要任务。“DAICHI-2”搭载的L波段合成孔径雷达-2(PALSAR-2)。

与“DAICHI”搭载的相控阵L波段合成孔径雷达(PALSAR)相比,在分辨率、观测范围、数据实效性等很多方面,都有显著的提高。

相控阵SAR卫星的配置与性能提升

得益于新技术,卫星基本能力得以提高,从而提高雷达性能,比如数据传输速率和位置精度。“DAICHI-2”不仅具有快速灾害监视能力,而且催生了很多可用于未来卫星的新技术。

“DAICHI”向“DAICHI-2”的演变

1.更清晰

使用L波段,“DAICHI-2”的分辨率比“DAICHI”提高很多,从而可以观测更多细节。“DAICHI”的相控阵L波段合成孔径雷达的分辨率最优为10米,“DAICHI-2”的L波色合成孔径雷达-2的分辨率提高到1至3米。

之所以会有这样的提高,是因为增加了“聚束模式”,卫星可以在运动方向上改变电磁波发射方向,从而可以长时间观测某一特定目标。

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另外,卫星还采用了双接收天线系统(下文介绍)确保足够观测条带范围的同时保证高分辨率。在“条带绘图模式”下,条带宽度50千米,分辨率为3米,在“聚束模式”下,观测范围25千米,分辨率为1至3米。

2.更迅速

灾害监测需要很快的反应能力。为了响应“DAICHI”用户的需求,“DAICHI-2”在很多方面作出了改进。首先,“DAICHI”的合成孔径雷达天线固定指向卫星运动方向的右下方,只能观测一侧区域。

为了增加可观测区域范围,“DAICHI-2”的雷达天线朝向卫星正下方,通过改变天线角度向左或者向右,两侧的区域都可以观测。观测区域由879千米显著提高至2320千米。

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除了左右观测功能(意味着一次绕轨飞行可以观测更多区域),重访时间也由46天大大缩短至14天(卫星可以更快重访目标),数据传输能力也有很大提高(传输数据更快)。因此,当收到来自日本国内的灾害监测请求时,可以在2小时内提供受灾区域图像。

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相控阵L波段合成孔径雷达(PALSAR)

“DAICHI-2”卫星上的L波段合成孔径雷达-2(PALSAR-2)在L波段发射并接收地面回波提取信息。它不需要其他光源(如太阳),最大优点在于可以不分昼夜地观测地球。

雷达在微波波段发射和接收,因而可以穿透云层和小雨滴,受其影响较小。这种全天候的传感器最适用于灾害监测,因为灾害发生通常难以预料。另外,L波段属于波长相对较长的微波,可以透过植被直达地面,可以同时获取植被信息和地面信息。

相控阵SAR卫星的配置与性能提升

日本的L波段合成孔径雷达技术首次运用在1992年发射的“芙蓉-1”之上,随后在2006年运用在“DAICHI”的相控阵L波段合成孔径雷达(PALSAR),一直到今天的“DAICHI-2”L波段合成孔径雷达-2。

现在的L波段合成孔径雷达-2通过拓展带宽,成为全球独一无二的传感器,它采用了“双接收天线系统”,可以独立控制接收两路回波,获得高分辨率和更大的观测范围。

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L波段合成孔径雷达-2的天线由多个小天线成行排列。天线电磁波的辐射方向由电子控制,因而天线在固定不动的情况下也可以快速改变波束指向。相控阵天线可以在太空中展开,易于扩展,可以形成宽3米长10米的大尺寸天线,同时还可以获得灵活的波束,在太空活动中得以广泛使用。

聚束模式获得高分辨率

L波段合成孔径雷达-2新增加了高分辨率的“聚束模式”。就像名字一样,这种模式的工作原理就像聚光灯一样,当卫星在轨道上飞行时,移动波束方向,使其始终指向某个固定的观测目标。

这种方式这就像在运动中观察特定目标可以了解更多信息一样,延长波速的照射时间(13到26秒)可以获得更多信息。这样就可以获得1米至3米的高分辨率。在“DAICHI”10米的分辨率下难以区分的目标或某个形状的东西,现在就可以看清楚了。

双接收天线系统增大观测区域

L波段合成孔径雷达-2采用全球领先的“双接收天线系统”技术,从而实现高精度宽视野。在这种技术中,天线面板在发射时作为一个天线,但在接收时分为前后两个独立的天线。

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在接收时将天线一分为二,两个天线可以同时接收回波,相当于增加了回波的接收时间。合成孔径雷达的一个特点就是随着接收时间延长,观测范围也会增大。利用这种技术,可以确保在50千米的观测范围内获得3米的高分辨率。

大带宽与更大发射功率

“DAICHI-2”上的L波段合成孔径雷达-2要求高分辨率和高质量图像,电磁波发射强度就必须要比相控阵L波段合成孔径雷达(PALSAR)有所提高。为此,可以增大天线尺寸(增加相控阵天线的振元)使电磁波更集中,或者增加发射功率。

选择了后种方法,使用全球第一种氮化镓基高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)天线放大器,以更大的发射功率增加雷达带宽。这种改进措施使“DAICHI-2”观测地更加详细。

多种观测模式

L波段全色合成孔径雷达的另一个特点就是具有多种不同的观测模式。除了观测范围25千米、分辨率1至3米的“聚束模式”之外。该雷达还有“条带模式”,该模式从相控阵L波段合成孔径雷达继承而来,观测范围50或70千米,分辨率有更多选择,分别为3米、6米或10米。

相控阵SAR卫星的配置与性能提升

“扫描合成孔径雷达模式”可一次观测较大的区域,观测范围350或490千米,相应的分辨率为60米和100米。可根据目标情况选择最合适的观测模式。

“扫描合成孔径雷达模式”可使用HV极化通道获得6米的分辨率,这得益于“全极化”(使用四种极化波进行观测)技术的进步,这样就能够从观测区域获得更多信息。


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