星载Ku波段相控阵SAR系统及应用

通过几十年的长期建设，特别是国家科技重大专项“高分辨率对地观测系统”和民用空间基础设施规划发布实施，以陆探四号01星、高分三号、海洋二号、风云三号等微波卫星为代表的我国空间微波遥感技术体系建设稳步推进，综合应用效益凸显，对地观测技术水平显著提升，产业规模不断壮大。

星载相控阵体制合成孔径雷达（SAR）系统是目前国内外微波遥感传感器发展的热点，其典型卫星有意大利X波段的CSG-1/2系统（2019/2022）、阿根廷L波段的SAOCOM-1A/B系统（2018/2020）等。上述大型相控阵SAR卫星性能指标高，但卫星价格贵，且质量大，如CSG卫星的质量为2205kg，而SAOCOM卫星质量约为3000kg，制约了其快速星座组网应用。

近年来，轻小型星载相控阵SAR系统发展迅速，其卫星质量通常为100～300kg，可以对局部区域进行短时的高分辨率成像。例如，采用相控阵天线体制的芬兰ICEYE星座共发展了三代，目前已发射34颗卫星，在轨卫星分辨率优于0.5m，整星质量约120kg。我国典型的轻小型相控阵SAR系统包括海丝一号（2020年）、泰景四号01星（2022年）等。国内轻小型SAR卫星主要集中在C波段和X波段，在波段覆盖上存在不足，同时相控阵系统的两维波束扫描应用能力尚未充分发挥。

我国首个Ku波段轻小型相控阵SAR系统于2024年1月23日在轨，是由西安空间无线电技术研究所抓总研制，具有两维波束灵活电扫描能力。同时，该系统与微纳星空公司研制的轻小型MN200S平台进行了扁平化集成，集成后的泰景四号03星是我国首个高分辨率平板式SAR成像卫星，可采用堆叠方式发射。

Ku波段SAR载荷系统设计了滑动聚束、聚束、条带、扫描1和扫描2等多种工作模式，最高分辨率优于1m，单轨工作时长大于3分钟，如图1所示。SAR载荷的性能指标见表1。

图1  Ku波段 SAR系统工作模式

Ku波段SAR载荷硬件系统主要由数据处理器、收发通道和相控阵天线组成。数据处理器完成信号产生、信号接收采集、信号接收处理、系统监控、遥控遥测等功能。收发通道完成对收发信号的上下变频、滤波、放大等功能。相控阵天线采用波导缝隙阵体制，由波导子阵、TR组件、智控组件、热控多层、加热器、结构安装板、子板展开铰链等组成，在发射时完成对射频信号的功率放大，并通过天线阵面辐射，在接收时完成对射频信号的低噪声放大。

考虑到卫星平台对有效载荷的轻量化要求，SAR有效载荷采用了高度集成设计。SAR相控阵天线波导缝隙阵列采用薄壁结构设计，结合碳纤维结构框架，大大降低了天线表面密度。收发通道同时具有发射信道、接收信道和内部定标器的功能，并且封装在一台单机中，提高了集成度。数据处理器采用片上系统（SOC）架构，集成了ADC、DAC等芯片，有效提高了信号的产生、采集和处理能力。

SAR载荷采用可展开的平面有源相控阵天线，天线的方位向为3.6m，俯仰向为0.6m。该天线由600个TR通道组成，在方位上可分为成15列，在俯仰向分成40行。该天线具有二维波束扫描能力，方位角方向扫描角范围为±1.5°，俯仰方向扫描角范围为±15°，可以满足不同SAR工作模式下天线波束电扫描的需要。

SAR天线分为五个面板，每个面板的尺寸为0.72m×0.6m。中央的三个面板安装在卫星体上。为了实现整星的扁平化设计，天线的左右面板分别折叠在中央面板上方。卫星在轨后，天线两侧面板展开。

泰景四号03星同时装备了清华大学电子工程系团队研发的基于图形处理单元（GPU）、中央处理器（CPU）、现场可编程门阵列（FPGA）的混合异构星上人工智能（AI）实时处理器，具有轻量化、低功耗、高性能的特点。星上AI实时处理器已具备实时宽幅稀疏SAR成像、目标检测、运动目标重聚焦等能力，可实现算法模型的灵活上注与在轨更新。此外，星上AI实时处理器具备面向强大的软件功能自定义能力，可根据用户的需求在星上处理器上随时新增、删减功能模块，实现在轨的可持续升级。

Ku波段SAR系统在轨后，参与了多次国家国防科技工业局、自然资源部、生态环境部等成像任务，获取了高质量的SAR图像，表明Ku波段SAR载荷在应急事件、极地环境、海洋权益维护等方面有极大的应用前景。

（1）应急事件响应

梅州—大埔高速公路（简称梅大高速），又名梅龙高速公路，是广东省梅州市境内连接梅江区与大埔县的高速公路线路。2024年5月1日，梅大高速发生高速公路路面塌陷事故，导致车辆被困、人员伤亡，造成了特别重大的人员伤亡和经济财产损失。Ku波段SAR系统多次对事故区域进行成像，对公路受损情况进行监测。图2为5月5日拍摄的事故路段，从SAR影像上可以清晰地看到塌方路面的损毁情况，为后续进一步开展防灾减灾提供了支持。

图2  梅大高速SAR图像（2024年5月5日）

弗朗西斯·斯科特·基大桥是一座钢拱形连续桁架桥，是美国第二长的大桥。2024年3月26日05点28分（UTC时间），新加坡集装箱船断电撞上主桁架段西南支撑墩，导致大桥主跨倒塌。图3所示SAR图像拍摄于2024年3月30日16:19。根据SAR图像可见，大桥被撞成四段，大量设施在周围进行救援和修复。

图3  弗朗西斯·斯科特·基大桥（2024年3月30日）

（2）极地冰川监测

南极冰盖是地球淡水的重要来源，其枯竭直接导致全球海平面上升。利用观测和模拟进行的研究表明，由于南极冰雪消融渗透到南极洲大陆架，冰架底部融化，对冰盖的总体质量平衡产生了至关重要的影响。2024年3月，SAR载荷获取了南极图像，该场景宽度为350km×200km，如图4所示。从图中可以看出冰舌的形态变化，可以进一步研究南极冰雪的融化状态。

图4  南极冰舌（2024年3月26日）

星载SAR可以获取高分辨率的海冰图像，并进一步生成二级以上产品，用于冰川面积、冰舌末端、冰盖前缘、地表冻融、冰缘地貌、冰架的识别和追踪等应用。Ku波段SAR采用条带模式获取的南极海冰分布原始图像，并在云平台上产生了二级产品，如图5所示。该产品采用了伪彩色来表示海冰的分布，可以进一步反演获取南极冰雪消融态势等信息。

图5  南极海冰产品（2024年3月26日）

（3）海洋权益维护

我国管辖的海域有300多万平方千米的专属经济区（EEZ），但部分海域面临资源被侵占等问题，给我国带来了巨大的损失。为了维护我国海洋权益，一方面要为相关海域外交谈判做好全方位的准备，另一方面也要为行使我国的海域管辖权，建立海上应急快速响应体系。为此，应满足管辖海域石油平台、岛礁人工设施、船舶和其他海面人造目标全天时、全天候、实时和动态高空间分辨率的监测。2024年4月10日，SAR载荷获取了我国周边港口的扫描2模式图像（图6），场景的幅宽为350km×200km。SAR载荷获取的图像可以清晰地反映周边海域船舶等目标的动态信息，从而用于海洋权益维护等应用。

图6  上海港港口图像（2024年4月10日）

Ku波段SAR与X波段相比，具有波长短、合成孔径时间短等优势，在许多应用场景中进行了探索，其应用价值正在被不断挖掘和发现，表现在以下几方面。

1．提升Ku波段SAR天地一体化的应急灾害响应能力

国内外相关研究结果表明，采用单星异轨干涉、固定基线干涉或星座组网干涉等方式，Ku波段SAR具有在公路、铁路、大坝、山体等监测应用上实现高分辨率、大范围、毫米级形变解算精度能力。受限于轨道特性，卫星遥感的时效性是个瓶颈。行业用户部门可通过结合无人机、平流层飞艇、地面检校设备等方式，利用天-空-地多种数据源协同配合，对潜在灾害地区、易发滑塌部位、恶劣天气局地等进行加密监测，并完成异构的真值性检验，提高观测的时效性和精度，从而在地表形变监测方面发挥更好的灾前预警作用，避免或减少灾害损失。

2．充分发挥星上AI处理的可持续升级能力

Ku波段SAR卫星上装备了星上AI实时处理器，SAR系统的能力可与星上AI实时处理器的功能模块进一步紧密结合，可将星上获得的少量高价值目标检测识别结果等信息直接下传给地面用户或终端装备，将需要数小时甚至更多的“星上原始数据下传+地面处理”流程缩短至分钟级甚至更小的时延，在减灾救灾等任务中实现卫星对全球区域的敏捷感知。

3．提升Ku波段SAR应用服务的定量遥感性能

目前，星载Ku波段SAR已经具有二级产品生成能力，但是还需要进一步提升定量化遥感应用能力，主要表现在两个方面，一是几何精度，二是辐射精度。从几何精度的角度而言，定量化遥感应用需要产品的精度达到分米级，从而结合多源数据提升应用效能。从辐射精度的角度而言，SAR产品的辐射精度需要优于0.5dB，进而满足农作物物候期、森林生物量、海冰分类等应用需求。Ku波段SAR后续主要的工作包括几何定标、辐射定标、真值性检验等方面，真正实现定量化遥感应用，充分发挥应用效能，实现载荷的高效能、高效率、高效益在轨应用。

Ku波段SAR相控阵系统自从2024年1月23日在轨后，获取了多种模式的高质量SAR图像，图像的最高分辨率优于1m，且载荷质量小于80kg，是我国乃至国际首个Ku波段商业相控阵SAR。卫星在轨测试期间，完成多项成像任务，获取了大量高质量的SAR图像，可有效应用于应急事件响应、极地环境监测、海洋权益维护等领域。未来可进一步应用于目标检测与识别、重轨形变监测、自然资源调查、生态环境保护、交通监测等方向，具有极大的应用前景。