雷达遥感卫星TerraSAR_X的系统特性和产品

雷达遥感卫星TerraSAR-X的系统特性和产品钱方明刘薇周瑜（西安测绘研究所，陕西西安，710054）摘要：首先介绍了雷达遥感卫星TerraSAR-X的系统特性，包括系统设计、SAR主要参数、SAR天线和成像模式，然后描述了SAR数据处理过程和产品类型，最后介绍了TerraSAR-X卫星的发展前景。关键词：TerraSAR-X卫星；合成孔径雷达；系统特性；产品类型分类号：P237SystemCharacteristicsandProductsofRadarRemoteSensingSatelliteTerraSAR-XQianFangmingLiuWeiZhouYu（ResearchInstituteofSurveyingandMapping，Xi，an，710054）Abstract:Thesystemcharacteristicsofradarremotesensingsatellitearepresentedfirstly,including,systemdesign,SARmainparameters,SARantennaandimagingmodes,andthenSARdataprocessingflowsandproducttypesaredescribed.Finally,thedevelopmentforegroundofTerraSAR-Xsatelliteispresented.Keywords:TerraSAR-Xsatellite;SAR;Systemcharacteristics;Producttypes1引言 合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar，SAR)是一种侧视成像雷达，集合成孔径技术、脉冲压缩技术和数字信息处理技术于一体，作为遥感设备，其图像分辨率基本上与光学图像相当，从它获取的图像里可以获取丰富的信息，受到许多应用部门的重视[1]。星载SAR具有全天候、全天时、高分辨率的成像探测能力，为获取地球空间信息提供了重要手段。TerraSAR-X是一颗用于科学研究和商业运行的高分辨率SAR卫星,由德国联邦教育和研究部(BMBF)、德国航空航天局(DLR)、欧洲航空防务和航天公司下属的阿斯特留姆公司(EADSAstrium)三家单位合作研制，是德国国家雷达地球观测任务的主力。从卫星发射到现在，TerraSAR-X成功回传了超过45000个数据集，经处理后得到的影像产品质量非常高，为今后星载SAR任务制定了新标准[2]。TerraSAR-X对地观测任务的主要目标有两个[3]：一是为水文地理学、地质学、气候学、海洋学、制图学、环境或灾害监测、干涉测量研究等领域提供多模式X波段SAR数据；二是在欧洲建立一个商业的地球观测市场，发展可持续的地球观测服务行业，资助后续系统的开发。本文主要阐述了TerraSAR-X卫星系统的特性，包括系统设计、SAR主要参数、SAR天线和基本成像模式，描述了SAR数据处理过程和产品类型，最后介绍了TerraSAR-X卫星的发展前景。2TerraSAR-X的系统特性 2.1系统设计[3]TerraSAR-X卫星于2007年6月在拜科努尔发射场成功发射，采用太阳同步轨道，轨道高度约514km，轨道倾角为97.4°，重复观测周期为11天，这样的轨道设计充分考虑了雷达性能、数据获取时间和重访时间三者之间的关系。TerraSAR-X卫星主要由X波段雷达天线、X波段下行数据传输天线、太阳能发电机、推进器等部分组成（如图1），另外星上载有激光通信终端（用于卫星与卫星或卫星与地面之间的通信连接）以及跟踪、掩星测量和距离修正仪，包括一台双频GPS跟踪接收机和一台激光反射器，用于高精度轨道定位和掩星测量，轨道定位精度优于20cm。图1TerraSAR-X卫星外观及主要组成部分TerraSAR-X地面系统负责控制、管理卫星，校准SAR设备，存档SAR数据和生产、发布基础数据产品。TerraSAR-X地面设施包含两个主要部分，一是德国航空航天局管理的地面站，二是Infoterra公司管理的商业开发和服务站。DLR管理的地面站由三个主要部分组成，一是德国空间管理中心(GSOC)下属的任务管理站负责控制卫星，二是微波和雷达研究所（IHR）下属的设备操作和校准站，三是德国遥感数据中心（DFD）和DLR遥感技术研究所（IMF）下属的有效载荷地面站用于接收、处理、存档、校准和发布雷达数据。2.2SAR主要参数 TerraSAR-X卫星SAR主要参数如表1所示[6]。表1SAR主要参数极化方式 HH，VV，HV，VH侧视方向 右侧视 波长 3.2cm天线类型 有源相控阵天线 频率 9.65GHz天线尺寸 4.8×0.8×0.15m方位向扫描角 ±0.75°波束宽度 方位向：0.33°， 距离向：2.3° 距离向扫描角 ±20°峰值输出功率 2260w脉冲重复频率（PRF） 3.0～6.5kHz数据传输速度 300Mbps（X波段下行）星上数据存储能力 256Gbit成像能力 300sec/orbit脉冲带宽 5～300MHz系统噪声 5.0dB2.3SAR天线[5]TerraSAR-X采用先进的基于相控阵技术的高分辨率X波段SAR，SAR天线能够以两种极化方式（水平极化H和垂直极化V）运行，由32个子阵列组成，每个子阵列由12个发收单元组成，整个SAR天线由384个发收单元组成。图2所示为单个子阵列外观图，图3所示为整个天线面板示意图，包含32个子阵列、信号分配网络和能量适配器。高效的温度控制系统确保天线表面温度在小范围内变化，这使得天线的持续成像时间达到10min。子阵列用碳纤维加固塑料制作而成，可以完全避免发热引起的变形。发收单元由交流总线系统供电，它可以将50V的直流电转化为115V/30Hz的交流电，并把交流电压分配到每个天线子阵列上。中心电子单元控制天线波束，它为每个发收单元设置雷达脉冲信息（振幅、相位和极化方式）。可自由编程的数字脉冲发生器控制脉冲形式和带宽。此外，TerraSAR-X的SAR天线可以分成两个独立的部分接收信号，这使得它能以双接收天线模式（DualReceiveAntenna，DRA）成像，该模式下的顺轨基线长为1.2m。图2SAR子阵列图3SAR天线面板2.4SAR成像模式TerraSAR-X有多种成像模式，主要有聚束成像(Spotlight，SL)模式、条带成像(Stripmap，SM)模式和宽扫成像(ScanSAR，SC)模式[7]，可以采用单极化、双极化、全极化等不同的极化方式成像。SAR基本成像模式参数如表2所示。 表2SAR基本成像模式参数成像模式聚束（SL）条带（SM）宽扫（SC）覆盖范围（方位向×距离向）5km～10km×10km50km×30km150km×100km单极化成像分辨率（方位向×距离向）1m，2m×1m3m×3m16m×16m-数据采集范围-全效率范围15°～60°20°～55°15°～60°20°～45°20°～60°20°～45°聚束成像模式，该模式下雷达天线在整个成像时段内照射成像区域，其持续时间比条带成像模式时间长，这样能增加天线合成孔径长度进而增加方位向分辨率。这是TerraSAR-X的最高分辨率成像模式，它又可以分为高分辨率聚束成像（High-resolutionSpotlight，HS）模式和常规聚束成像(SL)模式。其极化方式为单极化(HH或VV)或双极化(HH/HV)。条带成像模式，这是最常用的成像模式，通过固定天线指向来实现，天线在卫星运行时照射的区域表面形成一个条带。其极化方式为单极化(HH或VV)、双极化(HH/VV、HH/HV、VV/VH)或全极化(HH/VV/HV/VH)三种。宽扫成像模式，该模式拥有较大的幅宽、较低的空间分辨率。通过雷达波束在数个连续的子观测带之间的转换来实现大区域的观测成像，实际获取的观测带包含4个子观测带，其极化方式为单极化方式(HH或VV)。除了基本成像模式，TerraSAR-X还有几种实验成像模式[4]，如四极化双接收天线（Quad-polarizationDRA）模式、双重极化（Twin-polarization）模式、双接收天线顺轨干涉测量（DRAAlong-trackInterferometric(ATI)）模式和孔径转换结构（ApertureSwitchingConfiguration）模式。3SAR数据处理和产品 德国航空航天局管理的地面系统负责处理SAR数据，SAR数据处理的主要部分包括数据接收子系统，多模式SAR数据处理器（TMSP）和数据归档系统。SAR数据处理的两个关键步骤是：0级SAR数据成像处理和1b级SAR数据处理[4]。数据经两级处理后生成最终产品。3.10级SAR数据成像处理 接收、转录和解译完后的数据被自动传输到多模式SAR处理器用于数据成像。数据被系统地分析完后，得到SAR数据的信号属性和质量参数，主要参数是脉冲重复参数、原始数据统计值和多普勒中心估计值。获取的SAR数据可以系统地生成高质量的快视图像，在此过程中，使用调焦和校准算法对单视斜距复影像（Single-lookSlant-rangeComplex，SSC）进行处理，然后用矩形波串滤波法对SSC滤波。快视图像的特点是斑点噪声较少，因为它的辐射视数较高，HS模式成像时视数为20，SM和SC模式成像时视数超过50。SAR成像过程包括0级数据的归档，系统生成注释数据和快视影像的目录用于监视系统运行和检查数据。所有的这些处理过程都是由接收到的SAR数据来驱动，图4显示了主要的处理步骤、接口关系和数据流，为了显示的简洁，没有表示出参数从一个模块到下一个模块的传递过程。设备时间行测定 原始数据统计 多普勒中心 频率fDC估计 校准脉冲/噪声脉冲分析 调焦/校准 参数测定 数据注释 多模式SAR相关 轨道数据 姿态数据 DEM数据库数据解译 快视影像 注释数据  SAR原始数据（ISPs）  SAR原始数据（ISPs） 设备运转和校 准辅助产品 TMSP0级SAR数据成像处理 0级存档产品 TMSP1b级SAR数据处理 0级存档产品 基本产品 轨道数据 姿态数据  设备运转和校 准辅助产品调焦/校准 参数测定多模式SAR相关  SSC过采样处理探测、多视、波束整合处理地理编码 产品格式化  DEM数据库MSDSSCGECEECMGD SAR原始数据（ISPs） 注释数据 影像数据注释数据图4TMSP0级SAR数据成像处理流程图5TMSP1b级SAR数据处理流程3.21b级SAR数据处理 1b级数据处理流程如图5所示，与0级成像处理由数据驱动不同，1b级数据处理由需求驱动。用户需要提出处理要求，如产品类型、处理参数和成像区域选择等。1b级数据处理基于设备数据包和成像结果，TMSP用CS成像处理算法将各种成像模式下获取的数据生成SSC数据集，SSC是生产强度图像的基础产品。经探测、多视和波束整合处理得到的地距投影多视探测产品称为多视地距探测产品（MultilookGroundrangeDetected，MGD），斜距投影多视探测产品称为多视斜距探测产品（MultilookSlant-rangeDetected，MSD），地理编码后的产品有地理编码椭球纠正产品（GeocodedEllipsoidCorrected，GEC）和增强型椭球纠正产品（EnhancedEC，EEC）。3.3数据产品 TMSP可以处理的数据有：(1)高分辨率聚束成像模式，单极化或双极化方式获取的数据；(2)聚束成像模式，单极化或双极化方式获取的数据；(3)条带成像模式，单极化或双极化方式获取的数据；(4)宽扫成像模式，单极化方式获取的数据；(5)实验成像模式获取的数据。以上数据经TMSP处理得到4种标准产品形式[4][7]，即单视斜距复影像数据产品（SSC）、多视地距探测产品（MGD）、地理编码椭球校正产品（GEC）和增强型椭球校正产品（EEC）。（1）单视斜距复影像数据产品这种影像产品是TerraSAR-X雷达卫星