[发明专利]Ka波段TOPSInSAR系统及其工作方法

说明书

技术领域

本发明属于合成孔径雷达成像技术领域，尤其涉及一种Ka波段TOPS InSAR系统实现方法。

背景技术

随着世界各国对海洋资源的进一步开发，获取大范围区域内高精度的海洋数据信息成为海洋资源利用必不可少的一环。通过对海洋数据反演的需求分析和广泛调研发现，为获得有效的海面动力高度、海面波高、海面风速、海底地形、海洋温跃层、汇聚区等数据产品，需要测量海面高度。

但传统的底视高度计其空间覆盖范围仅有10km左右。这是由于传统底视高度计的工作原理是：向海面发射信号，接收经海面反射后的返回脉冲，测量发射脉冲与接收脉冲之间的时间差，根据此时间差以及返回的波形计算得到卫星到海面之间的距离，然后结合地面对卫星的跟踪数据得到海面高度。因此对底视高度计而言，如果要得到数值模式全网格点上的海面高度数据，需要进行插值计算或进行长时间的数据积累，因此将牺牲小尺度或短时间内的海面运动信息，无法得到高精度(厘米量级)、大范围(百公里量级幅宽)的海面高度数据，影响应用产品的可靠性。

与底视高度计相比，星载SAR干涉测高的工作方式使其可以获得百公里量级的观测刈幅，从而实现大范围的海面信息获取。

星载SAR干涉测高技术从原理上讲包括三种方案：重复轨道干涉、单星双天线干涉和分布式卫星干涉。重复轨道干涉由于满足干涉需要的基线条件难于保证，因而效率低，无法获得连续稳定的雷达干涉数据产品；分布式卫星干涉形成的基线稳定，容易获得较长的基线，可以获得较高的干涉测量精度，但是需要多颗卫星编队组网，任务难度高，技术复杂；单平台双天线干涉的基线由刚性结构形成，飞行一次就可获取有效干涉数据。对于低波段InSAR，双天线系统固有的基线较短的特点，使得干涉测高精度受到限制。

发明内容

本发明解决的问题是现有星载SAR干涉测高方式无法实现高精度大范围的海面高度测量；为解决所述问题，本发明提供Ka波段TOPS InSAR系统及其工作方法。

本发明提供的Ka波段TOPS InSAR系统包括：搭载于卫星的发射天线，和同一星上分别位于发射天线两侧的第一接收天线和第二接收天线，天线的工作波段为Ka波段；所述发射天线、第一接收天线、第二接收天线质心的连线垂直于卫星航迹；采用单轨一发双收干涉模式测量星下高度；所述Ka波段TOPS InSAR系统的工作视角小于15°；所述发射天线由近到远在距离指向依次向星下两侧区域发射脉冲信号，所述第一接收天线、第二接收天线同时接收脉冲信号回波，在同一个距离指向持续时间内，发射天线和接收天线从后向前扫描完成对该子测绘带的覆盖。在一个距离指向完成发射后，跳转距离向波束指向再次发射和接收脉冲信号。

进一步，所述发射天线、第一接收天线、第二接收天线采用有源相控阵天线，第一接收天线、第二接收天线距离向有N个孔径，N为任意自然数，各个孔径配置单独的天线接收网络。

本发明还提提供所述的Ka波段TOPS InSAR系统的工作方法，包括：

步骤一、发射天线向星下任意侧发射Ka波段脉冲信号；发射天线两侧的第一接收天线和第二接收天线同时接收脉冲信号回波；所述第一接收天线、第二接收天线上的各个孔径单独接收脉冲信号回波；发射天线单次向星下区域发射脉冲信号形成的照射区域为子测绘带，在覆盖该子测绘带的过程中，发射和接收天线从后向前扫描，各子测绘带相互平行；

步骤二、发射天线在同一距离指向向星下另外一侧发射Ka波段脉冲信号；发射信号两侧的第一接收天线和第二接收天线同时接收脉冲信号回波；

步骤三、发射天线重复步骤一和步骤二，直至完成对整个目标区域的扫描。

本发明的优点包括：

采用Ka波段为工作波段，由于波长较短，相比其它波段，要获取相同的干涉测量精度，系统所需的干涉基线长度仅为传统低频段InSAR系统的几分之一。因此，在Ka波段只需在单颗卫星上同时搭载两部SAR天线就可实现干涉测量，两部SAR天线之间通过可以收拢的天线支撑臂连接。相比分布式卫星SAR，Ka波段单星InSAR系统大大节约了卫星成本和任务开支。

距离向接收天线采用多个孔径分别单独接收脉冲信号回波，采用DBF-SCORE技术可以合成高增益的窄波束实现对回波的接收，从而提高系统的接收增益，在保证系统信噪比的前提下降低系统的发射功率需求。解决了对于Ka波段的毫米波SAR系统在大气传播中的损耗要比其它低波段大气损耗强，对系统的功率增益需求更大的问题。

综上所述，Ka波段DBF InSAR系统能够以单星为载体，实现大幅宽范围内厘米级精度的海面高程测量。