合成孔径雷达（SAR）是重要的高分辨率对地遥感观测载荷。当前全球有超100颗配备SAR载荷的航天器在轨服役，工作频段覆盖P、L、S、C、X、Ku、Ka，单星质量覆盖70千克级至5000多千克级，轨道覆盖超低轨至高轨；其中过半为高分辨率、轻质、低成本的商业SAR卫星。
工作频段是微波遥感仪器的“第一特征”，直接影响了用户指标、设备规模、星地链路以及地物散射特征。因此，多星多频段SAR信息融合或单星多频段组合应用是领域长期热点。典型单航天器多频段SAR任务包括了SIR-C/X（1994年）、SRTM（2000年）以及NISAR（2025年）。SIR-C/X是美国喷气推进实验室（JPL）与德国航空航天中心（DLR）、意大利航天局（ASI）联合研制的L/C/X三频段载荷任务，在1994年两次经由航天飞机搭载入轨观测，多频段、多极化的星载应用探索取得了较多在轨实测数据；SRTM复用了SIR-C/X的C频段和X频段雷达作为舱底载荷，并额外通过60m的展开式桅杆布置了C频段和X频段接收天线，全球首次实现了单航过InSAR测绘及单平台双频段InSAR测绘；NISAR是首个在单颗卫星上同时搭载L频段（美国JPL负责）和S频段[印度空间研究组织（ISRO）负责]SAR观测任务，旨在对植被、极地等重点观测对象实现高频次科学监测。
雷达目标结构大小、表面粗糙度采用观测载波的波长进行相对电尺寸来描述，其回波域现象体现为不同散射特征（如瑞利区、米氏区、几何区）的差异化叠加。因此工作频段的组合部署是在分辨率、入射角范围受限下提升信息量的有效手段，有助于加强遥感解译的综合效能。当前，轻小型SAR卫星（如ICEYE、Umbra、泰景四号、海丝一号等）集中工作在C、X、Ku中的单一频段，尚无多频段有机协同观测能力。
微纳星空研制的X频段SAR卫星（泰景四号01星）、Ku频段SAR卫星（泰景四号03星）分别于2022年2月27日、2024年1月23日发射成功，并实现了基于星座的协同观测，已形成若干多星联合的多频段SAR产品示范应用成果。面向商业遥感信息融合业务的单星观测需求，Ku/X双频段轻型商业SAR旨在围绕现有商业产品机电包络约束实现单套产品双频嵌入，完成性能指标及质量功耗综合优化；载荷预计将在“十五五”期间搭载下一代泰景遥感卫星发射，其在轨实践有望塑造空天地应用新场景。
一、Ku/X双频段SAR系统设计
1．系统架构
SAR系统整机分为中央电子设备和双频段相控阵天线两台（套）设备，其中，中央电子设备采用模块化设计，融合数字模块、模拟模块、配电模块及内定标等。
数字模块：完成对卫星平台的信息流交互及回波数据流交互，形成雷达发射中频信号并对回波中频进行采样，对整机工作时序及波束控制。
模拟模块：完成对发射中频的变频Ku/X射频调制及功率放大，完成对Ku/X回波信号的下变频及增益控制；调制定标信号。
配电模块：完成平台母线输入向中央电子设备各模块的配电，转接阵面母线并进行不调节开关控制。
内定标：通过定标开关切换定标模式，完成对监测信号的放大/衰减。
SAR天线采用双频段波导缝隙嵌套设计，双频段馈电网络独立。整阵机械尺寸方位向4.0m，距离向0.9m，沿方位向分为8块0.5m长子板；X频段电气口径为方位向4m，距离向0.75m；Ku频段电气口径为方位向3.5m，距离向0.75m。距离向机械口径对电气口径增量为机械固定框架。
2．性能指标
在535km太阳同步轨道下，载荷主要性能指标见表1。
进行波位选取及占空比、方向图优化，Ku频段条带模式下，其中距离向分辨率全视场满足1.5m，全波位模糊优于-20dB，全波位灵敏度优于-17dB。X频段条带模式下，其中距离向分辨率全视场满足2m，全波位模糊优于-20dB，全波位灵敏度优于-19dB。Ku频段滑动聚束模式下，其中距离向分辨率在入射角28°以上满足0.5m，全波位模糊优于-20dB，全波位灵敏度优于-16dB，滑动聚束下波束调制速度小于0.5（°）/s。X频段滑动聚束模式下，距离向分辨率在入射角28°以上满足0.5m，全波位模糊优于-20dB，全波位灵敏度优于-17dB，波束调制速度小于0.6（°）/s。
3．典型应用模式
图1为频段组合应用示意，Vp为卫星速度矢量；H为卫星轨道高度；W为幅宽；Wx为X频段幅宽；WKu为Ku频段幅宽。
双频段协同分视场模式下，分视场工作模式下Ku/X双频同时工作，幅宽不重叠，能够突破单频段系统在性能指标约束下的幅宽限制，实现瞬时视场增大；适用于条带、扫描等普查模式。图2所示为基于泰景遥感卫星星座分时实拍的同分辨率Ku、X分视场幅宽拼接图像；图2（a）为Ku频段成像，其单景内地物特征更加显著，屋顶结构分立清晰，植被等弱散射目标可判读性高；图2（b）为X频段成像，道路及典型特征目标对比度强，易于与背景杂波区分。
双频段协同同视场模式下，同视场工作模式下Ku/X双频同时工作，并且幅宽重叠；常规适用于条带、扫描、电扫滑聚等非机动成像模式；能单次航过完成重点场景的复合信息获取，在后端完成人工判读或地物融合，有效提升总信息量。图3所示为基于泰景遥感卫星星座分时实拍的同分辨率Ku、X同视场图像；图3（a）为Ku频段，其更短波长带来的低穿透性使飞机阴影显著，机身整体呈现了一定的面目标特征；图3（b）为X频段，点状散射结构的机翼边缘更加完整。双频段融合有利于目标点、线、面特征复合，并实现阴影、杂波、旁瓣等复杂图像要素下的全局强化。
二、关键核心技术
1．双频高隔离波导缝隙天线
围绕Ku/X双频段波导缝隙相控阵的工程实现，直接采用两个频段交错开缝并为每个频段配置独立馈电网络，系统在结构与电磁性能上都会显著复杂化；交错排布虽然能在同一口径内实现双频覆盖，但会使相邻波导间距增大，容易引发栅瓣问题；同时，交错布局下缝隙耦合密集，增加了频段间互耦与串扰的可能，进而影响隔离和驻波比。
针对上述技术难点，方案综合择优下选择通过在波导中引入脊波导结构并在缝隙附近布置寄生贴片，优化双谐振特性：脊波导改变局部传输常数，寄生贴片提供次谐振通道，从而在单一缝隙实现两个独立谐振峰，改善双频段的辐射效率与隔离度。
2．双频高集成收发链路
双频段系统若采用完全独立的信号源及收发通道，将大大增加舱内载荷中央电子设备的复杂度；且不同于传统的单发多收多波束系统，无法在接收变频处理采用完全一致的频点设计。基于Ku/X链路匹配，方案综合择优下采用时钟同源相参、一级本振复用及AD采样时钟复用的设计理念实现调制频率项的简化；两个频段的发射中频、发射射频、接收中频、接收射频等在板级布局中考虑电子串扰，采用跨层设计，结合多级滤波器实现双频段的信号级隔离。
三、应用展望
1．基于双频协同互补的自然资源普查
面向自然资源综合普查，Ku频段相比于X频段的合成孔径时间更短，可以降低分辨率形成过程中非静止目标的总运动位移量，对于农作物植被、海洋区域等观测具有天然优势，因此如Cryosat-2等天基对海/冰观测雷达都选择了Ku频段作为主工作频段。面向农林经济作物观测，Ku频段不易受到强地表散射、二次散射分量干扰，且图像信息集中于农作物冠层散射特征，对时间相关特征变化敏感，可大幅提升单次或时序监测精度，有利于生长态势感知及生物总量摸底。
L和C等频段载荷由于波长较长，其干涉得到的是数字高程模型（DEM），即主要反映裸露地表的高程信息；而X频段及Ku频段可以在一定程度上进一步体现地物的附加高程，形成数字表层模型（DSM）。Ku频段的测绘产品可以在X频段基础上扩充结构微弱目标、形变微弱目标的表征能力，更有利于山地区域表层滑坡或精细起伏刻画；对于建筑或桥梁等人造目标形变，Ku频段可以与X频段形成互补时序监测，扩充重点区域有效散射点分布密度，强化垮塌、塌方预警能力。
2．基于双频信息融合的重点目标及区域精细观测
面向重点目标精细成像，Ku频段是目前星载SAR的最适用频段；其相比于X频段波长进一步减少30％，能够显著提升在同等分辨率下对于面目标/匀质目标的一次散射信息表征能力，提升雷达产品的可判读性；而X频段更适用于表现二面角引入的多次散射强点结构，两者融合能够大幅提升总信息熵，降低遥感信息解译难度。
面向复杂城市环境综合治理，Ku频段面向典型遥感观测目标的后向散射特性强，入射角等关联量引起的散射特性波动大，相比于X频段更容易获得信噪比综合更优的普查图像。而X频段在20°~45°典型入射角下高分辨率图像的对比度通常更优，有利于实现道路、草地、建筑、湖泊、沙土、房顶等城市区域性要素的高效区分。
四、结束语
Ku/X双频段轻型商业SAR系统总质量小于159kg，攻关突破了双频高隔离波导缝隙天线、双频高集成收发链路等关键技术，在商业载荷典型质量/功耗约束下可实现整机高集成、高性能。载荷在单一频段具备条带、滑动聚束、扫描等成像模式，组合应用型下可进行双频段协同分视场成像、双频段协同同视场成像，未来可广泛应用于自然资源普查、地形及形变检测、城市管理及高价值目标观测等经济民生场景。
来源：卫星应用微信公众号