星載SAR技術(shù)的發(fā)展趨勢及應用淺析

鄧云凱 趙鳳軍 王 宇

(中國科學院電子學研究所 北京 100190)

1 前言

合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一種主動式微波成像傳感器[1－3]，通過發(fā)射寬帶信號，結(jié)合合成孔徑技術(shù)，SAR能在距離向和方位向上同時獲得2維高分辨率圖像。與傳統(tǒng)光學遙感和高光譜遙感相比，SAR具備全天候、全天時的成像能力，還有一定的穿透性，獲得的圖像能夠反映目標微波散射特性，是人類獲取地物信息的一種重要技術(shù)手段[1]。SAR已被廣泛應用于軍事和民生領(lǐng)域，是實現(xiàn)空間軍事偵察、自然資源普查、自然災害監(jiān)測等的重要技術(shù)手段[2－22]。

由于星載SAR具有全球高分辨率成像的能力，因此從1978年美國發(fā)射第1顆合成孔徑雷達衛(wèi)星SEASAT開始，很多國家都陸續(xù)開展星載SAR技術(shù)研究。尤其是近10年來，隨著世界各國對多元空間信息的日益重視，星載 SAR越來越成為對地觀測領(lǐng)域的研究熱點。截止到目前，全球約有20個星載SAR系統(tǒng)在軌，16個星載SAR系統(tǒng)在建；在未來10年，美國計劃發(fā)展約10個星載SAR系統(tǒng)，歐空局計劃發(fā)展約16個星載SAR系統(tǒng)，德國計劃發(fā)展約6個星載SAR系統(tǒng)，加拿大計劃發(fā)展約3個星載 SAR系統(tǒng)，日本計劃發(fā)展約 3－5個星載SAR系統(tǒng)。

雖然我國在星載 SAR技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，但是經(jīng)過20多年的努力，我國在該領(lǐng)域也取得了重大技術(shù)突破，縮短了與世界先進國家的差距。在“十二五”期間，星載 SAR技術(shù)的研究與應用是我國對地觀測領(lǐng)域重點發(fā)展的方向。

本文將圍繞星載 SAR技術(shù)發(fā)展趨勢及潛在的應用展開論述。第2部分論述了星載SAR的高分辨率寬幅成像系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、多基星載 SAR技術(shù)及其應用、多極化 SAR技術(shù)及其應用、超小型星載SAR技術(shù)及其應用、多模式星載SAR技術(shù)及其應用、多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)及其應用等。第3部分是本文結(jié)論。

2 星載SAR技術(shù)的發(fā)展趨勢及應用

隨著科學技術(shù)的進步，星載 SAR正朝著能夠為人們提供更為廣闊、更為豐富、更為細致目標信息的方向發(fā)展。在現(xiàn)階段，關(guān)于星載 SAR的發(fā)展趨勢主要包括以下幾個方面。

2.1 高分辨率寬測繪帶(High-Resolution Wide-Swath,HRWS)SAR成像技術(shù)

自星載SAR應用于遙感成像以來，人們?yōu)榱嗽龃骃AR圖像中所包含的信息量，始終在朝著提高分辨率與測繪帶寬的方向努力[2－6]。例如，土地使用與植被覆蓋情況調(diào)查、海洋監(jiān)視、冰川觀測，都需要SAR具有寬幅成像能力，從而快速了解宏觀信息。在歐空局未來的Sentinel-1星載SAR系統(tǒng)中(如圖1所示)，寬測繪帶成像是一個重要的系統(tǒng)功能。

另一方面，很多遙感應用需要星載 SAR具有高分辨率成像能力。地震與災害情況評估，軍事目標識別，軍事打擊效果評估等都需要對所指定的區(qū)域進行高分辨率成像。目前在軌的 TerraSAR-X,Radarsat-2,COSMO-SkyMed,SAR-Lupe等都具有米級，甚至亞米級的分辨率[5,6]。圖 2與圖 3是TerraSAR-X獲取的高分辨率圖像。我國也在積極開展高分辨率星載SAR與機載SAR的研制，如圖4為中國科學院電子學研究所航天微波遙感部研制的X波段高分辨率機載SAR系統(tǒng)獲得的0.15 m分辨率多極化雷達圖像。

圖1 Sentinel-1示意圖

圖3 TerraSAR-X聚束模式高分辨率圖像(巴西某礦區(qū))

圖4 X波段0.15 m多極化雷達圖像(中國科學院電子學研究所航天微波遙感部提供)

由于受到脈沖重復頻率(Pulse Repetition Frequency,PRF)的限制，傳統(tǒng)星載SAR不能同時實現(xiàn)高分辨率和寬測繪帶。目前，利用方位向多通道技術(shù)是解決這一問題的潛在方案。為了有效解決這一矛盾，世界著名的SAR研制單位EADS,DLR和 JPL把多通道技術(shù)引入到了目前和未來的星載SAR 系統(tǒng)設(shè)計中[2－7]。為了將多通道技術(shù)應用于星載SAR系統(tǒng)設(shè)計，目前迫切需要開展高分辨率SAR圖像應用及特征目標散射機理、通道的一致性、多通道雷達信號冗余機理、多通道數(shù)據(jù)壓縮等前沿基礎(chǔ)理論與核心關(guān)鍵技術(shù)的研究[2－22]。

2.2 多基星載SAR技術(shù)及其應用

多基星載 SAR是指發(fā)射機和接收機分別被安裝在不同衛(wèi)星平臺上的一種 SAR系統(tǒng)。通過靈活配置發(fā)射機和接收機的相對位置，該系統(tǒng)能夠擴展傳統(tǒng)單基SAR的功能、并提高SAR的性能，多基星載SAR具體應用包括以下幾方面：

(1)多基SAR干涉

多基星載 SAR能夠靈活配置衛(wèi)星軌道間垂直軌跡向上的間距，形成多條不同長度的基線，結(jié)合長、短基線的優(yōu)勢，能夠獲得較高的高程測量精度。

目前唯一一套在軌的多星干涉系統(tǒng)是德國的TerraSAR-X/TanDEM-X，它由兩顆 X 波段星載SAR系統(tǒng)TerraSAR-X和TanDEM-X組成，一次飛行可以得到多幅雙基干涉高程圖和單基干涉高程圖。該模式在軌工作示意圖如圖5所示，雙基干涉獲得的高程圖如圖6所示。

(2)運動目標檢測

除了能夠通過干涉獲得地面高程信息外，多基星載 SAR還可實現(xiàn)運動目標檢測。在單次航過時同時獲得長、短基線，通過靈活配置衛(wèi)星數(shù)量和基線組合，多基星載 SAR增大了系統(tǒng)自由度，兼顧地面快、慢速運動目標的檢測、測速和定位能力，增大了動目標可測速范圍。圖7顯示了SAR系統(tǒng)檢測到的不同速度的運動目標。

(3)多種平臺系統(tǒng)成像

星載 SAR可通過天、空、地基相結(jié)合，高、中、低分辨率互補充而形成空時協(xié)調(diào)的多基對地觀測系統(tǒng)。這一系統(tǒng)能夠準確有效、快速及時地對重點軍事區(qū)域進行遠距離靈活安全探測，對重點基礎(chǔ)設(shè)施進行長期穩(wěn)定監(jiān)測。

例如，德國使用TerraSAR-X和歐洲最先進的機載SAR系統(tǒng)PAMIR進行雙基混合實驗獲得了很多有價值的研究結(jié)果[14－16]。其系統(tǒng)幾何配置和成像結(jié)果分別如圖8和圖9所示。

(4)多維成像技術(shù)及其應用

常規(guī) SAR通過距離脈沖壓縮與方位向合成孔徑技術(shù)，只能獲取2維平面信息，卻不能獲取地面的高度信息。然而越來越多的軍事與民用需求已不滿足于2維SAR成像，希望對目標實現(xiàn)真正3維甚至 4維[18－21](3維空間域+時間域)信息提取。3維SAR技術(shù)成像通過2維合成孔徑技術(shù)和發(fā)射寬帶信號來實現(xiàn)3維成像，如圖10所示。在3維成像的基礎(chǔ)之上，通過差分技術(shù)又發(fā)展出了 4維 SAR技術(shù)，如圖11所示[21]。

圖5 TerraSAR-X/TanDEM-X在軌工作示意圖

圖6 TerraSAR-X/TanDEM-X雙基干涉圖(300 MHz，滑動聚束模式)

圖7 艦船速度檢測與位置定位

圖8 TerraSAR-X/PAMIR星-地雙基工作示意圖

圖9 TerraSAR-X/PAMIR星-地雙基成像結(jié)果(300 MHz,滑動聚束模式)

圖10 3維SAR圖像

圖11 4維SAR圖像(右邊的刻度代表形變量：mm)

多維成像技術(shù)在軍事和民用兩方面有著廣泛的應用。在軍事領(lǐng)域，多維成像技術(shù)能夠用于多維軍事目標偵察、精確遠程導彈制導以及軍事摧毀效果多維評估等；在民用方面，多維成像技術(shù)可用于城市建筑物信息提取，地表動態(tài)監(jiān)測和自然資源信息提取等。

因此，對3維和4維SAR成像技術(shù)的探索，已經(jīng)成為近年來星載 SAR技術(shù)及應用研究的一個熱點領(lǐng)域。

2.3 多極化SAR技術(shù)及其應用

多極化SAR技術(shù)利用電磁波的全矢量特性，能夠獲取目標的極化散射回波特性。由于目標的介電常數(shù)、物理特征、幾何形狀和取向等對電磁波的極化方式比較敏感，因而與單極化相比，多極化SAR技術(shù)可以大大地提高SAR獲取目標信息的能力。

多極化 SAR作為一種重要的遙感工具，在軍事偵察、農(nóng)作物估產(chǎn)、環(huán)境災害監(jiān)測、資源勘探等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應用，對國防、國民經(jīng)濟和社會發(fā)展有著重大影響。在軍事領(lǐng)域，多極化SAR可用于軍事目標的檢測與識別。在林業(yè)和農(nóng)業(yè)應用方面，多極化SAR可用于地表參數(shù)反演、農(nóng)作物生長狀況評估、土壤濕度分析等，為農(nóng)業(yè)和林業(yè)部門提供決策依據(jù)；在海洋應用方面，多極化SAR可用于海面溢油檢測、大氣鋒面和海面風場檢測、水面艦船及其尾跡的檢測、海冰類型分類等。圖12是中國科學院電子學研究所航天微波遙感部使用C波段機載SAR系統(tǒng)獲得的1 m分辨率多極化雷達圖像。

現(xiàn)階段，各國學者在多極化SAR領(lǐng)域進行了大量研究工作，其中一些熱點研究技術(shù)包括：多極化合成技術(shù)、目標最優(yōu)極化、目標的多極化分解、多極化SAR圖像分類，此外還包括多極化SAR的目標檢測與識別。

2.4 超小型星載SAR技術(shù)及其應用

隨著科學技術(shù)的發(fā)展及SAR技術(shù)體制的創(chuàng)新，星載SAR載荷系統(tǒng)重量從最初的2000－3000 kg，發(fā)展到目前的300－700 kg，甚至是10 kg以下，在載荷重量上實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。

超小型SAR系統(tǒng)具有體積小、重量輕、技術(shù)含量高、研制周期短、制造費用低、發(fā)射靈活和不易被摧毀等一系列優(yōu)點，而且能較快地采用新技術(shù)成果、容易改型、研制規(guī)模小、生產(chǎn)效率高、適應性強、便于管理、風險性低，具有廣闊的發(fā)展和應用前景。例如，德國的SAR-Lupe，整星總重量僅為770 kg。由于整星體積小、重量輕，該星載SAR通過衛(wèi)星平臺轉(zhuǎn)動實現(xiàn)聚束模式成像，獲得了0.5 m方位分辨率，SAR-Lupe的聚束模式原理如圖13所示。

SAR小型化還是實現(xiàn)深空微波探測的重要技術(shù)途徑，美國和印度就使用超小型的星載SAR系統(tǒng)——MiniSAR實現(xiàn)了對月球的探測，如圖14，圖15所示。

中國科學院電子學研究所也積極開展微型SAR體制研究及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)[22,23]。目前在中國科學院創(chuàng)新項目的支持下，已研發(fā)了一部總重量小于2 kg的機載微型SAR系統(tǒng)，其分辨率為0.2 m。圖16是該系統(tǒng)的天線和中央電子設(shè)備。圖17 是該系統(tǒng)的高分辨率圖像。

2.5 多模式星載SAR技術(shù)及其應用

早期的星載 SAR往往只具有最基本的單極化條帶模式。隨著天線技術(shù)的進步與星上處理能力的提高，現(xiàn)階段的星載SAR可實現(xiàn)多模式工作(如加拿大的RadarSAT-2，德國的TerraSAR-X等)，根據(jù)對測繪帶寬和分辨率的不同需求，在傳統(tǒng)條帶、掃描、聚束、滑動聚束4種模式之間切換，還可利用多極化通道接收回波，實現(xiàn)了多極化觀測。

在單星多工作模式下，星載 SAR可以利用有限的資源來滿足不同的用戶需求[2－6]。例如，在寬幅成像時，星載SAR可利用ScanSAR模式；而在對敏感區(qū)域進行觀測時，星載 SAR可切換到聚束或滑動聚束模式實現(xiàn)高分辨率成像；若在大范圍的觀測區(qū)域需要首先尋找到敏感區(qū)域，而后再精細觀測，星載SAR則可利用條帶與掃描的混合模式[2－6]，該模式如圖18所示。

為實現(xiàn)真正的如圖 18所示的混合模式，星載SAR需要對接收到的原始回波進行初步估計，找出敏感的區(qū)域。星上的回波估計是該模式下有待突破的一個技術(shù)難點。

尤其需要強調(diào)的是美國最新、最先進的多模式空間 SAR系統(tǒng) X-37B，如圖 19所示。它是美國NASA于 1999年正式啟動的 Boeing X-37(也稱Orbital Test Vehicle)無人航天飛行器SAR項目的第2代產(chǎn)品，即X-37A的改進產(chǎn)品。其運行在410 km高度的太陽同步低軌，工作于X波段。該系統(tǒng)具有基于步進頻線性調(diào)頻波形和距離向子帶合成技術(shù)的超高分辨 SAR成像模式，可根據(jù)需要靈活調(diào)整子帶個數(shù)和發(fā)射時序，能夠?qū)崿F(xiàn)0.08－0.8 m的超高斜距分辨率。

2.6 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)及其應用

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，越來越多不同類型的傳感器被應用于目標觀測。由于成像機理的不同和技術(shù)條件的限制，任何一種傳感器獲取的數(shù)據(jù)都不能全面地反映目標的特征。未來的偵察衛(wèi)星會將用多個傳感器，如SAR、光學照相機、高光譜儀等聯(lián)合工作對目標進行觀測，利用多源遙感數(shù)據(jù)融合技術(shù)獲得對同一目標的更為客觀、更本質(zhì)的認識，可增強系統(tǒng)的抗干擾性能和偽裝識別能力，提高系統(tǒng)的可靠性，減少信息的不確定性，提高圖像的空間分辨率，最大限度地提高系統(tǒng)獲取信息的能力。

圖12 多極化雷達圖像(中國科學院電子學研究所航天微波遙感部提供)

圖13 SAR-Lupe在軌工作示意圖

圖14 MiniSAR月球探測系統(tǒng)工作示意圖

圖15 MiniSAR月球南北極地區(qū)圖像

圖16 微型SAR天線和中央電子設(shè)備圖

圖17 微型SAR高分辨率雷達圖像(中國科學院電子學研究所航天微波遙感部提供)

圖18 Strip-Scan混合模式工作

圖19 Boeing X-37 SAR在太空的形態(tài)

SAR與其它傳感器的數(shù)據(jù)融合在許多領(lǐng)域得到了廣泛應用。在軍事領(lǐng)域，多傳感器數(shù)據(jù)融合被應用于戰(zhàn)機、機場、艦船、坦克等重要軍事目標的檢測、定位、識別與跟蹤、反偽裝、戰(zhàn)場監(jiān)視、藏匿武器的監(jiān)測、打擊效果評估等諸多方面。此外，多傳感器數(shù)據(jù)融合還被應用于國土資源開發(fā)領(lǐng)域，如植被覆蓋的統(tǒng)計分析、農(nóng)作物產(chǎn)量估計、城市規(guī)劃、地圖測繪、洪澇災害與地質(zhì)災害等自然災害的預測與評估、環(huán)境監(jiān)測、礦產(chǎn)資源評估與勘查、巖性識別與分類等。

圖20是中國科學院電子學研究所航天微波遙感系統(tǒng)部使用0.15 m高分辨率SAR與光學圖像融合的例子。從圖中可以看出，融合后的圖像展示了更豐富的地物信息，更有利于雷達圖像的判讀。

因此，將星載SAR傳感器和其它空間傳感器進行有效融合，是未來航天對地觀測技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

圖20 SAR與光學圖像融合(中國科學院電子學研究所航天微波遙感部提供)

3 總結(jié)

為進一步滿足人類對地球多維空間信息的需求，星載SAR將以多通道、多基地、多極化、多模式優(yōu)化配置、多傳感器數(shù)據(jù)融合等技術(shù)為手段，以快速獲取地球與空間的多維動態(tài)信息為目的，將人類帶入一個高分辨率、寬測繪帶、多層次、多維、多角度、多模式協(xié)同工作的對地觀測新時代。

然而，為了將以上這些新思想，新模式，新方法真正地工程化、實用化，仍有很多技術(shù)難題有待突破。但隨著技術(shù)的進步，相信這些問題都會被最終解決，星載 SAR的性能也會有跨越式的提高，進入一個新的發(fā)展時期。