國外SAR衛(wèi)星最新進展與趨勢展望

陳筠力,李 威

(1.上海航天技術(shù)研究院,上海 201109； 2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海201109)

國外SAR衛(wèi)星最新進展與趨勢展望

陳筠力1,李 威2

(1.上海航天技術(shù)研究院,上海 201109； 2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海201109)

為推進我國合成孔徑雷達(SAR)衛(wèi)星的發(fā)展并與國際接軌，介紹了德國TanDEM-X系統(tǒng)、意大利Cosmo-SkyMed星座、日本ALOS-2衛(wèi)星、歐空局Sentinel-1星座等國外目前典型在軌SAR衛(wèi)星的系統(tǒng)特點、任務(wù)現(xiàn)狀、數(shù)據(jù)產(chǎn)品和典型應(yīng)用，給出了農(nóng)業(yè)變化檢測、超高精度地表高程數(shù)據(jù)、聯(lián)合航天飛機雷達地形測繪任務(wù)(SRTM)數(shù)據(jù)研究冰原地區(qū)長時間變化、海冰提取與速度估計、CLOSEYE項目、災(zāi)害快速響應(yīng)與監(jiān)測、超大區(qū)域地表微小形變監(jiān)測、建筑物高程測量等應(yīng)用實例。分析了國際上CSG星座、NISAR衛(wèi)星、TanDEM-L系統(tǒng)和RadarSAT星座等下一代系統(tǒng)的組成、工作模式和主要目標。展望了未來SAR衛(wèi)星系統(tǒng)的低成本、輕型化、多模式、分布式、高分辨發(fā)展趨勢。

合成孔徑雷達衛(wèi)星； TanDEM-X系統(tǒng)； Cosmo-SkyMed星座； ALOS-2衛(wèi)星； Sentinel-1星座； CSG星座； NISAR衛(wèi)星； TanDEM-L系統(tǒng)； RadarSAT星座

0 引言

與常規(guī)脈沖多普勒雷達系統(tǒng)不同，SAR衛(wèi)星采用微波有源探測(發(fā)射/接收)方式，通過距離向脈沖壓縮和方位向合成孔徑技術(shù)，可穿透云、雨、霧、沙塵暴等，具備全天候、全天時工作能力，能實現(xiàn)對地高分寬幅成像、干涉測高、地表微小形變監(jiān)測等，是常年多云雨地區(qū)最有效的數(shù)據(jù)獲取方式。有別于光學(xué)遙感，SAR衛(wèi)星可獲取觀測區(qū)域的復(fù)影像，即同時包含強度信息和相位信息。通過合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)技術(shù)，可提取雷達復(fù)影像數(shù)據(jù)的相位信息反演地形和地表微小變化信息。這些特性，使SAR衛(wèi)星在國土資源、地質(zhì)、地震、防災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水文、測繪與軍事等領(lǐng)域有獨特的應(yīng)用價值，受到各國政府和科研機構(gòu)重視，并得到了迅猛發(fā)展。

自1978年世界上第一顆SAR衛(wèi)星(美國Seasat衛(wèi)星)發(fā)射成功以來，原蘇聯(lián)、歐空局、日本、加拿大等都成功發(fā)射了各自的SAR衛(wèi)星。21世紀以來，SAR衛(wèi)星已成為空間對地觀測發(fā)展的“熱點”，相繼有多顆SAR衛(wèi)星成功發(fā)射并投入使用，如ENVISAT，RadarSAT-2，ALOS等衛(wèi)星，將分辨率由早期的20 m提升到米級，由單極化觀測擴展到全極化業(yè)務(wù)化綜合應(yīng)用，工作模式由單波位條帶升級到聚束、條帶、寬幅等多模式復(fù)合觀測，從而進一步提升了空間對地觀測能力。近年來，SAR衛(wèi)星正向多波段、多級化、多模式、高空間分辨率和高重訪率的方向快速發(fā)展，其中出現(xiàn)了德國TanDEM-X系統(tǒng)、意大利Cosmo-SkyMed星座、日本ALOS-2衛(wèi)星、歐空局Sentinel-1星座等優(yōu)秀的雷達衛(wèi)星系統(tǒng)。國內(nèi)，隨著HJ-1C，GF-3等SAR衛(wèi)星的成功發(fā)射，標志著我國進入了SAR衛(wèi)星發(fā)展的快車道。對國外SAR衛(wèi)星的最新進展和趨勢進行分析，研究未來SAR衛(wèi)星的發(fā)展趨勢，可為我國未來SAR衛(wèi)星的發(fā)展提供參考。本文分析了德國TanDEM-X系統(tǒng)、意大利Cosmo-SkyMed星座、日本ALOS-2衛(wèi)星、歐空局Sentinel-1星座的系統(tǒng)特點、任務(wù)現(xiàn)狀、數(shù)據(jù)產(chǎn)品、典型應(yīng)用等最新進展，介紹了國際上正在積極部署的NISAR，TanDEM-L，CSG等下一代SAR衛(wèi)星系統(tǒng)，并聚焦未來，提出未來SAR衛(wèi)星的可能發(fā)展方向，以及SAR衛(wèi)星發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)和研究重點，為我國該領(lǐng)域的快速發(fā)展提供支撐。

1 國外SAR衛(wèi)星系統(tǒng)最新進展

依據(jù)美國憂思科學(xué)家聯(lián)盟(Union of Concerned Scientists)發(fā)布的數(shù)據(jù)，截至2016年6月，在軌運行的1 419顆衛(wèi)星中有33顆為SAR衛(wèi)星，其中的絕大多數(shù)集中于LEO軌道。目前主要的在軌衛(wèi)星如圖1所示。其中，有廣泛商業(yè)應(yīng)用的衛(wèi)星為德國TerraSAR-X/TanDEM-X系統(tǒng)共2顆衛(wèi)星、意大利Cosmo-SkyMed星座共4顆衛(wèi)星、日本ALOS-2衛(wèi)星共1顆衛(wèi)星、歐空局Sentinel-1星座共2顆衛(wèi)星。

1.1 德國TanDEM-X系統(tǒng)

TanDEM-X系統(tǒng)，由兩顆基本相同的SAR衛(wèi)星組成。雙星以近距(120～500 m)繞飛形式獲取12 m網(wǎng)格間距、相對高程精度2 m的全球數(shù)字高程模型(DEM)[1-17]。DEM原始觀測數(shù)據(jù)的獲取已于2014年完成，預(yù)計于2016年秋完成全球DEM數(shù)據(jù)處理，最終的DEM數(shù)據(jù)空區(qū)極少。隨后，系統(tǒng)利用雙星繞飛特性，開展大量科學(xué)應(yīng)用演示驗證。系統(tǒng)后續(xù)將用于選定區(qū)域的更高精度DEM生成及未來的科學(xué)試驗項目。

1.1.1 系統(tǒng)特點

TanDEM-X衛(wèi)星僅在TerraSAR-X衛(wèi)星基礎(chǔ)上進行了很小的改進。雙星通過靈活配合，可實現(xiàn)順軌干涉、切軌干涉、乒乓發(fā)射等多種工作模式。雙星設(shè)計壽命均為5.5年?；谀壳笆褂们闆r，雙星可聯(lián)合工作至2018年，單星壽命可延長至2020年。

系統(tǒng)以Helix構(gòu)形進行安全的近軌編隊飛行。通過設(shè)置不同偏心率和近地點幅角獲得面內(nèi)微小偏移量，通過設(shè)置不同升交點赤徑獲得面外微小偏移量，進而實現(xiàn)沿航向和垂直航向的空間基線。其中垂直航向基線變化范圍為120 m～10 km，沿航向基線變化范圍為零到數(shù)百公里，具體長度可根據(jù)測量要求進行精確調(diào)整。

雙星使用同一個地面站。該站最初用于TerraSAR-X衛(wèi)星，后為TanDEM-X衛(wèi)星進行了擴展升級。

1.1.2 任務(wù)現(xiàn)狀

2010年12月～2014年，系統(tǒng)用于獲取地表高程數(shù)據(jù)，該階段只進行了極少數(shù)的科學(xué)數(shù)據(jù)獲取。

其中：2010年12月～2012年1月，系統(tǒng)完成全球首次覆蓋；2012年1月～2013年3月，系統(tǒng)完成第二次全球覆蓋；2013年8月，通過改變Helix構(gòu)形，以相反的觀測幾何對山區(qū)進行觀測。對沙漠等低信噪比區(qū)域，系統(tǒng)采用低視角觀測。隨后系統(tǒng)恢復(fù)初始構(gòu)形，以更長基線對南極州進行觀測。整個觀測階段于2014年中完成。2014年下半年及2015年主要是科學(xué)應(yīng)用階段，該階段系統(tǒng)工作在追逐和雙站模式。科學(xué)階段時間表見表1。由于系統(tǒng)運行良好，后續(xù)將用于生成更高精度的數(shù)據(jù)，預(yù)期網(wǎng)格間距6 m，相對高程精度優(yōu)于1 m。此階段也會開展大量科學(xué)應(yīng)用試驗，涉及洋流測量、新SAR技術(shù)的演示應(yīng)用，重點關(guān)注多基SAR、極化干涉SAR、數(shù)字波束形成和甚高分辨率。

配套地面系統(tǒng)于2013年底完成定標，開始生成1°場景19 000景。整個地面系統(tǒng)可進行持續(xù)的性能監(jiān)控和狀態(tài)確認，甚至可為后續(xù)觀測計劃提供反饋，以獲取額外的觀測數(shù)據(jù)。

1.1.3 數(shù)據(jù)產(chǎn)品

該系統(tǒng)的首要目標是連續(xù)大面積獲取高精度全球DEM數(shù)據(jù)，高程精度見表2。該數(shù)據(jù)精度較已有的全球尺度的DEM數(shù)據(jù)提升了30余倍， SRTM DEM和TanDEM-X DEM對比如圖2所示。目前，除南極州和小島外，其余陸地表面的高精度DEM均已生成。

通過將系統(tǒng)獲取的DEM數(shù)據(jù)與ICESat衛(wèi)星的定標點進行對比，所得TanDEM-X系統(tǒng)DEM數(shù)據(jù)絕對高程精度全球分布如圖3所示?？芍^對高程精度約1.3 m，遠高于10 m的系統(tǒng)指標要求。對相對高程精度來說，主要誤差源為系統(tǒng)的隨機誤差，可通過系統(tǒng)相干性和相位誤差進行解算，TanDEM-X系統(tǒng)DEM數(shù)據(jù)相對高程精度全球分布的計算結(jié)果如圖4所示?？芍緿EM數(shù)據(jù)中，98.5%滿足平地2 m、山地4 m的相對高程指標。指標超差地區(qū)多為茂密森林和冰雪覆蓋區(qū)域。此外，對沙漠地區(qū)，可采用更低入射角以獲取高信噪比。

表1 科學(xué)階段時間表

圖2 SRTM DEM和TanDEM-X DEM對比Fig.2 Comparison between SRTM DEM and TanDEM-X DEM

圖3 TanDEM-X系統(tǒng)DEM數(shù)據(jù)絕對高程精度全球分布Fig.3 TanDEM-X DEM absolute height accuracy global distribution

參數(shù)說明指標絕對高程精度全球90%線性誤差優(yōu)于10m相對高程精度1°網(wǎng)格90%線性點對點誤差優(yōu)于2m(坡度小于20%)優(yōu)于4m(坡度大于20%)

圖4 TanDEM-X系統(tǒng)DEM數(shù)據(jù)相對高程精度全球分布Fig.4 TanDEM-X DEM relative height accuracy global distribution

1.1.4 典型應(yīng)用

系統(tǒng)的首要任務(wù)是獲取全球地表高程數(shù)據(jù)，順軌干涉(如洋流監(jiān)測)是次要任務(wù)。系統(tǒng)也支持SAR新技術(shù)的演示應(yīng)用，如多基地SAR、極化干涉SAR、數(shù)字波數(shù)形成和超分辨等。為滿足更多的科學(xué)應(yīng)用，建成了TanDEM-X科學(xué)服務(wù)系統(tǒng)，用于將科學(xué)家的數(shù)據(jù)請求轉(zhuǎn)為系統(tǒng)的觀測任務(wù)，并將其編入系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取規(guī)劃。目前科學(xué)應(yīng)用研究主要集中于切軌干涉、順軌干涉和新的SAR技術(shù)三個方面。

a)基于時間序列的長基線雙極化數(shù)據(jù)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)變化監(jiān)測

農(nóng)作物的變化檢測，需要系統(tǒng)具備更高的測高靈敏度(約5～10 m)，這恰可通過增加系統(tǒng)基線長度實現(xiàn)。2015年5月～9月，德宇航局(DLR)開展了基于玉米、油菜和小麥的變化檢測試驗，不同時間獲得的作物相對2015年5月25日的高程變化如圖5所示。圖5中：黃色為玉米；藍色為油菜；紅色為小麥。

試驗結(jié)果表明：通過拉長系統(tǒng)基線，可增大系統(tǒng)對地表高程的靈敏度，進而實現(xiàn)對地表農(nóng)作物的微小變化檢測。同樣，系統(tǒng)也可應(yīng)用類似的技術(shù)，實現(xiàn)對森林變化的檢測。

b)利用長基線干涉獲取超高精度地表高程數(shù)據(jù)

潮坪是幾近平坦的沿海區(qū)，交替被潮水淹沒或露出水面，含有多種未固結(jié)沉淀物，該區(qū)域很難進行實地測量?？紤]潮坪坡度和高程變化均較小(試驗區(qū)坡度小于1°，高程變化小于5 m)，較適于長基線干涉獲取連續(xù)大范圍高精度DEM數(shù)據(jù)。Yawol數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖6所示，其高程模糊3.9 m。圖6中：紅點對應(yīng)GPS位置。將生成的DEM與GPS觀測值比較，兩者均方根誤差優(yōu)于0.5 m。這表明：用長基線干涉觀測小坡度、高程平緩地區(qū)可有效提高地表高程測量精度。

圖5 不同時間試驗區(qū)的農(nóng)作物地圖高程變化Fig.5 Crop map of selected area respected to acquisition on May 25, 2015

圖6 Yawol去平影像Fig.6 Flattened image of Yawol

c)聯(lián)合SRTM數(shù)據(jù)研究冰原地區(qū)長時間變化

冰原與地表水循環(huán)及海平面關(guān)系重大，受限于冰原的變化極為緩慢，因此需針對樣本開展多年甚至數(shù)十年的數(shù)據(jù)累積研究。SRTM于2000年首次獲取地表高程數(shù)據(jù)，時隔14年后，TANDEM-X系統(tǒng)再次對全球進行地表高程測量，通過數(shù)據(jù)對比分析，可有效了解地表冰原近十余年的變化。對巴塔哥尼亞冰原北部，應(yīng)用了5組TANDEM-X系統(tǒng)升軌數(shù)據(jù)，所得對比結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：觀測區(qū)冰原消融非常明顯，尤其是在冰原邊緣地區(qū)，冰原逐年收縮，即使在冰原中心區(qū)域每年的平均消融量也有0.6 m。

圖7 2000～2014年觀測區(qū)的高程變化速率Fig.7 Elevation change rate of NPI forobservation period 2000～2014

d)應(yīng)用混合基線實現(xiàn)海冰提取與速度估計

海冰約占全球海洋面積的10%，極大影響人類的海上活動，如遠洋捕撈、貿(mào)易運輸、石油開采等，因此需對海冰識別及其速度估計進行研究。由于海水與海冰的相干性差異，海水相干系數(shù)小于0.4，海冰相干系數(shù)大于0.6，可實現(xiàn)海冰與海水的分離。海冰識別結(jié)果如圖8所示。圖8中：青色為陸地；藍色為海水；白色為海冰。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取時的基線是包含順軌和切軌長度的混合基線，通過先驗信息(海冰高程及X波段穿透能力)可有效分離干涉高程相位，進而對順軌基線信息處理以獲得海洋的運動速度估計，結(jié)果如圖9所示。

1.2 意大利Cosmo-SkyMed星座

Cosmo-SkyMed(Constellation of small satellites for mediterranean basin observation)星座由意大利主導(dǎo)，實施對地觀測[18-25]。作為軍民兩用的衛(wèi)星星座，該系統(tǒng)通過協(xié)作、擴展、多傳感器及多年的運行經(jīng)驗，充分滿足了軍民兩方面的應(yīng)用需求，提供的產(chǎn)品和服務(wù)廣泛用于全球環(huán)境監(jiān)測、科學(xué)及商業(yè)目的與國家安全等戰(zhàn)略應(yīng)用。該系統(tǒng)運行至今已有5年時間。

1.2.1 系統(tǒng)特點

系統(tǒng)于2007年6月～2010年11月逐步實施，建設(shè)時間表和狀態(tài)見表3。系統(tǒng)由4顆中等大小低軌SAR衛(wèi)星組成，軌道高度約620 km，在常規(guī)條件下衛(wèi)星間距90°相位，均勻分布在軌道面上，可實現(xiàn)1天2次對同一地區(qū)的觀測。系統(tǒng)工作于X波段，于2011年5月進入全系統(tǒng)工作模式。

基于雙用戶概念考慮，系統(tǒng)資源75%提供民用，25%提供軍用。民用領(lǐng)域包括科研機構(gòu)和商業(yè)應(yīng)用兩部分。意大利宇航局為科研機構(gòu)提供技術(shù)和運營管理，e-Geos公司負責(zé)系統(tǒng)的商業(yè)化運營。

圖8 海冰識別結(jié)果

圖9 海冰地速估計結(jié)果Fig.9 Estimated ground range velocity of sea ice

衛(wèi)星發(fā)射時間計劃壽命預(yù)計壽命首發(fā)星PFM2007-06-082014-062016-06-07第二顆星FM#22007-12-092014-122016-12-08第三顆星FM#32008-10-252015-102016-10第四顆星FM#42010-11-062017-112017-11

1.2.2 任務(wù)現(xiàn)狀

為更好地迎合用戶并提供持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在軌進行了如下改進。

a)亞米級分辨率

系統(tǒng)設(shè)計了新的聚束模式，其中SPOT-1A為軍用，SPOT-2A為民用，分辨率提升至到亞米級。

b)系統(tǒng)響應(yīng)時間縮短為12 h

系統(tǒng)可為民用用戶提供1天2次的對地觀測服務(wù)。

c)民用能力開發(fā)

系統(tǒng)空間段標稱每天可獲取1 800景(每顆衛(wèi)星聚束75景+條帶375景或掃描150景)，目前地面系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)當天下傳能力。

目前，意宇航局正在研制2顆第二代星與目前在軌4星組成二代6星系統(tǒng)。相應(yīng)的地面系統(tǒng)也在升級論證過程中。

1.2.3 數(shù)據(jù)產(chǎn)品

系統(tǒng)具備條帶、聚束和掃描三種工作模式，聚束模式用于高分辨率中等幅寬，條帶模式用于中等分辨率大幅寬，掃描模式用于低分辨率超大幅寬。不同模式的分辨率、幅寬見表4。

表4 系統(tǒng)傳感器工作模式

根據(jù)2015年12月的統(tǒng)計，74%的用戶選擇條帶-HIMAGE模式，4%的用戶選擇STR-PINGPONG模式，12%的用戶選擇SCN_HUGE模式，4%的用戶選擇SCN_WIDE模式，6%的用戶選擇SP_ENHANCED。多數(shù)用戶選擇條帶-HIMAGE模式的原因是其較均衡的分辨率和帶寬及干涉能力。

1.2.4 典型應(yīng)用

系統(tǒng)主要任務(wù)是實現(xiàn)對用戶需求的快速響應(yīng)，如農(nóng)業(yè)、林業(yè)監(jiān)測，船只監(jiān)測，海洋監(jiān)視，滑坡監(jiān)測，極地研究，快速測繪制圖，文化遺產(chǎn)觀測，戰(zhàn)略監(jiān)視等。

a)CLOSEYE項目

CLOSEYE項目旨在為歐洲提供一個安全可靠的外部周邊地區(qū)快速態(tài)勢感知和應(yīng)急響應(yīng)能力。項

目由西班牙發(fā)起，參與國包括葡萄牙和意大利，重點關(guān)注區(qū)域為地中海和奧爾堡海域。Cosmo-SkyMed星座參與了項目的演示驗證。在2015年11月16日～20日，為海軍提供了大量圖片，為海軍艦船檢測提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，保障了項目的演示效果。

b)災(zāi)害快速響應(yīng)

2015年4月尼泊爾地震，意宇航局在震后4 d得到圖像。通過干涉相干變化檢測生成災(zāi)區(qū)受損地圖，用于災(zāi)情評估和災(zāi)后重建。尼泊爾應(yīng)用干涉相干變化檢測生成的災(zāi)害分布圖如圖10所示。

2014年8月美加州地震，意宇航局在震后3 d得到并提供圖像，同天相關(guān)研究機構(gòu)生成同震形變圖，用于災(zāi)情評估和救援指導(dǎo)。

2013年11月海燕超強臺風(fēng)登陸菲律賓，造成巨大損失。意宇航局與美宇航局合作，利用2013年8月19日～11月11日的圖像，進行干涉相干變化檢測，提取受災(zāi)區(qū)域以指導(dǎo)救災(zāi)和災(zāi)后重建。

c)超大區(qū)域地表微小形變監(jiān)測

通過對意大利全境進行永久散射體SAR干涉(PS-InSAR)監(jiān)測，驗證基于SAR衛(wèi)星開展全球尺度下地表微小形變監(jiān)測的可行性。項目采用了1992～2014年間ERS，Envisat，Cosmo-SkyMed多星數(shù)據(jù)約20 000景，其中ERS，ENVISAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)約15 000景，Cosmo-SkyMed星座數(shù)據(jù)約5 000景，處理結(jié)果如圖11～12所示。通過比較分析，Sentinel-1星座更適于全球大范圍日常觀測，而Cosmo-SkyMed等高分辨系統(tǒng)更適于局部區(qū)域的重點觀測。

圖10 尼泊爾應(yīng)用干涉相干變化檢測生成的災(zāi)害分布圖Fig.10 Nepal damage proxy map derived from temporal changes in interferometric SAR coherence

圖11 用2011～2014年間Cosmo-SkyMed星座數(shù)據(jù)生成的地表形變監(jiān)測結(jié)果Fig.11 Surface deformation measurements obtained by PS SAR interferometryprocessing of Cosmo-SkyMed data acquired from 2011 to 2014

圖12 用1992～2000年間ERS數(shù)據(jù)及2003～2010年間ENVISAT數(shù)據(jù)生成的地表形變監(jiān)測結(jié)果Fig.12 Italy’s surface deformation measurements by PS SAR interferometry processing of ERS dataacquired from 1992 to 2000 and ENVISAT data acquired from 2003 to 2010

1.3 日本ALOS-2衛(wèi)星

ALOS-2(Advanced Land Observing Satellite-2)衛(wèi)星于2014年5月24日成功發(fā)射，星上搭載國際先進水平的L波段四極化相控陣天線(PALSAR-2)，將分辨率由PALSAR天線的10 m提升至3 m[26-38]。經(jīng)在軌測試與定標，ALOS-2衛(wèi)星標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品于2015年11月通過網(wǎng)站對外發(fā)布。ALOS-2衛(wèi)星已支持了全球范圍內(nèi)多起由地震、滑坡、臺風(fēng)等引起的災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)。衛(wèi)星設(shè)計壽命5年，目標7年。

1.3.1 系統(tǒng)特點

為實現(xiàn)3 m分辨率，ALOS-2衛(wèi)星幾乎使用了國際電聯(lián)配給L波段用于對地主動觀測的全部帶寬。為實現(xiàn)更高的系統(tǒng)靈敏度，首次在星上使用氮化鎵放大器驅(qū)動的TR組件。載荷短期功率大于6 000 W。PALSAR-2天線安裝于衛(wèi)星對地面，通過衛(wèi)星平臺機動實現(xiàn)左右側(cè)視功能。衛(wèi)星采用X波段對地傳輸數(shù)據(jù)(速率800 Mb/s)。PALSAR-2天線通過精確軌道控制，實現(xiàn)500 m管道半徑內(nèi)的嚴格回歸，用于提升重軌干涉相干性。為實現(xiàn)大區(qū)域重軌干涉，PALSAR-2天線配備了干涉掃描模式。為實現(xiàn)災(zāi)害的快速響應(yīng)，系統(tǒng)回歸周期為14 d。

1.3.2 任務(wù)現(xiàn)狀

為實現(xiàn)災(zāi)后的應(yīng)急響應(yīng)，通過基本觀測場景(BOS)規(guī)劃，ALOS-2衛(wèi)星在日本規(guī)劃了數(shù)種入射角條件下的數(shù)據(jù)產(chǎn)品用于干涉對的快速生成。目前已累積的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如圖13所示，左側(cè)視的觀測還未累積完成。全球范圍內(nèi)10 m分辨率雙極化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取正在進行中。

圖13 基于3 m分辨率的日本已獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)覆蓋圖Fig.13 Coverage of acquired data for Japan basemap with 3 m resolution mode

1.3.3 數(shù)據(jù)產(chǎn)品

系統(tǒng)具備條帶、聚束和掃描三種工作模式。聚束模式分辨率1 m×3 m，觀測帶寬度25 km；條帶模式分辨率3/6/10 m，觀測帶寬度50～70 km；掃描模式60/100 m，觀測帶寬度350/490 km。系統(tǒng)具備單極化、雙極化和四極化功能。

1.3.4 典型應(yīng)用

ALOS-2衛(wèi)星的一項重要應(yīng)用是實現(xiàn)災(zāi)害觀測，得益于L波段在植被地區(qū)的高相干性，至2015年底，ALOS-2衛(wèi)星已在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)應(yīng)急響應(yīng)173次，涉及地震、火山、洪水滑坡等多災(zāi)種。

a)基于差分干涉的火山噴發(fā)形變監(jiān)測

日本是火山多發(fā)國，Sakurajima島火山噴發(fā)形變監(jiān)測結(jié)果如圖14所示。數(shù)據(jù)采用二軌法差分干涉處理，兩景數(shù)據(jù)獲取時間為2015年8月16日和2015年1月4日。圖14中可清晰看到由于火山噴發(fā)導(dǎo)致的巨大形變。

圖14 Sakurajima島差分干涉處理結(jié)果Fig.14 Result of differential interferometry overSakurajima island

b)基于干涉相干的洪水受災(zāi)區(qū)域估計

由于連日暴雨，Kinugawa河的洪水沖跨了堤岸，導(dǎo)致沿河大面積區(qū)域受災(zāi)，ALOS-2衛(wèi)星通過連續(xù)觀測，生成基于時間序列的變化檢測結(jié)果，用于指導(dǎo)災(zāi)區(qū)救援。用ALOS-2衛(wèi)星在2015年9月10日獲取得到的數(shù)據(jù)結(jié)合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生成的變化檢測結(jié)果如圖15所示。圖15中：藍色表示后向散射下降區(qū)域，即洪水覆蓋區(qū)域。

圖15 2015年9月10日數(shù)據(jù)成生的Joso市偽彩色圖像Fig.15 Color composite image using data before andafter flooding around Joso city on Sept. 10,2015

c)基于四極化分類的農(nóng)業(yè)監(jiān)測

利用四極化數(shù)據(jù)進行極化分解，可實現(xiàn)地物分類。Niigata農(nóng)業(yè)區(qū)極化分解結(jié)果如圖16所示，偽彩圖像中：藍色表示存在面散射的裸露地表或莊稼；綠色表示存在體散射的植被區(qū)；紅色表示引起了兩次反射的人工建筑；黑色表示平坦區(qū)域。類似地，可用該法對森林采伐進行監(jiān)測，進而實現(xiàn)對全球森林保有量及變化的估計。

1.4 歐空局Sentinel-1星座

Sentinel-1星座隸屬于歐空局對地觀測計劃(EOP)，由Sentinel-1A，Sentinel-1B兩顆衛(wèi)星組成。其中：Sentinel-1A衛(wèi)星于2014年4月3日成功發(fā)射，在軌測試至2014年9月；Sentinel-1B衛(wèi)星于2016年4月25日成功發(fā)射，在軌測試4個月。系統(tǒng)單星回歸周期為12 d，雙星均勻分布在同一軌道面上，使系統(tǒng)回歸周期縮短為6 d[39-48]。

1.4.1 系統(tǒng)特點

Sentinel-1星座在ERS，ENVISAT衛(wèi)星基礎(chǔ)上進行了大量改進，如改進的波模式、改進的多普勒估計、更系統(tǒng)的雙極化和全新的TOPSAR工作模式。考慮重軌干涉應(yīng)用，衛(wèi)星通過精密軌道控制可實現(xiàn)200 m直徑管道內(nèi)的嚴格回歸。

圖16 位于Niigata的農(nóng)業(yè)區(qū)Fig.16 Agricultural field in Niigata

1.4.2 任務(wù)現(xiàn)狀

作為哥白尼全球?qū)Φ赜^測項目研制的首顆衛(wèi)星，Sentinel-1星座采用預(yù)編程、無沖突的運行模式，開展全球陸地、海岸帶、航線的高分辨率監(jiān)測，可實現(xiàn)全球海洋的大區(qū)域覆蓋，也為同一地區(qū)的長時間序列等各種運營應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。與其它衛(wèi)星運營模式不同，通過The Sentinel-1 Scientific Data Hub(https://scihub.esa.int)網(wǎng)站可免費獲取該衛(wèi)星Level-0，Level-1級存檔數(shù)據(jù)。

1.4.3 數(shù)據(jù)產(chǎn)品

衛(wèi)星配置了條帶模式、廣域干涉模式、超幅寬模式和波模式四種模式。其中：廣域干涉模式采用改進的TOPSAR技術(shù)，在實現(xiàn)廣域觀測的同時保證多幅圖像間的干涉質(zhì)量，是干涉向連續(xù)大范圍區(qū)域觀測邁出的重要一步；波模式用于海洋參數(shù)獲取。各工作模式數(shù)據(jù)產(chǎn)品指標見表5。

1.4.4 典型應(yīng)用

Sentinel-1星座充分延續(xù)了ERS，ENVISAT衛(wèi)星的在軌職能，主要用于陸地和海洋對地觀測，由于采用C波段數(shù)據(jù)，非常適于水體特征提取。歐空局為方便全球科學(xué)家使用Sentinel-1星座數(shù)據(jù)，在提供免費數(shù)據(jù)的同時，開發(fā)了免費的工具箱用于數(shù)據(jù)處理。

表5 系統(tǒng)傳感器工作模式數(shù)據(jù)產(chǎn)品指標

a)基于PS-InSAR的地表變化監(jiān)測

基于廣域干涉模式的長時間序列分析，可實現(xiàn)連續(xù)大范圍地表微小形變監(jiān)測，地下水開采和土壤固結(jié)是城市區(qū)域地面沉降的重要原因。墨西哥城的觀測結(jié)果如圖17所示，該城市每月的地表沉降約2 cm。

圖17 墨西哥城形變圖Fig.17 Deformation map over Mexico City

b)基于層析的建筑物高程測量

層析成像采用切軌基線上的時間序列采樣，實現(xiàn)地表高度維的分辨能力。基于該方法的處理結(jié)果如圖18所示。圖18中：墨西哥城的最高建筑——市長大樓清晰分辨，從而證明Sentinel-1星座具備一定條件下的層析成像能力。

圖18 Sentinel-1對高225 m的市長大樓的層析成像結(jié)果Fig.18 Sentinel-1 tomogram of height 225 m Torre Mayor

2 國外SAR衛(wèi)星系統(tǒng)計劃與趨勢展望

2.1 意大利Cosmo-SkyMed Second Generation星座

繼2010年意大利完成Cosmo-SkyMed星座4星在軌運行后，意大利宇航局和意大利國防部聯(lián)合啟動了Cosmo-SkyMed Second Generation(CSG)衛(wèi)星的研制計劃，用于增強現(xiàn)有星座的功能和性能。二代星新增全極化觀測能力及多種試驗?zāi)Ｊ剑姳?。表6中，CE為圓誤差。如DI2S技術(shù)，通過復(fù)用脈沖重復(fù)周期，實現(xiàn)對兩景圖像的同時成像，基于聚束模式的兩景成像如圖19所示；通過增強衛(wèi)星平臺的靈活性，在左右側(cè)視的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)星載斜視成像。二代星計劃2顆，發(fā)射后入軌后將與一代4顆星組成6星星座——CSG星座[49-54]。

圖19 基于DI2S技術(shù)的聚束模式多景成像示例Fig.19 DI2S spotlight multi-swath mode examples

工作模式極化范圍幅寬(方位′垂直)分辨率(方位′垂直)噪聲等效散射系數(shù)定位聚束2A單/雙20°～25°目標3.1km′7.3km0.35m′0.55m目標-23.5dB25°～50°目標3.2km′7.3km0.35m′0.51m目標-22.5dB50°～60°目標4.4km′7.3km0.35m′0.48m目標-20dB1.25m(90%CE)聚束2B單/雙20°～60°10km′10km0.63m′0.63m目標-20dB1.25m(90%CE)聚束2C單/雙20°～25°25°～50°50°～60°目標5km′10km0.8m′0.8m目標-22dB目標-20dB目標-19dB1.25m(90%CE)條帶單/雙20°～50°40km′40km50°～60°40km′30km3m′3m-22dB2m(90%CE)Ping-Pong雙/四20°～50°目標40km′40km50°～60°目標40km′30km目標12m′5m目標-24dB10m(3s)條帶四極化四20°～45°40km′15km3m′3m目標-25dB2m(90%CE)掃描SAR1單/雙20°～60°100km′100km20m′4m-22dB10m(3s)掃描SAR2單/雙20°～50°200km′200km50°～60°200km′190km40m′5m-22dB10m(3s)

2.2 美國NISAR衛(wèi)星

NASA-ISRO SAR(NISAR)衛(wèi)星是由美宇航局(NASA)和印度空間研究組織(ISRO)共同研發(fā)的基于L，S雙波段SAR的天基對地觀測系統(tǒng)[55]。系統(tǒng)采用反射面天線實現(xiàn)較大的觀測帶寬度。NASA研制L/S波段電子設(shè)備結(jié)構(gòu)、L波段電子設(shè)備、12 m反射面和支架、含固存(>9 Tb)的雷達接口設(shè)備、高速Ka波段數(shù)傳、GPS接收機；ISRO研制衛(wèi)星平臺、運載火箭、S波段電子設(shè)備、備份高速Ka波段數(shù)傳。目前工程處于樣機研制階段。

NISAR衛(wèi)星計劃于2020年發(fā)射，衛(wèi)星設(shè)計壽命3年。衛(wèi)星采用高度740 km的12 d嚴格回歸太陽同步晨昏軌道。衛(wèi)星每年回歸周期30個，其中25個用于右側(cè)視成像，剩余5個設(shè)計在南半球冬季，用于對南極洲進行觀測。L，S波段雷達既可獨立也可聯(lián)合工作。為增加系統(tǒng)的觀測帶寬度，載荷采用了SweepSAR技術(shù)，用于實現(xiàn)240 km的觀測帶寬度，距離向3～10 m、方位向7 m分辨率對地成像。

這是美國在民用領(lǐng)域繼1978年發(fā)射首顆SAR衛(wèi)星后，第二次組織發(fā)射雷達衛(wèi)星，受到了全球科研機構(gòu)的廣泛關(guān)注。

2.3 德國TanDEM-L系統(tǒng)

TanDEM-L系統(tǒng)由兩顆近軌繞飛的L波段SAR衛(wèi)星組成，如圖20所示，用于測量全球的地表變化，為生物圈、巖石圈、低溫層和水圈等科學(xué)研究提供觀測數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的一項重要目標是對全球的森林生物量進行測量，以期更好地了解全球碳循環(huán)過程[56-57]。此外，系統(tǒng)還能實現(xiàn)毫米級的地表形變測量，用于研究地震及分析風(fēng)險、觀察極地冰河的移動及消融過程、測量土壤淺層含水量、觀測海表動力學(xué)及冰川移動。

圖20 TanDEM-L衛(wèi)星系統(tǒng)Fig.20 TanDEM-L satellite system

該系統(tǒng)衛(wèi)星軌道高度745 km，回歸周期16 d。為實現(xiàn)重軌干涉，軌道管道直徑設(shè)為500 m(3σ)。在一個回歸周期內(nèi)，可實現(xiàn)單極化、雙極化左右側(cè)視共4次全球覆蓋。為實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高速下傳，衛(wèi)星配備Ka波段2.6 Gb/s數(shù)據(jù)下傳能力，與地面接收站可實現(xiàn)每天8 Tb的數(shù)傳能力。

系統(tǒng)搭載先進的L波段SAR載荷，可實現(xiàn)多種分辨率條件下的廣域觀測，見表7。系統(tǒng)的等效噪聲系數(shù)優(yōu)于-25 dB；模糊度單/雙極化優(yōu)于-25 dB，四極化優(yōu)于-22 dB。為實現(xiàn)高分寬幅，系統(tǒng)采用距離向數(shù)字波束形成，按回波時序，通過電掃調(diào)節(jié)距離向接收波束接收雷達回波信號。

目前衛(wèi)星已完成A階段設(shè)計，正在開展B1階段研究，預(yù)計于2017年中期完成。衛(wèi)星系統(tǒng)計劃于2022年末發(fā)射。

2.4 加拿大RadarSAT星座

目前加拿大正在研制RadarSAT星座，計劃于2018年發(fā)射，用于接替2007年發(fā)射的RadarSAT-2衛(wèi)星。星座設(shè)計由3顆C波段小衛(wèi)星組成，單星質(zhì)量1 560 kg，均勻分布在高度600 km的同一軌道面上，可實現(xiàn)4 d的嚴格回歸，用于基于相干性的變化檢測技術(shù)[58]。此外，系統(tǒng)可實現(xiàn)每天全球50 m分辨率的重復(fù)觀測。對地面站可視范圍內(nèi)的艦船檢測，系統(tǒng)可在10 min內(nèi)完成數(shù)據(jù)獲取與對地傳輸。

表7 TanDEM-L衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)產(chǎn)品

除SAR載荷外，衛(wèi)星還搭載自動檢測系統(tǒng)(AIS)。SAR載荷具備三種觀測模式：聚束模式可實現(xiàn)1 m分辨率；條帶模式可實現(xiàn)3/5 m分辨率；掃描模式可實現(xiàn)16～100 m分辨率。系統(tǒng)具備雙極化、四極化及減縮極化模式。

2.5 發(fā)展趨勢展望

國際上，SAR衛(wèi)星系統(tǒng)已進入高速發(fā)展階段，除美國、加拿大、德國、日本等傳統(tǒng)強國外，越來越多的國家和地區(qū)已開始進入該領(lǐng)域，如印度與美國合作的NISAR、韓國的KOMPSAT 5/6等項目[59-62]。此外，新模式新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，這在傳統(tǒng)強國研發(fā)下一代SAR衛(wèi)星系統(tǒng)中體現(xiàn)得尤為明顯。因SAR衛(wèi)星可穿透云、雨、霧、沙塵暴等，具備全天候、全天時工作能力，故在未來相當長時間內(nèi)必將保持強勁的發(fā)展勢頭。

在衛(wèi)星系統(tǒng)方面，各國發(fā)展的衛(wèi)星均有其獨有特色，除波段不同外，衛(wèi)星或編隊繞飛，或在軌組網(wǎng)，或干涉，或極化，或多頻，充分呈現(xiàn)出多樣性。

在在軌任務(wù)與使用方面，除應(yīng)急響應(yīng)各星均優(yōu)先保證外，各星的使用規(guī)劃也呈現(xiàn)出明顯的差異性，如TanDEM-X系統(tǒng)用于地表高程測量，Cosmo-SkyMed星座軍民共用，ALOS-2衛(wèi)星科學(xué)陸地及生物量變化觀測，Sentinel-1星座科學(xué)觀測及數(shù)據(jù)免費發(fā)布等，使各系統(tǒng)在軌實現(xiàn)了較好的增強補充效果。

在數(shù)據(jù)產(chǎn)品方面，除Sentinel-1星座等主要廣域觀測的系統(tǒng)外，均在高分辨率對地觀測方面逐漸加強，全極化基本實現(xiàn)了普及，用于地表微小形變測量的差分干涉模式，已具備了業(yè)務(wù)化應(yīng)用的條件，因此近年發(fā)射的衛(wèi)星及后續(xù)規(guī)劃的衛(wèi)星均充分考慮了該模式的應(yīng)用。

在數(shù)據(jù)應(yīng)用方面，除傳統(tǒng)的單幅圖像應(yīng)用，發(fā)展方向是數(shù)據(jù)集，如多極化圖像、多幅圖像的時間序列分析等。應(yīng)用領(lǐng)域也圍繞陸地、海洋、森林等方向進行深層次應(yīng)用與業(yè)務(wù)化探索?？梢娫诓贿h的將來，SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)將與氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)一樣，成為國民經(jīng)濟與建設(shè)領(lǐng)域不可或缺的重要支撐。

著眼未來發(fā)展，SAR衛(wèi)星后續(xù)可能的發(fā)展方向包括：多頻、多極化、多角度雷達衛(wèi)星探測技術(shù)；分布式雷達衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)；高輻射分辨率雷達衛(wèi)星技術(shù)，以強化SAR衛(wèi)星在多領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 結(jié)束語

本文介紹了目前國際典型SAR衛(wèi)星系統(tǒng)：德國TanDEM-X系統(tǒng)、意大利Cosmo-SkyMed星座、日本ALOS-2衛(wèi)星、歐空局Sentinel-1星座，對各自特點、發(fā)展現(xiàn)狀、數(shù)據(jù)格式和應(yīng)用等進行了介紹和歸納。在后續(xù)衛(wèi)星發(fā)展方面，分析了NISAR，TanDEM-L，CSG，RadarSAT等典型系統(tǒng)或計劃。SAR衛(wèi)星的發(fā)展方向?qū)⑹嵌嗄Ｊ?、多功能、低成本、輕型化，并通過與人類生活越來緊密的結(jié)合，實現(xiàn)持續(xù)的高速發(fā)展。

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Recent Advances and Trends of SAR Satellites in Foreign Countries

CHEN Jun-li1, LI Wei2

(1. Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China；2. Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China)

In order to advance our country’s SAR satellite and connect with the international practice, the system characteristic, present status, products and applications of current international typical SAR satellites were introduced in this paper, which were Germany TanDEM-X system, Italy Cosmo-SkyMed constellation, Japan ALOS-2 satellite and European Space Agency Sentinel-1 constellation. Some typical applications were given, which were agricultural detection, ultrahigh accuracy land surface elevation data, long time change of ice field united with shuttle radar topography mission (SRTM), sea ice extraction and ground velocity estimation, collaborative evaluation of border surveillance technologies in maritime environment by pre-operational validation of innovative solutions (CLOSEYE), disaster fast response and monitoring, super-area ground surface small deformation monitoring, and building height measurement. The Cosmo-SkyMed Second Generation (CSG) constellation; NISAR satellite; TanDEM-L system; RadarSAT constellation which were the next generation international SAR system were introduced. The composition, mode and main mission of these future systems were presented. It is proposed that the SAR satellite is bound to develop in the direction of low cost, lightweight, multi mode, distributed and high resolution.

Synthetic aperture radar (SAR) satellite; TanDEM-X System; Cosmo-SkyMed Mission; ALOS-2 satellite; Senttinel-1 constellation; Cosmo-SkyMed Second Generation (CGS) constellation; NISAR satellite; TanDEM-L system; RadarSAT constellation

1006-1630(2016)06-0001-19

2016-11-10；

2016-11-25

陳筠力(1971—)，男，研究員，遙感六號、十三號、十七號，天繪二號等多型衛(wèi)星總設(shè)計師，入選2014年國家百千萬人才工程有突出貢獻中青年專家，主要從事衛(wèi)星總體設(shè)計和衛(wèi)星測試工作。

V474

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2016.06.001