機(jī)載多維度SAR系統(tǒng)技術(shù)研究和應(yīng)用

◎鄔伯才 沈明星

機(jī)載多維度SAR系統(tǒng)技術(shù)研究和應(yīng)用

◎鄔伯才 沈明星

本文針對(duì)機(jī)載多維度SAR遙感系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用需求分析，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外在多維度SAR系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)情況，從SAR系統(tǒng)的工作頻段、工作體制、極化方式、工作模式等多個(gè)角度進(jìn)行了SAR的多維度性概括，并對(duì)三類機(jī)載多維度SAR遙感系統(tǒng)進(jìn)行了示例分析，最后對(duì)該系統(tǒng)的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析和總結(jié)。

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展，國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)、可持續(xù)性發(fā)展的能源和資源戰(zhàn)略的實(shí)施以及自然災(zāi)害評(píng)估與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)，越來(lái)越多的應(yīng)用行業(yè)表現(xiàn)出對(duì)于大比例尺、高分辨力、高精度、實(shí)時(shí)獲取與處理、機(jī)動(dòng)靈活的航空SAR遙感數(shù)據(jù)的迫切需求，如地形測(cè)繪、地質(zhì)調(diào)查、對(duì)海觀測(cè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等行業(yè)。不同行業(yè)對(duì)航空SAR系統(tǒng)除了具有高性能需求，還因?yàn)檫b感場(chǎng)景的不同、使用任務(wù)的不同，對(duì)具有多頻段、多極化、具有干涉能力、多模式等多維度特性也提出更高的需求。

多頻段多極化SAR系統(tǒng)有美國(guó)研制的AIRSAR、P3/SAR、MB-SAR、ECOSAR等，德國(guó)的E-SAR/F-SAR，俄羅斯的IMARC。美國(guó)NASA/JPL研制的AIRSAR作為各種先進(jìn)SAR技術(shù)的試驗(yàn)床，安裝在Douglas DC-8飛機(jī)上。AIRSAR能同時(shí)工作在三個(gè)頻段：C頻段、L頻段和P頻段。它有三種工作模式：在C頻段、L頻段和P頻段全極化模式；在C頻段和L頻段，沿航線的干涉模式；在C頻段和L頻段，垂直航線的干涉模式，這些模式均是條帶照射。三個(gè)頻段發(fā)射機(jī)交替發(fā)射水平極化和垂直極化電磁波，在全極化模式，有6個(gè)通道同時(shí)接收水平極化和垂直極化電磁波。在兩種干涉模式下，已試驗(yàn)了多種發(fā)射和接收的組合方式。德國(guó)DLR研制E-SAR/F-SAR是試驗(yàn)型SAR，用來(lái)試驗(yàn)新技術(shù)和信號(hào)處理算法，也是地質(zhì)、農(nóng)業(yè)、森林研究等遙感領(lǐng)域的研究工具，安裝在Dornier DO 228飛機(jī)上。E-SAR具有多個(gè)工作頻率：P、L、C和X頻段，具有可選擇的垂直極化或水平極化天線。P和C頻段天線采用微帶貼片陣列，X頻段天線采用角錐喇叭，L頻段天線采用無(wú)源微帶相控陣。俄羅斯的多頻段多極化IMARC實(shí)驗(yàn)室是安裝在TU-134A大型飛機(jī)上的多頻段（X，L，P，VHF）、多極化（VV，HH，HV，VH）合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)空中飛行實(shí)驗(yàn)室，它可以對(duì)地球表面進(jìn)行全天候的高分辨率遙感。從目前國(guó)外機(jī)載SAR系統(tǒng)試驗(yàn)情況看，機(jī)載SAR向著多頻段、多極化、極化干涉以及多模式等即多維度方向發(fā)展。

機(jī)載多維度SAR技術(shù)研究

通過(guò)對(duì)機(jī)載多維度SAR技術(shù)研究，綜合處理各維度信息，如多頻段、多模式、多極化、多任務(wù)SAR系統(tǒng)等，可以大大提高SAR不同維度信息的獲取能力。如VHF、UHF、L、S、C、X、Ku、Ka全頻段多維度綜合應(yīng)用，可獲取頻率、極化、空間等多維度的觀測(cè)信息，可反演新的觀測(cè)量，或提高現(xiàn)有觀測(cè)量的測(cè)量精度。如獲取地物的體散射特征、反演目標(biāo)的多次散射特征、目標(biāo)散射幅相分布的角度維譜特征、目標(biāo)散射幅相特性的頻率維離散譜特性、目標(biāo)頻率-極化二維譜特性、目標(biāo)散射幅相特性的角度-頻率-極化三維度譜特征等。

例如，通過(guò)C頻段單頻段工作，通過(guò)與極化方式維、工作模式維等組合，該SAR系統(tǒng)可以有以下不同用途：

0.5m/1m分辨率交軌干涉模式，可用于地形測(cè)繪制圖；3m/5m全極化成像，可用于海冰監(jiān)測(cè)、分類，農(nóng)/林作物分類等方面；10m/25km寬測(cè)繪帶模式，可用于海洋艦船目標(biāo)監(jiān)測(cè)、島礁監(jiān)測(cè)、虎苔監(jiān)測(cè)等方面；順軌干涉模式，可用于海面艦船目標(biāo)檢測(cè)與速度估計(jì)等方面；圓跡成像模式，可用于城市精細(xì)觀測(cè)，建筑物三維重建。

如多頻段（X，L，P，VHF）、多極化（VV，HH，HV，VH）SAR系統(tǒng)針對(duì)民用目的提供以下遙感信息。

地質(zhì)學(xué)：地表及地表下各種巖石、褶皺及斷裂帶成像，礦物及油、氣的探察，地貌及不可見(jiàn)結(jié)構(gòu)探察，地下水文（包括淡水和礦泉水的蓄水層和透水層）成像，水文及水利勘察，隨污染物（油、生物質(zhì)、放射性物質(zhì)）運(yùn)動(dòng)的地表水的遷移、上升、滲漏等的勘察。

海洋學(xué)：生物薄膜及其它污染的監(jiān)測(cè)，冰蓋及其季節(jié)性遷移分析。

農(nóng)業(yè)、林業(yè)、經(jīng)濟(jì)測(cè)圖：大面積林區(qū)的成像與監(jiān)視，農(nóng)田測(cè)量，植被破壞監(jiān)測(cè)，土壤濕度估算，污染監(jiān)測(cè)，遠(yuǎn)距離區(qū)域成像及修圖。

多維度SAR應(yīng)用分析

多維度SAR遙感系統(tǒng)可應(yīng)用于諸如測(cè)繪、地址調(diào)查、對(duì)海觀測(cè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等領(lǐng)域，如圖1所示。

在測(cè)繪行業(yè)中，由于我國(guó)地形、氣候復(fù)雜多樣，利用現(xiàn)有的測(cè)繪手段，至今還有許多地方無(wú)法完成高精度的測(cè)圖任務(wù)，急需增添先進(jìn)的全天候、全天時(shí)SAR遙感系統(tǒng)，提高航空測(cè)繪能力。多維度SAR系統(tǒng)不受天氣影響，并能獲取測(cè)區(qū)高精度地理高程信息，將迅速占領(lǐng)該攝影困難地區(qū)測(cè)圖市場(chǎng)。

在地質(zhì)調(diào)查方面，從1999年8月起，我國(guó)開(kāi)始實(shí)施國(guó)家重大項(xiàng)目“新一輪國(guó)土資源大調(diào)查”，目前和未來(lái)10年內(nèi)重大的地質(zhì)調(diào)查包括：區(qū)域地球物理、礦產(chǎn)資源勘察、水文地質(zhì)調(diào)查和1:5萬(wàn)地質(zhì)填圖等工作，離不開(kāi)高分辨率、機(jī)動(dòng)靈活的多維度航空SAR遙感應(yīng)用系統(tǒng)的支持。

在海洋觀測(cè)方面，我國(guó)海洋和沿海地區(qū)面臨嚴(yán)重的海洋災(zāi)害威脅。建設(shè)業(yè)務(wù)化的海洋環(huán)境保障體系，將進(jìn)一步提升災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)警報(bào)和災(zāi)害評(píng)估能力，有效減輕海洋災(zāi)害造成的損失。多維度SAR可作為業(yè)務(wù)化的海洋環(huán)境保障體系重要組成部分，其典型的海洋應(yīng)用包括物理海洋學(xué)、海岸帶、淺岸帶、淺海水下地形、海冰和海洋污染等。

圖1多維度SAR遙感系統(tǒng)應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)方面，農(nóng)業(yè)部每年需要高分遙感數(shù)據(jù)用于覆蓋全國(guó)的農(nóng)業(yè)資源、主要農(nóng)作物估產(chǎn)、農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)化運(yùn)行。目前，農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測(cè)的結(jié)果已作為主要數(shù)據(jù)源之一，正式納入農(nóng)業(yè)部信息發(fā)布體系，為宏觀決策服務(wù)。多維度機(jī)載SAR遙感系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)作物分類時(shí)，P頻段適合地表類型粗分，L頻段和C頻段交叉極化效果較好，L頻段的分類精度比C頻段的分類精度高（特別是對(duì)于成熟的高大農(nóng)作物），L頻段還可用于農(nóng)作物生長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)，X頻段和C頻段可提供植物的上層信息和紋理，可用于禾本科農(nóng)作物的細(xì)分類?？偟膩?lái)說(shuō)，將X頻段與L頻段或C頻段同時(shí)使用時(shí)，可以提高分類精度，將X頻段（VV極化）與L頻段（HH、HV、VV極化）同時(shí)使用時(shí)，也可以提高分類精度。

在林業(yè)方面，在林業(yè)資源調(diào)查、森林健康監(jiān)測(cè)、野生動(dòng)植物保護(hù)、森林防護(hù)、火災(zāi)監(jiān)測(cè)、退耕還林監(jiān)測(cè)、荒漠化治理中急需低成本快速高精度遙感監(jiān)測(cè)手段，林業(yè)局下屬各林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院、航空護(hù)林總站、森林資源監(jiān)督辦、防治荒漠化管理中心、野生動(dòng)植物保護(hù)中心等單位將成為機(jī)載多維度SAR遙感系統(tǒng)的用戶。 機(jī)載多維度SAR遙感系統(tǒng)可以利用極化干涉手段獲取樹(shù)木高度信息，并且可以利用其多波段多極化信息，對(duì)森林生物量進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)。

多維度SAR系統(tǒng)也是相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用的重要平臺(tái)，將對(duì)資源勘查與開(kāi)發(fā)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估、生態(tài)環(huán)境保護(hù)起到積極的作用。利用高精度的遙感正射影像圖，以及土地覆蓋數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)地理信資料，可以開(kāi)展生態(tài)資產(chǎn)總量評(píng)估、建設(shè)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)、進(jìn)行生態(tài)環(huán)境建設(shè)規(guī)劃，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行每年度的生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測(cè)，土地退化監(jiān)測(cè)，尤其是退耕還林、退牧還草的效益監(jiān)測(cè)與評(píng)估，以及大型工程生態(tài)環(huán)境影響、恢復(fù)、監(jiān)測(cè)與評(píng)估工作。

通過(guò)上文的分析，建議大力研究與發(fā)展機(jī)載多維度SAR遙感系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)提供多頻段、多極化、多模式、多任務(wù)、具有不同干涉能力等多維度SAR信息，以開(kāi)展高精度地形測(cè)繪、森林樹(shù)高反演、精細(xì)農(nóng)業(yè)、海洋遙感以及SAR圖像解譯等典型應(yīng)用研究，最終實(shí)現(xiàn)服務(wù)于國(guó)家重大應(yīng)用需求的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展目標(biāo)。

（作者單位：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所）