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    空間微波遙感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

    2021-12-21 08:18:26張潤寧王國良梁健張旭王旭瑩
    航天器工程 2021年6期
    關(guān)鍵詞:高度計(jì)輻射計(jì)極化

    張潤寧 王國良 梁健 張旭 王旭瑩

    (1 中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部,北京 100094)

    (2 航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)

    微波是頻率范圍在300 MHz~300 GHz之間的無線電波,空間微波遙感技術(shù)是以空間飛行器作為微波遙感器的支撐平臺(tái),對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)實(shí)施觀測(cè)、識(shí)別和分析的技術(shù)總稱,是空間技術(shù)和遙感技術(shù)的綜合。

    空間微波遙感技術(shù)具有如下的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[1-2]:①能穿透云霧、雨雪,具有全天候工作的能力;②不受光照的影響,可以全天時(shí)工作;③具有一定的地表和森林植被的穿透能力,對(duì)研究植被覆蓋和檢測(cè)隱蔽目標(biāo)等具有很好的作用;④具有多極化信息獲取能力,可獲得更豐富、更全面的目標(biāo)信息;⑤可以提供不同于可見光和紅外遙感所能提供的某些信息,比如主動(dòng)微波遙感具有測(cè)量距離和相位信息的能力,可以用于大地水準(zhǔn)面的測(cè)量和三維信息的獲取等,還可以用于海洋動(dòng)力學(xué)特性的研究等;⑥具有大幅寬觀測(cè)、不受地域限制的優(yōu)勢(shì)。

    由于基于空間平臺(tái)的空間微波遙感技術(shù)的上述特點(diǎn),目前已成為對(duì)地和對(duì)宇宙觀測(cè)的重要手段,受到各國的廣泛重視。在軍事成像偵察與監(jiān)視、地形測(cè)繪、打擊效果評(píng)估、災(zāi)害與環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源調(diào)查及海洋研究、空間科學(xué)探測(cè)等領(lǐng)域顯示出廣泛的應(yīng)用價(jià)值和巨大的潛力[3]。

    微波遙感載荷一般分為有源和無源兩類。有源微波遙感載荷工作時(shí)需要向目標(biāo)發(fā)射電磁波,然后再接收從目標(biāo)反射或散射回來的電磁信號(hào)。無源微波載荷無需向目標(biāo)發(fā)射電磁波,僅被動(dòng)地接收目標(biāo)輻射的電磁波。常用的星載微波遙感載荷有合成孔徑雷達(dá)(SAR)、高度計(jì)、微波輻射計(jì)、散射計(jì)等。本文以合成孔徑雷達(dá)、雷達(dá)高度計(jì)、微波輻射計(jì)、微波散射計(jì)等典型載荷為代表對(duì)空間微波遙感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析。

    1 空間微波遙感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

    1.1 星載合成孔徑雷達(dá)

    合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)作為一種主動(dòng)式微波成像遙感器,通過發(fā)射寬帶調(diào)頻信號(hào)和脈沖壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)距離向高分辨率,通過方位合成孔徑技術(shù)獲得方位向高分辨率。

    從1978年美國發(fā)射第1顆SAR衛(wèi)星“海洋衛(wèi)星”(Seasat)開始,星載SAR逐漸成為對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),很多國家都陸續(xù)開展了星載SAR技術(shù)研究并制定了相應(yīng)的星載SAR衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃。進(jìn)入21世紀(jì)以來,世界上多個(gè)航天強(qiáng)國相繼部署了各自的星載SAR衛(wèi)星系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)了SAR衛(wèi)星的更新?lián)Q代,其中美國發(fā)射了5顆“未來成像架構(gòu)”(FIA)衛(wèi)星,俄羅斯發(fā)射了一顆禿鷹-E(Kondor-E)衛(wèi)星,以色列發(fā)射了1顆地平線-10(Ofeq-10)衛(wèi)星,韓國發(fā)射了阿里郎-5(kompsat-5)衛(wèi)星,歐洲航天局發(fā)射了2顆“哨兵-1(Sentinel-1)”衛(wèi)星,印度發(fā)射了雷達(dá)成像衛(wèi)星-1(RISAT-1)。同時(shí),美國、德國、意大利、加拿大等國家都對(duì)其現(xiàn)有的SAR衛(wèi)星進(jìn)行更新?lián)Q代。英國、阿根廷、西班牙等國家也已發(fā)射自己的首顆SAR衛(wèi)星[4-5]。

    美國在其第一代“長曲棍球”(Lacrosse)雷達(dá)偵察衛(wèi)星系列之后,相繼發(fā)射5顆“未來成像架構(gòu)”(Future Image Architecture,F(xiàn)IA)雷達(dá)衛(wèi)星,其軌道高度為1100 km,成像最高分辨率優(yōu)于0.3 m,整星質(zhì)量約3300 kg,采用了大型傘狀反射面天線。

    德國在其陸地觀測(cè)系列衛(wèi)星中發(fā)射了2顆雷達(dá)衛(wèi)星,第1顆陸地雷達(dá)-X頻段衛(wèi)星(TerraSAR-X)于2007年發(fā)射,第2顆于2010年發(fā)射。2顆星載SAR組成X頻段陸地合成孔徑雷達(dá)-附加數(shù)字高程測(cè)量(TanDEM-X)編隊(duì)(如圖1所示),并能夠協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)干涉測(cè)繪功能,TerraSAR-X除了能夠?qū)崿F(xiàn)條帶、掃描、滑動(dòng)聚束等功能外還在軌驗(yàn)證了能夠去除星載波束掃描合成孔徑雷達(dá)(ScanSAR)模式中扇貝效應(yīng)的TOPS模式、能夠進(jìn)行高分辨率成像及識(shí)別的凝視聚束模式以及可以進(jìn)行海洋寬幅監(jiān)測(cè)的超寬幅ScanSAR模式,其凝視聚束模式分辨率最高可達(dá)0.8 m(距離向)×0.16 m(方位向)。

    圖1 德國TanDEM-X雙星編隊(duì)示意圖

    在下一代TerraSAR系統(tǒng)(TSX-NG)中,距離向分辨率將由目前的0.8 m提高到0.2 m,TSX-NG還會(huì)利用3~5顆組網(wǎng)的形式以提高對(duì)成像需求的響應(yīng)時(shí)間。

    俄羅斯在2013年的發(fā)射Kondor-E衛(wèi)星,質(zhì)量約為1150 kg,部署在高度約500 km的太陽同步軌道,其有效載荷為S頻段合成孔徑雷達(dá),載荷天線為口徑6 m的網(wǎng)狀反射面天線,其聚束模式分辨率為1 m,如圖2所示。

    圖2 俄羅斯Kondor-E星載SAR整星結(jié)構(gòu)示意圖

    加拿大于2019年發(fā)射了“雷達(dá)衛(wèi)星星座任務(wù)”(RCM)星座,RCM星座為“雷達(dá)衛(wèi)星”(RadarSat)系列的后續(xù)系統(tǒng),與RadarSat系列衛(wèi)星相比,RCM星座仍采用C頻段SAR載荷,并新增了艦船自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS),衛(wèi)星質(zhì)量由RadarSat-2的2200 kg降為1400 kg,RCM星座三星運(yùn)行于同一軌道面,等相位分布,三星組網(wǎng)后可通過干涉測(cè)量實(shí)現(xiàn)地表形變的監(jiān)測(cè)。

    近年來國內(nèi)星載SAR衛(wèi)星也取得了突出的成就,頻段覆蓋L、S、C、X、Ka等頻段,其技術(shù)水平整體達(dá)到國際先進(jìn)水平。

    2012年我國發(fā)射了由航天東方紅衛(wèi)星有限公司抓總研制的首顆民用的環(huán)境一號(hào)-C(HJ-1-C)SAR衛(wèi)星(圖3),衛(wèi)星采用CAST2000小衛(wèi)星平臺(tái),整星重約830 kg,有效載荷為S頻段SAR,其采用了6.0 m×2.8 m的可折疊式網(wǎng)狀拋物面天線,其條帶模式成像分辨率為5 m,環(huán)境一號(hào)C衛(wèi)星成功發(fā)射取得了重要的技術(shù)及應(yīng)用成果,填補(bǔ)了我國星載構(gòu)架式可展開天線技術(shù)領(lǐng)域的空白,首次實(shí)現(xiàn)星載集中式SAR體制在軌檢驗(yàn)和成像,并首次開展了S頻段SAR圖像數(shù)據(jù)在環(huán)境減災(zāi)領(lǐng)域的應(yīng)用研究[6]。

    圖3 HJ-1-C衛(wèi)星在軌示意圖

    HJ-1-C衛(wèi)星后續(xù)星目前正在進(jìn)行工程研制,其標(biāo)稱分辨率仍為5 m,通過增大天線口徑并對(duì)饋源進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),其系統(tǒng)靈敏度在HJ-1-C衛(wèi)星的基礎(chǔ)上提升了約2~3 dB,相比于HJ-1-C單極化,后續(xù)星可選擇單極化、雙極化、四極化,同時(shí)通過增大觀測(cè)幅寬提升了對(duì)目標(biāo)區(qū)域的重訪與覆蓋能力,星上增加了數(shù)據(jù)應(yīng)急處理分系統(tǒng),具備星上實(shí)現(xiàn)SAR圖像幾何校正、成像等功能的能力,可優(yōu)先將應(yīng)急數(shù)據(jù)下傳到地面,衛(wèi)星預(yù)計(jì)于2022年發(fā)射。

    2016年成功發(fā)射了由中國空間技術(shù)研究院抓總研制的我國首顆C頻段全極化多模式SAR衛(wèi)星——高分三號(hào)(GF-3)衛(wèi)星(圖4),GF-3衛(wèi)星具有高分辨率、大成像幅寬、高輻射精度、多成像模式和長時(shí)工作的特點(diǎn),能夠全天候和全天時(shí)實(shí)現(xiàn)全球海洋和陸地信息的監(jiān)視監(jiān)測(cè),GF-3衛(wèi)星有20種工作模式,最高分辨率達(dá)到1 m,整星質(zhì)量2779 kg。衛(wèi)星發(fā)射以來已經(jīng)成為資源監(jiān)測(cè)、災(zāi)害應(yīng)急不可或缺的重要手段,廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各行業(yè)[7]。

    圖4 GF-3衛(wèi)星在軌示意圖

    此外由中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部抓總研制的世界首顆高軌SAR衛(wèi)星已進(jìn)入正樣研制階段,高軌SAR衛(wèi)星運(yùn)行于地球同步軌道,具備大幅寬、快重訪的能力,可向用戶提供分辨率優(yōu)于20~50 m的SAR圖像,有效滿足防災(zāi)減災(zāi)及應(yīng)急監(jiān)測(cè)需求,同時(shí)兼顧國土資源、地震、水利、氣象、海洋、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等行業(yè)應(yīng)用需求。

    近年來隨著設(shè)計(jì)理念及星上電子器件和機(jī)電產(chǎn)品技術(shù)的不斷進(jìn)步,微小型SAR衛(wèi)星成為空間微波遙感領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。特別是2018年以來,以芬蘭“冰眼”(ICEYE)系列衛(wèi)星、美國Capella系列衛(wèi)星(圖5)、日本Strix衛(wèi)星和QPS衛(wèi)星為代表,世界各國共研制發(fā)射了20余顆微小SAR衛(wèi)星,均為百千克量級(jí),最高分辨率可達(dá)0.5 m。與大中型SAR衛(wèi)星單星或小規(guī)模星座組網(wǎng)應(yīng)用相比,各國計(jì)劃建設(shè)的微小SAR衛(wèi)星星座規(guī)模達(dá)到幾十顆至上百顆。微小型SAR衛(wèi)星的批量化研制、規(guī)?;渴鸷途W(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行將帶來空間微波遙感應(yīng)用模式和商業(yè)模式的新變革。

    圖5 美國Capella衛(wèi)星在軌示意圖

    1.2 星載雷達(dá)高度計(jì)

    雷達(dá)高度計(jì)(Radar Altimeter)是主動(dòng)式工作的微波遙感器,傳統(tǒng)的雷達(dá)高度計(jì)以飛行器的軌道為基準(zhǔn),向地面發(fā)射電磁脈沖,并接收地面反射的回波,通過測(cè)量發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)之間的時(shí)間延遲,來測(cè)量與其垂直的地球表面的距離[8]。

    通過對(duì)雷達(dá)高度計(jì)直接測(cè)量的雷達(dá)回波波形的信息提取可以獲得海面高度、有效波高等數(shù)據(jù)產(chǎn)品,進(jìn)一步開展數(shù)據(jù)產(chǎn)品的反演數(shù)據(jù)可獲得包括海洋地球物理學(xué)、海洋動(dòng)力學(xué)、海洋氣候與環(huán)境、海冰監(jiān)測(cè)等諸多應(yīng)用領(lǐng)域的專題應(yīng)用產(chǎn)品。雷達(dá)高度計(jì)測(cè)量技術(shù)目前已經(jīng)成為重要的用于海洋觀測(cè)不可或缺的遙感手段。

    自1973年美國的天空實(shí)驗(yàn)室(Skylab)驗(yàn)證了星載雷達(dá)高度計(jì)的方案以來,雷達(dá)高度計(jì)經(jīng)歷了近50年的發(fā)展,測(cè)量精度也從最初的米級(jí)提高到了現(xiàn)在的厘米量級(jí)。目前裝載了雷達(dá)高度計(jì)的衛(wèi)星絕大部分來自美國和歐洲,美國和法國合作研制的Jason系列衛(wèi)星是高度計(jì)衛(wèi)星最典型的代表,目前在軌的可提供高度計(jì)應(yīng)用數(shù)據(jù)的衛(wèi)星包括美/法的Jason系列衛(wèi)星、歐洲航天局的“冷星”(CryoSat)系列衛(wèi)星和我國的海洋二號(hào)系列衛(wèi)星等[9]。

    星載雷達(dá)高度計(jì)的發(fā)展經(jīng)歷了傳統(tǒng)星下點(diǎn)高度計(jì)、星下點(diǎn)合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)以及寬刈幅干涉型高度計(jì)三種體制的發(fā)展歷程,其中Jason-3衛(wèi)星、CryoSat-2、Sentinel-3A/B衛(wèi)星采用了合成孔徑雷達(dá)高度計(jì),其利用衛(wèi)星運(yùn)動(dòng),經(jīng)多普勒銳化將天線波束變成多個(gè)子波束,每個(gè)子波束在傳統(tǒng)圓形天線足跡內(nèi)形成條帶狀的波束足跡,即采用合成孔徑技術(shù)提高了沿軌跡空間分辨率,同時(shí)在衛(wèi)星飛行過程中,條帶區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)被子波束依次掃視,將不同位置接收的回波信號(hào)進(jìn)行延遲距離校正后疊加,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的多次測(cè)量,提高了信噪比,比起傳統(tǒng)回波波形,合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)的回波前沿更陡峭,信噪比更高,從而獲得更高的測(cè)距精度[10-11]。

    寬刈幅雷達(dá)高度計(jì)規(guī)劃包括Jason-CS、SWOT等[12-15],使用了干涉型成像高度計(jì)。干涉型成像高度計(jì)采用干涉技術(shù)獲取高程信息的原理,雖然理論上絕對(duì)測(cè)高精度不及傳統(tǒng)高度計(jì),但其具有寬刈幅觀測(cè)能力,可以大大提高海面高度和有效波高的探測(cè)效率,同時(shí)其通過各種差分校正技術(shù)和信號(hào)處理手段,可以在寬刈幅內(nèi)獲得相對(duì)高的測(cè)高精度滿足特定的應(yīng)用需求,此外可以獲得海洋波浪譜信息,兼顧了海洋和陸地的成像功能,SWOT衛(wèi)星的觀測(cè)刈幅可達(dá)120 km,如圖6所示。

    圖6 SWOT衛(wèi)星在軌效果圖

    我國目前已發(fā)射的海洋二號(hào)系列衛(wèi)星采用傳統(tǒng)雷達(dá)高度計(jì),測(cè)高精度優(yōu)于5 cm;合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)也已進(jìn)入工程研制階段;2016年9月16日,由中科院國家空間中心研制的三維成像微波高度計(jì)隨天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室發(fā)射升空開展原理驗(yàn)證工作,成為國際上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)寬刈幅高度測(cè)量的三維成像高度計(jì),在400 km的軌道高度上在定軌精度20 cm的條件下實(shí)現(xiàn)了幅寬30~35 km,相對(duì)測(cè)高精度為8.2 cm的指標(biāo)。

    1.3 星載輻射計(jì)

    星載微波輻射計(jì)是一種被動(dòng)式微波遙感設(shè)備,通過接收被觀測(cè)場(chǎng)景輻射的微波能量來探測(cè)目標(biāo)特性。當(dāng)微波輻射計(jì)的天線主波束指向地面時(shí),天線收到地面輻射、地面散射和大氣輻射等輻射流量,引起天線視在溫度的變化。天線接收的信號(hào)經(jīng)放大、濾波、檢波和再放大后,以電壓的形式給出。對(duì)微波溫度探測(cè)輻射計(jì)的輸出電壓進(jìn)行定標(biāo)后,即建立起輸出電壓與天線視在溫度的關(guān)系,就可以確定所觀測(cè)目標(biāo)的亮溫度,該溫度值包含了輻射體和傳播介質(zhì)的一些物理信息[16]。

    星載微波輻射計(jì)已發(fā)展成為觀測(cè)大氣與地球表面的重要遙感手段,具有全天候、全天時(shí)的對(duì)地觀測(cè)能力,可獲取大氣溫度、濕度、水汽、降雨含量、海冰分布等地表、海洋和大氣的重要信息,是氣象衛(wèi)星和海洋衛(wèi)星的重要遙感載荷。

    美國的Seasat系列衛(wèi)星、國防氣象衛(wèi)星(DMSP)、“諾阿”(NOAA)氣象衛(wèi)星、“科里奧利”(Coriolis)衛(wèi)星都搭載了微波輻射計(jì),我國的風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星、云海一號(hào)衛(wèi)星、海洋二號(hào)系列衛(wèi)星(圖7)也搭載了微波輻射計(jì)[17],目前海洋二號(hào)系列衛(wèi)星已成功發(fā)射4顆,海洋二號(hào)B星、C星、D星相繼于2018年、2020年、2021年成功發(fā)射并在軌穩(wěn)定運(yùn)行,三星組網(wǎng)構(gòu)成我國首個(gè)海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星星座。

    圖7 海洋二號(hào)衛(wèi)星在軌示意圖

    微波輻射計(jì)目前的發(fā)展方向主要包括全極化輻射計(jì)及綜合孔徑輻射計(jì)[18]。

    傳統(tǒng)的微波輻射計(jì)只是測(cè)量目標(biāo)微波輻射的H和V極化分量的輻射亮溫。研究表明除了H和V極化分量,Stokes矢量的其它分量即兩個(gè)極化分量的復(fù)相關(guān)分量,能夠提供更多的關(guān)于目標(biāo)的信息,由此星載全極化微波輻射計(jì)得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用,全極化微波輻射計(jì)可以測(cè)量海面微波輻射全部4個(gè)Stokes參數(shù),與傳統(tǒng)的微波輻射計(jì)只能測(cè)量水平和垂直極化兩個(gè)Stokes參數(shù)(TV、TH,前兩個(gè)Stokes參數(shù))相比,第3和第4個(gè)Stokes參數(shù)對(duì)于粒子分布的方向非常敏感,這是測(cè)量大氣有關(guān)粒子分布方向信息很好的兩個(gè)候選參數(shù),通過反演獲得測(cè)量海面風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)速、風(fēng)向)信息,美國的Coriolis衛(wèi)星搭載了全極化輻射計(jì),其測(cè)溫精度達(dá)到0.75 K,并能夠提供高精度的海面風(fēng)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù),我國全極化微波輻射計(jì)也已進(jìn)入工程研制。

    星載微波輻射計(jì)要提高空間分辨率,就必須設(shè)法增大天線的物理口徑,而天線物理口徑過大對(duì)于其星載應(yīng)用會(huì)帶來很大的困難,綜合孔徑微波輻射測(cè)量技術(shù)將一個(gè)大口徑天線等效分割成若干個(gè)小口徑天線的思想,通過基線設(shè)計(jì)和組合干涉測(cè)量得到所有的小口徑天線組合的測(cè)量結(jié)果,并對(duì)這些干涉測(cè)量結(jié)果進(jìn)行相干處理,來得到被測(cè)目標(biāo)的輻射亮溫,美國于2002年發(fā)射的HYDROSTAR輻射計(jì)為綜合孔徑輻射計(jì),其工作在L頻段,采用一維稀疏天線陣,在交軌方向采用孔徑綜合技術(shù),在順軌方向采用天線真實(shí)口徑進(jìn)行觀測(cè),其星下點(diǎn)分辨率為27 km,目前在軌運(yùn)行的土壤濕度和海洋鹽度衛(wèi)星(SMOS)搭載的MIRAS為全球首個(gè)二維綜合孔徑微波輻射計(jì),其具有1000 km觀測(cè)幅寬、40 km分辨率和1 K靈敏度[19-21]。

    1.4 星載散射計(jì)

    星載微波散射計(jì)是專門用來從空間大范圍定量測(cè)量被觀測(cè)面(或體)散射特性即后向散射系數(shù)的有源微波遙感器,星載微波散射計(jì)對(duì)海面風(fēng)矢量的測(cè)量是通過在不同方位角測(cè)量海面同一區(qū)域的歸一化雷達(dá)后向散射系數(shù),并利用后向散射系數(shù)和海面風(fēng)的幾何模型函數(shù)來推導(dǎo)出海面風(fēng)的速度和方向,從而得到海洋表面的矢量風(fēng)場(chǎng)。星載微波散射計(jì)的基本體制主要包括筆形波束(也稱為點(diǎn)波束)體制和扇形波束體制兩類。筆形波束體制的分辨能力通??拷嵌葴y(cè)量來獲得,扇形波束體制的分辨力由距離測(cè)量來獲得,也可由速度測(cè)量來獲得[22-23]。

    美國發(fā)射了海洋衛(wèi)星-A(Seasat-A),它首次證明了散射計(jì)可以對(duì)海洋上空的風(fēng)矢量進(jìn)行全天候測(cè)量。自Seasat-A以后,美國、歐空局、日本等先后研制并成功發(fā)射了多個(gè)散射計(jì),其中最具代表的是NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)研制的NSCAT扇形波束微波散射計(jì)和SeaWinds筆形波束微波散射計(jì)[24]。

    星載散射計(jì)的兩個(gè)重要的發(fā)展方向?yàn)樯刃尾ㄊ鴪A錐掃描體制散射計(jì)以及極化散射計(jì),扇形波束圓錐掃描體制結(jié)合了點(diǎn)波束圓錐掃描以及扇形波束的優(yōu)勢(shì),通過獲取掃描過程中對(duì)同一目標(biāo)的不同入射角觀測(cè)值無模糊反演風(fēng)場(chǎng)矢量,航天東方紅衛(wèi)星公司研制的中法海洋衛(wèi)星(CFOSAT-1)搭載了一臺(tái)扇形波束掃描散射計(jì),風(fēng)速測(cè)量精度達(dá)到2 m/s[25],如圖8所示。

    圖8 中法海洋衛(wèi)星在軌效果圖

    星載散射計(jì)的另一個(gè)發(fā)展方向是極化散射計(jì),極化散射計(jì)同時(shí)測(cè)量常規(guī)的同極化后向散射系數(shù),以及同極化和交叉極化的雷達(dá)回波的相關(guān)系數(shù)。利用同極化和極化相關(guān)信號(hào)的對(duì)稱性質(zhì)的差異可以解決風(fēng)向模糊問題,同時(shí)提高整個(gè)觀測(cè)帶內(nèi)的風(fēng)向反演性能。此外,采用極化散射計(jì)還有可能將大氣中雨的影響去掉,提高降雨情況下風(fēng)的反演精度。

    2 空間微波遙感技術(shù)應(yīng)用需求分析

    2.1 星載合成孔徑雷達(dá)

    隨著星載合成孔徑雷達(dá)技術(shù)以及地面數(shù)據(jù)處理與反演技術(shù)的進(jìn)步,各應(yīng)用行業(yè)對(duì)星載合成孔徑雷達(dá)提出了諸多新的應(yīng)用需求。

    2.1.1 高分寬幅成像需求

    在應(yīng)用中,一方面期望SAR具有很高的分辨率以獲得更多的目標(biāo)細(xì)節(jié)信息,另一方面同時(shí)期望SAR可以對(duì)場(chǎng)景目標(biāo)進(jìn)行大范圍觀測(cè),自SAR技術(shù)應(yīng)用于遙感觀測(cè)以來,高分辨率和寬測(cè)繪帶一直是牽引SAR技術(shù)發(fā)展的兩個(gè)主要引擎,傳統(tǒng)的星載SAR體制在空間分辨率與測(cè)繪帶之間存在制約關(guān)系,需要采用新的體制及技術(shù)手段解決高分辨與寬覆蓋之間的矛盾,在充分考慮星上資源約束的情況下實(shí)現(xiàn)相對(duì)高分寬幅。

    2.1.2 定量化應(yīng)用需求

    當(dāng)前各行業(yè)用戶對(duì)SAR衛(wèi)星定量化應(yīng)用支持能力提出了很高的要求,這就要求SAR圖像輻射精度和幾何精度等性能指標(biāo)達(dá)到較高的應(yīng)用水平才能反演出高精度的行業(yè)應(yīng)用信息,這需要衛(wèi)星設(shè)計(jì)、研制、數(shù)據(jù)處理、定標(biāo)等各個(gè)環(huán)節(jié)來共同保證。

    2.1.3 地理測(cè)繪及地表形變測(cè)量需求

    SAR衛(wèi)星通過干涉測(cè)量可獲得場(chǎng)景內(nèi)的高度信息,進(jìn)而獲得DEM信息,自然資源管理、交通運(yùn)輸、應(yīng)急管理對(duì)DEM信息的獲取提出了迫切的要求,此外通過差分干涉可獲得地表形變信息,這對(duì)災(zāi)害預(yù)警、重要基礎(chǔ)設(shè)施地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)具有重要意義,這些需求對(duì)衛(wèi)星軌道控制、干涉基線測(cè)量與保持、干涉數(shù)據(jù)處理都提出了較高的要求。

    2.1.4 穿透探測(cè)需求

    低頻電磁波具有一定的穿透性,利用其對(duì)植被的穿透性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物量的估計(jì),利用電磁波對(duì)沙漠、冰川、凍土等介質(zhì)的穿透性可以實(shí)現(xiàn)地下目標(biāo)探測(cè)、全球氣候變化研究。

    2.1.5 快速重訪的需求

    傳統(tǒng)的星載SAR受軌道重訪周期的限制無法滿足某些特定的應(yīng)用需求,衛(wèi)星應(yīng)急應(yīng)用及戰(zhàn)術(shù)偵察對(duì)重訪提出了較高的要求,可通過增加衛(wèi)星平臺(tái)左右側(cè)視機(jī)動(dòng)能力、多星組網(wǎng)、高軌SAR等技術(shù)手段滿足快速重訪的需求。

    2.2 星載雷達(dá)高度計(jì)

    2.2.1 高的測(cè)高精度和高時(shí)空分辨率需求[26]

    傳統(tǒng)雷達(dá)高度計(jì)為星下點(diǎn)的測(cè)量,對(duì)觀測(cè)物理現(xiàn)象的時(shí)空分辨率通過軌道星下點(diǎn)軌跡的合理設(shè)計(jì)來保證,中小尺度的海洋現(xiàn)象既需要提高空間分辨率也需要提高其時(shí)間分辨率(及縮短重訪周期)以獲取其高的時(shí)空譜信息,此外高精度的海洋重力場(chǎng)及海底地形反演對(duì)測(cè)高精度和空間分辨率也提出了更高的要求。

    2.2.2 近岸觀測(cè)能力需求

    近岸區(qū)域,雷達(dá)高度計(jì)回波受到陸地回波及較大有效波高的影響,測(cè)距精度較差,但近岸區(qū)的海洋現(xiàn)象對(duì)海洋生物、生態(tài)系統(tǒng)以及污染物的擴(kuò)展都有重要影響,這就要求在近岸區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的測(cè)量。

    2.3 星載輻射計(jì)

    全球性的高精度海洋溫度測(cè)量對(duì)海洋動(dòng)力環(huán)境與海洋生態(tài)環(huán)境的反演至關(guān)重要,海洋溫度是決定海氣界面水循環(huán)和能量循環(huán)的一個(gè)重要參數(shù),從而決定全球的水循環(huán)和能量收支平衡。臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度、頻率、發(fā)生和登陸位置很大程度都決定于其下墊面海水溫度對(duì)臺(tái)風(fēng)的維持、促生和衰減過程。大尺度的氣候變化包括厄爾尼諾、南方濤動(dòng)和北大西洋濤動(dòng),都具有明顯的海面溫度變化特征,高空間分辨率、高精度的海面溫度測(cè)量對(duì)海洋動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋環(huán)境預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)都具有重要意義。

    2.4 星載散射計(jì)

    星載散射計(jì)用于對(duì)海面風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量,海面風(fēng)場(chǎng)作為海洋環(huán)流的主要驅(qū)動(dòng)力,調(diào)制著海洋與大氣之間的熱通量、水汽通量、氣溶膠粒子通量等,進(jìn)而調(diào)節(jié)海洋與大氣之間的耦合作用,最終確定并保持著全球或區(qū)域的氣候模式。風(fēng)速的分布決定著波高的分布以及海洋涌浪的傳播方向,并能預(yù)測(cè)涌浪對(duì)船只、近岸建筑以及海岸帶的影響。因此,高精度、高空間分辨率海面風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)于理解海洋與大氣之間的相互作用、開展海洋大氣領(lǐng)域、近岸船舶航行等至關(guān)重要。

    3 空間微波遙感技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

    3.1 星載合成孔徑雷達(dá)

    3.1.1 多種成像模式

    早期SAR成像基本模式包括條帶、掃描、聚束模式,在高分寬幅、三維成像、圖像質(zhì)量提升等需求的牽引下,SAR成像模式向著更多樣化的趨勢(shì)發(fā)展,逐步衍生出了滑動(dòng)聚束、馬賽克、TOPS、層析SAR、陣列SAR的等新型成像模式及成像體制,未來隨著信息獲取自由度的擴(kuò)展及數(shù)據(jù)處理方法的技術(shù)進(jìn)步,解決特定需求的新成像模式及成像體制將不斷涌現(xiàn)[27]。

    3.1.2 頻段的擴(kuò)展以及多頻段的融合

    對(duì)SAR系統(tǒng)而言低頻段具有很好的穿透性能,可實(shí)現(xiàn)植被、淺層地表以及冰川、凍土的穿透,可應(yīng)用于生物量估計(jì)、地質(zhì)研究、次地表目標(biāo)探測(cè)等領(lǐng)域;高頻段SAR系統(tǒng)具備近光學(xué)的成像能力,圖像目標(biāo)細(xì)節(jié)特征清晰、棱角明顯,更有利于目標(biāo)的識(shí)別確認(rèn),可應(yīng)用于精細(xì)化農(nóng)業(yè)分類、精確有效災(zāi)害監(jiān)測(cè)和評(píng)估、高效精準(zhǔn)邊防、海防、海上救援,SAR系統(tǒng)在現(xiàn)有成像頻段的基礎(chǔ)上向更高頻及更低頻的方向發(fā)展。在機(jī)載多頻段SAR的基礎(chǔ)上,星載SAR系統(tǒng)也將也不斷涌現(xiàn)。

    3.1.3 極化與干涉SAR的融合

    同一目標(biāo)對(duì)不同極化信號(hào)有不同的響應(yīng),每種極化可以獲得各自獨(dú)特的信息,因此多極化測(cè)量獲得的極化矩陣數(shù)據(jù)可以提高目標(biāo)散射特性的獲取能力,考慮不同的應(yīng)用場(chǎng)景及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)代價(jià),SAR成像的極化方式由傳統(tǒng)的單極化系統(tǒng)向全極化、圓極化、簡(jiǎn)縮極化SAR的方向發(fā)展。

    干涉體制的相干系數(shù)的測(cè)量與多極化體制的散射矩陣的測(cè)量相結(jié)合可以同時(shí)獲得散射體的高度信息和結(jié)構(gòu)信息。

    3.1.4 SAR產(chǎn)品空間、時(shí)間維度的發(fā)展

    SAR成像空間維度的發(fā)展主要為由傳統(tǒng)的二維成像向三維成像發(fā)展,SAR三維成像主要基于層析SAR,利用SAR衛(wèi)星在層析高度維的多次飛行實(shí)現(xiàn)合成孔徑,在傳統(tǒng)二維成像的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)三維成像。傳統(tǒng)側(cè)視SAR衛(wèi)星可通過多次航過將高度維作為層析方向,實(shí)現(xiàn)三維成像。下視層析雷達(dá)通過多航過層析實(shí)現(xiàn)跨航向的高分辨,高度向高分辨通過大帶寬信號(hào)脈壓實(shí)現(xiàn),航向高分辨通過合成孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

    SAR成像時(shí)間維度的發(fā)展主要為通過多孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻SAR成像,視頻SAR具備更強(qiáng)的動(dòng)態(tài)信息獲取能力,由于SAR成像的合成孔徑時(shí)間遠(yuǎn)大于光學(xué)圖像的曝光時(shí)間,故運(yùn)動(dòng)目標(biāo)由于長合成孔徑時(shí)間的原因會(huì)產(chǎn)生散焦和移位,對(duì)視頻SAR而言動(dòng)目標(biāo)的重聚焦與重定位是數(shù)據(jù)處理的難點(diǎn)問題。

    在時(shí)間維度上差分干涉SAR通過長時(shí)間序列的積累,可以用于跨年度的時(shí)間尺度的毫米量級(jí)的微小地表形變的監(jiān)測(cè)。

    3.1.5 SAR衛(wèi)星平臺(tái)多樣化發(fā)展

    衛(wèi)星軌道高度由傳統(tǒng)的低軌向超低軌、中軌、高軌方向發(fā)展,超低軌道SAR衛(wèi)星相對(duì)低軌衛(wèi)星而言具有發(fā)射功率低、天線尺寸小、易于小型化實(shí)現(xiàn)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì),中高軌道SAR衛(wèi)星以其大幅寬、快重訪成像備受青睞。

    對(duì)SAR衛(wèi)星平臺(tái)而言,其向超大型平臺(tái)及微小型平臺(tái)兩個(gè)方向發(fā)展,超大型平臺(tái)主要應(yīng)用于地球同步軌道SAR衛(wèi)星、長時(shí)間開機(jī)SAR衛(wèi)星,微小型平臺(tái)主要應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)單一特定功能的SAR衛(wèi)星。

    此外SAR衛(wèi)星平臺(tái)向著分布式或者編隊(duì)的方向發(fā)展,分布式SAR是將SAR載荷及其天線按照一定的要求或規(guī)律分解分置在不同衛(wèi)星上,各衛(wèi)星按一定的構(gòu)形編隊(duì)飛行并協(xié)同工作的多天線雷達(dá)體制,能夠通過多基線、多視角、多波段、多極化等提供的互補(bǔ)信息,完成寬測(cè)繪帶高分辨成像、超分辨成像、高程反演、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等多種任務(wù)。

    3.2 雷達(dá)高度計(jì)

    測(cè)高精度、時(shí)空分辨率是雷達(dá)高度計(jì)應(yīng)用過程中的重要指標(biāo),雷達(dá)高度計(jì)目前測(cè)高精度達(dá)2~3 cm,網(wǎng)格產(chǎn)品分辨率達(dá)到10~20 km;雷達(dá)高度計(jì)的發(fā)展歷程是提升測(cè)高精度與時(shí)空分辨率的過程,在傳統(tǒng)星下點(diǎn)高度計(jì)的基礎(chǔ)上為提高其沿軌跡向的分辨率及測(cè)高精度,發(fā)展出了合成孔徑高度計(jì)。為了滿足高時(shí)空分辨率的需求,形成了多星編隊(duì)測(cè)高、干涉型成像高度計(jì)等技術(shù)體制,典型干涉型成像高度計(jì)系統(tǒng)為SWOT計(jì)劃,其測(cè)量示意圖如圖9所示,其在一定程度上實(shí)現(xiàn)了時(shí)空分辨率的有效提升。未來雷達(dá)高度計(jì)將向著更高測(cè)高精度、更高時(shí)空分辨率的方向發(fā)展[28],有望實(shí)現(xiàn)高程精度優(yōu)于1 cm,網(wǎng)格分辨率優(yōu)于10 km的產(chǎn)品。

    圖9 寬刈幅干涉高度計(jì)(SWOT)測(cè)量示意圖

    3.3 星載輻射計(jì)

    星載輻射計(jì)向著更高測(cè)溫精度、更高空間分辨率的方向發(fā)展,測(cè)溫精度由目前的0.5~1 K向優(yōu)于0.5 K發(fā)展,高測(cè)量精度依靠硬件系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)步保證;空間分辨率目前為50~100 km,熱流阻擋層、熱鹽環(huán)流等海洋現(xiàn)象的觀測(cè)目標(biāo)對(duì)空間分辨率提出了更高的要求,高空間分辨率通過大口徑天線或合成孔徑實(shí)現(xiàn),當(dāng)前已有在軌應(yīng)用的合成孔徑輻射計(jì)系統(tǒng)。此外,全極化輻射計(jì)也是輻射計(jì)發(fā)展的重要方向之一,通過測(cè)量全部4個(gè)Stokes參數(shù)反演得到海面風(fēng)場(chǎng)的信息,利用全極化輻射計(jì)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)輻射計(jì)與散射計(jì)的功能。

    全極化輻射計(jì)可利用所有極化方式獲取多種海面物理信息,有效提高了觀測(cè)效率,合成孔徑輻射計(jì)可實(shí)現(xiàn)高空間分辨率輻射亮溫觀測(cè),將二者有機(jī)結(jié)合,把全極化模式和合成孔徑技術(shù)用于同一微波輻射計(jì)天線,形成高分辨率、多功能的全極化合成孔徑輻射計(jì)(FPIR)可進(jìn)一步提高微波遙感衛(wèi)星的工作效率。

    3.4 星載散射計(jì)

    星載散射計(jì)主要通過不同方位對(duì)海面同一觀測(cè)單元進(jìn)行測(cè)量,通過對(duì)后向散射系數(shù)的測(cè)量無模糊反演風(fēng)速與風(fēng)向信息;更高的測(cè)量精度依靠更多的測(cè)量自由度保證,目前風(fēng)速測(cè)量精度優(yōu)于2 m/s,通過全極化、雙頻、扇形波束圓錐掃描增加極化、頻率、入射角的自由度,多自由度信息獲取后通過數(shù)據(jù)處理及模型修正能夠進(jìn)一步提升星載散射計(jì)的測(cè)量精度,未來星載散射計(jì)將圍繞多自由度信息獲取以實(shí)現(xiàn)高精度無模糊反演風(fēng)場(chǎng)信息為目標(biāo)繼續(xù)發(fā)展。

    4 發(fā)展建議

    4.1 統(tǒng)籌規(guī)劃,構(gòu)建我國空間微波遙感體系

    在梳理不同行業(yè)用戶需求的基礎(chǔ)上,針對(duì)不同探測(cè)要素的測(cè)量方法,結(jié)合現(xiàn)有空間微波遙感系統(tǒng)現(xiàn)狀及技術(shù)體制發(fā)展趨勢(shì),進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃,制定我國空間微波遙感體系的發(fā)展戰(zhàn)略,最大限度發(fā)揮體系的應(yīng)用能力。

    4.2 重點(diǎn)構(gòu)建滿足特定需求的高性能衛(wèi)星系統(tǒng)

    針對(duì)不同用戶的特定需求,發(fā)展功能相對(duì)專一的空間微波遙感系統(tǒng)是滿足“高精尖”應(yīng)用需求的最佳策略,在此基礎(chǔ)上,明確衛(wèi)星系統(tǒng)體系定位的前提下,不同衛(wèi)星系統(tǒng)擔(dān)負(fù)各自的職責(zé),通過體系內(nèi)部不同系統(tǒng)協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)不同要素、不同維度的探測(cè)以滿足多樣化應(yīng)用的需求。

    4.3 關(guān)注載荷多種技術(shù)路線及技術(shù)體制融合發(fā)展

    針對(duì)空間微波遙感各類載荷的發(fā)展路線,結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求,在分析各技術(shù)體制與技術(shù)路線特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,將各種技術(shù)體制取長補(bǔ)短,進(jìn)行多種技術(shù)路線與體制的融合設(shè)計(jì)。以最佳的系統(tǒng)方案和工程代價(jià)滿足應(yīng)用需求并保證相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)水平處于國際前沿。

    4.4 重視空間微波器件的技術(shù)突破與工程實(shí)現(xiàn)

    當(dāng)前在微波載荷模式設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理算法研究等領(lǐng)域已取得諸多研究成果和工程產(chǎn)品,技術(shù)水平已達(dá)到同國外并跑甚至領(lǐng)跑的水平,但空間微波器件以及與其相關(guān)的材料、工藝等基礎(chǔ)學(xué)科與日益增長的需求尚有差距,未來需更加重視空間微波器件及其相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。

    4.5 優(yōu)化星地一體化指標(biāo)體系,充分挖掘潛在應(yīng)用效能

    空間微波遙感載荷探測(cè)要素復(fù)雜,數(shù)據(jù)獲取和處理過程中星地一體關(guān)聯(lián)性強(qiáng)和耦合關(guān)系復(fù)雜,目前地面處理和產(chǎn)品反演能力成為制約微波遙感衛(wèi)星效能充分發(fā)揮的瓶頸,單靠提升星上硬件產(chǎn)品的性能和精度已不能提升最終產(chǎn)品精度,對(duì)星地一體化指標(biāo)及其匹配性必須給予充分重視,此外,后續(xù)需加大對(duì)數(shù)據(jù)處理與反演模型的研究和投入,并通過理論分析、仿真計(jì)算、試驗(yàn)、定標(biāo)等多種手段辨識(shí)空間微波遙感載荷探測(cè)過程中的各類誤差因素,并對(duì)反演和補(bǔ)償方法進(jìn)行星地一體化優(yōu)化,進(jìn)一步提升空間遙感器的使用效能和定量化應(yīng)用水平。

    4.6 研究信息識(shí)別能力提升的方法

    衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)最終是要進(jìn)入信息提取和識(shí)別的環(huán)節(jié),在衛(wèi)星以及載荷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)既要關(guān)注傳統(tǒng)工程參數(shù)指標(biāo)(比如分辨率、信噪比等)的實(shí)現(xiàn),也要關(guān)注影響人工判讀甚至機(jī)器判斷的定性、定量的非工程參數(shù)性質(zhì)的指標(biāo),同時(shí)要關(guān)注和研究適應(yīng)未來機(jī)器智能判讀和識(shí)別的指標(biāo)體系。此外,隨著遙感器性能指標(biāo)的不斷提升,傳統(tǒng)的信號(hào)模型和處理算法已經(jīng)不能完全適應(yīng)和充分發(fā)揮遙感器的潛在性能,為此,必須對(duì)相關(guān)的散射模型、處理及反演方法進(jìn)行深入研究,以進(jìn)一步適應(yīng)未來智能化處理的發(fā)展需求。

    5 結(jié)束語

    空間微波遙感技術(shù)發(fā)展取得了巨大的進(jìn)步,探測(cè)要素測(cè)量精度不斷提升,各種滿足特定需求的新概念、新技術(shù)、新體制不斷涌現(xiàn),相關(guān)技術(shù)已逐步突破,其工程化進(jìn)程也在穩(wěn)步推進(jìn),未來空間微波遙感將以更高的性能、更靈活的配置、更加智能化和更加面向大眾的方式在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國家安全保障和人民生活領(lǐng)域作出更大的貢獻(xiàn)。

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