天基穿冰雷達(dá)系統(tǒng)：機(jī)遇與挑戰(zhàn)

胡洛佳 黃 彥 劉 敏 王 成 陳 亮 劉 露 眭曉虹 袁春柱 肖 鵬* 于志同* 陳卓奇 崔祥斌 趙 博 稂時(shí)楠 李 萌

①(中國空間技術(shù)研究院錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 北京 100094)

②(中山大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 珠海 519082)

③(中國極地研究中心 上海 200136)

④(中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 北京 100094)

⑤(北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部 北京 100124)

⑥(中國空間技術(shù)研究院航天東方紅衛(wèi)星有限公司 北京 100094)

1 引言

極地是地球環(huán)境系統(tǒng)的重要組成部分，反映和影響著全球氣候與海平面的變化[1]。該區(qū)域的冰蓋/冰架對(duì)全球氣候變化最為敏感，響應(yīng)最為劇烈，是氣候變化的“指示器”與“放大器”。以南極地區(qū)為例，現(xiàn)有調(diào)查資料表明[2]：南極冰蓋平均厚度約為2160 m，最大厚度超過4776 m，其冰儲(chǔ)量約占全球冰川總量的90%，占全球淡水資源的70%左右。如果南極冰蓋全部融化，其對(duì)海平面上升的貢獻(xiàn)可以達(dá)到近58 m[3]。近年，受全球變暖的影響，南北極冰蓋變薄，冰架的崩解和退縮加劇[4]。加深對(duì)冰蓋動(dòng)態(tài)變化機(jī)制的認(rèn)識(shí)，并采取有效措施應(yīng)對(duì)和減緩以上變化過程迫在眉睫。由于環(huán)境因素的制約，迄今為止，極地冰蓋仍舊是地球上人類認(rèn)識(shí)最為匱乏的區(qū)域之一。而人類準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來海平面變化的最大不確定性，正是來自對(duì)冰蓋動(dòng)態(tài)變化機(jī)制認(rèn)知的不足[5]。因此，當(dāng)前亟需發(fā)展有效觀測(cè)手段實(shí)現(xiàn)冰川、冰蓋/冰架的覆蓋面積、層析結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)變化的精細(xì)探測(cè)。

從20世紀(jì)中葉開始，遙感技術(shù)的使用提高了冰蓋/冰架信息獲取的效率和精度，大幅推進(jìn)了極地科學(xué)研究發(fā)展[6]。其中，由于較強(qiáng)的穿透性和高精度測(cè)距能力，穿冰雷達(dá)成為冰川立體層析遙感的核心技術(shù)。穿冰雷達(dá)(Ice-penetrating radar)，又稱無線電回波探測(cè)雷達(dá)(Radio-echo sounder)或冰雷達(dá)(Ice sounding radar)(本文中統(tǒng)稱為穿冰雷達(dá))，是基于電磁波理論，通過雷達(dá)回波研究冰雪介質(zhì)特征的一種地球物理探測(cè)系統(tǒng)。電磁波在冰蓋內(nèi)部傳播呈現(xiàn)弱衰減性以及冰蓋良好的成層性和勻質(zhì)性是穿冰雷達(dá)能夠探測(cè)極地冰蓋的理論基礎(chǔ)[7]。相較于其他地球物理方法，穿冰雷達(dá)具有穿透能力強(qiáng)、精度高、信息量大等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，穿冰雷達(dá)載體由地基、車載平臺(tái)發(fā)展至機(jī)載平臺(tái)；垂直分辨率由數(shù)百米提高至分米級(jí)；發(fā)射信號(hào)頻段、帶寬和極化模式也日趨復(fù)雜。然而，極地氣候條件并不利于以上載體開展持續(xù)性的高頻次、高密度觀測(cè)，導(dǎo)致遙感數(shù)據(jù)匱乏，從而限制了極地冰蓋科學(xué)研究[8—12]。因此，發(fā)展具有寬覆蓋、高重訪、無人化特性的天基穿冰雷達(dá)系統(tǒng)，獲取極地冰蓋三維層析成像數(shù)據(jù)，為科學(xué)研究提供普查信息就顯得尤為重要。

不同于傳統(tǒng)成像雷達(dá)(例如：合成孔徑雷達(dá)SAR)獲取地表后向散射信息，穿冰雷達(dá)獲取的是飛行測(cè)線下方冰體的立體剖面反射信號(hào)(如圖1)。傳統(tǒng)機(jī)載穿冰雷達(dá)在垂直冰面方向上，利用脈沖壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)高分辨率測(cè)深；在航跡向上，采用合成孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)高空間分辨率；而在垂直航跡向上，則依靠波束寬度或第一菲涅爾積分區(qū)區(qū)分目標(biāo)，飛行器在一個(gè)固定區(qū)域內(nèi)往復(fù)飛行，獲取三維冰下信息。由于觀測(cè)體制發(fā)生變化，低頻電磁波還會(huì)穿透數(shù)公里的冰層，傳播機(jī)理更為復(fù)雜、系統(tǒng)指標(biāo)需求也更為苛刻，導(dǎo)致傳統(tǒng)天基成像雷達(dá)觀測(cè)系統(tǒng)尚無法實(shí)現(xiàn)穿冰探測(cè)。這使得依靠天基平臺(tái)實(shí)現(xiàn)極地冰蓋觀測(cè)仍是天基微波遙感領(lǐng)域的空白。

圖1 機(jī)載穿冰雷達(dá)觀測(cè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of airborne ice sounding radar observation

本文針對(duì)目前天基穿冰成像雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)，探索面向極地冰蓋探測(cè)需求的天基穿冰雷達(dá)系統(tǒng)有效實(shí)施方案。具體而言，首先結(jié)合極地科研需求和穿冰雷達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀，闡述穿冰雷達(dá)在極地科研工作中的重要作用；其次，梳理分析天基平臺(tái)下，穿冰雷達(dá)面臨的3大挑戰(zhàn)，包括：(1)電磁波傳輸過程的強(qiáng)衰減；(2)冰表面復(fù)雜的積雪雜波對(duì)冰底微弱回波的干擾；(3)觀測(cè)高度提升帶來的垂直航跡向分辨率惡化等。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)有天基雷達(dá)的新技術(shù)、新趨勢(shì)，闡述天基穿冰雷達(dá)系統(tǒng)方案，并做出系統(tǒng)指標(biāo)體系初步測(cè)算；最后，對(duì)該系統(tǒng)的未來發(fā)展和應(yīng)用前景提出展望。

2 發(fā)展現(xiàn)狀與科學(xué)需求

2.1 穿冰雷達(dá)系統(tǒng)演變歷程

1933年，美國空軍飛行員發(fā)現(xiàn)飛機(jī)雷達(dá)高度計(jì)在冰蓋上空的讀數(shù)不準(zhǔn)，推測(cè)其原因是低頻電磁信號(hào)對(duì)冰蓋良好的透射能力。1957年，Waite[13]第1次利用雷達(dá)高度計(jì)觀測(cè)到了南極Ross冰架的底部，拉開了使用低頻電磁波觀測(cè)數(shù)公里厚冰蓋的序幕。

早期穿冰雷達(dá)研制國家主要集中于歐美地區(qū)。1963年，英國劍橋大學(xué)斯科特極地研究所(Scott Polar Research Institute,SPRI)的Evans[14]研制出第1臺(tái)專用的穿冰雷達(dá)系統(tǒng)—SPRI Mark I 。此后，包括美國陸軍電子實(shí)驗(yàn)室、美國地質(zhì)調(diào)查局、美國埃迪科公司、蘇聯(lián)北極和南極科學(xué)研究中心、加拿大環(huán)境部、加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)、丹麥技術(shù)大學(xué)和冰島大學(xué)在內(nèi)的多家研究機(jī)構(gòu)開始研制和使用穿冰雷達(dá)系統(tǒng)[7]。這些穿冰雷達(dá)系統(tǒng)以短脈沖體制為主，主要以探測(cè)冰厚和冰下地形為目的。1967—1979年，SPRI聯(lián)合美國國家科學(xué)基金會(huì)(National Science Foundation,NSF)和丹麥技術(shù)大學(xué)(Technical University of Denmark,TUD)，利用C130大力神運(yùn)輸機(jī)搭載其研制的SPRI-TUD穿冰雷達(dá)載荷，在南極冰蓋展開了第1次大面積冰厚和冰下地形調(diào)查，測(cè)線間距為50～100 km，獲得了數(shù)萬個(gè)冰厚數(shù)據(jù)[15]。SPRI-TUD穿冰雷達(dá)工作頻率為60 MHz和300 MHz，脈沖寬度250 ns，冰內(nèi)垂向分辨率為40 m，最大探測(cè)深度超過4000 m。而后，該數(shù)據(jù)經(jīng)過復(fù)雜的編譯、插值處理，生成了第1幅南極冰下地形圖[16]。

20世紀(jì)80年代起，數(shù)字信號(hào)處理和電子技術(shù)的發(fā)展極大地提升了第2代穿冰雷達(dá)系統(tǒng)的性能。脈沖壓縮和相干信號(hào)處理提高了雷達(dá)的探測(cè)靈敏度和沿航跡向分辨率。美國堪薩斯大學(xué)(University of Kansas)研制了相干穿冰雷達(dá)系統(tǒng)(Improved Coherent Arctic Radar Depth Sounder,ICARDS)，其中心頻率為150 MHz，冰內(nèi)分辨率5 m，最大探測(cè)深度超過3000 m[17]。1993年，美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)和NSF在北極格陵蘭地區(qū)開展了第2次大范圍機(jī)載穿冰雷達(dá)調(diào)查，利用P-3B飛機(jī)搭載ICARDS及其后續(xù)穿冰雷達(dá)載荷探測(cè)冰厚和冰下地形，其中90%的測(cè)線探測(cè)到基巖面，沿航跡向分辨率達(dá)到150 m[18,19]。

進(jìn)入21世紀(jì)后，穿冰雷達(dá)系統(tǒng)開始向多頻段、多極化、多通道方向發(fā)展，獲取了更加豐富的冰下信息。例如，堪薩斯大學(xué)研制的多頻帶合成孔徑雷達(dá)(Multiband Synthetic Aperture Radar,MSAR)可以在75～85 MHz,140～160 MHz和330～370 MHz等3個(gè)頻帶范圍內(nèi)工作，通過搭載1個(gè)發(fā)射機(jī)和2個(gè)接收機(jī)用于同時(shí)獲取冰的前向和后向散射信息[20]；日本國立極地研究所(National Institute of Polar Research,NIPR)研制的穿冰雷達(dá)系統(tǒng)，工作頻率分別有30 MHz,60 MHz和179 MHz，同時(shí)獲取水平和垂直極化信號(hào)，可以探測(cè)冰層密度和深部冰晶組構(gòu)差異[21]。

2009年起，為了彌補(bǔ)冰、云和陸地高程衛(wèi)星(Ice,Cloud,and land Elevation Satellite,ICESat)失效后的極地觀測(cè)空白，NASA啟動(dòng)了規(guī)模龐大的“冰橋”計(jì)劃(Icebridge)[22]，使用P3-B和DC-8飛機(jī)搭載多型傳感器，對(duì)南極和格陵蘭島展開了大規(guī)模密集觀測(cè)。其中，堪薩斯大學(xué)冰蓋遙感中心(Center for Remote Sensing of Ice Sheets,CRESIS)研制的多通道相干穿冰雷達(dá)探測(cè)儀(Multichannel Coherent Radar Depth Sounder,MCoRDS)是最為重要的載荷之一。經(jīng)過約10年的持續(xù)觀測(cè)，“冰橋”計(jì)劃獲取了豐富的極地三維變化信息，有效促進(jìn)了冰凍圈科學(xué)研究。該計(jì)劃直到NASA第2代激光高度衛(wèi)星ICESat-2在軌順利運(yùn)行后才終止，彰顯了極地研究對(duì)時(shí)間分辨率和持續(xù)觀測(cè)的迫切需求。

伴隨著穿冰雷達(dá)發(fā)展，極地冰蓋的水平分辨率和垂直深度測(cè)量精度不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。例如，穿冰雷達(dá)探測(cè)得到的極地等時(shí)層信息被用于深冰芯鉆孔位置選定，并且與深冰芯結(jié)合，進(jìn)行冰雪沉積過程反演、冰層與冰芯年代修訂、冰層與冰蓋積累速率重建、冰層與冰流動(dòng)力學(xué)等方面的研究[23]。

2.2 國內(nèi)穿冰雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)展

我國在2004年第21次南極科考中，首次使用了NIPR研制的車載雙頻穿冰雷達(dá)系統(tǒng)，對(duì)中山站到南極冰蓋最高點(diǎn)Dome A的斷面區(qū)域開展觀測(cè)[24]；在第24次南極科考中，利用改進(jìn)后的NIPR系統(tǒng)，獲取了約5000 m的冰下信息，探深精度約10 m[25]；在2009年第26次南極科考中，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所研制的國產(chǎn)首臺(tái)車載穿冰雷達(dá)系統(tǒng)成功獲取了3000 m冰下信息(如圖2)，為南極中山站新機(jī)場(chǎng)建設(shè)提供了重要的科學(xué)數(shù)據(jù)；2015年，中國極地研究中心首次引入固定翼飛機(jī)平臺(tái)開展南極考察，這架飛機(jī)被命名為“雪鷹601”(如圖3)，并根據(jù)極地運(yùn)行和地球物理考察需求進(jìn)行了特殊的改裝[26]。

圖2 南極冰蓋層析圖像(中科院電子所穿冰雷達(dá)系統(tǒng))Fig.2 A tomographic image of the Antarctic ice sheet obtained by the ice sounding radar developed by the Chinese Academy of Sciences

圖3 “雪鷹601”科學(xué)調(diào)查平臺(tái)Fig.3 “Snow Eagle 601” scientific investigation platform

“雪鷹601”的引入使得我國極地冰下信息獲取能力大幅提升，其中較為突出的成果是彌補(bǔ)了國際上對(duì)南極“伊麗莎白公主地”冰下觀測(cè)的空白[27]。至今，我國穿冰系統(tǒng)正在極地觀測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用，并且我國自主獲取的遙測(cè)數(shù)據(jù)也被正式納入國際南極冰下測(cè)繪項(xiàng)目Bedmap3中。

2.3 穿冰雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)展需求

經(jīng)過近60年的發(fā)展，地基、空基穿冰雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)日趨成熟，提供了豐富的極地冰下信息。然而，由于惡劣天氣和平臺(tái)觀測(cè)距離的限制，極地仍存在較大的觀測(cè)盲區(qū)。針對(duì)測(cè)線不足的問題，科學(xué)家使用地形插值技術(shù)和多源遙感數(shù)據(jù)融合反演等方法彌補(bǔ)數(shù)據(jù)空缺[28—30]。然而，這些基于模型計(jì)算得到的結(jié)果在空間網(wǎng)格和數(shù)字高程上誤差較大。以英國南極局2013年公布的第2代Bedmap數(shù)據(jù)集為例[28]，約有40%的極地區(qū)域存在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)空白；通過數(shù)據(jù)融合和相關(guān)處理，空間網(wǎng)格精度提升至1 km2，但局部冰蓋厚度誤差依然在數(shù)十米以上(如圖4)。此外，Bedmap近10年更新一次的極地冰下數(shù)據(jù)庫，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足氣候科學(xué)研究需求[31]，特別對(duì)冰蓋快速演變、短期動(dòng)力學(xué)等方面的研究依然存在較大不確定性。

圖4 Bedmap2數(shù)據(jù)庫示意圖[28]Fig.4 Bedmap2 database diagram[28]

受制于冰蓋立體探測(cè)數(shù)據(jù)的缺失，在模式建立方面陸冰模式與陸地模式依然是單向的，即陸冰模塊只從陸面模塊獲得初始場(chǎng)，但是冰對(duì)地形的改變等不會(huì)進(jìn)一步傳遞給陸面模塊[32,33]。國際上冰川系統(tǒng)模型(包括冰川底部物理化學(xué)過程及其水文演化過程)的建立研究迫切需要更精細(xì)的觀測(cè)數(shù)據(jù)描述冰蓋變化，以提高模式模擬冰川和冰蓋對(duì)氣候變化的敏感性。具體要求為[34]：(1)在冰蓋邊緣的復(fù)雜流動(dòng)區(qū)及陡峭區(qū)域中，模擬極地冰蓋需要1 km的水平分辨率；(2)對(duì)于山谷冰川，輸入場(chǎng)及冰動(dòng)力過程的模擬可能需要100 m的水平分辨率，如果我們希望模擬出冰川末端的年際變化，需要的水平分辨率甚至達(dá)到10 m；(3)對(duì)于改進(jìn)氣候與冰蓋模式的耦合技術(shù)，需要季節(jié)性時(shí)間尺度的冰川、冰蓋動(dòng)力過程觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2001年，NASA和NSF聯(lián)合資助堪薩斯大學(xué)等多家科研機(jī)構(gòu)發(fā)起“極地冰蓋探測(cè)雷達(dá)”(Polar Radar for Ice Sheet Measurement,PRISM)研究計(jì)劃[35]。該計(jì)劃致力于設(shè)計(jì)和研制革命性的雷達(dá)探測(cè)傳感器網(wǎng)，觀測(cè)極地冰蓋關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)而研究極地冰蓋對(duì)全球海平面升高的影響。其核心科學(xué)測(cè)量體系如表1所示。表中所示的7個(gè)關(guān)鍵測(cè)量參數(shù)中，有3個(gè)需要使用穿冰雷達(dá)作為主要探測(cè)手段，可見其在極地研究中有著非常重要的地位。而對(duì)于現(xiàn)有的穿冰雷達(dá)發(fā)展和觀測(cè)能力來說，滿足以上指標(biāo)需求尚存在較大的難度。

表1 PRISM科學(xué)測(cè)量體系[35]Tab.1 PRISM scientific measurement system[35]

2.4 天基穿冰探測(cè)空白

利用天基平臺(tái)對(duì)極地冰蓋進(jìn)行季節(jié)尺度觀測(cè)可以極大彌補(bǔ)目前極地冰蓋科學(xué)研究數(shù)據(jù)的不足。從聯(lián)合國氣象組織全球冰凍圈觀測(cè)(World Meteorological Organization-Global Cryosphere Watch,WMO-GCW)中的天基冰凍圈觀測(cè)計(jì)劃中可見[36](如圖5)：在冰凍圈表面關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量方面(光學(xué)、SAR和高度計(jì)等)，現(xiàn)有天基能力已經(jīng)足夠成熟，可以提供完備的觀測(cè)數(shù)據(jù)；但極度缺乏厚度觀測(cè)和層析觀測(cè)能力，依靠重力儀等大尺度厚度觀測(cè)結(jié)合表面參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合反演存在較大誤差。此外，在可預(yù)見的天基系統(tǒng)發(fā)展計(jì)劃里，并沒有包含針對(duì)厚度和層析觀測(cè)的相應(yīng)載荷。因此，天基穿冰探測(cè)仍是國際空白領(lǐng)域，具有極大發(fā)展空間。

圖5 WMO-GCW天基冰凍圈觀測(cè)計(jì)劃及能力[36]Fig.5 WMO-GCW spaceborne cryosphere observation programs and capabilities[36]

天基穿冰雷達(dá)的概念源自行星次表層探測(cè)計(jì)劃，其利用低頻雷達(dá)載荷穿透灰塵、土壤等覆蓋物，意圖探測(cè)月球、火星等行星上可能存在的水資源等。例如：歐空局/NASA的“木衛(wèi)二”探測(cè)計(jì)劃[37]、歐空局“Rosetta”探測(cè)計(jì)劃[38]以及我國“天問一號(hào)”[39]等，都將次表層探測(cè)雷達(dá)作為重要科學(xué)探測(cè)載荷納入實(shí)施計(jì)劃中。其中，最具代表性的是歐空局的“火星快車”計(jì)劃所攜帶的火星次表層及電離層探測(cè)雷達(dá)[40](Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding,MARSIS)，以及NASA火星勘測(cè)軌道器所搭載的淺地表雷達(dá)[41](SHAllow RADar,SHARAD)(如圖6)。受制于平臺(tái)搭載能力和功耗限制，兩型雷達(dá)都使用了高折展比的棒狀天線，并將載頻選擇在HF頻段。極低的載頻使得這類雷達(dá)載荷在較小的發(fā)射功率和天線增益的條件下依然具備了穿透數(shù)百米深度地表的探測(cè)能力。

圖6 火星探測(cè)雷達(dá)Fig.6 Mars sounding radars

在獲取有效行星探測(cè)數(shù)據(jù)后，美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)等組織開始規(guī)劃利用該種載荷開展對(duì)地觀測(cè)，并進(jìn)行了大量的機(jī)載飛行試驗(yàn)，提出了干旱次表層和冰蓋軌道探測(cè)器(Orbiting Arid Subsurface and Ice Sheet Sounder,OASIS)[42]?？紤]到地球電離層的嚴(yán)重影響，OASIS將載頻提升至45 MHz，即便如此系統(tǒng)也僅能在電離層出現(xiàn)平靜窗口時(shí)才能開展有效觀測(cè)，且發(fā)射信號(hào)帶寬有限[43]。

圖7 JPL OASIS計(jì)劃Fig.7 JPL’s OASIS program

以上3個(gè)典型載荷相關(guān)參數(shù)見表2。在航跡向上OASIS采用了與MARSIS相同的直接累積方法，這就意味著OASIS系統(tǒng)僅能針對(duì)相對(duì)均勻的目標(biāo)開展觀測(cè)，且對(duì)地表雜波干擾無能為力。此外，OASIS系統(tǒng)的垂直航跡向分辨率也沒有做出明確說明，僅能依靠軌道間隔作為區(qū)分，這也會(huì)帶來較大的誤差。在綜合考慮空間分辨率、地表雜波干擾、收發(fā)增益等一系列問題后，該計(jì)劃將沙漠地下水觀測(cè)調(diào)整為首要任務(wù)[45]。

表2 次表層探測(cè)雷達(dá)衛(wèi)星參數(shù)Tab.2 The paramenters of sounding radar satellites

綜上可見，受制于單星負(fù)載能力的限制，使用經(jīng)典的單站式雷達(dá)進(jìn)行穿冰探測(cè)困難較大，幾乎不可能達(dá)到百米量級(jí)的空間分辨率和數(shù)公里的冰蓋穿透能力需求，采用新型探測(cè)原理和遙感技術(shù)勢(shì)在必行。

3 天基穿冰雷達(dá)系統(tǒng)挑戰(zhàn)

為實(shí)現(xiàn)天基穿冰雷達(dá)系統(tǒng)，尚存在多個(gè)問題需要解決，本節(jié)將集中討論其中最為關(guān)鍵的3個(gè)因素。

3.1 傳輸衰減

采用正下視合成孔徑觀測(cè)模式，依據(jù)雷達(dá)方程計(jì)算穿冰雷達(dá)系統(tǒng)的信噪比為

其中，R為雷達(dá)等效作用距離，Pt為峰值發(fā)射功率，Gt和Ar分 別為天線發(fā)射增益和接收電尺寸，σ0為探測(cè)目標(biāo)的反射系數(shù)，ρc和ρa(bǔ)分別為垂直航跡向分辨率和航跡向分辨率，F(xiàn)和Lfree為系統(tǒng)損耗和自由空間傳輸損耗(一般認(rèn)為是5～6 dB)，Lice為冰衰減，k為玻爾茲曼常數(shù)，T0為系統(tǒng)工作溫度，Bs為采樣率，Tr和Br分別為發(fā)射信號(hào)脈寬和帶寬，二者乘積是脈沖壓縮增益，Ta和Ba分別為合成孔徑時(shí)間和多普勒帶寬，二者乘積是合成孔徑處理增益。

其中，Pavg為平功發(fā)射功率，Gr為接收天線增益。穿冰雷達(dá)系統(tǒng)傳輸衰減主要由自由空間傳輸衰減和冰介質(zhì)衰減兩部分構(gòu)成：相較于空基穿冰系統(tǒng)，天基系統(tǒng)自由傳輸衰減高約90 dB；而相較于傳統(tǒng)天基成像雷達(dá)，穿冰雷達(dá)載荷需要額外面對(duì)數(shù)公里深的冰層衰減。

對(duì)于載荷能力有限的天基平臺(tái)，極地冰蓋冰衰減的預(yù)估是系統(tǒng)能量鏈路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由麥克斯韋方程可以推得非磁介質(zhì)中電磁波的衰減系數(shù)α為[46]

其中，f0為電磁波頻率，μ0和ε0分別為真空中的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)，εr和γ分別為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率。為了便于計(jì)算，往往使用

來衡量冰衰減情況[47]。其中，冰的電導(dǎo)率γ和相對(duì)介電常數(shù)εr的計(jì)算是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，與冰密度、深度、厚度、內(nèi)含的離子濃度等多個(gè)因素相關(guān)聯(lián)，無法通過一個(gè)常數(shù)來直接決定。

利用經(jīng)驗(yàn)公式[48]，可以通過冰溫Tice計(jì)算得到冰的相對(duì)介電常數(shù)

冰的電導(dǎo)率γ由兩個(gè)部分相加組成：一部分是由純冰產(chǎn)生的電導(dǎo)率γpure，另一部分是由冰內(nèi)的酸性離子[H+]和鹽性離子[Cl—]等雜質(zhì)所產(chǎn)生的電導(dǎo)率γimpure。其中，依據(jù)文獻(xiàn)[47]所提出的經(jīng)驗(yàn)公式可以得到純冰電導(dǎo)率

其中，參數(shù)A,B和C利用查表3方式得到。

表3 Fujita參數(shù)表1[47]Tab.3 Fujita parameters table 1[47]

非純冰電導(dǎo)率較為復(fù)雜，綜合多個(gè)研究中構(gòu)建的模型[47,49,50]，將其描述為

其中，Iimpure為冰內(nèi)離子濃度，在理想情況下可以通過酸、鹽離子濃度計(jì)算得到Iimpure=[H+]+0.134[Cl-] μM；γ251為溫度在251 K條件下電導(dǎo)率，近似為γ251=3.2Iimpure(μs/m)；參數(shù)a和b可以查表4得到[47]；此外，Tc=2.32×103K。根據(jù)文獻(xiàn)[50]中的統(tǒng)計(jì)，將南極地區(qū)的冰內(nèi)離子濃度視為常數(shù)[H+]=2 μM,[ ssCl-]=4 .2 μM。由此推算可得Iimpure=2.56 μM及γ251=8.2 μS/m 。

表4 Fujita參數(shù)表2[47]Tab.4 Fujita parameters table 2[47]

至此，冰衰減的未知量?jī)H剩冰溫分布Tice，該數(shù)值也是眾多環(huán)境參數(shù)中最為重要的一個(gè)。依據(jù)熱力學(xué)模型，在忽略水平擴(kuò)散影響，并認(rèn)為冰內(nèi)溫度場(chǎng)穩(wěn)定的情況下，冰溫分布Tice依賴該層面的深度d，可表示為[51]

其中，ρI為冰密度，cI為冰的熱容，kI為冰的熱導(dǎo)率，vd為 垂直冰流速，和τ分別為冰內(nèi)的有效應(yīng)變率和剪應(yīng)力。

式(8)的邊界條件為冰面溫度Ts以及冰底溫度梯度

其中，G為地?zé)嵬?，τb=-ρIgD×?s為冰底部剪應(yīng)力(g為引力常數(shù)，D為冰厚度，s為冰面高度)，vb是底部滑動(dòng)速度(可由文獻(xiàn)[52]所提方法估算)?；谶吔鐥l件，可以估算冰底溫度Tb。特別地，如果冰蓋層較厚，使得Tb達(dá)到了壓熔點(diǎn)，則冰溫不再隨著式(8)連續(xù)變化，保持為

在冰海交界面處，冰架底部溫度被視為海水溫度Tb=—2°C，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇。

如果僅考慮溫度的垂直擴(kuò)散和對(duì)流情況(可能導(dǎo)致溫度估算偏低)，則可得到冰溫的解析解[51]

其中，分子熱導(dǎo)率κ ≈1.14×10-6m2s-1,vs為冰蓋表面積累率。

根據(jù)南極數(shù)據(jù)庫[53]，可以測(cè)算得到不同頻率下南極冰蓋的冰衰減分布情況(如圖8)。從圖8(a)可見，隨著頻率增高，冰衰減急劇增大，在L波段(約1.2 GHz)時(shí)需要對(duì)抗100 dB以上的冰衰減；而在VHF波段(30～300 MHz)冰衰減的變化較小，但依然需要考慮70～80 dB以上的冰衰減才能實(shí)現(xiàn)98%以上南極區(qū)域的有效探測(cè)(該結(jié)論與文獻(xiàn)[54]所述結(jié)果相符)，此載頻條件下冰蓋會(huì)帶來15～20 dB/km的雙程衰減(如圖8(b))。

圖8 不同頻率下南極冰蓋冰衰減估算結(jié)果Fig.8 Ice attenuation estimations of the Antarctic ice sheet with different frequencies

3.2 積雪雜波干擾

由于雷達(dá)是等時(shí)分辨系統(tǒng)，因此在對(duì)冰體進(jìn)行三維立體探測(cè)時(shí)，在同一等時(shí)線上的表面積雪雜波會(huì)掩蓋冰內(nèi)部微弱的回波(如圖9)。

圖9 穿冰雷達(dá)積雪雜波干擾示意圖Fig.9 Schematic diagram of snow clutter jamming for ice sounding radar

考慮到電磁波進(jìn)入冰后傳播速度減慢，在冰下深度d處的等時(shí)線為

其中，RH為雷達(dá)距冰面飛行高度，c 為光速，冰的相對(duì)介電常數(shù)εr可近似為經(jīng)驗(yàn)值3.17。換算成入射角為

當(dāng)雷達(dá)飛行高度為數(shù)百米時(shí)，在|θ|≤60°范圍內(nèi)(針對(duì)帶反射器的半波長(zhǎng)偶極子天線)，積雪雜波僅干擾到數(shù)百米深的冰層探測(cè)(如圖10紅黃色區(qū)域所示)。

圖10 “雪鷹601”穿冰雷達(dá)積雪雜波干擾示意圖Fig.10 Snow clutter interference of “snow Eagle 601” ice sounding radar

利用式(13)可以通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中的淺層回波功率，計(jì)算不同入射角條件下積雪雜波的強(qiáng)度變化[55](如圖11，截取明顯高于冰內(nèi)等時(shí)層回波部分)?？梢钥闯觯e雪雜波干擾強(qiáng)度隨著入射角的增大迅速下降。利用烏拉比積雪散射模型[56]，結(jié)合“雪鷹601”實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)待定相關(guān)參數(shù)，推導(dǎo)得到積雪雜波強(qiáng)度空間分布特性

圖11 VHF頻段積雪雜波強(qiáng)度空間分布特性(基于“雪鷹601”實(shí)測(cè)數(shù)據(jù))Fig.11 Spatial distribution characteristics of snow clutter intensity based on “snow Eagle 601” data

結(jié)合冰衰減特點(diǎn)，可以得到空間雜波抑制目標(biāo)函數(shù)

其中，σ0為探測(cè)冰內(nèi)/冰下目標(biāo)的反射系數(shù)，σs(θ)為入射角θ條件下的積雪雜波強(qiáng)度，Lice[d(θ)]為深度d處對(duì)應(yīng)的冰衰減，根據(jù)前面的推導(dǎo)近似認(rèn)為冰衰減與冰厚呈線性關(guān)系，比例系數(shù)為20 dB/km,d(θ)為入射角θ條件下等時(shí)線對(duì)應(yīng)的探測(cè)深度。

對(duì)于數(shù)百公里飛行高度的天基系統(tǒng)，積雪雜波將會(huì)完整覆蓋整個(gè)冰層回波，必須考慮抑制。假設(shè)衛(wèi)星飛行在距地表480 km的軌道上，并假定探測(cè)目標(biāo)為冰下湖σ0≈-3.5 dB，檢測(cè)門限設(shè)定為3 dB，可以得到如圖12所示的空間雜波能量抑制需求情況。從圖中可見，除中心的探測(cè)目標(biāo)區(qū)域之外，雜波抑制需求急速提高，在約4 km深的冰層處(對(duì)應(yīng)空間角約為9°)，空間能量抑制需求達(dá)到—75 dB，這就對(duì)天線方向圖賦形能力提出了更高需求。

圖12 天基條件下雜波抑制需求曲線Fig.12 Clutter suppression demand for spaceborne radar

3.3 垂直航跡向分辨率下降

傳統(tǒng)穿冰雷達(dá)采用正下視探測(cè)模式對(duì)冰層進(jìn)行層析觀測(cè)(如圖1)，在垂直方向采用脈沖壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)高分辨率冰層探測(cè)；在航跡向(即沿飛行方向)采用合成孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)高分辨率；在垂直航跡向上則常利用第一菲涅爾積分區(qū)(The first fresnel zone)寬度作為分辨率指標(biāo)，系統(tǒng)通過平臺(tái)在區(qū)域多航跡飛行實(shí)現(xiàn)三維觀測(cè)的目的。

第一菲涅爾積分區(qū)分辨率的概念源自通信領(lǐng)域：假設(shè)無線電波收發(fā)路徑上的干擾具有相同散射特性時(shí)，由于不同空間位置散射信號(hào)到達(dá)相位的正負(fù)差異，空間回波正負(fù)抵消，從而實(shí)現(xiàn)高于波束分辨率(半功率寬度)的分辨率能力。在穿冰雷達(dá)系統(tǒng)中，第一菲涅爾積分區(qū)分辨率為[57]

其中，λ為載頻波長(zhǎng)。

當(dāng)垂直航跡向波束寬度較窄或遇到非勻質(zhì)散射體時(shí)，垂直航跡向的分辨率則回歸到傳統(tǒng)的波束分辨率[58]

其中，Lc為天線電尺寸。

由于穿冰雷達(dá)采用較低頻率的電磁波以保證穿透能力，同時(shí)平臺(tái)搭載能力有限，往往無法攜帶龐大的天線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較高的波束分辨率，因此常使用第一菲涅爾積分區(qū)分辨率來衡量垂直航跡向分辨率。以“雪鷹601”為例，當(dāng)飛行高度為600 m時(shí)，垂直航跡向分辨率僅為80～180 m(隨著探測(cè)深度增加而增大)。然而，在天基平臺(tái)下，若衛(wèi)星飛行高度為480 km，則該分辨率惡化為公里級(jí)別，難以滿足科學(xué)觀測(cè)要求。

因此，必須考慮利用更窄的波束替代第一菲涅爾積分區(qū)分辨率，以滿足百米量級(jí)分辨率的科學(xué)觀測(cè)需求。通過波束分辨率計(jì)算可知，當(dāng)分辨率優(yōu)于100 m時(shí)，需要一個(gè)電尺寸數(shù)公里的天線，這對(duì)于單星系統(tǒng)來說無疑是個(gè)難題。

綜上所述，如表5所示：天基平臺(tái)系統(tǒng)與機(jī)載平臺(tái)系統(tǒng)相比，由于飛行高度的大幅提升，3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的性能惡化是非常明顯的，且難以通過簡(jiǎn)單的系統(tǒng)修改所補(bǔ)償。

表5 天基與機(jī)載穿冰雷達(dá)相關(guān)參數(shù)對(duì)比Tab.5 The paramenters of spaceborne and airborne ice sounding radars

4 分布式穿冰雷達(dá)系統(tǒng)

由上文分析可知，天基穿冰系統(tǒng)需要更低的載頻、更高的增益、更低的方向圖副瓣以及更大的天線電尺寸，這對(duì)天基系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了巨大的挑戰(zhàn)。隨著衛(wèi)星集成化、小型化發(fā)展，利用大規(guī)模微小衛(wèi)星群協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)獨(dú)立大型衛(wèi)星難以達(dá)到的指標(biāo)能力，已經(jīng)成為未來天基遙感的一大發(fā)展趨勢(shì)?；谖⑿⌒l(wèi)星的分布式系統(tǒng)主要有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)：(1)多發(fā)多收系統(tǒng)可以有效地提高總發(fā)射功率，從而提高系統(tǒng)增益。(2)分布式系統(tǒng)可以更加靈活地組成數(shù)字陣列天線，有效抑制積雪雜波干擾；(3)利用分布式系統(tǒng)組成大尺寸基線，擴(kuò)展有效天線電尺寸，從而實(shí)現(xiàn)空間高分辨能力。這一系列的優(yōu)勢(shì)使得基于分布式遙感探測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)天基穿冰探測(cè)成為可能。近年來，數(shù)個(gè)國際相關(guān)組織陸續(xù)開展了該方向的研究。

4.1 分布式系統(tǒng)概念

在總結(jié)了OASIS的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)后，JPL后續(xù)提出了分布式陣列波束合成探冰雷達(dá)系統(tǒng)(Distributed Element Beamformer Radar for Ice and Subsurface Sounding,DEBRIS)[59]。系統(tǒng)延續(xù)了OASIS的45 MHz載頻觀測(cè)分析結(jié)果，進(jìn)而利用11顆分布式12 U立方星系統(tǒng)編隊(duì)飛行，形成環(huán)形飛行陣列，每條基線上都有3顆衛(wèi)星，利用大基線合成波束提高空間分辨率；單星攜帶3.3 m×3.3 m的柔性天線，可壓縮到4 U的立方空間中(如圖13)。多發(fā)多收(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)系統(tǒng)有效提高了空間分辨率，同時(shí)抑制了積雪雜波干擾。

圖13 DEBRIS系統(tǒng)示意圖[59]Fig.13 DEBRIS system schematic[59]

同時(shí)，意大利Trento大學(xué)的Bruzzone團(tuán)隊(duì)[58,60]也在謀劃將火星探測(cè)系統(tǒng)移植到對(duì)地觀測(cè)中，與DEBRIS同步提出了地球次地表探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)(SaTellite Radar sounder for eArTh sUb-surface Sensing,STRATUS)。該系統(tǒng)以O(shè)ASIS為母型，使用一發(fā)多收(Single-Input Multiple-Output,SIMO)模式緩解收發(fā)同步問題，并采用了“一”字型陣列編隊(duì)，僅在南北極地區(qū)形成大基線，有效減少了星群數(shù)量(如圖14)。與DEBRIS類似地，該系統(tǒng)依然存在嚴(yán)重的電離層誤差影響和水平分辨率較差等問題。

圖14 STRATUS系統(tǒng)Fig.14 STRATUS system

為了解決低頻系統(tǒng)電離層影響大、水平分辨率差的問題，Alabama大學(xué)聯(lián)合NASA等多家科研單位，提出了多立方星緊密編隊(duì)的CubeSat Train方案[61,62]，實(shí)現(xiàn)200 m空間分辨率。為了抑制柵瓣影響，單星上使用了15 m長(zhǎng)的復(fù)雜十字形多通道天線(圖15)，這無疑加重了系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)；大規(guī)模星間收發(fā)同步及碼分多址技術(shù)也使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度較大。

圖15 CubeSat Train系統(tǒng)[61]Fig.15 CubeSat Train system[61]

綜合以上3個(gè)天基分布式穿冰探測(cè)計(jì)劃，其詳細(xì)系統(tǒng)性能如表6所示?？梢钥闯觯?1)3種系統(tǒng)都選擇了VHF波段作為載頻，用以增大穿冰探測(cè)能力；(2)受制于較低載頻，需要使用較為復(fù)雜的天線系統(tǒng)；(3)系統(tǒng)預(yù)期的空間分辨率依然無法滿足科學(xué)應(yīng)用需求；(4)多發(fā)多收系統(tǒng)的同步方案，尚未詳細(xì)考慮；(5)陣列合成后的波束柵瓣干擾尚無法徹底解決。

4.2 關(guān)鍵性能指標(biāo)測(cè)算

4.2.1 系統(tǒng)靈敏度

依據(jù)式(2)推導(dǎo)的信噪比結(jié)果，考慮到探測(cè)目標(biāo)反射系數(shù)和冰衰減均具有不確定性，本文中將穿冰雷達(dá)系統(tǒng)靈敏度定義為

相較于單星系統(tǒng)，多發(fā)多收系統(tǒng)有

其中，N為星群數(shù)量，Pavg_0,Gt_0和Gr_0分別為單星平均功率、天線發(fā)射和接收增益。可見，低載頻和分布式對(duì)系統(tǒng)增益的提升是非常明顯的；即便在一發(fā)多收系統(tǒng)下，也可獲得N倍的增益提升。

4.2.2 分布式垂直航跡向分辨率

使用空間角響應(yīng)來衡量垂直航跡向分辨率

其中，φi和φe分別為入射波束和出射波束的掃描寬度。

如圖16所示，在垂直航跡向上星群形成的垂直航跡向基線長(zhǎng)度為B⊥時(shí)，若系統(tǒng)為一發(fā)多收則有ρc≈λ/φe=λRH/B⊥，若為多發(fā)多收則有ρc≈λ/(2φe)=λRH/(2B⊥)。由此可見，更大的波長(zhǎng)需要匹配更長(zhǎng)的基線，才能保證垂直航跡向分辨率不惡化。

圖16 空間收發(fā)角度示意圖Fig.16 Spatial transmitting and receiving angles diagram

4.2.3 垂直航跡向波束合成柵瓣與衛(wèi)星數(shù)量

由陣列理論可知：當(dāng)陣元間隔小于半波長(zhǎng)條件時(shí)，波束合成后不會(huì)產(chǎn)生柵瓣干擾。實(shí)際上，衛(wèi)星間很難保證在數(shù)米間隔條件下安全飛行，因此合成波束柵瓣必定存在，其產(chǎn)生的強(qiáng)積雪雜波依然會(huì)干擾主瓣成像區(qū)域。

假設(shè)垂直航跡向衛(wèi)星數(shù)量為N，則星間基線間隔為

由陣列理論[63]可知，第n個(gè)柵瓣會(huì)出現(xiàn)在空間角為θg的位置

為了使得柵瓣等時(shí)線不會(huì)出現(xiàn)在5 km深的冰層內(nèi)，依據(jù)式(13)可知第一柵瓣出現(xiàn)在12°以外(對(duì)應(yīng)400 km高度)。因此，當(dāng)載頻為144 MHz時(shí)最小基線間隔應(yīng)小于10 m，而采用45 MHz時(shí)最小間隔增大到32 m?？梢?，更低的載頻對(duì)柵瓣抑制也是有益的。

對(duì)于星群規(guī)模，可以得到

如圖17所示，在400 km軌道高度下，20 km垂直航跡向分辨率需要約3顆衛(wèi)星，7.5 km分辨率則需要約5顆衛(wèi)星，這與前面所述的分布式系統(tǒng)方案相符；而在小于1 km的分辨率需求下衛(wèi)星數(shù)量急劇上升，可利用不同的收發(fā)星組合成虛擬陣元彌補(bǔ)實(shí)際衛(wèi)星數(shù)量的不足，但這會(huì)大幅增加系統(tǒng)復(fù)雜度。

圖17 垂直航跡向分辨率與衛(wèi)星數(shù)量Fig.17 Cross-track direction resolution with the number of satellites

4.3 關(guān)鍵技術(shù)研究展望

為了實(shí)現(xiàn)分布式天基穿冰探測(cè)，筆者認(rèn)為后續(xù)需要在以下幾個(gè)方面開展重點(diǎn)研究。

4.3.1 高增益系統(tǒng)

遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)天基微波遙感系統(tǒng)的增益是實(shí)現(xiàn)穿冰探測(cè)基本條件之一。

依據(jù)式(19)，當(dāng)軌道高度為400 km、空間分辨率為100 m、探測(cè)目標(biāo)為冰下水系(σ0=-3.5 dB[64])、冰衰減預(yù)期為70 dB時(shí)，即使采用45 MHz的載頻，依然需要系統(tǒng)具備提供PavgGtGr＞75 dBW以上增益的能力?？紤]采用50顆衛(wèi)星組成多發(fā)多收系統(tǒng)，單星依然需要能夠提供約24 dBW的增益。這對(duì)于僅能攜帶偶極子天線且功耗有限的立方星平臺(tái)來說，依然具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。如何在單星成本、星群數(shù)量和探測(cè)能力上做出平衡，需要進(jìn)行更進(jìn)一步的探討和研究。

另一種解決方案是將高增益需求集中于一顆主星上，通過高功率和大尺寸天線滿足探測(cè)需求，而其他輔星僅需提供多角度回波信息實(shí)現(xiàn)高空間分辨率，該方案能夠緩解輔星群的設(shè)計(jì)壓力。本文作者在文獻(xiàn)[65]中提出了這種系統(tǒng)概念并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)分析：40 m直徑的大型可展開天線，能夠在300 MHz載頻條件下提供約80 dBi的收發(fā)增益，配合數(shù)千瓦的發(fā)射機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)80 dB冰衰減條件下的冰下水系探測(cè)；此外，大型天線的使用更便于進(jìn)行空間波束賦形，有利于對(duì)積雪雜波干擾進(jìn)行抑制。

現(xiàn)有的遙感雷達(dá)衛(wèi)星已經(jīng)可以攜帶直徑超過12 m的拉索式網(wǎng)狀反射面天線[66—68]，而在地球同步軌道通信衛(wèi)星上拋物面天線的尺寸也早已逼近了20 m大關(guān)[69]。隨著天線直徑的增加，對(duì)天線的收納、展開和形狀保持能力的要求大幅提高，導(dǎo)致重量和成本的不斷躍升。為了實(shí)現(xiàn)大尺寸、高增益、低副瓣的低頻天線，需要采用新方法、新技術(shù)、新材料。近年來，薄膜反射陣列天線的出現(xiàn)，使得該需求變?yōu)榭赡?。該種天線出色的折展比、超輕的重量、獨(dú)特的平面展開特性和靈活的賦形能力，受到了多個(gè)行業(yè)的關(guān)注。從目前可獲取的信息來看，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)和NASA等多個(gè)組織，正在對(duì)其開展相關(guān)研究和在軌實(shí)驗(yàn)工作。

在大功率發(fā)射機(jī)方面：新型氮化鎵材料的引入，使得發(fā)射機(jī)效率從30%提升至55%左右，發(fā)射機(jī)體積和損耗也有相當(dāng)程度的縮減，大型太陽能帆板和更高效的鋰電池組也已經(jīng)能夠滿足數(shù)千瓦發(fā)射功率的需求。

4.3.2 星間收發(fā)同步

大規(guī)模星群系統(tǒng)工作并能夠進(jìn)行相干處理的前提是保證收發(fā)信號(hào)之間的相位同步，而相位同步的誤差主要來自不同振源的頻相差異。

現(xiàn)有的干涉SAR系統(tǒng)(例如：Tandem-X[70],LuTan-1[71]等)多數(shù)是雙星伴飛系統(tǒng)，星間通過特殊鏈路進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)收發(fā)同步校準(zhǔn)。對(duì)于大規(guī)模多發(fā)多收星群來說，兩兩星間均需要建立獨(dú)立的同步鏈路，難度較大。新一代多基雷達(dá)可以使用原子鐘等高精度振源解決同步問題[72—74]，利用統(tǒng)一廣播源進(jìn)行整體標(biāo)定后，可以穩(wěn)定地工作較長(zhǎng)時(shí)間[75,76]。

另外一種簡(jiǎn)單高效的同步方案是使用透明轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)：回波信號(hào)被輔星接收后，直接模擬上調(diào)頻至某一高頻頻段后轉(zhuǎn)發(fā)回主星進(jìn)行下調(diào)頻和采樣，通過頻分復(fù)用技術(shù)區(qū)別不同輔星的回波信號(hào)。由于收發(fā)過程均在同一振源驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行，因此頻相誤差可以得到保證。德國宇航中心(DLR)在其新一代高分寬幅系統(tǒng)HRWS中明確使用了該種方案，實(shí)現(xiàn)一發(fā)四收的子星MirroSAR[77]。由于穿冰雷達(dá)發(fā)射信號(hào)帶寬僅為數(shù)十兆赫茲，即便采用了數(shù)十顆輔星進(jìn)行編隊(duì)，其轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的總帶寬也可以控制在1 GHz左右，現(xiàn)有雷達(dá)模數(shù)轉(zhuǎn)換器也已經(jīng)可以滿足采樣要求。

4.3.3 立方星雷達(dá)平臺(tái)

穿冰雷達(dá)系統(tǒng)需要構(gòu)建數(shù)十顆衛(wèi)星協(xié)同工作的星群，因此需要單星成本足夠低、體積足夠小，才能保證系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)。

現(xiàn)有能夠獨(dú)立工作的立方星雷達(dá)已經(jīng)能夠壓縮至6 U以下(例如JPL的RainCube衛(wèi)星[78])，并正朝著更小的體積發(fā)展。如今，各國航天組織正在積極發(fā)展折展比更高的天線、更便宜輕小的離子推進(jìn)系統(tǒng)，以及更加高效的能量支持系統(tǒng)。未來，可以通過一箭多星或者利用彈射框架等方法一次性將星群發(fā)射入軌。

此外，發(fā)展非等間隔稀疏陣列技術(shù)，利于抑制波束合成后的柵瓣能量，對(duì)于減少星群規(guī)模也有著相當(dāng)重要的意義。這同樣需要小型衛(wèi)星平臺(tái)高精度姿軌測(cè)控能力的支持。

5 總結(jié)與展望

冰川、冰蓋的特殊熱交換屬性和龐大的含水量，使其成為全球氣候變化中最為重要的環(huán)節(jié)。對(duì)數(shù)米至數(shù)公里厚的冰層動(dòng)態(tài)變化立體監(jiān)測(cè)是極地科學(xué)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

穿冰雷達(dá)是迄今為止對(duì)冰蓋開展立體觀測(cè)的最有效手段。受制于極地惡劣環(huán)境影響，現(xiàn)有穿冰雷達(dá)數(shù)據(jù)積累有限、更新速率較慢，遠(yuǎn)無法滿足科學(xué)研究需求。利用天基平臺(tái)搭載低頻穿冰雷達(dá)，對(duì)極地?cái)?shù)公里厚的冰層開展層析觀測(cè)，充分發(fā)揮天基微波遙感全天時(shí)、全天候、高重訪觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，是突破極地遙感瓶頸的關(guān)鍵所在。

受制于傳輸衰減、積雪雜波干擾、電離層干擾等因素的影響，天基高分辨率穿冰探測(cè)尚處于方案探索階段。近年來，歐美數(shù)個(gè)科研機(jī)構(gòu)開始探索采用分布式系統(tǒng)突破高分低頻遙感系統(tǒng)所面臨的諸多難題。本論文的參與單位也同步開展了相關(guān)工作，并提出了自主的觀測(cè)方案[65]：通過一發(fā)多收模式配合立方星編隊(duì)，以期實(shí)現(xiàn)100 m×100 m(航跡向×垂直航跡向)空間網(wǎng)格，5 m穿深測(cè)量分辨率，以及15 km幅寬和季節(jié)尺度的重訪，滿足極地科學(xué)普查需求。

得益于遙感衛(wèi)星小型化、集成化的高速發(fā)展，大規(guī)模星群協(xié)同觀測(cè)已經(jīng)逐步成為可能。天基穿冰雷達(dá)系統(tǒng)中所涉及的低頻載荷、星群協(xié)同工作、輕量化高增益天線、小型衛(wèi)星平臺(tái)等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)也將牽引微波遙感領(lǐng)域的發(fā)展。天基穿冰雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展，將使微波遙感能力從“面”延伸到“體”，拓展探測(cè)維度，彌補(bǔ)國際上天基遙感領(lǐng)域的空白。致謝 本論文作者感謝“中國空間技術(shù)研究院-中山大學(xué) 全球變化天基觀測(cè)系統(tǒng)聯(lián)合研究中心”陳泓研究員(中國空間技術(shù)研究院)和程曉教授(中山大學(xué))，以及研究過程中為我們提供支持的各位專家、老師。