海絲一號(hào)合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星及應(yīng)用概況

文 | 李泉錕 高海英 趙一迪 薛思涵 謝婷 呂素娜 耿旭樸 任維佳

1.廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院 2.長(zhǎng)沙天儀空間科技研究院有限公司

一、前言

近年來(lái)，隨著集成化小型化的微電子技術(shù)、快速低成本發(fā)射和衛(wèi)星模塊化等技術(shù)的不斷成熟，微小衛(wèi)星以其快速低成本的特點(diǎn)開(kāi)始逐漸進(jìn)入人們的視野，全球微小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)正處于蓬勃發(fā)展期，微小衛(wèi)星的發(fā)射數(shù)量逐年大幅增長(zhǎng)。衛(wèi)星的“小”不只是體現(xiàn)在質(zhì)量和體積上，通過(guò)使用高度集成化、模塊化等技術(shù)，使小衛(wèi)星在擁有與大衛(wèi)星類似的成像水平時(shí)，其設(shè)計(jì)、制造、發(fā)射等整個(gè)開(kāi)發(fā)周期被大大縮減，成本也大幅度降低。

2020 年12 月22 日，海絲一號(hào)（HISEA-1）衛(wèi)星在我國(guó)文昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空入軌，開(kāi)始執(zhí)行對(duì)地觀測(cè)任務(wù)。這是國(guó)內(nèi)首顆C 波段商業(yè)合成孔徑雷達(dá)（SAR）遙感衛(wèi)星。該星對(duì)標(biāo)國(guó)際先進(jìn)SAR 衛(wèi)星指標(biāo)，采用有源相控陣天線，在整星質(zhì)量185kg 的情況下實(shí)現(xiàn)了米級(jí)空間分辨率和多種SAR 成像模式。

海絲一號(hào)衛(wèi)星由廈門大學(xué)、長(zhǎng)沙天儀空間科技研究院有限公司和中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所等單位聯(lián)合研制。海絲一號(hào)衛(wèi)星具有全天時(shí)全天候觀測(cè)和二維高空間分辨率的優(yōu)勢(shì)，能夠穿透云霧雨，不受惡劣天氣條件影響而成像，可為全球變化背景下的海洋動(dòng)力環(huán)境參數(shù)的遙感反演、海洋災(zāi)害監(jiān)測(cè)、洪水災(zāi)害監(jiān)測(cè)、目標(biāo)識(shí)別和地表形變分析等提供有力支撐。

二、海絲一號(hào)衛(wèi)星簡(jiǎn)介

海絲一號(hào)衛(wèi)星在國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星小型化的浪潮推動(dòng)下，基于立方星思想，采用平臺(tái)與載荷高度一體化、適應(yīng)批量化生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化/模塊化技術(shù)，以及立足工業(yè)級(jí)器件的低成本、簡(jiǎn)潔化設(shè)計(jì)，實(shí)際重量?jī)H為185kg，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、功能密集且極具性價(jià)比。

海絲一號(hào)衛(wèi)星具有四種成像模式，包括聚束模式、條帶模式、掃描模式和寬幅掃描模式，最高空間分辨率可達(dá)到1m，最大幅寬可達(dá)100km，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 海絲一號(hào)衛(wèi)星參數(shù)

（2）洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)

洪水影響的范圍十分廣泛，嚴(yán)重影響人類的生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)，傳統(tǒng)人工測(cè)量無(wú)法第一時(shí)間評(píng)估洪水的影響范圍。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，為洪水影響的監(jiān)測(cè)評(píng)估提供了一種高效的觀測(cè)方法。但發(fā)生洪澇災(zāi)害的地方往往伴隨著云雨天氣，傳統(tǒng)的光學(xué)衛(wèi)星很難在第一時(shí)間獲得有效數(shù)據(jù)。海絲一號(hào)衛(wèi)星不但具有二維高分辨率，而且還能夠穿透云層，全方位地獲取影像，大大提高了對(duì)洪水影響范圍觀測(cè)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。利用SAR 衛(wèi)星可以有效監(jiān)測(cè)大范圍地表洪水情況，為洪澇災(zāi)害的預(yù)防與評(píng)估以及災(zāi)后重建工作提供重要的科學(xué)依據(jù)。2021 年7 月河南持續(xù)強(qiáng)降水天氣過(guò)程中，根據(jù)應(yīng)急成像需求，緊急調(diào)度海絲一號(hào)衛(wèi)星于7 月25 日和26 日，連續(xù)采用條帶模式對(duì)河南省多地進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)其水域面積進(jìn)行提取和渲染，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 海絲一號(hào)河南衛(wèi)輝市和淇縣洪水災(zāi)情監(jiān)測(cè)圖

（3）公共安全應(yīng)急快速響應(yīng)

公共安全應(yīng)急保障工作是國(guó)家安全和社會(huì)穩(wěn)定的基石。海絲一號(hào)作為一種主動(dòng)式微波成像衛(wèi)星，可在任何惡劣天氣晝夜連續(xù)工作，為公共安全應(yīng)急快速響應(yīng)提供快速、準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。圖4 為海絲一號(hào)衛(wèi)星在2021 年7 月9 日凌晨1 點(diǎn)對(duì)泰國(guó)曼谷明迪化工爆炸的成像結(jié)果。圖中可以看出爆炸區(qū)域在影像中有較大幅度響應(yīng)，由于爆炸改變了原有的建筑物結(jié)構(gòu)，使得原本相對(duì)整齊的結(jié)構(gòu)變成了“一片廢墟”。根據(jù)爆炸區(qū)與普通目標(biāo)的回波進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，爆炸區(qū)增加了組合散射中體散射的比率導(dǎo)致回波強(qiáng)度增強(qiáng)，圖像較“亮”。

圖4 海絲一號(hào)夜間爆炸區(qū)域成像結(jié)果

3.目標(biāo)識(shí)別與分類

SAR 衛(wèi)星在全天時(shí)、全天候都可以獲得目標(biāo)區(qū)域的圖像信息，被廣泛用于目標(biāo)檢測(cè)、分類和變化檢測(cè)。通過(guò)引入機(jī)器學(xué)習(xí)，結(jié)合SAR 衛(wèi)星提供的豐富的原始數(shù)據(jù)，可以對(duì)圖像進(jìn)行高效的信息提取，更有助于對(duì)陸地和海洋不同目標(biāo)的識(shí)別與分類。海絲一號(hào)衛(wèi)星具有全天時(shí)、全氣候觀測(cè)的優(yōu)越功能，不受黑暗條件和糟糕天氣的影響，能夠直接穿越云層拍攝照片，并且具有二維高分辨率等特點(diǎn)。無(wú)論處于何種天氣狀況，甚至是面臨極其惡劣的環(huán)境，海絲一號(hào)都能接連不斷地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)。利用衛(wèi)星影像與深度學(xué)習(xí)技術(shù)結(jié)合可以有效地對(duì)海上船只