星载SAR技术的发展趋势及应用浅析

2012-10-25邓云凯赵凤军

雷达学报 2012年1期

邓云凯赵凤军王宇

(中国科学院电子学研究所北京 100190)

1 前言

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种主动式微波成像传感器[1－3]，通过发射宽带信号，结合合成孔径技术，SAR能在距离向和方位向上同时获得2维高分辨率图像。与传统光学遥感和高光谱遥感相比，SAR具备全天候、全天时的成像能力，还有一定的穿透性，获得的图像能够反映目标微波散射特性，是人类获取地物信息的一种重要技术手段[1]。SAR已被广泛应用于军事和民生领域，是实现空间军事侦察、自然资源普查、自然灾害监测等的重要技术手段[2－22]。

由于星载SAR具有全球高分辨率成像的能力，因此从1978年美国发射第1颗合成孔径雷达卫星SEASAT开始，很多国家都陆续开展星载SAR技术研究。尤其是近10年来，随着世界各国对多元空间信息的日益重视，星载 SAR越来越成为对地观测领域的研究热点。截止到目前，全球约有20个星载SAR系统在轨，16个星载SAR系统在建；在未来10年，美国计划发展约10个星载SAR系统，欧空局计划发展约16个星载SAR系统，德国计划发展约6个星载SAR系统，加拿大计划发展约3个星载 SAR系统，日本计划发展约 3－5个星载SAR系统。

虽然我国在星载 SAR技术领域起步较晚，但是经过20多年的努力，我国在该领域也取得了重大技术突破，缩短了与世界先进国家的差距。在“十二五”期间，星载 SAR技术的研究与应用是我国对地观测领域重点发展的方向。

本文将围绕星载 SAR技术发展趋势及潜在的应用展开论述。第2部分论述了星载SAR的高分辨率宽幅成像系统关键技术、多基星载 SAR技术及其应用、多极化 SAR技术及其应用、超小型星载SAR技术及其应用、多模式星载SAR技术及其应用、多传感器数据融合技术及其应用等。第3部分是本文结论。

2 星载SAR技术的发展趋势及应用

随着科学技术的进步，星载 SAR正朝着能够为人们提供更为广阔、更为丰富、更为细致目标信息的方向发展。在现阶段，关于星载 SAR的发展趋势主要包括以下几个方面。

2.1 高分辨率宽测绘带(High-Resolution Wide-Swath,HRWS)SAR成像技术

自星载SAR应用于遥感成像以来，人们为了增大SAR图像中所包含的信息量，始终在朝着提高分辨率与测绘带宽的方向努力[2－6]。例如，土地使用与植被覆盖情况调查、海洋监视、冰川观测，都需要SAR具有宽幅成像能力，从而快速了解宏观信息。在欧空局未来的Sentinel-1星载SAR系统中(如图1所示)，宽测绘带成像是一个重要的系统功能。

另一方面，很多遥感应用需要星载 SAR具有高分辨率成像能力。地震与灾害情况评估，军事目标识别，军事打击效果评估等都需要对所指定的区域进行高分辨率成像。目前在轨的 TerraSAR-X,Radarsat-2,COSMO-SkyMed,SAR-Lupe等都具有米级，甚至亚米级的分辨率[5,6]。图 2与图 3是TerraSAR-X获取的高分辨率图像。我国也在积极开展高分辨率星载SAR与机载SAR的研制，如图4为中国科学院电子学研究所航天微波遥感部研制的X波段高分辨率机载SAR系统获得的0.15 m分辨率多极化雷达图像。

图1 Sentinel-1示意图

图3 TerraSAR-X聚束模式高分辨率图像(巴西某矿区)

图4 X波段0.15 m多极化雷达图像(中国科学院电子学研究所航天微波遥感部提供)

由于受到脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency,PRF)的限制，传统星载SAR不能同时实现高分辨率和宽测绘带。目前，利用方位向多通道技术是解决这一问题的潜在方案。为了有效解决这一矛盾，世界著名的SAR研制单位EADS,DLR和 JPL把多通道技术引入到了目前和未来的星载SAR 系统设计中[2－7]。为了将多通道技术应用于星载SAR系统设计，目前迫切需要开展高分辨率SAR图像应用及特征目标散射机理、通道的一致性、多通道雷达信号冗余机理、多通道数据压缩等前沿基础理论与核心关键技术的研究[2－22]。

2.2 多基星载SAR技术及其应用

多基星载 SAR是指发射机和接收机分别被安装在不同卫星平台上的一种 SAR系统。通过灵活配置发射机和接收机的相对位置，该系统能够扩展传统单基SAR的功能、并提高SAR的性能，多基星载SAR具体应用包括以下几方面：

(1)多基SAR干涉

多基星载 SAR能够灵活配置卫星轨道间垂直轨迹向上的间距，形成多条不同长度的基线，结合长、短基线的优势，能够获得较高的高程测量精度。

目前唯一一套在轨的多星干涉系统是德国的TerraSAR-X/TanDEM-X，它由两颗 X 波段星载SAR系统TerraSAR-X和TanDEM-X组成，一次飞行可以得到多幅双基干涉高程图和单基干涉高程图。该模式在轨工作示意图如图5所示，双基干涉获得的高程图如图6所示。

(2)运动目标检测

除了能够通过干涉获得地面高程信息外，多基星载 SAR还可实现运动目标检测。在单次航过时同时获得长、短基线，通过灵活配置卫星数量和基线组合，多基星载 SAR增大了系统自由度，兼顾地面快、慢速运动目标的检测、测速和定位能力，增大了动目标可测速范围。图7显示了SAR系统检测到的不同速度的运动目标。

(3)多种平台系统成像

星载 SAR可通过天、空、地基相结合，高、中、低分辨率互补充而形成空时协调的多基对地观测系统。这一系统能够准确有效、快速及时地对重点军事区域进行远距离灵活安全探测，对重点基础设施进行长期稳定监测。

例如，德国使用TerraSAR-X和欧洲最先进的机载SAR系统PAMIR进行双基混合实验获得了很多有价值的研究结果[14－16]。其系统几何配置和成像结果分别如图8和图9所示。

(4)多维成像技术及其应用

常规 SAR通过距离脉冲压缩与方位向合成孔径技术，只能获取2维平面信息，却不能获取地面的高度信息。然而越来越多的军事与民用需求已不满足于2维SAR成像，希望对目标实现真正3维甚至 4维[18－21](3维空间域+时间域)信息提取。3维SAR技术成像通过2维合成孔径技术和发射宽带信号来实现3维成像，如图10所示。在3维成像的基础之上，通过差分技术又发展出了 4维 SAR技术，如图11所示[21]。

图5 TerraSAR-X/TanDEM-X在轨工作示意图

图6 TerraSAR-X/TanDEM-X双基干涉图(300 MHz，滑动聚束模式)

图7 舰船速度检测与位置定位

图8 TerraSAR-X/PAMIR星-地双基工作示意图

图9 TerraSAR-X/PAMIR星-地双基成像结果(300 MHz,滑动聚束模式)

图10 3维SAR图像

图11 4维SAR图像(右边的刻度代表形变量：mm)

多维成像技术在军事和民用两方面有着广泛的应用。在军事领域，多维成像技术能够用于多维军事目标侦察、精确远程导弹制导以及军事摧毁效果多维评估等；在民用方面，多维成像技术可用于城市建筑物信息提取，地表动态监测和自然资源信息提取等。

因此，对3维和4维SAR成像技术的探索，已经成为近年来星载 SAR技术及应用研究的一个热点领域。

2.3 多极化SAR技术及其应用

多极化SAR技术利用电磁波的全矢量特性，能够获取目标的极化散射回波特性。由于目标的介电常数、物理特征、几何形状和取向等对电磁波的极化方式比较敏感，因而与单极化相比，多极化SAR技术可以大大地提高SAR获取目标信息的能力。

多极化 SAR作为一种重要的遥感工具，在军事侦察、农作物估产、环境灾害监测、资源勘探等诸多领域得到了广泛应用，对国防、国民经济和社会发展有着重大影响。在军事领域，多极化SAR可用于军事目标的检测与识别。在林业和农业应用方面，多极化SAR可用于地表参数反演、农作物生长状况评估、土壤湿度分析等，为农业和林业部门提供决策依据；在海洋应用方面，多极化SAR可用于海面溢油检测、大气锋面和海面风场检测、水面舰船及其尾迹的检测、海冰类型分类等。图12是中国科学院电子学研究所航天微波遥感部使用C波段机载SAR系统获得的1 m分辨率多极化雷达图像。

现阶段，各国学者在多极化SAR领域进行了大量研究工作，其中一些热点研究技术包括：多极化合成技术、目标最优极化、目标的多极化分解、多极化SAR图像分类，此外还包括多极化SAR的目标检测与识别。

2.4 超小型星载SAR技术及其应用

随着科学技术的发展及SAR技术体制的创新，星载SAR载荷系统重量从最初的2000－3000 kg，发展到目前的300－700 kg，甚至是10 kg以下，在载荷重量上实现了跨越式发展。

超小型SAR系统具有体积小、重量轻、技术含量高、研制周期短、制造费用低、发射灵活和不易被摧毁等一系列优点，而且能较快地采用新技术成果、容易改型、研制规模小、生产效率高、适应性强、便于管理、风险性低，具有广阔的发展和应用前景。例如，德国的SAR-Lupe，整星总重量仅为770 kg。由于整星体积小、重量轻，该星载SAR通过卫星平台转动实现聚束模式成像，获得了0.5 m方位分辨率，SAR-Lupe的聚束模式原理如图13所示。

SAR小型化还是实现深空微波探测的重要技术途径，美国和印度就使用超小型的星载SAR系统——MiniSAR实现了对月球的探测，如图14，图15所示。

中国科学院电子学研究所也积极开展微型SAR体制研究及关键技术攻关[22,23]。目前在中国科学院创新项目的支持下，已研发了一部总重量小于2 kg的机载微型SAR系统，其分辨率为0.2 m。图16是该系统的天线和中央电子设备。图17 是该系统的高分辨率图像。

2.5 多模式星载SAR技术及其应用

早期的星载 SAR往往只具有最基本的单极化条带模式。随着天线技术的进步与星上处理能力的提高，现阶段的星载SAR可实现多模式工作(如加拿大的RadarSAT-2，德国的TerraSAR-X等)，根据对测绘带宽和分辨率的不同需求，在传统条带、扫描、聚束、滑动聚束4种模式之间切换，还可利用多极化通道接收回波，实现了多极化观测。

在单星多工作模式下，星载 SAR可以利用有限的资源来满足不同的用户需求[2－6]。例如，在宽幅成像时，星载SAR可利用ScanSAR模式；而在对敏感区域进行观测时，星载 SAR可切换到聚束或滑动聚束模式实现高分辨率成像；若在大范围的观测区域需要首先寻找到敏感区域，而后再精细观测，星载SAR则可利用条带与扫描的混合模式[2－6]，该模式如图18所示。

为实现真正的如图 18所示的混合模式，星载SAR需要对接收到的原始回波进行初步估计，找出敏感的区域。星上的回波估计是该模式下有待突破的一个技术难点。

尤其需要强调的是美国最新、最先进的多模式空间 SAR系统 X-37B，如图 19所示。它是美国NASA于 1999年正式启动的 Boeing X-37(也称Orbital Test Vehicle)无人航天飞行器SAR项目的第2代产品，即X-37A的改进产品。其运行在410 km高度的太阳同步低轨，工作于X波段。该系统具有基于步进频线性调频波形和距离向子带合成技术的超高分辨 SAR成像模式，可根据需要灵活调整子带个数和发射时序，能够实现0.08－0.8 m的超高斜距分辨率。

2.6 多传感器数据融合技术及其应用

随着遥感技术的发展，越来越多不同类型的传感器被应用于目标观测。由于成像机理的不同和技术条件的限制，任何一种传感器获取的数据都不能全面地反映目标的特征。未来的侦察卫星会将用多个传感器，如SAR、光学照相机、高光谱仪等联合工作对目标进行观测，利用多源遥感数据融合技术获得对同一目标的更为客观、更本质的认识，可增强系统的抗干扰性能和伪装识别能力，提高系统的可靠性，减少信息的不确定性，提高图像的空间分辨率，最大限度地提高系统获取信息的能力。

图12 多极化雷达图像(中国科学院电子学研究所航天微波遥感部提供)

图13 SAR-Lupe在轨工作示意图

图14 MiniSAR月球探测系统工作示意图

图15 MiniSAR月球南北极地区图像

图16 微型SAR天线和中央电子设备图

图17 微型SAR高分辨率雷达图像(中国科学院电子学研究所航天微波遥感部提供)

图18 Strip-Scan混合模式工作

图19 Boeing X-37 SAR在太空的形态

SAR与其它传感器的数据融合在许多领域得到了广泛应用。在军事领域，多传感器数据融合被应用于战机、机场、舰船、坦克等重要军事目标的检测、定位、识别与跟踪、反伪装、战场监视、藏匿武器的监测、打击效果评估等诸多方面。此外，多传感器数据融合还被应用于国土资源开发领域，如植被覆盖的统计分析、农作物产量估计、城市规划、地图测绘、洪涝灾害与地质灾害等自然灾害的预测与评估、环境监测、矿产资源评估与勘查、岩性识别与分类等。

图20是中国科学院电子学研究所航天微波遥感系统部使用0.15 m高分辨率SAR与光学图像融合的例子。从图中可以看出，融合后的图像展示了更丰富的地物信息，更有利于雷达图像的判读。

因此，将星载SAR传感器和其它空间传感器进行有效融合，是未来航天对地观测技术的重要发展方向之一。