雷达卫星遥感的遥感应用新技术研究

周卿

摘 要：雷达卫星技术发展基于雷达的基本原理和技术，由于雷达卫星有全天候对地观测的能力且数据可用性挖掘能力强，成为遥感技术发展的热点和重点。为了能够增强对地观测性能和成像性能，发展了SAR和InSAR雷达卫星，通过SAR卫星影像可以快速构建高精度的DEM，通过InSAR卫星影像可以对地表形变和地震后的山体滑坡进行侦测和分析。同时，SAR/InSAR卫星影像还可以应用于自然灾害监测、水资源分析、林业和农业估产保护等，有着巨大的应用推广潜力。

关键词：SAR InSAR 极化 DEM

中图分类号：TP701 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）02（b）-0003-06

目前，随着航空航天技术和计算机技术的不断发展，卫星遥感技术也得到了巨大发展，卫星遥感数据在各个部门和领域的应用非常广泛。但是，传统光学遥感受到云层干扰很大，极大限制了卫星遥感获取地面信息的能力，因此，不受天气影响的雷达卫星遥感逐渐成为遥感研究的热点。相对于传统的光学卫星遥感，雷达卫星遥感不受云层遮挡限制，具有全天候对地观测的能力。除此之外，由于合成孔径干涉雷达可以快速生成数字高程模型（DEM），同时雷达卫星对水体、植物和冰川等地物的反射波有差异，因此，可以通过雷达遥感影像对地物进行分析。源于以上因素，从20世纪末开始，世界各国都大力发展雷达卫星遥感技术。目前欧美日等很多国家拥有民用或軍民两用雷达遥感卫星，主要卫星包括加拿大的Envisat卫星、德国的TerraX卫星、意大利的Cosmo-SkyMed卫星、日本的ALOS卫星等，我国在2016年8月也发射了我国第一颗高分辨率雷达卫星——高分三号。

1 雷达卫星遥感基本理论

1.1 雷达工作原理

雷达的英文RADAR是由Radio Detection And Ranging（无线电侦测与测区）的缩写。雷达工作原理是由电磁脉冲源系统发出电磁波脉冲，并侦测脉冲反射信号，通过发出和接收信号的时间、方位角以及电磁波强弱等信息计算目标物的距离、方位、大小和密度等特性。雷达自20世纪20年代诞生以来，在军事领域得到了广泛应用。二战结束后，雷达开始应用于非军事用途，如气象预报、环境监测、探矿和大地测量等。

雷达的波段属于电磁波中的微波波段，雷达根据用途不同采用不同的波段和频率，而不同雷达的观测分辨率和清晰度不同。根据微波探测基本理论，雷达波长越小，其频率越高，观测分辨率越高。雷达微波在电磁波中的位置段以及波长与频率的关系如图1所示。

雷达根据电磁波接收方式划分，可以分为主动式雷达和被动式雷达。

主动式雷达系统在电磁波源发射电磁波，碰到目标物后反射或散射，再被可接收各个方向的接受雷达端接收，利用不同路径的雷达信号对目标物的参数进行计算。主动雷达系统的信号发送与接收的雷达一般是同一部雷达，在特殊情况下可以是两部雷达。

被动式雷达系统只接收电磁波信号，由于空间中存在大量的电磁波信号，遇到目标物后会进行散射，其中一些电磁波会散射到被动雷达接收源，而接收雷达通过从不同的接收器接收的信号中或同一接收器在不同时间接收到的信号来估测目标的参数。一般情况下通过Bistatic方法比较反射信号与原来发射信号的差异可以计算所需的参数，如距离、方位、速度等，也可以通过Monostatic方法利用反射或折射信号直接估算各项参数。

目前所有遥感卫星的星载雷达都是主动式雷达。

1.2 雷达卫星遥感

雷达卫星遥感即将雷达安装到运行于地球太空轨道上的卫星上，实现对地球的观测。目前最常见的雷达遥感卫星是合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，简称SAR）卫星。SAR卫星可以充分使用地物的电磁波反射特性对地物目标进行侦测，通过地物的电磁波反射特性与电磁波频率、极化以及入射角的关系进行对地观测，可以获得被侦测目标地物各种丰富的信息，如材料、密度、水含量和结构可靠性等。在雷达卫星遥感技术诞生后，随着干涉技术的SAR卫星和聚束SAR技术发展，雷达卫星功能越来越强大，用途越来越广泛。因此，各主要国家在大力发展SAR卫星遥感的同时，也在发展遥感卫星编队组网以及卫星星座，编队飞行可以实现立体成像功能，卫星组成的飞行编队，可以连续对某个区域进行多景重叠成像，从而实现该区域的立体建模。

2 SAR/InSAR卫星与数据处理方法

2.1 合成孔径雷达遥感

合成孔径雷达卫星是目前卫星遥感的主流，合成孔径雷达是多个雷达孔径或天线组成的多电波源雷达系统。雷达和人眼都是通过电磁波的传输来观测目标物，雷达波段理论上是波段越小看到的影像越清晰，因此，雷达需要很长的天线才能发出所需的微波。目前大型的微波雷达天线达数公里，因此，传统雷达无法实现机载和星载，为了解决机载和星载高分辨率雷达的问题，采用多个雷达孔径同步或者异步观测，可以获得多个小波段的雷达成像。因此，从雷达卫星一般都采用合成孔径雷达作为传感器。

合成孔径雷达的操作原理复杂，但是可以通过实例说明基本作业原理。假设一搭载SAR卫星，SAR的观测方向与卫星轨道垂直，如图2所示。SAR直接产生二维空间影像，即range（行方位）维和azimuth（极方位）维，SAR影像所显示的则是其视角方向的相对距离与位置，视角方向是卫星电磁波传输与目标物的方向夹角。SAR卫星的电磁波Range维方向解析度由测量电磁波脉冲发射天线与接收天线的接收时间决定。

Azimuth维与Range维垂直。与光学传感器不同，azimuth维的方位解析度可以与range维不同，azimuth解析度依赖于雷达天线的宽度，越大的雷达天线可以使目标物的对焦更加清晰，进而使azimuth维方向的解析度更高。与传统光学遥感传感器类似，越大的孔径获得的影像质量越佳。但是SAR所使用的频率远低于可见光，因此，如要提高SAR影像的成像品质，需要更长的雷达天线。但是无论是飞机还是卫星，其携带的雷达大小都是一定的。因此，为了解决该问题，雷达传感器可以改装成基于多普勒效应的多个小型天线以获得高分辨率遥感影像，即SAR传感器。SAR一次搭载了多个发射器，在飞行途中每个发射器都会发射出不同的电磁脉冲，再依照接收到电磁波脉冲的多普勒位移，经过处理可以提高成像品质，但也需要考虑地球自转所产生的频率位置误差，经过计算机增强后，可以将azimuth维方向的解析度提高3个数量级。

2.2 SAR影像几何失真与纠正

在卫星雷达遥感成像中，被侦测地物目标的方位在卫星按飞行平台的时间序列进行成像，距离方向上是按照地物目标反射信息记录顺序成像，在高程上，即使微小变化，都可能引起较大范围的图像扭曲，我们将这些微小变化的产生因素称为诱导因子，从目前卫星雷达遥感的经验上看，目前最主要的诱导因子包括电磁波透视收缩、地物叠盖和阴影。

同时为了获得更大的侦测范围，SAR卫星一般采用侧视发射和接收电磁波的方式，这种方式获得的影像与正常影像有差异，这种差异称为几何失真。由于入射角不同，所以斜距不同，导致雷达斜距图像上的近距离压缩，就是图像失真，如图3所示。图中的山区部分，在迎向雷达区域会有缩短现象，而在背向雷达的区域会有变长现象。

以上原因导致了SAR影像各种失真，对于雷达遥感的几何失真，可以采用地距的显示方式进行消除，即DEM叠加影像获得实际距离，纠正SAR图像。

图4为广西柳州市红花水电站地区的ERS-2卫星SAR遥感影像，可以发现东边（右边）山区较白的区域较短，西边（左边）较深的区域较长，这是前波缩短和后波拉长造成的，由此可见卫星轨道是自西向东。

2.3 合成孔径干涉雷达

合成孔径雷达就是让合成孔径雷达做干涉运动。SAR影像通常包含了距离与相位资讯，InSAR利用相位的信号得到空间信息。在对地形进行分析的过程中，可以挑选两张在不同时间拍摄的SAR影像并假设在拍摄时间段地表没有发生变化，若對两张影像进行干涉，则可以得到相对高程值，其原理类似于立体相对。通过这种方法，可以获得数字高程模型，即DEM数据。利用该方法获得的DEM数据，其分辨率更高，但是目前要解决的主要问题是无地面像控点的数据校正处理，一般采用高精度轨道实现数据高精度校正和立体成像。

图5为DEM处理流程，图6为通过SAR数据处理获得的DEM数据。

如果在两种SAR影像采样过程中，地表有变动，则获取的高程数据将包括实际高度与变形，为了得到变形量，需要将高度数据去除。

2.4 差分合成孔径干涉雷达

在合成孔径干涉雷达的数据中，将高度数据从合成孔径干涉雷达影像中去除，再通过另一景相同位置的SAR数据获取相对高程，称为差分合成孔径干涉雷达。这类方法按照轨迹数可以分为双轨迹法、三轨迹法和四轨迹法。双轨迹法是利用现有的数字高程模型（DEM）来减去高度数据，该方法的缺点是如果干涉影像的采样时间与数字高程模型的采样时间点内地表有大的变动，则该方法不能使用；三轨迹法是再使用一景SAR影像，与原相对的主影像作干涉，然后减去原干涉相对，这种方法可以得到研究时间范围内的全部动量，精度较高；四轨迹法是采用4张SAR影像，制作成两对干涉相对，将两相对进行差分，可以得到两相对间的地表变形量。如果观察地区有异常地物形变，还需要对非正常形变进行过滤。

2005年的影像（ERS影像）与2008年汶川地震后的影像（ERS影像）干涉后，再减去当地概略DEM（GDEM数据）的结果，即双线法。该处变形指对于卫星视角方向的变形。

2.5 SAR/InSAR极化

当雷达发射电极上有净电流通过的时候，电极电位显著地偏离了未通过净电流的起始电位值，这种现象叫极化。极化是底电磁波的偏振方式，可分为线极化、椭圆极化、圆极化。在线极化中，根据电场矢量方向随时间变化，又分为两个方向的极化，即水平极化（H极化）和垂直极化（V极化）。水平极化指电磁波的电场矢量与入射面垂直，垂直极化指电磁波的电场矢量与入射面平行。雷达极化是指雷达发射的电波和接收的回波的极化状态，线极化是目前雷达卫星遥感最常见的极化方式。在雷达遥感中，由于在传播过程中电波与媒质相互作用，电波与目标相互作用，导致波在传播过程中极化状态改变，这些改变都反映了媒质和目标的信息，因此，通过研究回波的极化状态可以提取有用信息。

根据极化理论，改变雷达发射天线的方向就可以改变电磁波的极化方式。

如果发射的是水平极化方式的电磁波，与地物表面发生作用后会使电磁波极化方向产生不同程度的旋转，形成水平和垂直两个分量，用不同极化方式的天线接收，形成HH和HV两种极化方式的图像。若雷达发射的是垂直极化方式的电磁波，同理，会产生VV和VH两种极化方式的图像。

多极化SAR通过测量地面每个分辨单元内的散射回波，进而获得极化散射矩阵以及Stokes矩阵。极化散射矩阵具有将目标散射的能量特性，为更加深入地研究地物目标提供了重要的依据，使SAR遥感对目标的信息获取能力极大增强。

极化干涉SAR是极化SAR与干涉SAR的结合，利用了相干性和干涉相位观测量随极化变化的特性，使干涉SAR观测量实现目标高程获取，又具有极化SAR对不同散射机理的分辨能力，同时使SAR遥感的SAR干涉获取数据具备提取地物参数的能力，实现对森林、岩石、水体和裸地等目标进行识别的能力。

3 结语

SAR/InSAR卫星有着特殊优点，因此目前主要应用于军事侦察、地质和地震研究等。同时，由于雷达卫星影像数据的普及时间较短，现在仍然不断挖掘其应用潜力。主要包括对水体水质的探测分析、洪水预警分析和灾后损失分析、山体滑坡分析和预警、森林保护和估产、城市变迁等。雷达卫星遥感影像数据比传统光学影像数据更加具有应用挖掘潜力。但是，目前雷达卫星遥感影像数据处理技术未完全成熟，未来随着计算机技术的不断进步和算法的不断优化，相信雷达卫星遥感在世界各个行业将有更加广泛的应用。

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