看天线识卫星，漫谈卫星天线（四）合成孔径雷达（下）

+ 袁冬

题图中，在紧缩场静静躺着一个长条乳白色状物体，有细细的条纹，不知是何物？其实这就是大名鼎鼎的全天候千里眼——合成孔径雷达（SAR）卫星的天线！请看本期——带长板凳天线上天的雷达对地观测卫星（下篇）。

三、技术革新、不断迭代

“海卫-1”不幸夭折，就像第一个吃螃蟹的——虽然味美，但难免被刺给扎着。针对传统合成孔径雷达的弱点，各国先后开展了各种改进，引发对地观测技术的巨大革新！

上世纪80年代初，航天飞机红极一时，1981年11月12日，哥伦比亚号（STS-2）航天飞机装载利用“海卫-1”的备用天线制造的SIR-A雷达上天，SIR是Spaceborne Imaging Radar的首字母缩写，由于发现了撒哈拉沙漠的地下古河道，引起了国际科技界的震动。1984年10月5日发射的挑战者号（STS-41G）航天飞机搭载了SIR-B，由于增加了天线机械扫描，对地观测入射角在15～60度可变，数据处理也由之前的胶片改为数字。但两个项目均为L波段HH极化。HH极化，前一个H表示发送水平极化波，后一个H表示接收为水平极化波，关于极化的知识，详见《看天线，识卫星——漫谈卫星天线（一）》。NASA感觉到，可以有更多革新可以实施。

（一）多波段，多极化——美国一马当先

NASA通过对“海卫-1”的图像研究提出，为最大限度地改进图像质量，并解决电磁波与地表相互作用方面的有关问题，需要多种频率和多极化方式进行比较，以找出各种不同应用情况的最佳频率范围和极化。同样入射角观测地物时，X 波段比C和L波段更能够精确地描述目标的细微形状。大量资料指出，星载SAR所观测的后向散射波不只是来自目标的表面，也有来自内部，即电磁波穿透得到的回波。波长越长，穿透力越强，这种作用在观察比较稠密的作物或树木生长情况时特别明显，而更短波长C/X波段在海冰、土地冲蚀、地质结构和构造等方面观测质量较好。（参见图17）

X波段特别适合对冰的观察和分类，也特别适合对海面污染层的观察，对于海洋咸水，小于X波段的电磁波的穿透深度几乎是零，而对于淡水和穿透地下目标的观测来说，L波段特别适用。对旱涝灾害监视，采用L波段或C波段来观测土壤湿度是一种有效的空间遥感手段。观察海洋上的强目标，从信号相干性和灵敏度而言，C波段是最佳的选择。

图17 各个波段对不同被观测物的效果

图19 1994年，STS59/68美国航天飞机两次搭载SIR-C / X-SAR雷达进入太空，进行对地观测

图18 同一目标对于四种不同极化的成像

在极化方面，不同的被观测物体对于入射的不同极化波，会后向散射不同的极化波。因此空间遥感可以使用多波段来增加信息含量，也可以用不同的极化来增强，提高识别目标的准确度。经验表明，对于海洋应用，L波段的HH极化较敏感，而C波段是VV极化比较好；对于低散射率的草地和道路，水平极化使地物之间有较大的差异，所以，地形测绘用的星载SAR都使用水平极化；对粗糙度大于波长的陆地，HH或VV无明显变化。如图18所示，同一目标对于四种不同极化的成像，V表示垂直极化。

经验表明，不同极化下同一地物的回波强弱不同，图像的色调也不一样，增加了识别地物目标的信息。相同极化（HH，VV）和交叉极化（HV，VH）的信息比较，可以显著地增加雷达图像信息，而且，植被和其他不同地物的极化回波之间的信息差别比不同波段之间的差别更敏感。所以，多极化工作是SAR 卫星发展方向之一。

1994年，STS59/68美国航天飞机两次搭载SIR-C / X-SAR雷达，其中X-SAR由德国和意大利联合研制，这一系列SAR载荷从单一的L波段扩展到了L、C、X三个波段；从单纯的HH极化发展到HH、VV、HV和VV四种极化方式，并具有可变入射角和“聚束模式（凝视，SPOTLIGHT）”的能力，主要用于环境监测和资源勘探等方面。（参见图19）

（二）干涉SAR，弥补斜视盲区

第一章节提到的“歪头斜脑定远近，多普勒频偏定前后”理论表面上无懈可击，但在实际应用的时候，其实SAR雷达侧视成像也会看走眼，比如图20这个极端的例子，B点为某高山顶峰，和山脚下A点离卫星距离一致，几乎同时到达SAR接收天线，信号混杂，在距离向上无法分辨，山坡坡面压缩，这种现象称为图像折叠。

另外山背面也会让SAR感到很困惑，如图21，A、B两座高山，由于峰顶遮挡，在离SAR不同距离下，随着遮挡的产生，山背后一大片成像变为阴影，质量糟糕。而阴影是所有遥感影像中最不希望出现的。

为解决这个问题，干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar，简称InSAR)应运而生。它综合了SAR成像和干涉测量技术原理，通过对同一地区的两次观测成像，获取两幅单视复数图像，对两图像进行干涉处理，提取其相位信息，它主要应用于测地面点的高程及其动态变化，形成三维地表信息。（参见图22）

这一技术其实美国军方早就秘密开发并使用，通过机载SAR干涉测量技术应用于地形测绘，利用相位差图像获取高程信息，并于1971年申请了相关专利。1972年Zisk采用同样的方法来测量月球的地形，NASA的Graham在1974年利用机载合成孔径雷达数据获取了能满足1:25万比例地形图要求的高程数据，开创了InSAR技术在对地观测中获取三维信息的先河。

1978年“海卫-1”卫星在空间飞行100天获取地球表面雷达干涉测量数据，通过利用其重复轨道干涉模式，首次获得了地球表面的星载SAR干涉测量数据。1986年，NASA旗下喷气推进实验室（JPL）的Zebker和Goldstein等人在理论和实践上对干涉SAR进行了完善和发展，成功研制航空雷达干涉测量仪，并采用数字信号处理技术将获得的数据进行立体测图，取得了10m以下的高程测量精度。此后，各国科研人员都加入到干涉SAR的研究行列里来，在系统设计和算法处理上都取得了较显著的科研成果。以图23智利阿塔卡马沙漠数字高程模型（DEM）制作为例：

图中（a）为星载单通道SAR干涉仪TanDEM-X采集的图像，对应的两幅图像已进行图像配准，图像的配准精度至少应为1个像素，为了得到较好的干涉图, 一般需要1/10像素的精度，同时去除噪声；

图20 SAR雷达侧视成像也会看走眼

图21 由于斜视，离SAR雷达越远，图像阴影越发严重

图22 通过对同一地区的两次观测成像，获取两幅单视复数图像，干涉处理后恢复高程信息

图23 三步法制作阿塔卡马沙漠（智利）数字高程模型（DEM）

图中（b）是对干涉图去平地相位处理。由于基线的存在，导致两图下视角存在差异，即使高度不变的平地在干涉图中也表现出呈周期性变化的干涉条纹（主要为平行于方位向的条），这一现象称为平地效应。在进行相位解缠和滤波之前，需要去除平地相位，否则干涉相位图不能反映真实的地貌特征或者地表形变信息,并且条纹的密集化也增加了相位解缠和滤波的难度；

图中（c）相位展开，根据基线参数，计算出高度值。

InSAR有很多种类，按照SAR图像的获取方式，InSAR可分为单轨双天线干涉测量和重复轨道干涉测量两种。20世纪90年代是InSAR技术迅速发展的阶段，以SRTM（Shuttle Radar Topography Mission，航天飞机雷达测绘任务）系统为例，即为典型的单轨双天线干涉测量系统。

美国NASA和国家影像与测绘局合作，在“奋进号”航天飞机上装载了一单轨双天线系统用于获取全球三维地形信息。该系统同时拥有C波段（5.3 GHz）和X波段（9.6 GHz），两个波段的SAR系统均使用位于航天飞机敞开货舱中的主天线和分别安装在可展开的外侧桅杆上的第二接收天线来获取干涉图像，即在航天飞机上使用双天线实施干涉SAR（InSAR）地形测绘。主天线是目前最重的SAR天线，重达13.6吨，放在航天飞机的货舱中，另外60米长桅杆重360公斤，基线长度的精度测量要求达到2毫米。（参见图24、25、26）

美国“奋进号”航天飞机于2000年2月11日到22日利用SRTM的SIR-C和X-SAR对全球地形进行测绘，耗资3.6亿美元，11天内共计进行了222小时23分钟的数据采集工作，获取的雷达影像数据达9.8万亿字节，数据覆盖范围在北纬60°至南纬56°之间，覆盖面积超过1.19亿平方公里（约占地表总面积的80%），数据产品为间距30m和90m的数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和三维地形图，绝对测高精度为水平20m，垂直16m，相对测高精度为水平15m，垂直4m。这也是全球首次获得如此丰富的数字高程模型数据。实现了基于InSAR技术真正意义上的全球地形三维测绘，这是目前InSAR应用最成功的例子。（参见图27）

图24 航天飞机带了一个长长的桅杆上天，形成双天线接收

图25 60米长的桅杆，仅重360公斤，而且可伸缩自如

图26 航天飞机“四脚朝天”，肚子向地面拍摄了11天

图27 SRTM对厄瓜多尔科托帕希山（Mt. Cotopaxi in Ecuador）的成像

（三）不甘落后，奋起直追的欧空局

与此同时，欧洲也不甘示弱，SAR星技术发展迅猛。欧空局于1991年7月利用阿里安4火箭发射了欧洲的地球资源卫星（ERS-1），卫星采用法国MK-1平台，装载了C 波段（5.3GHz）SAR ，VV极化获得了30m空间分辨率和100km观测带宽的高质量图像。1995年，欧空局发射了性能类似的ERS-2卫星。（参见图28）

雄心勃勃的欧空局于2002年3月1日，在法属圭亚那库鲁的圭亚那航天中心利用阿里安5号发射了一个大件，重达8211公斤的巨无霸SAR星---Envisat，开发和运营的成本达到了23亿欧元（包括5年运营费用3亿欧元）。该卫星在774公里的太阳同步极轨道工作，倾角98.55度，重复周期35天。该卫星携带了5年工作寿命所需的319千克推进剂。2118千克有效载荷其实包含9台科学仪器，包括了一台发射峰值功率7.95千瓦的ASAR（高级合成孔径雷达），它以多种模式在C波段工作，多种极化，入射角范围可调，为15-45度。许多科学学科使用该卫星上不同传感器获得的数据来进行诸如大气化学、臭氧消耗、生物海洋学、海洋温度和颜色、风浪等水文（湿度，洪水）、农业和树木栽培、自然灾害、数字高程建模（使用干涉测量）、海上交通监测、大气扩散模拟（污染）、制图、雪和冰等方面的研究。（参见图29、30）

原本工作5年，实际工作了10年，在2012年4月8日与卫星失去联系后，欧空局于2012年5月9日正式宣布Envisat的任务结束，目前该卫星成为了最重的太空垃圾之一。接替Envisat任务的是Sentinel，哨兵系列卫星。其中第一颗，Sentinel 1，于2014年4月3日发射成功，本篇题图即为其SAR天线的图片。

这里要好好介绍一下SAR的长板凳天线，SAR天线是一种星载大型天线系统，典型的有微带平面阵、波导缝隙阵和网状抛物面天线三种形式。前述Envisat为微带贴片天线阵，具有剖面低、体积小、轻便、便于馈电的特点，因此在星载SAR中有广泛应用，早期在L波段用的比较多，后续采用方形、方环形、圆形和圆环形等多种贴片，满足多频、多极化、高极化纯度等要求。（参见图31）

图28 欧空局第一代SAR星ERS-1/2

图29 欧空局ERS、Envisat前后两代对地观测SAR卫星

图30 大胖子Envisat浑身上下装满了科学仪器

另一种波导缝隙天线（Slotted Waveguides），其体积、重量和带宽都处于劣势，但其非常低的线阵馈电损耗使之适合用于较高频段，特别是X波段甚至更高频段的星载SAR天线，ERS-1/2、SIR-C/D、RadarSAT-1等都采用这种技术，哨兵也一样。哨兵-1的天线由14块天线子阵列面板组成。（参见图32）

每块子阵列面板有20个双极化子阵列，每个子阵列是具有两个平行缝隙谐振波导的双极化单元，垂直极化由脊形波导中的纵缝激发，而水平极化由横向窄边斜缝产生。（参见图33、34、35、36）

欧洲其实在SAR星研发上硕果累累，还有长的像万花筒的六边形德国TerrSar-X卫星，她有一个五米长的主体，六边形横截面，其主要有效载荷是工作在X波段的双极化有源相控阵波导缝隙天线（9.65GHz），雷达波束可以在垂直于飞行方向的20到60度的范围内电扫；另外天线阵采用了金属化碳纤微材料加工而成，质量轻、热稳定性优越。2007年6月15日，TerrSar-X卫星在哈萨克斯坦拜科努尔航天发射场成功发射，2008年1月7日投入使用。TerrSar-X侧边长杆，并不是用来做干涉双天线，是用来以300Mbit / s的速率向地面传输数据。其实TerraSAR-X是和TanDEM-X在做双星干涉SAR，两颗卫星编队飞行组成缠绕螺旋状轨道，据称生成了比SRTM数据更为准确的全球高精度DEM，高程定位精度优于2m，DEM网格间距为12m。（参见图37）

（四）多视角，另辟蹊径，出道最早的加拿大商业SAR星

谈到SAR星技术，不得不提加拿大。枫叶国在SAR星研发方面，另辟蹊径，1995年11月4日, 加拿大RadarSAT-1卫星的成功发射与运行，是星载合成孔径雷达技术开始商业化运行的一个重要标志。（参见图38）

图31 大胖子Envisat的C波段微带贴片天线阵列，满足交叉极化。

图32 哨兵-1的SAR天线由14块天线子阵列面板组成

图33 带有H / V极化的波导缝隙天线子阵列面板

图34 在紧缩场测试的长板凳（部分折叠）

图35 哨兵-1由联盟火箭发射上天，天线呈折叠状态。

图36 不过哨兵-1在天上好像挺“招人喜欢”，他的太阳能板曾遭飞来横祸，被不明物体撞击。

图37 TerrSar-X侧边长杆，并不是用来做干涉双天线，而是以300Mbit / s的速率向地面传输数据。

RadarSAT-1的轨道高度为798km，为了给2100瓦的工作于5.3 GHz 的C波段大功率雷达供电，它运行在晨昏线上！晨昏线，也就是图39中黑白交界的轨道平面附近，卫星一侧（图中右侧）24小时始终受到稳定的太阳光直射，这就完美契合了雷达观测卫星的工作需要，因此RadarSAT-1配置了双侧太阳能帆板，日以继夜、夜以继日地工作，透过云层、雨雪、沙尘获取独特地球写真，最高分辨率达到10m，其晨昏线轨道以及卫星热控等方面分析，具体可见《太阳同步轨道，倾角总在98度处》一文。（参见图39）

RadarSAT-1工作模式多达7类25种，是目前工作模式最多的SAR卫星。其利用相控阵阵列实现可变视角的ScanSAR工作模式，提供最小105公里、最大520公里观测带宽度，满足不同商业需求，其最高分辨率达到10m。（参见图40）

RadarSAT-1目前已退役，其继任者RadarSAT-2继承了RadarSAT-1的主要性能，并且采用了更为先进的微带固态有源相控阵天线，波束扫描能力更强，下视角在20°～50°范围内可变，其分辨率最高可以达到3m，另外RadarSAT-2还支持全极化工作方式。RadarSAT系列最主要的应用是观测海冰、海洋现象等，是目前适用于海洋应用的性能最好的星载SAR系统。

未来，加拿大还计划构建Radarsat星座系统（Radarsat Constellation Mission，RCM），利用多颗小卫星形成星座，每颗卫星都搭载C波段SAR和船只自动识别系统（Automated Identification System，AIS）。这个星座将具备近乎实时的海冰监测、溢油检测、舰船监视和灾害控制等方面的能力。（参见图41）

四、一些“难以启齿”的SAR星

在本文临近尾声时，把焦点转回到美国，美国把SAR技术用在了太空探索，比如用合成孔径雷达探测月球、金星的地质结构。1989年NASA开展了“麦哲伦”（Magellan）SAR观测金星计划，在1989年5月4日由“亚特兰蒂斯”号发射升空，1990年9月15日开始测绘任务，1991年5月15日终止，期间测绘了金星的70%地表，分辨率不低于300米。Magellan的雷达工作于S波段，天线为其顶上的高增益抛物面天线，HH极化，距离向分辨率为120～360m，方位向分辨率为120～150m，入射角大于30°。（参见图42）

图38 工作在晨昏线上的RadarSAT-1，天线正装，卫星斜飞，帆板偏转正对太阳

图39 晨昏线轨道一面始终朝阳，特别适合SAR星

图40 可变视角的ScanSAR工作模式，提供最小105公里、最大520公里观测带宽度

但美国更多地把SAR技术用在了军事上。1988年-2005年，美国陆续发射了5颗“长曲棍球（Lacrosse）”SAR卫星组成军用对地雷达图像侦察卫星星座，第一和第二颗于1997年、2011年3月26日失效，现有三颗在轨，其最高分辨率据称达到了0.3m左右，在海湾战争等局部冲突中发挥了巨大的作用。而美国国家侦察局（NRO）对于这些卫星的存在一直遮遮掩掩。

长曲棍球系统的开发于1983年获得批准，首星在1988年12月3日用阿特兰斯号航天飞机发射，其分辨率为1m，用于全天候全球侦察；1991年3月用“大力神4”火箭从范登堡发射场发射了“长曲棍球2 ”SAR卫星，1997年10月23日用“大力神4”发射第三颗，据称前三颗属于BLOCK 1，卫星部署在57°和68°两个不同的轨道倾角中，高度约为650km，但卫星偶尔会机动到不同的高度。从外泄的照片来看，体积惊人。（参见图43）

根据观察人士的说法，该卫星设计的显著特征包括一个非常大的雷达天线和太阳能电池板。据报道，太阳能电池阵的翼展长度为42.5米左右，这表明雷达的可用功率可能在10到20千瓦的范围之间，比民用SAR雷达的功率高出10倍。而天线类型，采用了前述第三种SAR天线形态——网状抛物面天线，这种天线解决了刚性抛物面不便折叠、收藏的问题，一般要求网孔的直径小于几十分之一波长，如果工作在C波段，要求网孔大小在毫米量级，结合相控阵馈源，电扫能力更强。美国著名的航空航天研究员Charles P. Vick曾经画过长曲棍球1～3号的猜测图，硕大的网状抛物面天线着实让人吃惊。（参见图44）

2000年、2005年发射了“长曲棍球”系列第4和第5颗卫星，据称分辨率达到了0.3m。从Charles P. Vick画的猜测图来看，采用了两幅SAR天线，双侧视，一次成像的范围更大，供电的太阳能帆板面积也明显增加。（参见图45）

不过也有分析称，长曲棍球侦察卫星采用了平板聚焦反射面天线，也称平板抛物型天线（FLAPS，Flat Parabolic Surface），配合微带贴片相控阵馈源工作。长曲棍球侦察卫星的继任者被称为未来图像架构（Future Imagery Architecture，FIA)。

图41 未来，加拿大还划计构建Radarsat星座系统

图42 由航天飞机发射的“麦哲伦”（Magellan）金星探测器

图43 在地面车间制造的长曲棍球卫星

图44 长曲棍球1～3号的猜测图

图45 长曲棍球4～5号的猜测图

图46 SARLupe卫星星座

图47 右侧二图为Capella Space公司定于今年发射的两颗超小型X波段SAR卫星

五、结束语

目前星载合成孔径成像雷达已经在民用、军用方面得到了广泛的应用。在民用方面，主要用于灾害评估，如地震引起的山体、道路、桥梁的断裂程度评估，水灾、雪灾的面积评估，海洋受污染程度评估等; 海洋特性研究，如根据雷达图像分析海流、内波特性等。在军事方面，主要用于侦察重要军事目标，如港口、机场等; 也可以对打击效果进行评估。

从星载SAR未来发展趋势来看，一是向着星座化方向发展，缩短SAR星重访周期并实现干涉SAR处理。比如2006年-2008年间，德国成功发射了5颗X波段抛物面天线SAR卫星，组成了SARLupe卫星星座。这5颗卫星运行在3个轨道平面上，它们的轨道高度为500km，能够实现对南纬80度到北纬80度的覆盖，并且图像地距分辨率优于1m。（参见图46）

第二个趋势是向着小型化方向发展。2018年3月，美国国家海洋和大气管理局授予Capella Space公司许可证，同意其将两颗X波段SAR卫星送入450至600公里的极地轨道，倾角为97.5度。Capella Space公司计划在2019年，往两个轨道平面上发射其他六颗卫星。

这种小型SAR卫星，重量不到40公斤，柔性材料制成的天线展开后面积可以达到8平方米，提供分辨率为1米或更高的图像。美国国防创新实验机构（DIUX）在2017年向Capella额外拨款1000万美元，支持商业SAR遥感项目，美国军方和情报机构渴望获得可靠且廉价的商业雷达卫星星座提供的全球观测资料。（参见图47）

中国商业航天卫星计划中，也有SAR星规划。中科遥感SAR卫星8星星座首发星“深圳一号”已经启动。“深圳一号”是一颗X波段微小型SAR卫星，据称具备国内重点城市2天的重访周期、具备单星干涉测量等能力、最高分辨率0.5米。希望全天候雷达星，在地表形变测量、地质灾害动态监测、交通设施养护动态监测、多云多云地区的高分辨率数据采集和海洋应用上，早日造福民众！SATNET