◎鄔伯才 沈明星

機(jī)載多維度SAR系統(tǒng)技術(shù)研究和應(yīng)用

◎鄔伯才 沈明星

本文針對機(jī)載多維度SAR遙感系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用需求分析，總結(jié)了國內(nèi)外在多維度SAR系統(tǒng)上的實現(xiàn)與試驗情況，從SAR系統(tǒng)的工作頻段、工作體制、極化方式、工作模式等多個角度進(jìn)行了SAR的多維度性概括，并對三類機(jī)載多維度SAR遙感系統(tǒng)進(jìn)行了示例分析，最后對該系統(tǒng)的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析和總結(jié)。

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)與社會的發(fā)展，國家西部大開發(fā)、可持續(xù)性發(fā)展的能源和資源戰(zhàn)略的實施以及自然災(zāi)害評估與監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，越來越多的應(yīng)用行業(yè)表現(xiàn)出對于大比例尺、高分辨力、高精度、實時獲取與處理、機(jī)動靈活的航空SAR遙感數(shù)據(jù)的迫切需求，如地形測繪、地質(zhì)調(diào)查、對海觀測、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等行業(yè)。不同行業(yè)對航空SAR系統(tǒng)除了具有高性能需求，還因為遙感場景的不同、使用任務(wù)的不同，對具有多頻段、多極化、具有干涉能力、多模式等多維度特性也提出更高的需求。

多頻段多極化SAR系統(tǒng)有美國研制的AIRSAR、P3/SAR、MB-SAR、ECOSAR等，德國的E-SAR/F-SAR，俄羅斯的IMARC。美國NASA/JPL研制的AIRSAR作為各種先進(jìn)SAR技術(shù)的試驗床，安裝在Douglas DC-8飛機(jī)上。AIRSAR能同時工作在三個頻段：C頻段、L頻段和P頻段。它有三種工作模式：在C頻段、L頻段和P頻段全極化模式；在C頻段和L頻段，沿航線的干涉模式；在C頻段和L頻段，垂直航線的干涉模式，這些模式均是條帶照射。三個頻段發(fā)射機(jī)交替發(fā)射水平極化和垂直極化電磁波，在全極化模式，有6個通道同時接收水平極化和垂直極化電磁波。在兩種干涉模式下，已試驗了多種發(fā)射和接收的組合方式。德國DLR研制E-SAR/F-SAR是試驗型SAR，用來試驗新技術(shù)和信號處理算法，也是地質(zhì)、農(nóng)業(yè)、森林研究等遙感領(lǐng)域的研究工具，安裝在Dornier DO 228飛機(jī)上。E-SAR具有多個工作頻率：P、L、C和X頻段，具有可選擇的垂直極化或水平極化天線。P和C頻段天線采用微帶貼片陣列，X頻段天線采用角錐喇叭，L頻段天線采用無源微帶相控陣。俄羅斯的多頻段多極化IMARC實驗室是安裝在TU-134A大型飛機(jī)上的多頻段（X，L，P，VHF）、多極化（VV，HH，HV，VH）合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)空中飛行實驗室，它可以對地球表面進(jìn)行全天候的高分辨率遙感。從目前國外機(jī)載SAR系統(tǒng)試驗情況看，機(jī)載SAR向著多頻段、多極化、極化干涉以及多模式等即多維度方向發(fā)展。

機(jī)載多維度SAR技術(shù)研究

通過對機(jī)載多維度SAR技術(shù)研究，綜合處理各維度信息，如多頻段、多模式、多極化、多任務(wù)SAR系統(tǒng)等，可以大大提高SAR不同維度信息的獲取能力。如VHF、UHF、L、S、C、X、Ku、Ka全頻段多維度綜合應(yīng)用，可獲取頻率、極化、空間等多維度的觀測信息，可反演新的觀測量，或提高現(xiàn)有觀測量的測量精度。如獲取地物的體散射特征、反演目標(biāo)的多次散射特征、目標(biāo)散射幅相分布的角度維譜特征、目標(biāo)散射幅相特性的頻率維離散譜特性、目標(biāo)頻率-極化二維譜特性、目標(biāo)散射幅相特性的角度-頻率-極化三維度譜特征等。

例如，通過C頻段單頻段工作，通過與極化方式維、工作模式維等組合，該SAR系統(tǒng)可以有以下不同用途：

0.5m/1m分辨率交軌干涉模式，可用于地形測繪制圖；3m/5m全極化成像，可用于海冰監(jiān)測、分類，農(nóng)/林作物分類等方面；10m/25km寬測繪帶模式，可用于海洋艦船目標(biāo)監(jiān)測、島礁監(jiān)測、虎苔監(jiān)測等方面；順軌干涉模式，可用于海面艦船目標(biāo)檢測與速度估計等方面；圓跡成像模式，可用于城市精細(xì)觀測，建筑物三維重建。

如多頻段（X，L，P，VHF）、多極化（VV，HH，HV，VH）SAR系統(tǒng)針對民用目的提供以下遙感信息。

地質(zhì)學(xué)：地表及地表下各種巖石、褶皺及斷裂帶成像，礦物及油、氣的探察，地貌及不可見結(jié)構(gòu)探察，地下水文（包括淡水和礦泉水的蓄水層和透水層）成像，水文及水利勘察，隨污染物（油、生物質(zhì)、放射性物質(zhì)）運(yùn)動的地表水的遷移、上升、滲漏等的勘察。

海洋學(xué)：生物薄膜及其它污染的監(jiān)測，冰蓋及其季節(jié)性遷移分析。

農(nóng)業(yè)、林業(yè)、經(jīng)濟(jì)測圖：大面積林區(qū)的成像與監(jiān)視，農(nóng)田測量，植被破壞監(jiān)測，土壤濕度估算，污染監(jiān)測，遠(yuǎn)距離區(qū)域成像及修圖。

多維度SAR應(yīng)用分析

多維度SAR遙感系統(tǒng)可應(yīng)用于諸如測繪、地址調(diào)查、對海觀測、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等領(lǐng)域，如圖1所示。

在測繪行業(yè)中，由于我國地形、氣候復(fù)雜多樣，利用現(xiàn)有的測繪手段，至今還有許多地方無法完成高精度的測圖任務(wù)，急需增添先進(jìn)的全天候、全天時SAR遙感系統(tǒng)，提高航空測繪能力。多維度SAR系統(tǒng)不受天氣影響，并能獲取測區(qū)高精度地理高程信息，將迅速占領(lǐng)該攝影困難地區(qū)測圖市場。

在地質(zhì)調(diào)查方面，從1999年8月起，我國開始實施國家重大項目“新一輪國土資源大調(diào)查”，目前和未來10年內(nèi)重大的地質(zhì)調(diào)查包括：區(qū)域地球物理、礦產(chǎn)資源勘察、水文地質(zhì)調(diào)查和1:5萬地質(zhì)填圖等工作，離不開高分辨率、機(jī)動靈活的多維度航空SAR遙感應(yīng)用系統(tǒng)的支持。

在海洋觀測方面，我國海洋和沿海地區(qū)面臨嚴(yán)重的海洋災(zāi)害威脅。建設(shè)業(yè)務(wù)化的海洋環(huán)境保障體系，將進(jìn)一步提升災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)報警報和災(zāi)害評估能力，有效減輕海洋災(zāi)害造成的損失。多維度SAR可作為業(yè)務(wù)化的海洋環(huán)境保障體系重要組成部分，其典型的海洋應(yīng)用包括物理海洋學(xué)、海岸帶、淺岸帶、淺海水下地形、海冰和海洋污染等。

圖1多維度SAR遙感系統(tǒng)應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)方面，農(nóng)業(yè)部每年需要高分遙感數(shù)據(jù)用于覆蓋全國的農(nóng)業(yè)資源、主要農(nóng)作物估產(chǎn)、農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害遙感監(jiān)測的業(yè)務(wù)化運(yùn)行。目前，農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測的結(jié)果已作為主要數(shù)據(jù)源之一，正式納入農(nóng)業(yè)部信息發(fā)布體系，為宏觀決策服務(wù)。多維度機(jī)載SAR遙感系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)作物分類時，P頻段適合地表類型粗分，L頻段和C頻段交叉極化效果較好，L頻段的分類精度比C頻段的分類精度高（特別是對于成熟的高大農(nóng)作物），L頻段還可用于農(nóng)作物生長的監(jiān)測，X頻段和C頻段可提供植物的上層信息和紋理，可用于禾本科農(nóng)作物的細(xì)分類。總的來說，將X頻段與L頻段或C頻段同時使用時，可以提高分類精度，將X頻段（VV極化）與L頻段（HH、HV、VV極化）同時使用時，也可以提高分類精度。

在林業(yè)方面，在林業(yè)資源調(diào)查、森林健康監(jiān)測、野生動植物保護(hù)、森林防護(hù)、火災(zāi)監(jiān)測、退耕還林監(jiān)測、荒漠化治理中急需低成本快速高精度遙感監(jiān)測手段，林業(yè)局下屬各林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院、航空護(hù)林總站、森林資源監(jiān)督辦、防治荒漠化管理中心、野生動植物保護(hù)中心等單位將成為機(jī)載多維度SAR遙感系統(tǒng)的用戶。 機(jī)載多維度SAR遙感系統(tǒng)可以利用極化干涉手段獲取樹木高度信息，并且可以利用其多波段多極化信息，對森林生物量進(jìn)行定期監(jiān)測。

多維度SAR系統(tǒng)也是相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用的重要平臺，將對資源勘查與開發(fā)、災(zāi)害監(jiān)測與評估、生態(tài)環(huán)境保護(hù)起到積極的作用。利用高精度的遙感正射影像圖，以及土地覆蓋數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)地理信資料，可以開展生態(tài)資產(chǎn)總量評估、建設(shè)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫、進(jìn)行生態(tài)環(huán)境建設(shè)規(guī)劃，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行每年度的生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測，土地退化監(jiān)測，尤其是退耕還林、退牧還草的效益監(jiān)測與評估，以及大型工程生態(tài)環(huán)境影響、恢復(fù)、監(jiān)測與評估工作。

通過上文的分析，建議大力研究與發(fā)展機(jī)載多維度SAR遙感系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)提供多頻段、多極化、多模式、多任務(wù)、具有不同干涉能力等多維度SAR信息，以開展高精度地形測繪、森林樹高反演、精細(xì)農(nóng)業(yè)、海洋遙感以及SAR圖像解譯等典型應(yīng)用研究，最終實現(xiàn)服務(wù)于國家重大應(yīng)用需求的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展目標(biāo)。

（作者單位：中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所）