張慶君 韓曉磊 劉杰

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

星載合成孔徑雷達(dá)遙感技術(shù)進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)

張慶君 韓曉磊 劉杰

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

從品質(zhì)因子、極化方式、定量化程度、信息獲取維度等方面,對(duì)現(xiàn)有星載SAR技術(shù)發(fā)展階段進(jìn)行劃分,給出了不同發(fā)展階段星載SAR的特征和典型工作模式,并對(duì)新一代星載SAR技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。最后,簡(jiǎn)要介紹高分三號(hào)(GF-3)衛(wèi)星的基本特性,并分析高分三號(hào)衛(wèi)星所處的發(fā)展階段和歷史地位。

高分三號(hào)衛(wèi)星;合成孔徑雷達(dá);品質(zhì)因子;極化方式;定量遙感;多維信息獲取

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種主動(dòng)式微波遙感器,能不受光照和氣候條件的限制,實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候?qū)Φ赜^測(cè)。SAR所使用的電磁波可以穿透水汽云層,甚至可以透過(guò)地表和植被獲取地下信息[1]。此外,SAR與光學(xué)遙感器具有互補(bǔ)性,甚至有比光學(xué)更強(qiáng)的地表特征區(qū)分能力。SAR可以搭載在飛艇、飛機(jī)和衛(wèi)星等平臺(tái)上,對(duì)地物進(jìn)行高分辨率成像[2-3]。其中,衛(wèi)星平臺(tái)軌道高度高,相對(duì)于其它平臺(tái)具備成像幅寬大、成像區(qū)域不受領(lǐng)空主權(quán)限制、平臺(tái)穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)[4],顯著提升了合成孔徑雷達(dá)的應(yīng)用效能,成為世界各國(guó)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的遙感技術(shù)之一。

近年來(lái),隨著微波成像理論和電子信息技術(shù)的快速發(fā)展,星載SAR技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,新的專項(xiàng)技術(shù)和概念體制不斷出現(xiàn),星載SAR系統(tǒng)性能極限不斷被突破[5]。大批先進(jìn)的SAR衛(wèi)星陸續(xù)發(fā)射,如美國(guó)的“未來(lái)成像體系”(FIA)系列衛(wèi)星[6]、德國(guó)的陸地合成孔徑雷達(dá)-X頻段(TerraSAR-X)衛(wèi)星[7]和X頻段陸地合成孔徑雷達(dá)-附加數(shù)字高程測(cè)量(TanDEM-X)衛(wèi)星[8]、加拿大的雷達(dá)衛(wèi)星(Radarsat)系列[6]、歐洲航天局的“哨兵”(Sentinel)系列衛(wèi)星[10]、以色列的合成孔徑雷達(dá)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星(TECSAR)[11]和中國(guó)的高分三號(hào)(GF-3)衛(wèi)星[12]等。正是由于上述先進(jìn)SAR衛(wèi)星系統(tǒng)的不斷出現(xiàn),星載SAR圖像的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展,應(yīng)用效能不斷提升,在國(guó)防、科研和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)等領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

本文首先分析SAR技術(shù)的發(fā)展和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì);梳理了星載SAR的發(fā)展現(xiàn)狀,并根據(jù)本文給出的發(fā)展階段劃分方法,對(duì)現(xiàn)有SAR衛(wèi)星進(jìn)行了階段劃分;然后介紹了GF-3衛(wèi)星的基本情況,并分析其所處的發(fā)展階段;最后對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)。

2 星載SAR技術(shù)的發(fā)展

星載SAR技術(shù)的發(fā)展可以從品質(zhì)因子、極化方式、定量化程度、信息獲取等方面進(jìn)行分析。

2．1 品質(zhì)因子

分辨率和測(cè)繪帶寬是星載SAR的兩個(gè)重要成像指標(biāo),一直以來(lái)都是人們努力提高的目標(biāo)。一方面,高分辨率能夠更為精確地反映目標(biāo)特征信息,便于目標(biāo)識(shí)別和特征提取,這在軍事偵察、城市繪圖及災(zāi)害評(píng)估等方面有著重要的意義。另一方面,寬測(cè)繪帶可提供更為廣闊的場(chǎng)景信息,以獲取全局判讀能力,這有利于對(duì)土地、森林、海洋等大面積區(qū)域的觀測(cè)。此外,寬幅測(cè)繪能夠提高對(duì)特定區(qū)域的重訪周期,對(duì)于動(dòng)態(tài)監(jiān)視快速變化的目標(biāo)具有重要的意義[13-14]。星載SAR系統(tǒng)獲得的測(cè)繪帶越寬,分辨率越高,說(shuō)明系統(tǒng)的成像性能越好。因此,可以用測(cè)繪帶和分辨率的比值來(lái)衡量星載SAR系統(tǒng)的性能,即品質(zhì)因子(Merit Factor,MF)[15-16]

式中:W為測(cè)繪帶寬;ρ為分辨率;c為光速;V為衛(wèi)星速度。早期SAR衛(wèi)星均運(yùn)行于地球低軌道,以7500 m/s為典型速度,則品質(zhì)因子約為2萬(wàn)。以分辨率為l m的高分辨率SAR衛(wèi)星為例,其測(cè)繪帶寬的極限是20 km;考慮距離模糊和方位模糊、加窗、脈寬和發(fā)射窗的余量,實(shí)際星載SAR系統(tǒng)的品質(zhì)因子約為1萬(wàn),即斜距測(cè)繪帶約為10 km[15]。

傳統(tǒng)的條帶模式、掃描模式和方位向電掃描合成孔徑雷達(dá)(TOPSAR)模式等的星載SAR成像性能均不能突破上述品質(zhì)因子的限制。而隨后產(chǎn)生的聚束模式、馬賽克模式等高分辨率模式是以犧牲方位向成像場(chǎng)景的連續(xù)性來(lái)提升分辨率,本質(zhì)上仍未突破上述品質(zhì)因子的限制,因此,它們同屬于傳統(tǒng)星載SAR技術(shù)。

方位向多通道模式的提出是為了從本質(zhì)上突破分辨率和測(cè)繪帶寬不能同時(shí)提高的限制,它利用方位向上多個(gè)接收通道,在一個(gè)脈沖周期內(nèi)獲得多個(gè)方位向采樣點(diǎn),利用空間采樣來(lái)彌補(bǔ)時(shí)間采樣的不足,從而降低脈沖重復(fù)周期(PRF)對(duì)分辨率和測(cè)繪帶寬同時(shí)提高的限制[4],突破了傳統(tǒng)模式品質(zhì)因子不超過(guò)1萬(wàn)的限制,成為新一代星載SAR技術(shù)的典型代表。在方位向多通道模式的基礎(chǔ)上,為進(jìn)一步改善其他性能,衍生出多種工作模式,如高分寬幅模式、波束掃描合成孔徑雷達(dá)(Sweep-SAR)等,它們同屬新一代星載SAR技術(shù)范疇。

方位向多通道模式由于天線規(guī)模、發(fā)射功率和通道一致性等因素限制,難以在單個(gè)脈沖周期內(nèi)獲得10個(gè)以上的方位向采樣點(diǎn),同樣受發(fā)射脈沖干擾限制,品質(zhì)因子不能超過(guò)10萬(wàn),進(jìn)一步提升成像能力需發(fā)展新的技術(shù)。多發(fā)多收SAR(MIMO-SAR)系統(tǒng)每個(gè)孔徑獨(dú)立發(fā)射信號(hào),并同時(shí)接收回波,經(jīng)過(guò)匹配濾波后,分離出各相位中心信號(hào)[17],可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)脈沖周期內(nèi)10個(gè)以上的方位向采樣點(diǎn),獲得超過(guò)10萬(wàn)的品質(zhì)因子,成為未來(lái)星載SAR技術(shù)發(fā)展方向之一。此外,脈沖重復(fù)周期掃描(Sweep-PRI)模式利用脈沖發(fā)射周期的連續(xù)變化改變測(cè)繪盲區(qū)的位置,使得整個(gè)測(cè)繪帶內(nèi)目標(biāo)回波均能被接收到,從而克服了測(cè)繪盲區(qū)固定不變的問(wèn)題,大幅提升了星載SAR測(cè)繪帶寬度[14],成為可能的未來(lái)星載SAR技術(shù)發(fā)展方向。

另一種更為直接的品質(zhì)因子提升方法是地球同步軌道SAR,它將SAR衛(wèi)星置于地球同步軌道上,同樣的天線波束寬度可以覆蓋遠(yuǎn)大于低軌SAR的區(qū)域,大幅提升星載SAR系統(tǒng)品質(zhì)因子[18]。同時(shí),低軌SAR提升品質(zhì)因子的方法稍加改進(jìn),仍可應(yīng)用于地球同步軌道SAR,因此,地球同步軌道SAR具備進(jìn)一步提升性能的潛力,地球同步軌道SAR是未來(lái)星載SAR技術(shù)發(fā)展的重要方向。壓縮感知(Compressive Sensing,CS)SAR利用高維數(shù)據(jù)中的信息維數(shù)遠(yuǎn)低于數(shù)據(jù)維數(shù)的特點(diǎn),將對(duì)信號(hào)的采樣轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)信息的采樣,從而有效降低回波信號(hào)的采樣率,減少雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量。在此基礎(chǔ)上,若將壓縮感知理論與掃描合成孔徑雷達(dá)(ScanSAR)模式相結(jié)合,采用時(shí)分復(fù)用的方式,將稀疏采樣所節(jié)省的時(shí)間分配到不同的觀測(cè)區(qū)域,在保持空間分辨率不變的情況下,有效擴(kuò)展雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)繪帶寬度,實(shí)現(xiàn)高分辨率、寬測(cè)繪帶對(duì)地觀測(cè),成為可能的未來(lái)星載SAR技術(shù)[5]。

2．2 極化方式

地物目標(biāo)特征信息主要反映在SAR雷達(dá)圖像的幅度、相位、頻率和極化響應(yīng)上,其中幅度、相位、頻率響應(yīng)信息提出較早,并已得到成功應(yīng)用。而極化信息的提取由于技術(shù)和理論發(fā)展的限制,近十幾年來(lái)才做到全極化信息提取。極化成像技術(shù)是星載SAR領(lǐng)域重要的發(fā)展方向之一,極化SAR衛(wèi)星通過(guò)多通道發(fā)射和接收不同極化方式的電磁波,獲得目標(biāo)觀測(cè)方向上更全面的電磁波散射特征,提高目標(biāo)散射信息的獲取能力。廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物分類估產(chǎn)、森林調(diào)查、生物量估計(jì)、海洋、地質(zhì)、水文、資源、環(huán)境、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、軍事等領(lǐng)域[19]。

傳統(tǒng)星載SAR一般為單極化,采用單一的極化通道發(fā)射和接收電磁波,僅能獲得地物對(duì)某種單一電磁波的散射特性,信息獲取能力有限,典型代表有:歐洲航天局的歐洲遙感衛(wèi)星-1(ERS-1)、加拿大的Radarsat-1衛(wèi)星、日本的地球資源衛(wèi)星-1(JERS-1)和中國(guó)的環(huán)境一號(hào)C星等。

新一代星載SAR具有多個(gè)極化通道,可以獲得不同極化方式下的目標(biāo)電磁散射特性,組成完備的極化基,獲得極化散射矩陣,全面得到目標(biāo)在觀測(cè)方向上對(duì)任意電磁波的散射特性。極化散射矩陣含有更豐富的信息,可得到更全面的目標(biāo)物理特性,如方向、形狀、粗糙度、介電常數(shù)等,為大面積地物分類、目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別提供更多的有用信息。典型代表包括:日本的先進(jìn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星(ALOS)、德國(guó)的TerraSAR-X衛(wèi)星、加拿大的Radarsat-2衛(wèi)星和中國(guó)的GF-3衛(wèi)星。

極化干涉SAR技術(shù)是在極化SAR和干涉SAR的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,它通過(guò)極化和干涉信息的有效組合,獲取地物的空間三維結(jié)構(gòu)特征信息和散射信息,擴(kuò)展觀測(cè)空間,既具有干涉SAR對(duì)散射體位置、分布、運(yùn)動(dòng)、變化信息敏感的特點(diǎn),也具有極化SAR對(duì)散射體結(jié)構(gòu)、方向、對(duì)稱性、紋理以及介電常數(shù)等敏感的特征,具有更廣闊的應(yīng)用空間和潛力,成為未來(lái)星載SAR技術(shù)的發(fā)展方向之一。簡(jiǎn)縮極化SAR技術(shù)是通過(guò)發(fā)射具有特定極化狀態(tài)的單一極化電磁波,兩路相互正交的極化接收的方式,在降低極化SAR系統(tǒng)復(fù)雜度的同時(shí),有效保留全極化SAR的回波信息。簡(jiǎn)縮極化SAR在獲得與全極化相當(dāng)?shù)暮笙蛏⑸涠糠诸惸芰Φ耐瑫r(shí),避免了全極化SAR系統(tǒng)復(fù)雜、成本高、數(shù)據(jù)量大等缺點(diǎn),可能成為未來(lái)星載SAR技術(shù)的發(fā)展方向。

2．3 定量化程度

隨著星載微波遙感技術(shù)的發(fā)展,對(duì)地物目標(biāo)定量精細(xì)信息獲取的需求與日俱增。定量精細(xì)信息取決于對(duì)遙感數(shù)據(jù)圖像物理與數(shù)值的理解和信息獲取處理能力。隨著星載SAR多任務(wù)、多頻段、多極化和高分辨率等技術(shù)不斷發(fā)展與融合,定量化精細(xì)遙感技術(shù)也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,進(jìn)一步拓展了SAR衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域,成為未來(lái)星載SAR技術(shù)的重要發(fā)展方向[20]。

傳統(tǒng)星載SAR為非定量遙感,主要目標(biāo)是獲取地物場(chǎng)景的幅度圖像,用于分辨所關(guān)注地物目標(biāo)的特征,圖像像素點(diǎn)的準(zhǔn)確幅度和相位信息沒(méi)有深入挖掘應(yīng)用,定量化應(yīng)用水平低。典型工作模式包括:條帶模式、掃描模式、聚束模式等。

新一代星載SAR利用高精度的外定標(biāo)技術(shù),實(shí)現(xiàn)幅度和相位定量化應(yīng)用,準(zhǔn)確獲得地物的幾何、高程、運(yùn)動(dòng)、電磁散射等信息,大幅拓展SAR衛(wèi)星的地物分類、識(shí)別、確認(rèn)和描述能力,支撐SAR圖像智能化應(yīng)用發(fā)展?？赡艿墓ぷ髂Ｊ桨O化干涉SAR模式、多角度成像模式、層析成像模式等。

2．4 信息獲取維度

隨著微波成像技術(shù)的發(fā)展及更多應(yīng)用需求的推動(dòng),星載SAR對(duì)地物目標(biāo)信息的獲取維度不斷提升,從最初僅能獲得地物目標(biāo)平面幾何輪廓,逐步發(fā)展到可以獲得地物目標(biāo)的高程、形變、運(yùn)動(dòng)、多角度,多時(shí)相以及三維分辨等多維信息。通過(guò)對(duì)上述多維信息的解譯、充分挖掘和有效利用,可以得到更多信息,促進(jìn)高精度分類、三維重建、變化檢測(cè)等應(yīng)用發(fā)展。

傳統(tǒng)星載SAR主要獲取地物目標(biāo)的二維幾何信息,通過(guò)相鄰目標(biāo)后向散射系數(shù)的不同,區(qū)分不同的地物目標(biāo),獲得目標(biāo)的平面幾何尺寸,實(shí)現(xiàn)二維信息獲取,典型的工作模式包括:條帶模式、掃描模式、聚束模式、TOPSAR模式、馬賽克模式等。

新一代星載SAR通過(guò)干涉成像等手段,獲得了地物目標(biāo)的高程、形變和運(yùn)動(dòng)等信息,實(shí)現(xiàn)三維信息獲取,拓展了SAR衛(wèi)星對(duì)地物目標(biāo)的認(rèn)知能力。典型的工作模式包括:干涉合成孔徑雷達(dá)(InSAR)模式、差分干涉合成孔徑雷達(dá)(DInSAR)模式、合成孔徑雷達(dá)-地面動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(SAR-GMTI)模式等。

多視角成像,通過(guò)大角度波束掃描或多軌重復(fù)觀測(cè)獲取地物目標(biāo)的多方位角雷達(dá)圖像,更好地反映目標(biāo)的散射特性和幾何特征,提升星載SAR系統(tǒng)的對(duì)地偵察觀測(cè)能力,成為可能的未來(lái)星載SAR技術(shù)。多頻多基線干涉SAR,采用多個(gè)觀測(cè)基線和多個(gè)信號(hào)頻率對(duì)同一觀測(cè)區(qū)域多航過(guò)干涉測(cè)量,通過(guò)對(duì)獲取的多組干涉數(shù)據(jù)融合處理來(lái)提升高程信息提取精度,與傳統(tǒng)的單基線干涉SAR相比,多頻多基線的引入可以有效抑制噪聲對(duì)SAR圖像的影響,擴(kuò)大干涉相位的模糊間隔,提升地形測(cè)量和地表參數(shù)反演結(jié)果的精度,成為未來(lái)星載SAR技術(shù)可能的發(fā)展方向[5]。層析成像SAR,通過(guò)沿垂直于視線的法線方向排布多個(gè)天線或利用同一天線在法線方向的不同軌跡高度對(duì)同一目標(biāo)區(qū)域成像,得到高度向上的分辨率,實(shí)現(xiàn)真正的三維成像。層析成像SAR不僅能夠獲得目標(biāo)散射體的高程信息,同時(shí)還可以得到散射體在高度向上的分布,完全恢復(fù)真實(shí)的三維場(chǎng)景,避免散射點(diǎn)的疊掩現(xiàn)象以及干涉相位模糊問(wèn)題[21],成為未來(lái)星載SAR技術(shù)可能的發(fā)展方向之一。

綜合上述分析,星載SAR技術(shù)發(fā)展可根據(jù)品質(zhì)因子、極化方式、定量化程度、信息獲取維度等情況進(jìn)行劃分,如圖1所示。

(1)傳統(tǒng)星載SAR具備的特征:品質(zhì)因子＜1萬(wàn),單極化,非定量,僅能獲取二維信息,典型工作模式包括條帶模式、掃描模式、TOPSAR模式、聚束模式和馬賽克模式等。

(2)新一代星載SAR具備的特征:品質(zhì)因子≥1萬(wàn),全極化,相位定量,能獲取三維信息,典型工作模式包括方位多通道模式、高分寬幅模式、Sweep-SAR模式、干涉SAR模式、差分干涉SAR模式、SAR-GMTI模式等。

(3)未來(lái)星載SAR應(yīng)具備的特征:品質(zhì)因子≥10萬(wàn),擴(kuò)展全極化,幅度相位定量,能獲取多維信息,可能的工作模式包括MIMO-SAR、Sweep-PRI、地球同步軌道SAR、壓縮感知SAR、極化干涉SAR、簡(jiǎn)縮極化SAR、多視角成像、多頻多基線干涉SAR和層析成像SAR等。

3 SAR衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

1978年6月27日,美國(guó)航空航天局(NASA)從范登堡基地發(fā)射了海洋衛(wèi)星(SEASAT),首次裝載了合成孔徑雷達(dá)。SEASAT是美國(guó)也是世界第一顆SAR衛(wèi)星,宣告了合成孔徑雷達(dá)已成功進(jìn)入從太空對(duì)地觀測(cè)的新時(shí)代,標(biāo)志著星載SAR由實(shí)驗(yàn)室研究向應(yīng)用研究的突破性轉(zhuǎn)變。隨著SAR衛(wèi)星卓越的觀測(cè)性能和應(yīng)用潛力被廣泛了解,其逐漸吸引了全世界學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注,大批性能逐漸提高的SAR衛(wèi)星陸續(xù)發(fā)射升空。截至目前,世界范圍內(nèi)已經(jīng)陸續(xù)發(fā)射了超過(guò)26個(gè)系列,50余顆SAR衛(wèi)星(部分軍用衛(wèi)星未公開(kāi)發(fā)布),其中美國(guó)發(fā)射的SAR衛(wèi)星數(shù)目最多,超過(guò)16顆[22-23]。具體衛(wèi)星情況見(jiàn)表1所示,其中Radarsat-2、Sentinel-1、TerraSAR-X、Tan DEM-X和GF-3衛(wèi)星為新一代SAR衛(wèi)星,其余為傳統(tǒng)SAR衛(wèi)星。

表1 世界范圍內(nèi)已發(fā)射的SAR衛(wèi)星Table 1 Launched SAR satellites in the world

4 高分三號(hào)衛(wèi)星

2016年8月10日,中國(guó)成功發(fā)射了GF-3衛(wèi)星,它是“高分專項(xiàng)”中唯一一顆雷達(dá)成像衛(wèi)星。GF-3衛(wèi)星是中國(guó)首顆高分辨率全極化SAR衛(wèi)星,能夠全天候、全天時(shí)實(shí)現(xiàn)全球海洋和陸地信息的監(jiān)視監(jiān)測(cè),并通過(guò)左右姿態(tài)機(jī)動(dòng)擴(kuò)大對(duì)地觀測(cè)范圍和提升快速響應(yīng)能力,構(gòu)型如圖2所示。GF-3衛(wèi)星獲取的C頻段多極化微波遙感信息可服務(wù)于中國(guó)海洋、減災(zāi)、水利及氣象等多個(gè)行業(yè)及業(yè)務(wù)部門,是我國(guó)實(shí)施海洋開(kāi)發(fā)、陸地環(huán)境資源監(jiān)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)的重要技術(shù)支撐,典型應(yīng)用實(shí)例見(jiàn)圖3。

GF-3衛(wèi)星突破了星載SAR多模式、多極化和定量化等遙感技術(shù),是目前世界上成像模式最多的SAR衛(wèi)星,整星12種成像模式,覆蓋條帶模式、掃描模式、全極化模式、滑動(dòng)聚束模式、方位向多通道模式等,同時(shí)進(jìn)行了凝視聚束、SAR-GMTI、TOPSAR、重軌干涉SAR和逆合成孔徑雷達(dá)成像(ISAR)等模式試驗(yàn);具備從單極化到全極化的極化方式;圖像質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)國(guó)外同類SAR衛(wèi)星水平,分辨率1～500 m,相應(yīng)幅寬10～650 km,同時(shí)具有詳查和普查功能,成像指標(biāo)詳見(jiàn)表2。

表2 GF-3衛(wèi)星SAR成像模式Table 2 SAR imaging modes of GF-3

GF-3衛(wèi)星在國(guó)內(nèi)首次采用了全極化、多通道等技術(shù),能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率和寬測(cè)繪帶成像。此外,通過(guò)在軌試驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?shí)現(xiàn)了干涉測(cè)高、形變檢測(cè)和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)[24]等功能。根據(jù)圖1所示,GF-3衛(wèi)星具備新一代星載SAR屬性,屬于典型的新一代SAR衛(wèi)星,它的成功發(fā)射和在軌穩(wěn)定運(yùn)行將中國(guó)星載SAR技術(shù)提升到國(guó)際先進(jìn)水平。同時(shí),GF-3衛(wèi)星在定量化[25]應(yīng)用等方面達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平,為中國(guó)未來(lái)高性能SAR衛(wèi)星的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái),星載SAR的新技術(shù)和新概念不斷出現(xiàn),各國(guó)陸續(xù)發(fā)射了大量先進(jìn)的SAR衛(wèi)星。從品質(zhì)因子、極化方式、定量化程度、信息獲取維度等方面,可對(duì)星載SAR技術(shù)進(jìn)行發(fā)展階段劃分。傳統(tǒng)星載SAR技術(shù)具有品質(zhì)因子小于1萬(wàn)、單極化、非定量、僅能獲取二維地物信息的特點(diǎn);新一代星載SAR技術(shù)具有品質(zhì)因子在1萬(wàn)和10萬(wàn)之間、多極化、相位定量、能獲取三維地物信息的特點(diǎn);未來(lái)星載SAR技術(shù)應(yīng)具備品質(zhì)因子大于10萬(wàn)、擴(kuò)展全極化、高精度定量化、能獲取多維地物信息等特點(diǎn)。中國(guó)的GF-3是典型的新一代SAR衛(wèi)星,同時(shí)具有未來(lái)SAR衛(wèi)星的部分特征,它的成功發(fā)射和在軌穩(wěn)定運(yùn)行使中國(guó)的星載SAR技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平。

References)

[1]Iain H Woodhouse．Introduction to microwave remote sensing[M]．Florida:CRC Press,2006

[2]張慶君．衛(wèi)星極化微波遙感技術(shù)[M]．北京:中國(guó)宇航出版社,2015 Zhang Qingjun．Satellite polarimetric microwave remote sensing technology[M]．Beijing:China Astronautics Press,2015(in Chinese)

[3]楊汝良．極化微波成像[M]．北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2016 Yang Ruliang．Polarimetric microwave imaging[M]．Beijing:National Defense Industry Press,2016(in Chinese)

[4]馮帆．多通道高分辨率寬測(cè)繪帶星載SAR系統(tǒng)研究[D]．北京:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所,2012 Feng Fan．Study on the multi-channel spacebornesynthetic aperture radar systemfor high-resolution wideswath imaging[D]．Beijing:Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,2012(in Chinese)

[5]李春升,王偉杰,王鵬波,等．星載SAR技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]．電子與信息學(xué)報(bào),2016,38(1):229-240 Li Chunsheng,Wang Weijie,Wang Pengbo,et al．Current situation and development trendsofspaeeborne SAR technology[J]．Journal of Electronics&Information Technology,2016,38(1):229-240(in Chinese)

[6]Bayir I．A glimpse to future commercial spy satellitesystems[C]//Proceedings of the 4th IEEE International Conference on Recent Advances in Space Technologies．New York:IEEE,2009:370-375

[7]Pitz W,Miller D．The TerraSAR-X satellite[J]．IEEE Transactions on Geoscience&Remote Sensing,2010,48(2):615-622

[8]Martone M,Brautigam B,Krieger G．Quantization effects in TanDEM-X data[J]．IEEE Transactions on Geoscience&Remote Sensing,2015,53(2):583-597

[9]L C Morena,K V James,J Beck．An introduction to the Radarsat-2 mission[J]．Can．J．Remote Sensing,2004,30(3):221-234

[10]PotinP,Bargellini P,Laur H,et al．Sentinel-1 mission operations concept[C]//Proceedings of the 2012 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium,Munich,Germany,2012:1745-1748

[11]U Naftaly,R Levy Nathansohn．Overview of the TECSAR satellite hardware and mosaic mode[J]．IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2008,5(3):423-426

[12]張慶君．高分三號(hào)衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)[J]．測(cè)繪學(xué)報(bào),2017,46(3):269-277 Zhang Qingjun．System design and key technologies of the GF-3 satellite[J]．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(3):269-277(in Chinese)

[13]袁孝康．星載合成孔徑雷達(dá)導(dǎo)論[M]．北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2005 Yuan Xiaokang．Introduce to thespaceborne synthetic aperture radar[M]．Beijing:National Defense Industry Press,2005(in Chinese)

[14]陳倩．新體制高分寬測(cè)星載SAR技術(shù)研究[D]．北京:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所,2013 Chen Qian．Study on new techniques for highresolution and wide-swath spaceborne synthetic aperture radar[D]．Beijing:Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,2013(in Chinese)

[15]賴濤,董臻,粱甸農(nóng)．多通道/多波束星載SAR實(shí)現(xiàn)高分辨寬測(cè)繪帶成像綜述[J]．遙感信息,2011(1):109-118 Lai Tao,Dong Zhen,Liang Diannong．A summary of HRWS imaging performance of multi-channel spaceborne SAR[J]．Remote Sensing Information,2011(1):109-118(in Chinese)

[16]A Freeman,W T K Johnson,B Huneycutt,et al．The mythof the minimum SAR antenna area constraint[J]．IEEE Transactions on Geoscience&Remote Sensing,2000,38(1):320-324

[17]齊維孔．基于數(shù)字波束形成和多發(fā)多收的星載合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)及其信號(hào)處理研究[D]．北京:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所,2010 Qi Weikong．Study on spaceborne synthetic aperture radar system and signal processing based on digital beamforming and multiple-input multiple-output[D]．Beijing:Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,2010(in Chinese)

[18]趙秉吉．地球同步軌道SAR關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．北京:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所,2013 Zhao Bingji．Study on key technology of geosynchronous earth orbital SAR[D]．Beijing:Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,2013(in Chinese)

[19]楊汝良,戴博偉,譚璐璐,等．極化微波成像[M]．北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2016 Yang Ruliang,Dai Bowei,Tan Lulu,et al．Polarimetric microwave imaging[M]．Beijing:National Defense Industry Press,2016(in Chinese)

[20]金亞秋．從散射輻射傳輸成像到定量精細(xì)遙感的信息鏈[J]．遙感學(xué)報(bào),2016,20(5):768-774 Jin Yaqiu．Information chains in fine quantitative remote sensing based on scattering radiative transfer and imaging[J]．Journal of Remote Sensing,2016,20(5):768-774(in Chinese)

[21]龍泓琳．層析SAR三維成像算法研究[D]．成都:電子科技大學(xué),2010 Long Honglin．Tomography SAR three-dimensional imaging algorithm[D]．Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China,2010(in Chinese)

[22]Merrill I Skolnik．Radar handbook[M]．New York:McGraw-Hill Education,2008

[23]葉云裳．航天器天線-工程與新技術(shù)[M]．北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2007 Ye Yunshang．Spacecraft antenna-engineering and new technology[M]．Beijing:Chinese Science and Technology Press,2007(in Chinese)

[24]Chenghao Wang,Guisheng Liao,Qingjun Zhang．First spaceborne SAR-GMTI experimental results for the Chinese Gaofen-3 dual-channel SAR sensor[J]．Sensors,2017,17(11):2683

[25]Junjun Yin,Jian Yang,Qingjun Zhang．Assessment of GF-3 polarimetric SAR data for physic scattering mechanism analysis and terrain classification[J]．Sensors,2017,17(12):2785

Technology Progress and Development Trend of Spaceborne Synthetic Aperture Radar Remote Sensing

ZHANG Qingjun HAN Xiaolei LIU Jie
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

This paper divides the stages of spaceborne SAR technology development from the aspects of merit factor,polarization mode,quantification degree and information acquisition dimension．The characteristics and typical working modes of spaceborne SAR at different stages of develop is given．The development trend of new generation spaceborne SAR technology is analyzed．Finally,the basic characteristics of GF-3 satellite are briefly introduced,and the development stage and historical status of GF-3 satellite are analyzed．

GF-3 satellite;synthetic aperture radar(SAR);merit factor;polarization;quantitative remote sensing;multidimensional information acquisition

TN958

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.001

2017-10-30;

2017-11-24

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程

張慶君,男,博士,研究員,博士生導(dǎo)師,衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師兼總指揮,航天遙感領(lǐng)域總設(shè)計(jì)師,入選“新世紀(jì)百千萬(wàn)人才工程”和國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。先后獲國(guó)家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)、國(guó)家發(fā)明一等獎(jiǎng)、國(guó)防科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。研究方向?yàn)楹教炱飨到y(tǒng)與總體技術(shù)、航天遙感。Email:ztzhangqj＠163．com。

(編輯:張小琳)