陳筠力，劉艷陽，陳重華，趙 迪

（1.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

0 引言

近些年來，星載干涉合成孔徑雷達(dá)（InSAR）因其全天時(shí)、全天候、高分辨率、寬幅對地觀測能力，得到了國內(nèi)外的普遍關(guān)注與研究［1-6］。該技術(shù)利用多幅相干合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）的圖像進(jìn)行干涉處理，通過獲取干涉相位得到主輔雷達(dá)相對目標(biāo)的斜距差，進(jìn)一步測量反演目標(biāo)的位置及其運(yùn)動變化信息［3-5］，已廣泛應(yīng)用于數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）生成［6-9］、大范圍地表形變監(jiān)測［11-15］、森林生物量反演［16-20］、海面流場測量［21-25］等領(lǐng)域。

20 世紀(jì)80 年代早期，ZEBKER 等［4］首次利用機(jī)載SAR 和衛(wèi)星SeaSAT 衛(wèi)星數(shù)據(jù)驗(yàn)證InSAR 技術(shù)的可行性。此后，國內(nèi)外基于歐空局ERS-1/2［26］、ENVISAT ASAR［27］和Sentinel-1A/B［28］，加 拿 大RadarSAT-1/2［29］，日 本ALOS-2［30］等SAR 衛(wèi) 星 數(shù)據(jù)開展了大量的重復(fù)航過InSAR 技術(shù)研究，如地表形變監(jiān)測、高精度數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）獲取等，有效地促進(jìn)了相關(guān)理論方法和應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展。重復(fù)航過星載InSAR 面臨著嚴(yán)重的航過間大氣延遲差異、時(shí)間去相干及基線測量精度低等問題，影響了DEM 生成精度［7］。

星載單航過InSAR 利用多副接收天線同時(shí)獲取多幅相干SAR 圖像進(jìn)行干涉處理，可有效避免上述問題實(shí)現(xiàn)高精度DEM 獲取。作為第1 個(gè)星載單航過SAR 系統(tǒng)，美國SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）系統(tǒng)將雷達(dá)安裝在60 m 長度的伸展臂兩端，獲取了南緯56°到北緯60°范圍內(nèi)滿足DTED-2（Digital Terrain Elevation Data level 2）標(biāo)準(zhǔn)的DEM［31］。2010 年，德國發(fā)射 了TanDEM-X 衛(wèi)星，與之前發(fā)射的TerraSAR-X 構(gòu)成了全球第1 個(gè)分布式編隊(duì)InSAR 衛(wèi)星系統(tǒng)［7］。2016 年，TanDEM-X利用垂直航跡干涉技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全球滿足HRTI-3 標(biāo)準(zhǔn)的DEM 生成。此外，通過靈活的基線及載荷設(shè)置，TanDEM-X 還開展了沿航向干涉SAR 技術(shù)、極化干涉SAR 技術(shù)等科學(xué)試驗(yàn)，極大地促進(jìn)了分布式編隊(duì)衛(wèi)星InSAR 技術(shù)的發(fā)展［32］。2019 年，我國成功發(fā)射了天繪-2 號SAR 衛(wèi)星，是我國首個(gè)分布式編隊(duì)SAR 衛(wèi)星，在國際上是繼TanDEM-X 系統(tǒng)后的第2個(gè)微波干涉測繪衛(wèi)星系統(tǒng)［33］。天繪-2 號衛(wèi)星系統(tǒng)在軌測試結(jié)果表明，可滿足1∶50 000 比例尺測圖精度要求。

1 InSAR 基本原理

SAR 利用距離向大帶寬脈沖壓縮技術(shù)和方位向孔徑合成技術(shù)獲取地物目標(biāo)回波，經(jīng)成像處理，實(shí)現(xiàn)高分辨率對地成像觀測和特征識別［1-2，34］。SAR 圖像信號可表示為［34］

式中：rTx、rRx為發(fā)射雷達(dá)天線相位中心和接收雷達(dá)天線相位中心到目標(biāo)的距離；λ為雷達(dá)波長；K為與目標(biāo)后向散射及雷達(dá)方程相關(guān)的復(fù)數(shù)。對于自發(fā)自收雷達(dá)，rTx=rRx=r。

InSAR 通過對同一地區(qū)獲取的兩/多幅相干SAR 圖像進(jìn)行干涉處理，通過測量干涉相位實(shí)現(xiàn)高精度相對測距［5］。以兩幅自發(fā)自收SAR 圖像為例，主輔SAR 圖像經(jīng)干涉處理后可表示為

式中：s1、s2為主輔SAR 圖像。

干涉相位可表示為

式中：angle(?)為取相角運(yùn)算符；r1、r2為主輔SAR天線相位中心到目標(biāo)的斜距。

由式（3）可知

干涉相位測量精度與主輔SAR 圖像的相干系數(shù)γ有關(guān)［35］，

式中：E(?)為期望函數(shù)。

主輔SAR 圖像干涉相位概率密度函數(shù)為［36］

式中：Nl為多視視數(shù)；Γ(?)為gamma 函數(shù)；F(?)為高斯超幾何分布函數(shù)。

干涉相位標(biāo)準(zhǔn)差可表示為

不同視數(shù)下干涉相位標(biāo)準(zhǔn)差隨相干系數(shù)變化曲線如圖1 所示。由圖可知，當(dāng)多視視數(shù)為9 視時(shí)，相干系數(shù)大于0.5，相對測距精度即可達(dá)到亞波長量級。

圖1 干涉相位誤差隨相干系數(shù)變化曲線Fig.1 Variations of the interferometric phase error with the coherence coefficient

根據(jù)對目標(biāo)位置及其變化敏感程度的不同，InSAR 可分為垂直航跡干涉（Cross-Track InSAR，CT-InSAR）和沿航跡干涉（Along-Track InSAR，AT-InSAR）［5］。

1）垂直航跡干涉。

垂直航跡InSAR 通過對垂直航向不同視角獲取的兩幅相干SAR 圖像進(jìn)行干涉處理，獲得主輔雷達(dá)到目標(biāo)的斜距差。與雷達(dá)立體測量（通過圖像配準(zhǔn)獲得相對斜距差）相比，InSAR 的相對斜距測量精度可達(dá)亞波長量級精度，可在主輔雷達(dá)小視角差的情況下實(shí)現(xiàn)高精度地面高程［5-6］。

這里以一發(fā)雙收分布式編隊(duì)SAR 衛(wèi)星為例，其系統(tǒng)觀測幾何如圖2 所示。在WGS-84 坐標(biāo)系下，考慮圖像中某一目標(biāo)點(diǎn)，其坐標(biāo)為pt=(px py pz)，sk、vk分別表示雷達(dá)的軌跡和速度矢量，下標(biāo)k=1，2 分別為主星雷達(dá)和輔星雷達(dá)，b為主輔雷達(dá)瞬時(shí)基線矢量，Ba和Be分別為沿航跡基線和垂直有效基線，r1為主星雷達(dá)到目標(biāo)的斜距。

圖2 垂直航跡InSAR 測高空間幾何關(guān)系Fig.2 Observation geometry of cross-track InSAR

InSAR 定位方程為［37］

式中：r1、fdc為主星雷達(dá)斜距和多普勒中心頻率；t1、t2為主輔星干涉時(shí)刻；s2=s1+b，其中，b為主輔雷達(dá)瞬時(shí)基線矢量。

系統(tǒng)高程測量精度與干涉相位測量精度的關(guān)系［5］為

式中：Hamb為模糊高度。

式中：θi為入射角。

由式（10）可知，垂直有效基線長度（視角差）是影響干涉測高精度的重要因素。系統(tǒng)設(shè)計(jì)需綜合考慮垂直有效基線長度對相干系數(shù)及模糊高度的影響［7］。

2）沿航跡干涉。

沿航跡干涉測量是利用同一航跡上不同時(shí)間采集的多幅SAR 圖像進(jìn)行干涉處理，其干涉相位代表了這些航過間目標(biāo)的徑向位移［5，10］：

通過擬合形變量與時(shí)間可進(jìn)一步獲取目標(biāo)徑向速度vr［12］。通過改變SAR 圖像序列獲取的時(shí)間間隔，目標(biāo)運(yùn)動速率測量范圍可從m/s變化至ms/a［38］。

單航過沿航跡InSAR 系統(tǒng)SAR 圖像序列時(shí)間間隔短，可實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動目標(biāo)運(yùn)動速度的測量，典型應(yīng)用為洋流測速、地面動目標(biāo)顯示（Ground Moving Target Indication，GMTI）等［38］。重復(fù)航過沿航跡InSAR 系統(tǒng)SAR 圖像獲取時(shí)間間隔長（為衛(wèi)星軌道回歸周期的整數(shù)倍），可用于地面大尺度位移及慢變目標(biāo)運(yùn)動速率的測量［12］。這里需要指出的是，實(shí)際重復(fù)航過InSAR 系統(tǒng)不可避免地會出現(xiàn)垂直航跡基線分量，為降低其對沿航跡干涉效果的影響，需要天基InSAR 系統(tǒng)采用嚴(yán)格軌道設(shè)計(jì)與控制技術(shù)，并需在地面處理中補(bǔ)償該分量引入的地形干涉相位［12］。

2 天基InSAR系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及典型應(yīng)用

2.1 天基InSAR 系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

從20 世紀(jì)80 年代以來，隨著InSAR 技術(shù)日趨成熟，國內(nèi)外InSAR 應(yīng)用需求不斷推動著星載In-SAR 系統(tǒng)的發(fā)展。SAR 衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)從最初無法干涉發(fā)展到具備重復(fù)航過InSAR 觀測能力，從重復(fù)航過InSAR 發(fā)展到具備單航過InSAR 觀測能力。典型SAR 衛(wèi)星的干涉能力見表1。

表1 部分天基InSAR 系統(tǒng)Tab.1 Some spaceborne InSAR systems

重復(fù)航過InSAR 系統(tǒng)經(jīng)歷單星InSAR 發(fā)展到了多星跟飛組網(wǎng)InSAR 系統(tǒng)。典型的多星跟飛組網(wǎng)InSAR 系統(tǒng)有歐空局（ESA）的ERS-1 和ERS-2兩顆SAR 衛(wèi)星，兩星分別于1991年和1995年發(fā)射，具備相隔1d的重復(fù)軌道InSAR觀測能力［26］。此后，ESA又于2014年和2016年分別發(fā)射了Sentinel-1A和Sentinel-1B，雙星跟飛相位間隔180°，該InSAR星座重軌周期為6d［28］。

單航過InSAR 系統(tǒng)經(jīng)歷單星InSAR 發(fā)展到了多星繞飛編隊(duì)InSAR 系統(tǒng)。作為第1 個(gè)星載單航過SAR 系統(tǒng)，美國SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）系統(tǒng)將雷達(dá)安裝在60 m 長度的伸展臂兩端，獲取了南緯56°到北緯60°范圍內(nèi)滿足DTED-2標(biāo) 準(zhǔn) 的DEM［31］。2007年，加拿大發(fā)射的Radar-SAT-2具備雙通道接收能力，可進(jìn)行沿航跡InSAR測量［29］。2010 年，德國發(fā)射了TanDEM-X 衛(wèi)星，與之前發(fā)射的TerraSAR-X 構(gòu)成了全球第1 個(gè)分布式編隊(duì)InSAR 衛(wèi)星系統(tǒng)［32］。2019 年，我國成功發(fā)射了天繪-2號SAR衛(wèi)星［33］，是我國首個(gè)分布式編隊(duì)SAR衛(wèi)星，在國際上是繼TanDEM-X 系統(tǒng)后的第2個(gè)微波干涉測繪衛(wèi)星系統(tǒng)。

2.2 InSAR 典型應(yīng)用

目前，InSAR 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地面高程測量、地表形變監(jiān)測、森林生物量反演、洋流測速等領(lǐng)域［7］。

2.2.1 地面高程測量

數(shù)字高程模型（DEM）是描述地球表面形狀的三維數(shù)字模型，由一系列包含有地理平面坐標(biāo)和高程的數(shù)據(jù)集組成，在科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和軍事領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用價(jià)值。如前所述，垂直航跡In-SAR 是獲取高精度DEM 的重要技術(shù)手段，特別是在分布式衛(wèi)星InSAR 衛(wèi)星體制下［7，33］。分布式編隊(duì)SAR 衛(wèi)星不僅可以有效克服重復(fù)軌道InSAR 時(shí)間去相干及大氣延遲等問題，還可提供靈活的基線配置和高精度基線測量結(jié)果，有效提升了DEM 生成精度。天繪-2 號衛(wèi)星獲取的新疆吉木薩爾縣宜化露天煤礦礦坑DSM 圖如圖3 所示。

圖3 天繪-2 號獲取的新疆吉木薩爾縣礦坑DSM 圖Fig.3 DSM map of the mine pit of Jimusaer County，Xinjiang acquired by Tianhui-2

2.2.2 地表形變監(jiān)測

InSAR 技術(shù)以其大范圍、高精度、高空間密度的形變獲取能力，被廣泛用于大范圍地表形變監(jiān)測［12］。從應(yīng)用領(lǐng)域而言，InSAR 形變監(jiān)測主要分為突發(fā)地災(zāi)的應(yīng)急與日常監(jiān)測應(yīng)用兩大類：一類是基于差分InSAR（D-InSAR）技術(shù)的地震、重大滑坡等大尺度位移災(zāi)后調(diào)查應(yīng)用［14］；另一類主要是基于面向時(shí)間序列InSAR 技術(shù)的活動斷裂、區(qū)域性地面沉降、滑坡監(jiān)測和礦山塌陷等日常監(jiān)測應(yīng)用［12，15］。

D-InSAR 技術(shù)利用覆蓋同一地區(qū)的形變前后SAR 圖像進(jìn)行干涉處理，然后除去垂直有效基線引入的地形干涉相位獲取地表微量形變的測量技術(shù)［11，14］。差分干涉形變量提取方法有兩軌法和三軌法：兩軌法利用外部先驗(yàn)DEM 反演去除垂直有效基線引入的地形干涉相位；三軌法利用形變前或形變后的兩景SAR 圖像反演去除地形干涉相位。

為有效克服時(shí)間去相干及大氣延遲對DInSAR 測量精度的影響，時(shí)間序列InSAR 技術(shù)通過提取在時(shí)間序列上具有穩(wěn)定散射特性的高相干點(diǎn)，利用不同相位分量的時(shí)空頻譜特性，獲得經(jīng)過地形、軌道以及大氣誤差改正的形變速率場［12-13］。時(shí)間序列InSAR 技術(shù)典型方法有永久散射體方法（Persistent Scatterer InSAR，PS-InSAR）和小基線集方法（Small BAseline Subset，SBAS）［12，39］，其中，PS-InSAR 采用公共主圖像，SBAS 采用多主圖像。目前，時(shí)序InSAR 技術(shù)已成功應(yīng)用于山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害早期預(yù)警，堤壩、交通路網(wǎng)沿線、鐵路沿線監(jiān)測和地鐵沿線穩(wěn)定分析、機(jī)場穩(wěn)定性評估和橋梁監(jiān)測等城市基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測中［15］。利用Sentinel-1A/B數(shù)據(jù)反演的上海航天城沉降結(jié)果如圖4 所示。

圖4 上海航天城時(shí)間序列InSAR 形變速率監(jiān)測結(jié)果Fig.4 Monitoring results of the InSAR time series deformation rate of Shanghai Academy of Space Technology

為保證地表形變監(jiān)測性能，SAR 衛(wèi)星需采用嚴(yán)格回歸軌道設(shè)計(jì)與控制，以提高圖像的空間相干性并降低地形干涉相位的影響。

2.2.3 森林生物量反演

森林生物量是表征森林固碳能力的重要指標(biāo)，也是評估區(qū)域森林碳平衡的重要參數(shù)。InSAR 在植被覆蓋區(qū)具備一定的穿透能力，可記錄植被垂直結(jié)構(gòu)屬性信息，但傳統(tǒng)InSAR 無法直接區(qū)分同一分辨單元內(nèi)不同散射體的垂直向分布，導(dǎo)致InSAR 在植被區(qū)測量面臨體散射去相干，干涉相位對應(yīng)的高度介于植被表面和地面之間。為解決該問題，人們在InSAR 高程測量的基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入極化測量信息，提出了極化InSAR（Polarimetric SAR，Pol-InSAR）技術(shù)［16］。該技術(shù)基于不同極化方式對散射體形狀、空間排布規(guī)律及介電屬性敏感程度不同，通過建立隨機(jī)地體散射模型（Random Volume over Ground，RVoG）將Pol-InSAR 信息與森林生物物理參數(shù)進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對森林高度的監(jiān)測，可為解決大范圍森林高度反演難題提供重要的技術(shù)手段。德國DLR F-SAR 獲取的Rabi 地區(qū)Pol-InSAR森林高度反演結(jié)果如圖5 所示，與激光雷達(dá)測量結(jié)果基本一致［17］。

圖5 DLR F-SAR 獲取的Rabi 地區(qū)Pol-InSAR 森林高度反演結(jié)果［17］Fig.5 Pol-InSAR forest height inversion results of Rabi region obtained by DLR F-SAR［17］

2.2.4 洋流測速

洋流又稱海流，表示海洋中除了由引潮力引起的潮汐運(yùn)動外，海水沿一定途徑的大規(guī)模流動。利用星載沿航跡InSAR 技術(shù)可以對洋流的速度進(jìn)行測量，實(shí)現(xiàn)海表流場速度的反演，對海洋災(zāi)害預(yù)警、海洋經(jīng)濟(jì)監(jiān)視、海洋戰(zhàn)場環(huán)境測繪、航海安全以及維護(hù)國家海洋權(quán)益等具有重要意義［21-23］。利用TerraSAR/TanDEM-X數(shù)據(jù)獲取PentlandFirth地區(qū)的洋流流速測量結(jié)果如圖6 所示。其中，TerraSAR-X雙天線接收模式（沿航向有效基線長度為1.15 m）如圖6（a）所示，TanDEM-X 系統(tǒng)結(jié)果（沿航向有效基線長度為25.00 m）［22］如圖6（b）所示。

圖6 TerraSAR-X/TanDEM-X 沿航跡干涉洋流流速測量結(jié)果［22］Fig.6 Current velocity measured by TerraSAR-X/TanDEM-X along-track InSAR［22］

除上述應(yīng)用外，垂直航跡InSAR 技術(shù)還可應(yīng)用于地物分類、農(nóng)作物估產(chǎn)、冰雪深度探測等領(lǐng)域［7，40］。沿航跡InSAR 技術(shù)還可應(yīng)用于地面交通監(jiān)視、海面艦船顯示及成像等領(lǐng)域［7，25，41］。TerraSARX/TanDEM-X 首次沿航跡干涉動目標(biāo)監(jiān)測結(jié)果［42］如圖7 所示。

圖7 TerraSAR-X/TanDEM-X SAR 地面運(yùn)動目標(biāo)檢測［42］Fig.7 Ground moving target indication results obtained by TerraSAR-X/TanDEM-X along-track InSAR［42］

3 天繪-2 號

天繪-2 號衛(wèi)星于2019 年4 月30 日成功發(fā)射，是我國首個(gè)基于干涉合成孔徑雷達(dá)技術(shù)的微波測繪衛(wèi)星系統(tǒng)［33］。該系統(tǒng)工作于X 頻段，處于500 km 的太陽同步軌道，由兩顆對等的衛(wèi)星組成，采用異軌道面衛(wèi)星編隊(duì)、一發(fā)雙收雷達(dá)收發(fā)模式的技術(shù)體制，可以快速測制全球數(shù)字表面模型和雷達(dá)正射影像。天繪-2 號在國際上首次采用雙頻成像技術(shù)解決干涉相位絕對模糊問題，徹底擺脫了對地面控制數(shù)據(jù)的依賴。

作為分布式編隊(duì)衛(wèi)星InSAR 系統(tǒng)，天繪-2 號衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)主要包括衛(wèi)星繞飛編隊(duì)構(gòu)型設(shè)計(jì)與控制、雙星三同步、高精度SAR 載荷內(nèi)定標(biāo)、基線確定及高精度星間基線測量等。文獻(xiàn)［33］對各關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)情況進(jìn)行了介紹，這里不再贅述。

天繪-2 號衛(wèi)星獲取的冰川國家公園地區(qū)測繪圖如圖8 所示。其中，干涉條紋圖如圖8（a）所示，雷達(dá)正射影像（Orthorectified Radar Image，ORI）如圖8（b）所示，數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，DSM）如圖8（c）所示。由圖可見，測繪產(chǎn)品紋理清晰、邊緣鋒銳。天繪-2 號系統(tǒng)靈敏度高，其在沙漠等低后向散射區(qū)域可實(shí)現(xiàn)高精度測圖［33］。天繪-2號衛(wèi)星獲取的毛里塔尼亞沙漠地區(qū)DSM 如圖9所示。

圖8 天繪-2 號冰川國家公園觀測結(jié)果Fig.8 Observation results of the Glacier National Park obtained by Tianhui-2

圖9 天繪-2 號毛里塔尼亞沙漠地區(qū)Fig.9 Observation results of the desert area of Mauritanisha obtained by Tianhui-2

在軌測試結(jié)果表明，天繪-2 號測圖精度可滿足1∶50 000 比例尺要求。與美國SRTM系統(tǒng)及日本AW3D30系統(tǒng)相比，天繪-2衛(wèi)星DSM產(chǎn)品層次更加分明，地理信息更加精細(xì)。天繪-2 號衛(wèi)星與美國SRTM 系統(tǒng)對肯尼亞境內(nèi)相同區(qū)域的測繪對比圖如圖10 所示。我國天繪-2 號衛(wèi)星與日本AW3D30系統(tǒng)對我國河南省境內(nèi)相同區(qū)域的測繪對比圖如圖11 所示。

圖11 天繪-2 號衛(wèi)星與日本AW3D30 系統(tǒng)DSM 產(chǎn)品對比圖Fig.11 DSM product observed by Tianhui-2 satellite and AW3D30 system

此外，天繪-2 號衛(wèi)星還能夠在國土普查、城區(qū)規(guī)劃、緊急救援、災(zāi)害評估、農(nóng)林監(jiān)測、國際反恐、基礎(chǔ)地理信息獲取以及全球生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)等方面為用戶提供優(yōu)質(zhì)、高效、穩(wěn)定的航天服務(wù)。

4 發(fā)展趨勢展望

InSAR 應(yīng)用需求不斷牽引著天基微波測繪技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前InSAR 衛(wèi)星正朝著高分（辨率）寬幅、多維度觀測等方向發(fā)展。

4.1 高分寬幅

地表形變監(jiān)測的短臨預(yù)警等應(yīng)用需要SAR 衛(wèi)星在同一分辨率下盡可能增大觀測幅寬，有效提高InSAR 衛(wèi)星應(yīng)用的觀測時(shí)效性。同一幅寬下提高分辨率，可一定程度上提升產(chǎn)品的觀測精度，如可提高地表形變監(jiān)測時(shí)間序列InSAR 永久散射體的密度，提升InSAR 高程測量多視處理有效視數(shù)等。高分寬幅成像是未來InSAR 衛(wèi)星的重要發(fā)展方向之一。

面向高分寬幅發(fā)展方向，德國TanDEM-L 系統(tǒng)設(shè)計(jì)了7 m 分辨率350 km 的超大幅寬SAR 成像模式［43］，TanDEM-L 系統(tǒng)觀測示意圖如圖12 所示。在一個(gè)回歸周期內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)單極化、雙極化左右側(cè)視共4 次全球覆蓋，實(shí)現(xiàn)三維形變測量，可有效提升地表形變監(jiān)測效率和精度（如圖12（b）所示），更好地服務(wù)于城市沉降、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害早期預(yù)警識別。日本ALOS-4 衛(wèi)星3 m 分辨率條帶模式將由ALOS-2 的50 km 增大至200 km，可實(shí)現(xiàn)全球陸地14 d 全覆蓋［44］。

圖12 TanDEM-L 系統(tǒng)觀測示意圖［43］Fig.12 Observation geometry of TanDEM-L system［43］

為實(shí)現(xiàn)高分寬幅對地SAR 成像，國內(nèi)外提出了方位多通道接收［45］、俯仰向數(shù)字波束形成（Digital Beam-Forming）［46-47］、Staggered SAR［48］、MIMOSAR［49-51］等新體制及新工作模式。

4.2 多維度觀測

隨著SAR 成像技術(shù)及其應(yīng)用需求的推動，星載InSAR 系統(tǒng)逐漸從單極化、單波段、單角度發(fā)展到多極化、多波段、多角度等不同觀測方式的組合（簡稱為多維度InSAR 觀測），并向全息SAR 方向發(fā)展［38，52-55］。多維度SAR 可有效解決高精度地形測繪、海洋復(fù)雜環(huán)境觀測以及森林生物量等國家重大需求。

1）多波段。不同波段雷達(dá)的穿透能力不同，如圖13 所示。由圖可見，低頻段SAR 具有更好的穿透能力，更適合地表森林生物量的估計(jì)［17-19］。通過融合多波段SAR 圖像，可以實(shí)現(xiàn)高精度地物分類與地表垂直結(jié)構(gòu)信息反演。現(xiàn)有SAR 衛(wèi)星主要工作于L、S、C 及X 波段，ESA 將率先發(fā)展P 波段全極化InSAR 系統(tǒng)——BIOMASS 衛(wèi)星［56］，該系統(tǒng)采用重復(fù)航過全極化InSAR 體制，主要任務(wù)為地表森林生物量估計(jì)及年度變化檢測，并測量冰川及其次表面結(jié)構(gòu)等。

圖13 不同波段SAR 穿透能力圖［17-19］Fig.13 Penetration capabilities of different band SAR systems［17-19］

2）多極化。目前，德國TanDEM-X 具備全極化InSAR 能力，但由于其工作在X 波段，穿透能力差，在高植被區(qū)生物量反演中將存在估計(jì)偏差［57］。星載低頻段多極化InSAR 穿透能力強(qiáng)，但通過重復(fù)航過InSAR 實(shí)現(xiàn)，面臨著嚴(yán)重的時(shí)間去相干和大氣延遲差異等問題。因此，亟需發(fā)展單航過低頻段多極化InSAR 系統(tǒng)。德國TanDEM-L 采用雙星繞飛編隊(duì)［43］，并專門設(shè)計(jì)了用于植被、冰雪、干土等觀測的三維成像模式（如圖12（a）所示），可有效克服傳統(tǒng)重復(fù)航過面臨的問題，實(shí)現(xiàn)高精度地表垂直結(jié)構(gòu)反演，同時(shí)獲得數(shù)字表面模型和數(shù)字地形模型。此外，系統(tǒng)還可通過重復(fù)航過層析成像實(shí)現(xiàn)植被、冰雪內(nèi)部結(jié)構(gòu)動態(tài)監(jiān)測。

3）多角度。星載InSAR 系統(tǒng)采用側(cè)視成像幾何，SAR 圖像中存在著層疊、陰影等問題，這大大限制了目標(biāo)的三維空間分布反演能力。同時(shí)，單次觀測僅能獲取沿徑向的斜距差，無法獲取觀測區(qū)域的三維形變場。TomoSAR（多俯仰角InSAR 成像）、多方位角InSAR 等多角度InSAR 系統(tǒng)可有效解決上述問題［55，58-62］。TomoSAR 通過獲取多景相干SAR 圖像，進(jìn)行俯仰向數(shù)字波束形成實(shí)現(xiàn)觀測區(qū)域的3-D 層析成像，結(jié)合時(shí)序序列SAR 圖像進(jìn)行形變場估計(jì)，還可實(shí)現(xiàn)4-DSAR成像［58-61］。2018年，德國DLR 的MITTERMAYER 等［60］首次提 出了雙基SAR 小衛(wèi)星浮動集群概念，如圖14 所示，多個(gè)小衛(wèi)星共同編隊(duì)，在方位和俯仰向形成稀疏陣列，進(jìn)行3-D 成像。

圖14 雙基SAR 小衛(wèi)星浮動集群示意圖［60］Fig.14 Floating swarm concept for passive bi-static SAR satellite［60］

多方位角InSAR 系統(tǒng)單次航過利用多個(gè)方位角觀測，通過融合處理提取二維流場速度［55，62］。德國DLR 提出的Bidirectional InSAR 體制是典型的多方位角InSAR 觀測體制，并利用TanDEM-X 在軌得到了驗(yàn)證［62］，如圖15 所示。

圖15 Bidirectional InSAR 體制觀測幾何［62］Fig.15 Observation geometry of bidirectional InSAR［62］

5 結(jié)束語

本文介紹了InSAR 基本原理，對天基InSAR 系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及其典型應(yīng)用進(jìn)行了回顧，包括地面高程測量、地表形變監(jiān)測、森林生物量反演、洋流測速等，對我國首個(gè)基于干涉合成孔徑雷達(dá)技術(shù)的微波測繪衛(wèi)星系統(tǒng)——天繪-2 號進(jìn)行了簡要的介紹，給出了在軌DEM 獲取結(jié)果。針對我國天基InSAR 系統(tǒng)未來發(fā)展需求，建議發(fā)展高分寬幅多維度觀測InSAR 衛(wèi)星系統(tǒng)，突破多星高穩(wěn)定度編隊(duì)、甚高精度基線測量、基于深度學(xué)習(xí)的復(fù)雜地理環(huán)境（如城市）信息重構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)，在軍事和民用航天領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。