張潤寧 王國良 梁健 張旭 王旭瑩

(1 中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

(2 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

微波是頻率范圍在300 MHz～300 GHz之間的無線電波，空間微波遙感技術(shù)是以空間飛行器作為微波遙感器的支撐平臺，對遠(yuǎn)距離目標(biāo)實施觀測、識別和分析的技術(shù)總稱，是空間技術(shù)和遙感技術(shù)的綜合。

空間微波遙感技術(shù)具有如下的獨特優(yōu)勢[1-2]：①能穿透云霧、雨雪，具有全天候工作的能力；②不受光照的影響，可以全天時工作；③具有一定的地表和森林植被的穿透能力，對研究植被覆蓋和檢測隱蔽目標(biāo)等具有很好的作用；④具有多極化信息獲取能力，可獲得更豐富、更全面的目標(biāo)信息；⑤可以提供不同于可見光和紅外遙感所能提供的某些信息，比如主動微波遙感具有測量距離和相位信息的能力，可以用于大地水準(zhǔn)面的測量和三維信息的獲取等，還可以用于海洋動力學(xué)特性的研究等；⑥具有大幅寬觀測、不受地域限制的優(yōu)勢。

由于基于空間平臺的空間微波遙感技術(shù)的上述特點，目前已成為對地和對宇宙觀測的重要手段，受到各國的廣泛重視。在軍事成像偵察與監(jiān)視、地形測繪、打擊效果評估、災(zāi)害與環(huán)境監(jiān)測、資源調(diào)查及海洋研究、空間科學(xué)探測等領(lǐng)域顯示出廣泛的應(yīng)用價值和巨大的潛力[3]。

微波遙感載荷一般分為有源和無源兩類。有源微波遙感載荷工作時需要向目標(biāo)發(fā)射電磁波，然后再接收從目標(biāo)反射或散射回來的電磁信號。無源微波載荷無需向目標(biāo)發(fā)射電磁波，僅被動地接收目標(biāo)輻射的電磁波。常用的星載微波遙感載荷有合成孔徑雷達(dá)(SAR)、高度計、微波輻射計、散射計等。本文以合成孔徑雷達(dá)、雷達(dá)高度計、微波輻射計、微波散射計等典型載荷為代表對空間微波遙感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進(jìn)行分析。

1 空間微波遙感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 星載合成孔徑雷達(dá)

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)作為一種主動式微波成像遙感器，通過發(fā)射寬帶調(diào)頻信號和脈沖壓縮技術(shù)實現(xiàn)距離向高分辨率，通過方位合成孔徑技術(shù)獲得方位向高分辨率。

從1978年美國發(fā)射第1顆SAR衛(wèi)星“海洋衛(wèi)星”(Seasat)開始，星載SAR逐漸成為對地觀測領(lǐng)域的研究熱點，很多國家都陸續(xù)開展了星載SAR技術(shù)研究并制定了相應(yīng)的星載SAR衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃。進(jìn)入21世紀(jì)以來，世界上多個航天強(qiáng)國相繼部署了各自的星載SAR衛(wèi)星系統(tǒng)，并實現(xiàn)了SAR衛(wèi)星的更新?lián)Q代，其中美國發(fā)射了5顆“未來成像架構(gòu)”(FIA)衛(wèi)星，俄羅斯發(fā)射了一顆禿鷹-E(Kondor-E)衛(wèi)星，以色列發(fā)射了1顆地平線-10(Ofeq-10)衛(wèi)星，韓國發(fā)射了阿里郎-5(kompsat-5)衛(wèi)星，歐洲航天局發(fā)射了2顆“哨兵-1(Sentinel-1)”衛(wèi)星，印度發(fā)射了雷達(dá)成像衛(wèi)星-1(RISAT-1)。同時，美國、德國、意大利、加拿大等國家都對其現(xiàn)有的SAR衛(wèi)星進(jìn)行更新?lián)Q代。英國、阿根廷、西班牙等國家也已發(fā)射自己的首顆SAR衛(wèi)星[4-5]。

美國在其第一代“長曲棍球”(Lacrosse)雷達(dá)偵察衛(wèi)星系列之后，相繼發(fā)射5顆“未來成像架構(gòu)”(Future Image Architecture，F(xiàn)IA)雷達(dá)衛(wèi)星，其軌道高度為1100 km，成像最高分辨率優(yōu)于0.3 m，整星質(zhì)量約3300 kg，采用了大型傘狀反射面天線。

德國在其陸地觀測系列衛(wèi)星中發(fā)射了2顆雷達(dá)衛(wèi)星，第1顆陸地雷達(dá)-X頻段衛(wèi)星(TerraSAR-X)于2007年發(fā)射，第2顆于2010年發(fā)射。2顆星載SAR組成X頻段陸地合成孔徑雷達(dá)-附加數(shù)字高程測量(TanDEM-X)編隊(如圖1所示)，并能夠協(xié)同工作實現(xiàn)干涉測繪功能，TerraSAR-X除了能夠?qū)崿F(xiàn)條帶、掃描、滑動聚束等功能外還在軌驗證了能夠去除星載波束掃描合成孔徑雷達(dá)(ScanSAR)模式中扇貝效應(yīng)的TOPS模式、能夠進(jìn)行高分辨率成像及識別的凝視聚束模式以及可以進(jìn)行海洋寬幅監(jiān)測的超寬幅ScanSAR模式，其凝視聚束模式分辨率最高可達(dá)0.8 m(距離向)×0.16 m(方位向)。

圖1 德國TanDEM-X雙星編隊示意圖

在下一代TerraSAR系統(tǒng)(TSX-NG)中，距離向分辨率將由目前的0.8 m提高到0.2 m，TSX-NG還會利用3～5顆組網(wǎng)的形式以提高對成像需求的響應(yīng)時間。

俄羅斯在2013年的發(fā)射Kondor-E衛(wèi)星，質(zhì)量約為1150 kg，部署在高度約500 km的太陽同步軌道，其有效載荷為S頻段合成孔徑雷達(dá)，載荷天線為口徑6 m的網(wǎng)狀反射面天線，其聚束模式分辨率為1 m，如圖2所示。

圖2 俄羅斯Kondor-E星載SAR整星結(jié)構(gòu)示意圖

加拿大于2019年發(fā)射了“雷達(dá)衛(wèi)星星座任務(wù)”(RCM)星座，RCM星座為“雷達(dá)衛(wèi)星”(RadarSat)系列的后續(xù)系統(tǒng)，與RadarSat系列衛(wèi)星相比，RCM星座仍采用C頻段SAR載荷，并新增了艦船自動識別系統(tǒng)(AIS)，衛(wèi)星質(zhì)量由RadarSat-2的2200 kg降為1400 kg，RCM星座三星運(yùn)行于同一軌道面，等相位分布，三星組網(wǎng)后可通過干涉測量實現(xiàn)地表形變的監(jiān)測。

近年來國內(nèi)星載SAR衛(wèi)星也取得了突出的成就，頻段覆蓋L、S、C、X、Ka等頻段，其技術(shù)水平整體達(dá)到國際先進(jìn)水平。

2012年我國發(fā)射了由航天東方紅衛(wèi)星有限公司抓總研制的首顆民用的環(huán)境一號-C(HJ-1-C)SAR衛(wèi)星(圖3)，衛(wèi)星采用CAST2000小衛(wèi)星平臺，整星重約830 kg，有效載荷為S頻段SAR，其采用了6.0 m×2.8 m的可折疊式網(wǎng)狀拋物面天線，其條帶模式成像分辨率為5 m，環(huán)境一號C衛(wèi)星成功發(fā)射取得了重要的技術(shù)及應(yīng)用成果，填補(bǔ)了我國星載構(gòu)架式可展開天線技術(shù)領(lǐng)域的空白，首次實現(xiàn)星載集中式SAR體制在軌檢驗和成像，并首次開展了S頻段SAR圖像數(shù)據(jù)在環(huán)境減災(zāi)領(lǐng)域的應(yīng)用研究[6]。

圖3 HJ-1-C衛(wèi)星在軌示意圖

HJ-1-C衛(wèi)星后續(xù)星目前正在進(jìn)行工程研制，其標(biāo)稱分辨率仍為5 m，通過增大天線口徑并對饋源進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，其系統(tǒng)靈敏度在HJ-1-C衛(wèi)星的基礎(chǔ)上提升了約2～3 dB，相比于HJ-1-C單極化，后續(xù)星可選擇單極化、雙極化、四極化，同時通過增大觀測幅寬提升了對目標(biāo)區(qū)域的重訪與覆蓋能力，星上增加了數(shù)據(jù)應(yīng)急處理分系統(tǒng)，具備星上實現(xiàn)SAR圖像幾何校正、成像等功能的能力，可優(yōu)先將應(yīng)急數(shù)據(jù)下傳到地面，衛(wèi)星預(yù)計于2022年發(fā)射。

2016年成功發(fā)射了由中國空間技術(shù)研究院抓總研制的我國首顆C頻段全極化多模式SAR衛(wèi)星——高分三號(GF-3)衛(wèi)星(圖4)，GF-3衛(wèi)星具有高分辨率、大成像幅寬、高輻射精度、多成像模式和長時工作的特點，能夠全天候和全天時實現(xiàn)全球海洋和陸地信息的監(jiān)視監(jiān)測，GF-3衛(wèi)星有20種工作模式，最高分辨率達(dá)到1 m，整星質(zhì)量2779 kg。衛(wèi)星發(fā)射以來已經(jīng)成為資源監(jiān)測、災(zāi)害應(yīng)急不可或缺的重要手段，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各行業(yè)[7]。

圖4 GF-3衛(wèi)星在軌示意圖

此外由中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部抓總研制的世界首顆高軌SAR衛(wèi)星已進(jìn)入正樣研制階段，高軌SAR衛(wèi)星運(yùn)行于地球同步軌道，具備大幅寬、快重訪的能力，可向用戶提供分辨率優(yōu)于20～50 m的SAR圖像，有效滿足防災(zāi)減災(zāi)及應(yīng)急監(jiān)測需求，同時兼顧國土資源、地震、水利、氣象、海洋、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等行業(yè)應(yīng)用需求。

近年來隨著設(shè)計理念及星上電子器件和機(jī)電產(chǎn)品技術(shù)的不斷進(jìn)步，微小型SAR衛(wèi)星成為空間微波遙感領(lǐng)域的新熱點。特別是2018年以來，以芬蘭“冰眼”(ICEYE)系列衛(wèi)星、美國Capella系列衛(wèi)星(圖5)、日本Strix衛(wèi)星和QPS衛(wèi)星為代表，世界各國共研制發(fā)射了20余顆微小SAR衛(wèi)星，均為百千克量級，最高分辨率可達(dá)0.5 m。與大中型SAR衛(wèi)星單星或小規(guī)模星座組網(wǎng)應(yīng)用相比，各國計劃建設(shè)的微小SAR衛(wèi)星星座規(guī)模達(dá)到幾十顆至上百顆。微小型SAR衛(wèi)星的批量化研制、規(guī)?；渴鸷途W(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行將帶來空間微波遙感應(yīng)用模式和商業(yè)模式的新變革。

圖5 美國Capella衛(wèi)星在軌示意圖

1.2 星載雷達(dá)高度計

雷達(dá)高度計(Radar Altimeter)是主動式工作的微波遙感器，傳統(tǒng)的雷達(dá)高度計以飛行器的軌道為基準(zhǔn)，向地面發(fā)射電磁脈沖，并接收地面反射的回波，通過測量發(fā)射信號和接收信號之間的時間延遲，來測量與其垂直的地球表面的距離[8]。

通過對雷達(dá)高度計直接測量的雷達(dá)回波波形的信息提取可以獲得海面高度、有效波高等數(shù)據(jù)產(chǎn)品，進(jìn)一步開展數(shù)據(jù)產(chǎn)品的反演數(shù)據(jù)可獲得包括海洋地球物理學(xué)、海洋動力學(xué)、海洋氣候與環(huán)境、海冰監(jiān)測等諸多應(yīng)用領(lǐng)域的專題應(yīng)用產(chǎn)品。雷達(dá)高度計測量技術(shù)目前已經(jīng)成為重要的用于海洋觀測不可或缺的遙感手段。

自1973年美國的天空實驗室(Skylab)驗證了星載雷達(dá)高度計的方案以來，雷達(dá)高度計經(jīng)歷了近50年的發(fā)展，測量精度也從最初的米級提高到了現(xiàn)在的厘米量級。目前裝載了雷達(dá)高度計的衛(wèi)星絕大部分來自美國和歐洲，美國和法國合作研制的Jason系列衛(wèi)星是高度計衛(wèi)星最典型的代表，目前在軌的可提供高度計應(yīng)用數(shù)據(jù)的衛(wèi)星包括美/法的Jason系列衛(wèi)星、歐洲航天局的“冷星”(CryoSat)系列衛(wèi)星和我國的海洋二號系列衛(wèi)星等[9]。

星載雷達(dá)高度計的發(fā)展經(jīng)歷了傳統(tǒng)星下點高度計、星下點合成孔徑雷達(dá)高度計以及寬刈幅干涉型高度計三種體制的發(fā)展歷程，其中Jason-3衛(wèi)星、CryoSat-2、Sentinel-3A/B衛(wèi)星采用了合成孔徑雷達(dá)高度計，其利用衛(wèi)星運(yùn)動，經(jīng)多普勒銳化將天線波束變成多個子波束，每個子波束在傳統(tǒng)圓形天線足跡內(nèi)形成條帶狀的波束足跡，即采用合成孔徑技術(shù)提高了沿軌跡空間分辨率，同時在衛(wèi)星飛行過程中，條帶區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)被子波束依次掃視，將不同位置接收的回波信號進(jìn)行延遲距離校正后疊加，實現(xiàn)目標(biāo)的多次測量，提高了信噪比，比起傳統(tǒng)回波波形，合成孔徑雷達(dá)高度計的回波前沿更陡峭，信噪比更高，從而獲得更高的測距精度[10-11]。

寬刈幅雷達(dá)高度計規(guī)劃包括Jason-CS、SWOT等[12-15]，使用了干涉型成像高度計。干涉型成像高度計采用干涉技術(shù)獲取高程信息的原理，雖然理論上絕對測高精度不及傳統(tǒng)高度計，但其具有寬刈幅觀測能力，可以大大提高海面高度和有效波高的探測效率，同時其通過各種差分校正技術(shù)和信號處理手段，可以在寬刈幅內(nèi)獲得相對高的測高精度滿足特定的應(yīng)用需求，此外可以獲得海洋波浪譜信息，兼顧了海洋和陸地的成像功能，SWOT衛(wèi)星的觀測刈幅可達(dá)120 km，如圖6所示。

圖6 SWOT衛(wèi)星在軌效果圖

我國目前已發(fā)射的海洋二號系列衛(wèi)星采用傳統(tǒng)雷達(dá)高度計，測高精度優(yōu)于5 cm；合成孔徑雷達(dá)高度計也已進(jìn)入工程研制階段；2016年9月16日，由中科院國家空間中心研制的三維成像微波高度計隨天宮二號空間實驗室發(fā)射升空開展原理驗證工作，成為國際上第一個實現(xiàn)寬刈幅高度測量的三維成像高度計，在400 km的軌道高度上在定軌精度20 cm的條件下實現(xiàn)了幅寬30～35 km，相對測高精度為8.2 cm的指標(biāo)。

1.3 星載輻射計

星載微波輻射計是一種被動式微波遙感設(shè)備，通過接收被觀測場景輻射的微波能量來探測目標(biāo)特性。當(dāng)微波輻射計的天線主波束指向地面時，天線收到地面輻射、地面散射和大氣輻射等輻射流量，引起天線視在溫度的變化。天線接收的信號經(jīng)放大、濾波、檢波和再放大后，以電壓的形式給出。對微波溫度探測輻射計的輸出電壓進(jìn)行定標(biāo)后，即建立起輸出電壓與天線視在溫度的關(guān)系，就可以確定所觀測目標(biāo)的亮溫度，該溫度值包含了輻射體和傳播介質(zhì)的一些物理信息[16]。

星載微波輻射計已發(fā)展成為觀測大氣與地球表面的重要遙感手段，具有全天候、全天時的對地觀測能力，可獲取大氣溫度、濕度、水汽、降雨含量、海冰分布等地表、海洋和大氣的重要信息，是氣象衛(wèi)星和海洋衛(wèi)星的重要遙感載荷。

美國的Seasat系列衛(wèi)星、國防氣象衛(wèi)星(DMSP)、“諾阿”(NOAA)氣象衛(wèi)星、“科里奧利”(Coriolis)衛(wèi)星都搭載了微波輻射計，我國的風(fēng)云三號衛(wèi)星、云海一號衛(wèi)星、海洋二號系列衛(wèi)星(圖7)也搭載了微波輻射計[17]，目前海洋二號系列衛(wèi)星已成功發(fā)射4顆，海洋二號B星、C星、D星相繼于2018年、2020年、2021年成功發(fā)射并在軌穩(wěn)定運(yùn)行，三星組網(wǎng)構(gòu)成我國首個海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座。

圖7 海洋二號衛(wèi)星在軌示意圖

微波輻射計目前的發(fā)展方向主要包括全極化輻射計及綜合孔徑輻射計[18]。

傳統(tǒng)的微波輻射計只是測量目標(biāo)微波輻射的H和V極化分量的輻射亮溫。研究表明除了H和V極化分量，Stokes矢量的其它分量即兩個極化分量的復(fù)相關(guān)分量，能夠提供更多的關(guān)于目標(biāo)的信息，由此星載全極化微波輻射計得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用，全極化微波輻射計可以測量海面微波輻射全部4個Stokes參數(shù)，與傳統(tǒng)的微波輻射計只能測量水平和垂直極化兩個Stokes參數(shù)(TV、TH，前兩個Stokes參數(shù))相比，第3和第4個Stokes參數(shù)對于粒子分布的方向非常敏感，這是測量大氣有關(guān)粒子分布方向信息很好的兩個候選參數(shù)，通過反演獲得測量海面風(fēng)場(風(fēng)速、風(fēng)向)信息，美國的Coriolis衛(wèi)星搭載了全極化輻射計，其測溫精度達(dá)到0.75 K，并能夠提供高精度的海面風(fēng)場測量數(shù)據(jù)，我國全極化微波輻射計也已進(jìn)入工程研制。

星載微波輻射計要提高空間分辨率，就必須設(shè)法增大天線的物理口徑，而天線物理口徑過大對于其星載應(yīng)用會帶來很大的困難，綜合孔徑微波輻射測量技術(shù)將一個大口徑天線等效分割成若干個小口徑天線的思想，通過基線設(shè)計和組合干涉測量得到所有的小口徑天線組合的測量結(jié)果，并對這些干涉測量結(jié)果進(jìn)行相干處理，來得到被測目標(biāo)的輻射亮溫，美國于2002年發(fā)射的HYDROSTAR輻射計為綜合孔徑輻射計，其工作在L頻段，采用一維稀疏天線陣，在交軌方向采用孔徑綜合技術(shù)，在順軌方向采用天線真實口徑進(jìn)行觀測，其星下點分辨率為27 km，目前在軌運(yùn)行的土壤濕度和海洋鹽度衛(wèi)星(SMOS)搭載的MIRAS為全球首個二維綜合孔徑微波輻射計，其具有1000 km觀測幅寬、40 km分辨率和1 K靈敏度[19-21]。

1.4 星載散射計

星載微波散射計是專門用來從空間大范圍定量測量被觀測面(或體)散射特性即后向散射系數(shù)的有源微波遙感器，星載微波散射計對海面風(fēng)矢量的測量是通過在不同方位角測量海面同一區(qū)域的歸一化雷達(dá)后向散射系數(shù)，并利用后向散射系數(shù)和海面風(fēng)的幾何模型函數(shù)來推導(dǎo)出海面風(fēng)的速度和方向，從而得到海洋表面的矢量風(fēng)場。星載微波散射計的基本體制主要包括筆形波束(也稱為點波束)體制和扇形波束體制兩類。筆形波束體制的分辨能力通?？拷嵌葴y量來獲得，扇形波束體制的分辨力由距離測量來獲得，也可由速度測量來獲得[22-23]。

美國發(fā)射了海洋衛(wèi)星-A(Seasat-A)，它首次證明了散射計可以對海洋上空的風(fēng)矢量進(jìn)行全天候測量。自Seasat-A以后，美國、歐空局、日本等先后研制并成功發(fā)射了多個散射計，其中最具代表的是NASA噴氣推進(jìn)實驗室(JPL)研制的NSCAT扇形波束微波散射計和SeaWinds筆形波束微波散射計[24]。

星載散射計的兩個重要的發(fā)展方向為扇形波束圓錐掃描體制散射計以及極化散射計，扇形波束圓錐掃描體制結(jié)合了點波束圓錐掃描以及扇形波束的優(yōu)勢，通過獲取掃描過程中對同一目標(biāo)的不同入射角觀測值無模糊反演風(fēng)場矢量，航天東方紅衛(wèi)星公司研制的中法海洋衛(wèi)星(CFOSAT-1)搭載了一臺扇形波束掃描散射計，風(fēng)速測量精度達(dá)到2 m/s[25]，如圖8所示。

圖8 中法海洋衛(wèi)星在軌效果圖

星載散射計的另一個發(fā)展方向是極化散射計，極化散射計同時測量常規(guī)的同極化后向散射系數(shù)，以及同極化和交叉極化的雷達(dá)回波的相關(guān)系數(shù)。利用同極化和極化相關(guān)信號的對稱性質(zhì)的差異可以解決風(fēng)向模糊問題，同時提高整個觀測帶內(nèi)的風(fēng)向反演性能。此外，采用極化散射計還有可能將大氣中雨的影響去掉，提高降雨情況下風(fēng)的反演精度。

2 空間微波遙感技術(shù)應(yīng)用需求分析

2.1 星載合成孔徑雷達(dá)

隨著星載合成孔徑雷達(dá)技術(shù)以及地面數(shù)據(jù)處理與反演技術(shù)的進(jìn)步，各應(yīng)用行業(yè)對星載合成孔徑雷達(dá)提出了諸多新的應(yīng)用需求。

2.1.1 高分寬幅成像需求

在應(yīng)用中，一方面期望SAR具有很高的分辨率以獲得更多的目標(biāo)細(xì)節(jié)信息，另一方面同時期望SAR可以對場景目標(biāo)進(jìn)行大范圍觀測，自SAR技術(shù)應(yīng)用于遙感觀測以來，高分辨率和寬測繪帶一直是牽引SAR技術(shù)發(fā)展的兩個主要引擎，傳統(tǒng)的星載SAR體制在空間分辨率與測繪帶之間存在制約關(guān)系，需要采用新的體制及技術(shù)手段解決高分辨與寬覆蓋之間的矛盾，在充分考慮星上資源約束的情況下實現(xiàn)相對高分寬幅。

2.1.2 定量化應(yīng)用需求

當(dāng)前各行業(yè)用戶對SAR衛(wèi)星定量化應(yīng)用支持能力提出了很高的要求，這就要求SAR圖像輻射精度和幾何精度等性能指標(biāo)達(dá)到較高的應(yīng)用水平才能反演出高精度的行業(yè)應(yīng)用信息，這需要衛(wèi)星設(shè)計、研制、數(shù)據(jù)處理、定標(biāo)等各個環(huán)節(jié)來共同保證。

2.1.3 地理測繪及地表形變測量需求

SAR衛(wèi)星通過干涉測量可獲得場景內(nèi)的高度信息，進(jìn)而獲得DEM信息，自然資源管理、交通運(yùn)輸、應(yīng)急管理對DEM信息的獲取提出了迫切的要求，此外通過差分干涉可獲得地表形變信息，這對災(zāi)害預(yù)警、重要基礎(chǔ)設(shè)施地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測具有重要意義，這些需求對衛(wèi)星軌道控制、干涉基線測量與保持、干涉數(shù)據(jù)處理都提出了較高的要求。

2.1.4 穿透探測需求

低頻電磁波具有一定的穿透性，利用其對植被的穿透性可以實現(xiàn)對生物量的估計，利用電磁波對沙漠、冰川、凍土等介質(zhì)的穿透性可以實現(xiàn)地下目標(biāo)探測、全球氣候變化研究。

2.1.5 快速重訪的需求

傳統(tǒng)的星載SAR受軌道重訪周期的限制無法滿足某些特定的應(yīng)用需求，衛(wèi)星應(yīng)急應(yīng)用及戰(zhàn)術(shù)偵察對重訪提出了較高的要求，可通過增加衛(wèi)星平臺左右側(cè)視機(jī)動能力、多星組網(wǎng)、高軌SAR等技術(shù)手段滿足快速重訪的需求。

2.2 星載雷達(dá)高度計

2.2.1 高的測高精度和高時空分辨率需求[26]

傳統(tǒng)雷達(dá)高度計為星下點的測量，對觀測物理現(xiàn)象的時空分辨率通過軌道星下點軌跡的合理設(shè)計來保證，中小尺度的海洋現(xiàn)象既需要提高空間分辨率也需要提高其時間分辨率(及縮短重訪周期)以獲取其高的時空譜信息，此外高精度的海洋重力場及海底地形反演對測高精度和空間分辨率也提出了更高的要求。

2.2.2 近岸觀測能力需求

近岸區(qū)域，雷達(dá)高度計回波受到陸地回波及較大有效波高的影響，測距精度較差，但近岸區(qū)的海洋現(xiàn)象對海洋生物、生態(tài)系統(tǒng)以及污染物的擴(kuò)展都有重要影響，這就要求在近岸區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的測量。

2.3 星載輻射計

全球性的高精度海洋溫度測量對海洋動力環(huán)境與海洋生態(tài)環(huán)境的反演至關(guān)重要，海洋溫度是決定海氣界面水循環(huán)和能量循環(huán)的一個重要參數(shù)，從而決定全球的水循環(huán)和能量收支平衡。臺風(fēng)的強(qiáng)度、頻率、發(fā)生和登陸位置很大程度都決定于其下墊面海水溫度對臺風(fēng)的維持、促生和衰減過程。大尺度的氣候變化包括厄爾尼諾、南方濤動和北大西洋濤動，都具有明顯的海面溫度變化特征，高空間分辨率、高精度的海面溫度測量對海洋動力環(huán)境監(jiān)測、海洋環(huán)境預(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)都具有重要意義。

2.4 星載散射計

星載散射計用于對海面風(fēng)場的測量，海面風(fēng)場作為海洋環(huán)流的主要驅(qū)動力，調(diào)制著海洋與大氣之間的熱通量、水汽通量、氣溶膠粒子通量等，進(jìn)而調(diào)節(jié)海洋與大氣之間的耦合作用，最終確定并保持著全球或區(qū)域的氣候模式。風(fēng)速的分布決定著波高的分布以及海洋涌浪的傳播方向，并能預(yù)測涌浪對船只、近岸建筑以及海岸帶的影響。因此，高精度、高空間分辨率海面風(fēng)場監(jiān)測對于理解海洋與大氣之間的相互作用、開展海洋大氣領(lǐng)域、近岸船舶航行等至關(guān)重要。

3 空間微波遙感技術(shù)發(fā)展趨勢分析

3.1 星載合成孔徑雷達(dá)

3.1.1 多種成像模式

早期SAR成像基本模式包括條帶、掃描、聚束模式，在高分寬幅、三維成像、圖像質(zhì)量提升等需求的牽引下，SAR成像模式向著更多樣化的趨勢發(fā)展，逐步衍生出了滑動聚束、馬賽克、TOPS、層析SAR、陣列SAR的等新型成像模式及成像體制，未來隨著信息獲取自由度的擴(kuò)展及數(shù)據(jù)處理方法的技術(shù)進(jìn)步，解決特定需求的新成像模式及成像體制將不斷涌現(xiàn)[27]。

3.1.2 頻段的擴(kuò)展以及多頻段的融合

對SAR系統(tǒng)而言低頻段具有很好的穿透性能，可實現(xiàn)植被、淺層地表以及冰川、凍土的穿透，可應(yīng)用于生物量估計、地質(zhì)研究、次地表目標(biāo)探測等領(lǐng)域；高頻段SAR系統(tǒng)具備近光學(xué)的成像能力，圖像目標(biāo)細(xì)節(jié)特征清晰、棱角明顯，更有利于目標(biāo)的識別確認(rèn)，可應(yīng)用于精細(xì)化農(nóng)業(yè)分類、精確有效災(zāi)害監(jiān)測和評估、高效精準(zhǔn)邊防、海防、海上救援，SAR系統(tǒng)在現(xiàn)有成像頻段的基礎(chǔ)上向更高頻及更低頻的方向發(fā)展。在機(jī)載多頻段SAR的基礎(chǔ)上，星載SAR系統(tǒng)也將也不斷涌現(xiàn)。

3.1.3 極化與干涉SAR的融合

同一目標(biāo)對不同極化信號有不同的響應(yīng)，每種極化可以獲得各自獨特的信息，因此多極化測量獲得的極化矩陣數(shù)據(jù)可以提高目標(biāo)散射特性的獲取能力，考慮不同的應(yīng)用場景及系統(tǒng)實現(xiàn)代價，SAR成像的極化方式由傳統(tǒng)的單極化系統(tǒng)向全極化、圓極化、簡縮極化SAR的方向發(fā)展。

干涉體制的相干系數(shù)的測量與多極化體制的散射矩陣的測量相結(jié)合可以同時獲得散射體的高度信息和結(jié)構(gòu)信息。

3.1.4 SAR產(chǎn)品空間、時間維度的發(fā)展

SAR成像空間維度的發(fā)展主要為由傳統(tǒng)的二維成像向三維成像發(fā)展，SAR三維成像主要基于層析SAR，利用SAR衛(wèi)星在層析高度維的多次飛行實現(xiàn)合成孔徑，在傳統(tǒng)二維成像的基礎(chǔ)上實現(xiàn)三維成像。傳統(tǒng)側(cè)視SAR衛(wèi)星可通過多次航過將高度維作為層析方向，實現(xiàn)三維成像。下視層析雷達(dá)通過多航過層析實現(xiàn)跨航向的高分辨，高度向高分辨通過大帶寬信號脈壓實現(xiàn)，航向高分辨通過合成孔徑技術(shù)實現(xiàn)。

SAR成像時間維度的發(fā)展主要為通過多孔徑技術(shù)實現(xiàn)視頻SAR成像，視頻SAR具備更強(qiáng)的動態(tài)信息獲取能力，由于SAR成像的合成孔徑時間遠(yuǎn)大于光學(xué)圖像的曝光時間，故運(yùn)動目標(biāo)由于長合成孔徑時間的原因會產(chǎn)生散焦和移位，對視頻SAR而言動目標(biāo)的重聚焦與重定位是數(shù)據(jù)處理的難點問題。

在時間維度上差分干涉SAR通過長時間序列的積累，可以用于跨年度的時間尺度的毫米量級的微小地表形變的監(jiān)測。

3.1.5 SAR衛(wèi)星平臺多樣化發(fā)展

衛(wèi)星軌道高度由傳統(tǒng)的低軌向超低軌、中軌、高軌方向發(fā)展，超低軌道SAR衛(wèi)星相對低軌衛(wèi)星而言具有發(fā)射功率低、天線尺寸小、易于小型化實現(xiàn)等獨特優(yōu)勢，中高軌道SAR衛(wèi)星以其大幅寬、快重訪成像備受青睞。

對SAR衛(wèi)星平臺而言，其向超大型平臺及微小型平臺兩個方向發(fā)展，超大型平臺主要應(yīng)用于地球同步軌道SAR衛(wèi)星、長時間開機(jī)SAR衛(wèi)星，微小型平臺主要應(yīng)用于實現(xiàn)單一特定功能的SAR衛(wèi)星。

此外SAR衛(wèi)星平臺向著分布式或者編隊的方向發(fā)展，分布式SAR是將SAR載荷及其天線按照一定的要求或規(guī)律分解分置在不同衛(wèi)星上，各衛(wèi)星按一定的構(gòu)形編隊飛行并協(xié)同工作的多天線雷達(dá)體制，能夠通過多基線、多視角、多波段、多極化等提供的互補(bǔ)信息，完成寬測繪帶高分辨成像、超分辨成像、高程反演、動目標(biāo)檢測等多種任務(wù)。

3.2 雷達(dá)高度計

測高精度、時空分辨率是雷達(dá)高度計應(yīng)用過程中的重要指標(biāo)，雷達(dá)高度計目前測高精度達(dá)2～3 cm，網(wǎng)格產(chǎn)品分辨率達(dá)到10～20 km；雷達(dá)高度計的發(fā)展歷程是提升測高精度與時空分辨率的過程，在傳統(tǒng)星下點高度計的基礎(chǔ)上為提高其沿軌跡向的分辨率及測高精度，發(fā)展出了合成孔徑高度計。為了滿足高時空分辨率的需求，形成了多星編隊測高、干涉型成像高度計等技術(shù)體制，典型干涉型成像高度計系統(tǒng)為SWOT計劃，其測量示意圖如圖9所示，其在一定程度上實現(xiàn)了時空分辨率的有效提升。未來雷達(dá)高度計將向著更高測高精度、更高時空分辨率的方向發(fā)展[28]，有望實現(xiàn)高程精度優(yōu)于1 cm，網(wǎng)格分辨率優(yōu)于10 km的產(chǎn)品。

圖9 寬刈幅干涉高度計(SWOT)測量示意圖

3.3 星載輻射計

星載輻射計向著更高測溫精度、更高空間分辨率的方向發(fā)展，測溫精度由目前的0.5～1 K向優(yōu)于0.5 K發(fā)展，高測量精度依靠硬件系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)步保證；空間分辨率目前為50～100 km，熱流阻擋層、熱鹽環(huán)流等海洋現(xiàn)象的觀測目標(biāo)對空間分辨率提出了更高的要求，高空間分辨率通過大口徑天線或合成孔徑實現(xiàn)，當(dāng)前已有在軌應(yīng)用的合成孔徑輻射計系統(tǒng)。此外，全極化輻射計也是輻射計發(fā)展的重要方向之一，通過測量全部4個Stokes參數(shù)反演得到海面風(fēng)場的信息，利用全極化輻射計實現(xiàn)傳統(tǒng)輻射計與散射計的功能。

全極化輻射計可利用所有極化方式獲取多種海面物理信息，有效提高了觀測效率，合成孔徑輻射計可實現(xiàn)高空間分辨率輻射亮溫觀測，將二者有機(jī)結(jié)合，把全極化模式和合成孔徑技術(shù)用于同一微波輻射計天線，形成高分辨率、多功能的全極化合成孔徑輻射計(FPIR)可進(jìn)一步提高微波遙感衛(wèi)星的工作效率。

3.4 星載散射計

星載散射計主要通過不同方位對海面同一觀測單元進(jìn)行測量，通過對后向散射系數(shù)的測量無模糊反演風(fēng)速與風(fēng)向信息；更高的測量精度依靠更多的測量自由度保證，目前風(fēng)速測量精度優(yōu)于2 m/s，通過全極化、雙頻、扇形波束圓錐掃描增加極化、頻率、入射角的自由度，多自由度信息獲取后通過數(shù)據(jù)處理及模型修正能夠進(jìn)一步提升星載散射計的測量精度，未來星載散射計將圍繞多自由度信息獲取以實現(xiàn)高精度無模糊反演風(fēng)場信息為目標(biāo)繼續(xù)發(fā)展。

4 發(fā)展建議

4.1 統(tǒng)籌規(guī)劃，構(gòu)建我國空間微波遙感體系

在梳理不同行業(yè)用戶需求的基礎(chǔ)上，針對不同探測要素的測量方法，結(jié)合現(xiàn)有空間微波遙感系統(tǒng)現(xiàn)狀及技術(shù)體制發(fā)展趨勢，進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，制定我國空間微波遙感體系的發(fā)展戰(zhàn)略，最大限度發(fā)揮體系的應(yīng)用能力。

4.2 重點構(gòu)建滿足特定需求的高性能衛(wèi)星系統(tǒng)

針對不同用戶的特定需求，發(fā)展功能相對專一的空間微波遙感系統(tǒng)是滿足“高精尖”應(yīng)用需求的最佳策略，在此基礎(chǔ)上，明確衛(wèi)星系統(tǒng)體系定位的前提下，不同衛(wèi)星系統(tǒng)擔(dān)負(fù)各自的職責(zé)，通過體系內(nèi)部不同系統(tǒng)協(xié)同工作實現(xiàn)不同要素、不同維度的探測以滿足多樣化應(yīng)用的需求。

4.3 關(guān)注載荷多種技術(shù)路線及技術(shù)體制融合發(fā)展

針對空間微波遙感各類載荷的發(fā)展路線，結(jié)合實際應(yīng)用需求，在分析各技術(shù)體制與技術(shù)路線特點的基礎(chǔ)上，將各種技術(shù)體制取長補(bǔ)短，進(jìn)行多種技術(shù)路線與體制的融合設(shè)計。以最佳的系統(tǒng)方案和工程代價滿足應(yīng)用需求并保證相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)水平處于國際前沿。

4.4 重視空間微波器件的技術(shù)突破與工程實現(xiàn)

當(dāng)前在微波載荷模式設(shè)計、數(shù)據(jù)處理算法研究等領(lǐng)域已取得諸多研究成果和工程產(chǎn)品，技術(shù)水平已達(dá)到同國外并跑甚至領(lǐng)跑的水平，但空間微波器件以及與其相關(guān)的材料、工藝等基礎(chǔ)學(xué)科與日益增長的需求尚有差距，未來需更加重視空間微波器件及其相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。

4.5 優(yōu)化星地一體化指標(biāo)體系，充分挖掘潛在應(yīng)用效能

空間微波遙感載荷探測要素復(fù)雜，數(shù)據(jù)獲取和處理過程中星地一體關(guān)聯(lián)性強(qiáng)和耦合關(guān)系復(fù)雜，目前地面處理和產(chǎn)品反演能力成為制約微波遙感衛(wèi)星效能充分發(fā)揮的瓶頸，單靠提升星上硬件產(chǎn)品的性能和精度已不能提升最終產(chǎn)品精度，對星地一體化指標(biāo)及其匹配性必須給予充分重視，此外，后續(xù)需加大對數(shù)據(jù)處理與反演模型的研究和投入，并通過理論分析、仿真計算、試驗、定標(biāo)等多種手段辨識空間微波遙感載荷探測過程中的各類誤差因素，并對反演和補(bǔ)償方法進(jìn)行星地一體化優(yōu)化，進(jìn)一步提升空間遙感器的使用效能和定量化應(yīng)用水平。

4.6 研究信息識別能力提升的方法

衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)最終是要進(jìn)入信息提取和識別的環(huán)節(jié)，在衛(wèi)星以及載荷系統(tǒng)的設(shè)計時既要關(guān)注傳統(tǒng)工程參數(shù)指標(biāo)(比如分辨率、信噪比等)的實現(xiàn)，也要關(guān)注影響人工判讀甚至機(jī)器判斷的定性、定量的非工程參數(shù)性質(zhì)的指標(biāo)，同時要關(guān)注和研究適應(yīng)未來機(jī)器智能判讀和識別的指標(biāo)體系。此外，隨著遙感器性能指標(biāo)的不斷提升，傳統(tǒng)的信號模型和處理算法已經(jīng)不能完全適應(yīng)和充分發(fā)揮遙感器的潛在性能，為此，必須對相關(guān)的散射模型、處理及反演方法進(jìn)行深入研究，以進(jìn)一步適應(yīng)未來智能化處理的發(fā)展需求。

5 結(jié)束語

空間微波遙感技術(shù)發(fā)展取得了巨大的進(jìn)步，探測要素測量精度不斷提升，各種滿足特定需求的新概念、新技術(shù)、新體制不斷涌現(xiàn)，相關(guān)技術(shù)已逐步突破，其工程化進(jìn)程也在穩(wěn)步推進(jìn)，未來空間微波遙感將以更高的性能、更靈活的配置、更加智能化和更加面向大眾的方式在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國家安全保障和人民生活領(lǐng)域作出更大的貢獻(xiàn)。