王櫻潔 王 宇* 禹衛(wèi)東* 趙慶超 劉開雨 劉大成 鄧云凱歐乃銘 賈小雪 張 衡 趙鵬飛 王 偉余 偉 葛大慶 唐新明 李 濤

①(中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院 北京 100190)

②(中國電子科技集團公司第十四研究所 南京 210019)

③(中國自然資源航空物探遙感中心 北京 100083)

④(自然資源部國土衛(wèi)星遙感應用中心 北京 100048)

1 引言

2020年9月，我國在第75屆聯(lián)合國大會上宣布支持落實聯(lián)合國2030年可持續(xù)發(fā)展議程。聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(Sustainable Development Goals,SDGs)為我國環(huán)境保護政策的制定提供了重要的參考，旨在從地區(qū)、國家乃至全球的層面，以綜合的手段使其轉(zhuǎn)向可持續(xù)發(fā)展道路。2021年中央經(jīng)濟工作會議基于SDGs將“做好碳達峰、碳中和工作”列為重點任務。在全球氣候環(huán)境變化、碳達峰、碳中和背景下，我們必須對地球環(huán)境有一個更高精度、持續(xù)的、動態(tài)的監(jiān)測，可以為我國的環(huán)境監(jiān)測、政策制定、聯(lián)合國SDGs實現(xiàn)等提供支撐。

對地觀測技術(shù)是實現(xiàn)全球環(huán)境及動態(tài)變化監(jiān)測的重要途徑。星載合成孔徑雷達以衛(wèi)星等空間飛行器為運動平臺，具有全天時、全天候、全球觀測能力，已成為一種不可或缺的對地觀測手段[1]。與光學遙感衛(wèi)星以圖譜遙感測量為主要內(nèi)容不同的是，SAR等微波遙感更具三維結(jié)合要素觀測特點，由此構(gòu)成了地物“圖像、光譜、形態(tài)、形變”的多要素遙感觀測能力。近些年，國際知名航天機構(gòu)競相發(fā)展全球環(huán)境觀測的SAR衛(wèi)星計劃，以實現(xiàn)廣域高效能對地監(jiān)測。歐洲委員會和歐洲太空總署于2003年正式啟動了重大航天發(fā)展計劃“哥白尼”計劃(Copernicus Programme)，其前身為“全球環(huán)境與安全監(jiān)測”計劃(Global Monitoring for Environment and Security)，旨在通過歐洲及非歐洲國家(第三方)現(xiàn)有和未來發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)據(jù)及現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)進行協(xié)調(diào)管理和集成，實現(xiàn)“全球-國家-地區(qū)-城鎮(zhèn)”尺度上環(huán)境安全的實時動態(tài)監(jiān)測，為各級社會管理機構(gòu)提供決策依據(jù)，保證歐洲的可持續(xù)發(fā)展和提升國際競爭力。哨兵1號(Sentinel-1)由A,B兩顆衛(wèi)星組成，是GMES系列中的首發(fā)衛(wèi)星，為C波段SAR，分別于2014年4月3日和2016年4月25日成功發(fā)射。兩顆衛(wèi)星均勻分布在同一極軌平面，雙星回歸周期為6天，全球陸地常態(tài)化觀測，具有4種成像模式，可為陸地和海洋服務提供全天時、全天候的SAR圖像，服務領(lǐng)域包括極地海冰、海洋環(huán)境、地表形變、森林制圖、水和土壤管理及測繪，以支持人道主義援助和重大事件危機應急管理[2]。

高分辨率、寬幅、高頻次、定量化觀測是星載SAR衛(wèi)星的主要應用需求，從衛(wèi)星設(shè)計角度有兩種實現(xiàn)途徑：一是發(fā)展高分辨率寬幅的“大衛(wèi)星”，以新的觀測體制和成像方式提高觀測能力；二是發(fā)展多星組網(wǎng)的“小衛(wèi)星”，提高觀測效能。德國亥姆霍茨研究聯(lián)盟基于研究項目“遙感和地球系統(tǒng)的動態(tài)變化”提出建立一個新體制串聯(lián)式雷達衛(wèi)星星座任務Tandem-L的提議，預計2022年先發(fā)射一顆L波段的SAR載荷，每周可覆蓋全球陸地2次。該衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計壽命10年，將支撐針對全球氣候變化及環(huán)境變化的精準預測，為大氣圈、巖石圈、生物圈、冰凍圈及水圈的科學研究帶來創(chuàng)新的地理信息產(chǎn)品和服務[3]。美國國家宇航局(NASA)和印度空間研究組織(ISRO)也合作提出了NASA-ISRO SAR (NISAR)衛(wèi)星計劃[4]，計劃于2023年發(fā)射一顆雙頻(L頻段和S頻段)合成孔徑雷達成像衛(wèi)星，分辨率3～10 m，預計平均每6天完成一次全球的采樣。該衛(wèi)星計劃在全球范圍內(nèi)觀測地球的陸地和冰雪覆蓋的表面，將測量地球不斷變化的生態(tài)系統(tǒng)、動態(tài)變化和冰川或冰層等，以實現(xiàn)對地球的全方位立體監(jiān)測。除此之外，還有日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(JAXA)提出的ALOS-4衛(wèi)星計劃[5]，歐洲航天局(ESA)提出的Biomass(面向全球生物量探測的P波段SAR衛(wèi)星)計劃和ROSE-L(歐洲L波段SAR衛(wèi)星)計劃等，都將全球環(huán)境探測列入了SAR觀測的重點關(guān)注范疇。各國航天微波觀測衛(wèi)星計劃以全球數(shù)據(jù)獲取與應用研究為主要目標，立足于大范圍、長期、穩(wěn)定的環(huán)境監(jiān)測，同時，重視地球動態(tài)變化的監(jiān)測任務，對衛(wèi)星計劃的快速重訪和全球覆蓋能力提出了較高的需求。在波段選擇方面，各國對于全球SAR觀測的波段選擇以長波段為主，這主要是考慮全球生物資源的豐富性，長波長電磁波對于觀測對象的相干性保持更優(yōu)，更適合全球大范圍的觀測；和P波段相比，L波段天線規(guī)模和重量更小一些，繼承性更好，而且更有利于和國內(nèi)外已有的衛(wèi)星數(shù)據(jù)形成共享，協(xié)同觀測。

當前，我國星載SAR已實現(xiàn)了分辨率從米級到亞米級、成像體制從條帶到方位掃描聚束、從單通道到多通道、極化方式從單一極化到混合極化的技術(shù)跨越[1]。但是，我國星載SAR也面臨著衛(wèi)星通用性、應用維度與深度、廣域觀測效能等局限性，缺少面向全球并實現(xiàn)長期、穩(wěn)定、高性能環(huán)境動態(tài)監(jiān)測的衛(wèi)星系統(tǒng)。在國際環(huán)境日趨復雜的當下，我國亟需發(fā)展面向全球動態(tài)環(huán)境監(jiān)測的SAR衛(wèi)星系統(tǒng)，實現(xiàn)大范圍、高重訪、長期、穩(wěn)定、高精度的對地觀測，占領(lǐng)國際技術(shù)前沿、增加國際話語權(quán)，支撐國家重大工程、自然資源監(jiān)測、災害應急管理、“兩新一重”監(jiān)測以及地球科學研究等多方面的需求，進而形成全球化共享的遙感產(chǎn)品體系，實現(xiàn)全球狀態(tài)的周/月/年更新，監(jiān)測地球動態(tài)變化、理解地表變化規(guī)律、探索人類環(huán)境變化。

本文圍繞全球尺度廣域高頻高分辨率SAR觀測需求，提出一個高頻時序多維地球環(huán)境監(jiān)測SAR星座，英文簡稱為“See-Earth”計劃 (SAR Constellation with Dense Time-SEries for Multi-Dimensional Environmental Monitoring of the Earth)，其概念示意圖如圖1所示。該星座由4顆L波段的高性能SAR衛(wèi)星組成，以高空間分辨率、高輻射精度、高時間分辨率、大成像幅寬和多極化來實現(xiàn)長期穩(wěn)定對地觀測，利用多星組網(wǎng)實現(xiàn)快速重訪和高頻次全球覆蓋，進而長期監(jiān)測地球表面的動態(tài)變化過程，為我國基礎(chǔ)戰(zhàn)略性地理信息資源獲取提供長期、穩(wěn)定、自主可控的數(shù)據(jù)支撐。

圖1 See-Earth概念示意圖Fig.1 Schematic diagram of the See-Earth plan

以下從系統(tǒng)構(gòu)想、技術(shù)體制、性能分析、應用潛力以及新體制擴展幾方面來探討See-Earth計劃。

2 See-Earth系統(tǒng)構(gòu)想

面向大范圍、高重訪、長期、穩(wěn)定、高精度對地觀測需求，See-Earth需提供前所未有的高分辨率寬幅成像能力，其單星系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)①品質(zhì)因數(shù)定義為測繪幅寬(km)/分辨率(m)。將達到120，且同時具備多種極化工作模式。本節(jié)將從系統(tǒng)概念出發(fā)，介紹對See-Earth系統(tǒng)能力與實現(xiàn)方案的構(gòu)想。

2.1 系統(tǒng)概念與指標

See-Earth使用4顆L波段SAR衛(wèi)星組網(wǎng)，以提供長期穩(wěn)定的快重訪全球數(shù)據(jù)源，面向多個行業(yè)領(lǐng)域應用和地球科學研究。設(shè)置信號標準帶寬為最大84 MHz，可實現(xiàn)最高約3 m地距分辨率，系統(tǒng)應急可拓展帶寬300 MHz，最高分辨率可達1 m。

See-Earth的主要系統(tǒng)指標如表1所示。

表1 See-Earth主要系統(tǒng)指標Tab.1 Main system indicators of the See-Earth plan

每顆See-Earth衛(wèi)星SAR系統(tǒng)使用尺寸為13.6 m(方位向)×4.4 m(距離向)的有源相控陣天線，具備8(方位向)×8(距離向)個接收通道，采用方位向多通道[6—9]和俯仰向中頻數(shù)字波束形成(Digital Beam-Forming,DBF)[10—13]技術(shù)實現(xiàn)高分辨率寬幅成像，最大品質(zhì)因數(shù)可達120，同時具備左右側(cè)視成像和多模式極化工作能力，如圖2所示。

圖2 See-Earth觀測模式示意圖Fig.2 Schematic diagram of the See-Earth observation mode

See-Earth系統(tǒng)采用本團隊近些年提出或者實現(xiàn)的一系列新體制、新方法和新技術(shù)[9,11,13—17]。系統(tǒng)通過二維多通道技術(shù)實現(xiàn)高分辨率、大寬幅、高增益、低模糊比等高性能對地成像能力。通過繼承陸地探測一號(LT-1) SAR衛(wèi)星的混合極化體制，可以同時或者分時發(fā)射H和V極化信號，不僅可以實現(xiàn)交替線極化，還可以實現(xiàn)圓極化、橢圓極化、簡縮極化和基于編碼的混合極化。2019年11月和2021年2月，中科院空天院開展了簡縮極化SAR機載飛行試驗[18]，獲取了高質(zhì)量的簡縮極化SAR分解圖像。簡縮極化是一種平衡極化信息量和觀測幅寬的有效體制，它可在不提高系統(tǒng)PRF進而損失觀測幅寬的前提下獲得豐富的地物極化信息。依托本團隊近年來在高性能星載SAR技術(shù)方面的主要創(chuàng)新工作，See-Earth 將實現(xiàn)高分辨率、大幅寬、高重訪、長期、穩(wěn)定、高精度對地觀測，有力支撐地球環(huán)境動態(tài)監(jiān)測。

2.2 系統(tǒng)方案

2.2.1 SAR系統(tǒng)方案

See-Earth雷達載荷的系統(tǒng)組成如圖3所示。系統(tǒng)由中央電子設(shè)備和天線子系統(tǒng)組成。中央電子設(shè)備由雷達配電器、監(jiān)控定時器、基準頻率源、調(diào)頻信號源、預功率放大器和數(shù)據(jù)記錄器等組成。天線子系統(tǒng)由波控與電源單元、發(fā)射功分器、基準頻率模塊、變頻接收模塊、定標與發(fā)射延時模塊、中頻DBF處理單元、雙通道TR組件和饋電網(wǎng)絡等組成。整個系統(tǒng)協(xié)同工作可同時實現(xiàn)方位向多通道接收和俯仰向中頻DBF掃描接收，從而提供高性能、高精度的高分辨率寬幅成像能力。

圖3 SAR載荷系統(tǒng)組成框圖Fig.3 The composition block diagram of SAR system

2.2.2 天線子系統(tǒng)方案

由于同時使用方位向多通道和俯仰向中頻DBF技術(shù)，對See-Earth的數(shù)據(jù)處理流程必須做充分的設(shè)計，其數(shù)據(jù)處理構(gòu)想如圖4所示。由于整個系統(tǒng)接收通道數(shù)多達64個，系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)率面臨極大挑戰(zhàn)。為有效降低數(shù)據(jù)率，俯仰向DBF合成處理必須在星上實時完成，將數(shù)據(jù)率降低至原始數(shù)據(jù)率的1/8，之后將方位向8通道數(shù)據(jù)下傳到地面進行后續(xù)的方位向頻譜重構(gòu)和成像處理流程，最終獲取高分辨率大幅寬圖像。

圖4 See-Earth數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 See-Earth data processing flow

有源相控陣天線具有靈活的波束賦形和掃描能力，性能優(yōu)越，可靠性強，廣泛應用于星載SAR系統(tǒng)。See-Earth采用先進的全極化L波段微帶有源相控陣天線，通過優(yōu)化設(shè)計可實現(xiàn)高效、大面積和輕量化。天線主要參數(shù)如表2所示。

表2 天線主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of the antenna

通過T/R組件稀疏化排布設(shè)計技術(shù)、高集成度輕量化單機設(shè)計技術(shù)以及高效率熱控技術(shù)的應用，天線子系統(tǒng)重量可控制在510 kg(8.5 kg/m2)以內(nèi)。此外，天線子系統(tǒng)支持多種極化工作模式，同時能夠?qū)崿F(xiàn)俯仰向一維大角度波束掃描，滿足超寬幅成像對俯仰向波束掃描能力的需求，從而有力支撐快重訪成像需求。

天線采用層疊式布局，自上而下分為有源組件層、有源安裝板和輻射陣面層。各層級部組件采用垂直互聯(lián)技術(shù)，所有電氣連接垂直于安裝平面，在減少電纜的同時，增強了裝配工藝性，提高了系統(tǒng)的集成度，如圖5所示。

圖5 天線子板構(gòu)型圖Fig.5 The configuration diagram of the antenna sub-board

天線子系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示。天線在方位向由8塊子板組成，每塊子板于距離向又分為8個通道。子板內(nèi)8個通道接收到的回波信號由對應的DBF模塊統(tǒng)一進行處理。DBF技術(shù)的應用，可有效提升系統(tǒng)的高分辨率寬幅成像能力。每個通道包含3個方位向子陣。每個子陣包含4×4個雙極化微帶輻射單元，方位向間距141.67 mm，距離向間距137.5 mm。方位向4個微帶輻射單元共用1個T/R通道，可有效實現(xiàn)T/R組件的稀疏化設(shè)計。

圖6 天線子系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.6 The antenna subsystem topology

天線子系統(tǒng)主要包含射頻鏈路、低頻監(jiān)控鏈路、電源鏈路、有源安裝板、結(jié)構(gòu)機構(gòu)、熱控等組成部分。其中，射頻鏈路由天線輻射陣面、延時T/R組件、功分網(wǎng)絡、定標網(wǎng)絡、射頻電纜等單機、部件構(gòu)成；電源鏈路包含天線配電器、二次電源、電源電纜；波控鏈路包含波束控制器、波控單元、波控電纜。

2.2.3 軌道

See-Earth星座由4顆L波段高性能全極化SAR衛(wèi)星組成，它們均勻分布于同一軌道面，組成星座，以高空間分辨率、高時間分辨率和大成像幅寬來實現(xiàn)對地觀測，如圖7所示。See-Earth星座利用多星組網(wǎng)實現(xiàn)快速重訪和高頻次全球覆蓋，軌道參數(shù)如表3所示，可實現(xiàn)在每8天的軌道回歸周期中，能夠以相同的軌道方向、相同的視向、相同的入射角，4次重復獲取干涉數(shù)據(jù)，具有很強的干涉測量能力，進而監(jiān)測地球表面的動態(tài)變化過程，為我國基礎(chǔ)戰(zhàn)略性地理信息資源獲取提供長期、穩(wěn)定、自主可控的數(shù)據(jù)支撐。

圖7 See-Earth在軌工作示意圖Fig.7 The schematic diagram of See-Earth on-orbit working

表3 See-Earth衛(wèi)星軌道參數(shù)Tab.3 Orbit parameters of the See-Earth satellite

3 技術(shù)體制

得益于先進的系統(tǒng)設(shè)計理念和本團隊對關(guān)鍵技術(shù)的充分驗證[9,14,18]，See-Earth可以有效滿足不同應用場景對系統(tǒng)成像能力的需求，系統(tǒng)最高品質(zhì)因數(shù)達120。其高分辨率寬幅成像能力主要依靠高性能的方位向多通道技術(shù)和俯仰向中頻DBF技術(shù)。另外，See-Earth具備多種極化工作模式，以滿足不同的應用需求。本節(jié)將對這3項技術(shù)體制進行詳細論述。

3.1 方位向多通道技術(shù)

受限于星載SAR的最小天線面積約束[19]，傳統(tǒng)體制星載SAR難以實現(xiàn)高分辨率寬幅成像。方位向多通道技術(shù)為突破這一限制提供了有效的解決方案。圖8示意了方位向多通道SAR系統(tǒng)信號發(fā)射和接收的情況。在信號發(fā)射時，系統(tǒng)在方位向使用寬波束發(fā)射信號來獲取大的多普勒帶寬，這是獲取高方位向分辨率的關(guān)鍵。在接收時，多個方位向分置的子孔徑同時接收地面回波。此時，天線每發(fā)射一個脈沖，方位向?qū)@得多個不同空間位置處的采樣點。

圖8 方位多通道系統(tǒng)信號收發(fā)示意圖Fig.8 Schematic diagram for the signal transmission and reception of the azimuth multi-channel system

根據(jù)等效相位中心理論，如圖9所示，對于方位向具有N個接收通道的SAR系統(tǒng)，系統(tǒng)在一個脈沖重復時間內(nèi)可以獲取方位向信號的N個采樣點，等效將系統(tǒng)PRF提高到實際PRF的N倍。因此，方位向多通道系統(tǒng)可以突破傳統(tǒng)星載SAR分辨率和測繪幅寬對系統(tǒng)PRF的矛盾需求，從而有力支撐高分辨率寬幅星載SAR的實現(xiàn)。

圖9 方位向多通道系統(tǒng)的等效相位中心與信號采樣情況Fig.9 The equivalent phase center and signal sampling situation of the azimuth multi-channel system

方位向多通道系統(tǒng)的一個主要問題是多個通道對方位信號的空間采樣可能導致最終的方位向信號在時間上采樣不均勻，這一問題可通過對方位信號的均勻化重建[6—9]進行解決。另外，通道性能不均衡也會帶來嚴重的模糊，需要對通道誤差進行有效的校正。目前，這些技術(shù)已經(jīng)相對成熟并在星載SAR平臺上得到應用。如圖10所示，通道誤差校正后進行信號重建，模糊可被有效抑制。

圖10 方位多通道數(shù)據(jù)重建后成像結(jié)果Fig.10 The imaging results after azimuth multi-channel reconstruction

3.2 俯仰向中頻DBF技術(shù)

利用“空間換時間”的思路，方位向多通道技術(shù)可以打破星載SAR的最小天線面積約束，實現(xiàn)高分辨率寬幅成像。要獲取寬幅圖像，俯仰向必須使用寬波束進行照射，這對應了較低的天線增益和較差的距離模糊。因此，盡管可以使用方位向多通道技術(shù)打破星載SAR的最小天線面積約束，但系統(tǒng)性能會急劇惡化。俯仰向DBF技術(shù)是解決這些問題的有效方法[13,21]。

俯仰向DBF系統(tǒng)使用俯仰向?qū)挷ㄊl(fā)射信號覆蓋大幅寬，在接收時使用俯仰向多個通道同時接收，依靠靈活的空域濾波技術(shù)生成實時掃描跟蹤回波的高增益窄接收波束，不僅可以大幅改善系統(tǒng)信噪比，還可以通過波束賦形技術(shù)大幅改善距離模糊性能，如圖11所示。

圖11 DBF SAR系統(tǒng)概念圖Fig.11 Conceptual diagram of the DBF SAR system

See-Earth的標準最大信號帶寬僅84 MHz，帶寬載頻比≤6.7%，DBF處理的頻率色散問題可以忽略，此時系統(tǒng)面臨的一個重要問題是脈沖延展損失(Pulse Extension Loss,PEL)[21]。圖12以單點目標為例進行說明。點目標回波來自固定的方位，但是在回波接收過程中俯仰向波束卻是時變的。系統(tǒng)的俯仰向波束較窄，回波幅度會明顯受到天線方向圖的調(diào)制，導致系統(tǒng)信噪比的下降。

圖12 單點目標回波的掃描接收示意圖Fig.12 Schematic diagram for the echo scanning and receiving of a single-point target

針對DBF SAR系統(tǒng)的脈沖延展損失，德國宇航局的Suess等人[22]提出對各通道信號在加權(quán)求和前進行固定延時處理。但是由于固定延時基于幅寬較小的假設(shè)，在See-Earth的大幅寬模式下會存在較大誤差，進而明顯降低系統(tǒng)性能。針對此問題，本團隊早期提出一種數(shù)字扇形波束形成(Digital Scalloped Beam Forming,DSBF)[13]新處理方法。仍以單點目標回波接收為例，如圖13所示，DSBF處理器生成一個寬度隨回波時間自適應改變的高增益扇形寬波束(由多個不同指向的高增益窄波束組成)，可以實現(xiàn)在任意時刻點目標回波都被高增益接收，從而保證在大幅寬場景下良好的系統(tǒng)性能。

圖13 DSBF處理器單點目標回波的掃描接收示意圖Fig.13 Schematic diagram for the echo scanning and receiving of a single-point target using the DSBF processor

實際應用中，DBF合成處理應在星上實時完成，即將俯仰向多個通道的數(shù)據(jù)合成為一路再進行下傳?，F(xiàn)有德國宇航局DBF處理方法采用基帶信號處理策略，所需的數(shù)字處理資源正比于俯仰向通道數(shù)量，系統(tǒng)資源消耗大，不利于星上實時處理。2016年，本團隊提出一種DBF中頻處理新架構(gòu)，在中頻即將多通道信號合成為兩路信號，再基于這兩路中頻信號進行數(shù)字解調(diào)，數(shù)字處理資源不再正比于俯仰向通道數(shù)量，大幅降低了DBF處理對星上數(shù)字處理資源的消耗(圖14)，非常有利于進行星上實時處理。

圖14 DBF處理所需乘法次數(shù)隨俯仰向通道數(shù)的變化[11]Fig.14 The number of multiplications required for the DBF processing varies with the number of channels in elevation[11]

本團隊不僅對俯仰向DBF技術(shù)進行了大量的理論研究，提出多項創(chuàng)新成果，在工程應用方面也進行了大量試驗驗證。圖15為本團隊研發(fā)的16通道機載DBF SAR系統(tǒng)所獲取的圖像，實際信噪比提升約為11.2 dB(理論值約為12 dB)。目前，包括中國在內(nèi)的多個國家對俯仰向DBF技術(shù)已經(jīng)進行了比較充分的驗證[14,15,23,24]，為俯仰向DBF技術(shù)在星載SAR的應用奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖15 機載DBF SAR數(shù)據(jù)成像結(jié)果Fig.15 The imaging results of airborne DBF SAR data

See-Earth將同時使用方位向多通道技術(shù)和俯仰向中頻DBF技術(shù)，充分發(fā)揮這兩項技術(shù)的優(yōu)勢，以獲取前所未有的高分辨率寬幅成像能力，系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)將達到120。

3.3 極化體制

SAR系統(tǒng)常見的極化工作模式有單極化(Single Polarimetric,SP)，雙極化(Dual Polarimetric,DP)，全極化(Quad polarimetric,QP)以及簡縮極化(Compact polarimetric,CP)。See-Earth可實現(xiàn)包括單極化、傳統(tǒng)全極化、混合全極化以及混合簡縮極化等多種極化成像模式。

3.3.1 多極化工作模式

單極化是最基本的極化工作模式。早期的成像雷達，如Seasat,ERS-1,JERS-1,Radarsat-1等，都以該模式進行工作。該模式下SAR具有單一極化天線，僅能發(fā)射或者接收水平(H)/垂直(V)極化電磁波，獲取HH或VV單通道信號。

全極化SAR采用“交替發(fā)射，同時接收”工作模式，系統(tǒng)交替發(fā)射H和V正交線極化脈沖，并采用H和V線極化通道同時接收回波信號，獲取HH/HV/VH/VV 4幅圖像，如圖16所示，圖中Tx與Rx表示發(fā)射和接收通道。

圖16 傳統(tǒng)線全極化SAR系統(tǒng)時序圖Fig.16 The timing diagram of conventional quadrature polarimetric SAR system

基于線極化的全極化SAR回波信號，同極化(HH/VV)和交叉極化(HV/VH)通道的最優(yōu)動態(tài)范圍存在較大的差異，一般交叉極化信號能量較同極化信號弱6～10 dB，實際系統(tǒng)通常采取通道增益控制和復雜的內(nèi)定標回路來彌補這種差異[25]。

若全極化SAR系統(tǒng)交替發(fā)射信號調(diào)整為左旋(L,H+jV)和右旋(R,H—jV)圓極化信號，則極化模式即為混合全極化模式，如圖17所示，其接收回波對應HR/HL/VR/VL 4幅極化圖像，可通過極化變換過程實現(xiàn)對傳統(tǒng)線極化數(shù)據(jù)(HH/HV/VH/VV)的轉(zhuǎn)換[26]：

圖17 混合全極化SAR系統(tǒng)時序圖(左右旋圓極化)Fig.17 The timing diagram of hybrid quadrature polarimetric SAR system (left and right circular polarization)

式中，S表示極化散射回波信號。由于混合全極化SAR系統(tǒng)接收信號為圓發(fā)線收(Circular Transmit Linear Receive,CTLR)，相鄰接收回波信號強度相當，因而相較傳統(tǒng)基于線極化的全極化SAR模式，不再需要額外的通道增益控制[27]，可大大降低系統(tǒng)復雜度。

雖然全極化SAR圖像數(shù)據(jù)中含有完備的目標后向散射信息，但其系統(tǒng)構(gòu)建較為復雜，降低了測繪幅寬、數(shù)據(jù)率等方面的系統(tǒng)性能。為了彌補這些缺陷，Souyris等人[28]提出簡縮極化SAR工作模式。簡縮極化SAR本質(zhì)上是一種雙極化系統(tǒng)，通過圓極化發(fā)射，雙線極化接收，回波信號包含了地物相對完備的極化信息。由于簡縮極化不采用交替發(fā)射方式，不需要提高PRF，因此可以獲得與單極化SAR一致的分辨率和測繪幅寬，且在系統(tǒng)實現(xiàn)上較全極化模式更加簡單[29]。如圖18所示，混合簡縮極化系統(tǒng)發(fā)射右旋(R)圓極化信號，并通過H和V極化通道接收，以獲取HR與VR極化數(shù)據(jù)。

圖18 混合簡縮極化SAR系統(tǒng)時序圖(右旋圓極化發(fā)射)Fig.18 The timing diagram of hybrid compact polarimetric SAR system (right circular polarization transmission)

研究表明，對于農(nóng)田等自然場景，簡縮極化能夠達到與全極化相近的分類性能[16,30,31]。Raney試驗結(jié)果也表明，相較全極化SAR，簡縮極化SAR的總體分類精度的變化在百分之幾以內(nèi)[32,33]，但是測繪幅寬可提升一倍。圖19為本團隊海南飛行試驗全極化與簡縮極化地物分類結(jié)果對比。See-Earth將具備混合簡縮極化工作模式，左旋或右旋圓極化發(fā)射，H和V線極化同時接收。

3.3.2 極化模糊性能分析

3.3.2.1 全極化與混合全極化SAR系統(tǒng)

由于傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)接收回波信號序列為同極化(HH或VV)與交叉極化(HV或VH)交替形式，其各線極化數(shù)據(jù)通道的奇數(shù)階距離模糊能量對應極化方式發(fā)生交換。然而，一般的，交叉極化信號能量比同極化信號低6～10 dB，從而造成傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)交叉極化(HV與VH)通道受較強的同極化(HH與VV)距離模糊能量影響，同極化(HH與VV)通道則受較弱的交叉極化(HV與VH)距離模糊能量影響，這導致傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)交叉極化通道的距離模糊性能變差，而同極化通道的距離模糊性能變好，并使得全極化SAR系統(tǒng)難以提高入射角，限制了全極化SAR系統(tǒng)的可視觀測范圍，從而影響觀測效能。

對于混合全極化SAR系統(tǒng)，與傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)不同，由于采用左右旋圓極化交替發(fā)射、正交線極化同時接收模式，其接收回波信號序列為左旋和右旋圓發(fā)線收信號的交替形式(HR與HL,VR與VL)。

從式(2)可以看到，由于混合全極化SAR系統(tǒng)圓發(fā)線收回波信號中同時含有同極化(HH與VV)與交叉極化(HV與VH)能量，相鄰回波脈沖能量相當，因此其四極化通道不會受到嚴重距離模糊的影響。

3.3.2.2 混合簡縮極化SAR系統(tǒng)

對于簡縮極化SAR系統(tǒng)，由于其只發(fā)射單一極化信號(圓極化或45°線極化)，且同時通過相互獨立的正交線極化通道接收。此時，由于兩組回波信號相互獨立，因此，簡縮極化SAR系統(tǒng)的距離模糊與方位模糊性能與同參數(shù)單極化SAR系統(tǒng)一致，可實現(xiàn)與單極化SAR系統(tǒng)同樣的幅寬、分辨率。See-Earth系統(tǒng)采用基于圓極化發(fā)射，正交線極化同時接收的混合簡縮極化SAR模式，各極化通道的模糊性能不會出現(xiàn)不平衡情況。

3.3.3 極化SAR模糊抑制

3.3.3.1 傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)距離模糊抑制方法

為了解決全極化SAR系統(tǒng)的模糊難題，本團隊提出一種基于天線方向圖賦型優(yōu)化的方法[34]來對上述幾種多極化SAR系統(tǒng)的模糊能量進行抑制。該方法根據(jù)距離模糊能量的分布特點，對天線陣列各輻射單元的幅度和相位分布進行優(yōu)化控制，可以有效調(diào)節(jié)天線距離向方向圖的波束寬度、波束形狀、旁瓣電平等相關(guān)參數(shù)，進而改善系統(tǒng)的模糊性能，其原理如圖20所示。

圖20 天線方向圖賦型優(yōu)化原理Fig.20 Optimization principle of the antenna pattern shaping

圖21為星載SAR系統(tǒng)采用這種天線方向圖賦型優(yōu)化方法抑制距離模糊的系統(tǒng)性能仿真曲線?？梢?，基于該方法可在不影響系統(tǒng)等效噪聲后向散射系數(shù)(Noise Equivalent Sigma Zero,NESZ)指標的基礎(chǔ)上，顯著提升系統(tǒng)的距離模糊比(Range Ambiguity to Signal Ratio,RASR)性能(圖中藍色曲線為優(yōu)化后結(jié)果)。

圖21 天線方向圖賦型優(yōu)化結(jié)果Fig.21 Optimization results of the antenna pattern shaping

基于天線方向圖賦型優(yōu)化來抑制距離模糊，不要求對系統(tǒng)硬件進行調(diào)整，不會額外增加系統(tǒng)復雜度及硬件成本，且算法執(zhí)行過程高效。此外，由于該方法只涉及俯仰向方向圖合成，因此不改變SAR系統(tǒng)方位模糊特性，從而可以從整體上優(yōu)化SAR的模糊特性，是一種極具潛力的優(yōu)化方法。目前，該方法已經(jīng)應用在LT-1衛(wèi)星SAR系統(tǒng)[34]。如圖22所示，未進行優(yōu)化時有效觀測范圍Δη1僅為8°左右，經(jīng)過該種方法優(yōu)化后，SAR系統(tǒng)的有效觀測范圍Δη1+Δη2接近25°，可視范圍提升3.125倍，觀測能力大幅提升。

圖22 LT-1優(yōu)化前后有效觀測范圍對比Fig.22 Comparison of the effective observation range before and after LT-1 optimization

3.3.3.2 混合全極化SAR系統(tǒng)模糊抑制方法

針對混合全極化SAR系統(tǒng)交叉極化通道方位模糊惡化問題，本團隊提出一種基于距離模糊與方位模糊聯(lián)合優(yōu)化的方法[17]來對混合全極化SAR系統(tǒng)的模糊能量進行綜合抑制。

圖23為多通道混合全極化SAR系統(tǒng)等效相位中心的空間分布情況。該聯(lián)合優(yōu)化方法借助多通道混合全極化SAR系統(tǒng)中多相位中心數(shù)據(jù)優(yōu)勢，通過綜合考慮系統(tǒng)各通道方位模糊以及距離模糊能量，構(gòu)建基于最優(yōu)化方法的新數(shù)據(jù)重建方法，可以同時對混合全極化SAR系統(tǒng)的方位模糊和距離模糊進行有效抑制。

圖23 方位向三通道混合全極化SAR系統(tǒng)的等效相位中心示意圖Fig.23 Schematic diagram of the equivalent phase center of the azimuth three-channel hybrid four-polarized SAR system

圖24為星載混合全極化SAR系統(tǒng)使用基于傳統(tǒng)重建方法與基于聯(lián)合優(yōu)化重建方法的系統(tǒng)性能對比?？梢钥吹剑诼?lián)合優(yōu)化重建方法的系統(tǒng)模糊性能強于傳統(tǒng)方法，可同時對系統(tǒng)RASR與方位模糊比(Azimuth Ambiguity to Signal Ratio,AASR)進行有效抑制。See-Earth將基于上述創(chuàng)新方法提升系統(tǒng)模糊性能。

圖24 重建方法性能對比Fig.24 Performance comparison of the reconstruction methods

4 性能分析

4.1 成像性能

為有效支撐多行業(yè)應用需求，See-Earth需具備不同分辨率和測繪幅寬的多種極化工作模式。依靠方位向8個通道，See-Earth可將系統(tǒng)工作PRF降低8倍，使得1 m分辨率模式②此模式可提供方位向1 m分辨率，但是受限于系統(tǒng)帶寬，距離向分辨率約3 m。下系統(tǒng)實際PRF可以在1100 Hz附近仍能保證良好的方位模糊性能，從而可以選出幅寬達120 km的波位，如圖25所示(See-Earth可使用DBF零陷濾波技術(shù)大幅抑制星下點回波，在波位選擇時可忽略星下點回波干擾)。此時系統(tǒng)的主要指標如圖26所示，系統(tǒng)NESZ,AASR,RASR和數(shù)據(jù)率均滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

圖25 1 m/120 km模式波位圖Fig.25 Timing diagram of the 1 m/120 km mode

圖26 系統(tǒng)性能仿真結(jié)果Fig.26 Simulation results of the system performance

基于百公里幅寬量級，使用ScanSAR技術(shù)可拓展3 m和10 m分辨率的數(shù)百乃至上千公里幅寬工作模式，相關(guān)模式的系統(tǒng)性能指標可總結(jié)如表4所示，均滿足系統(tǒng)設(shè)計要求?；谝陨舷到y(tǒng)設(shè)計，See-Earth的5種基本工作模式可有效支撐相關(guān)行業(yè)的應用需求，提供長期穩(wěn)定的數(shù)據(jù)源。

表4 各工作模式性能Tab.4 Performance of each operation mode

另外，L波段的圖像由于電磁波的固有特性，還會受到電離層的影響，主要包括電離層色散、閃爍與極化法拉第旋轉(zhuǎn)效應影響。其中，電離層色散會導致SAR圖像定位偏差與分辨率惡化；電離層閃爍會引入誤差相位致使SAR圖像散焦；法拉第效應會影響極化SAR信號的極化狀態(tài)并干擾地物散射特性分析[35]?？梢圆捎枚喾N電離層校正算法，有效校正電離層效應影響。對于電離層色散，可采用頻譜分割算法[36]或最大對比度自聚焦算法[37]對SAR信號中電離層色散誤差相位進行估計與校正；對于電離層閃爍，可采用相位梯度自聚焦算法對由電離層不規(guī)則體引入的高次誤差相位進行校正[38—40]；對于法拉第效應，可利用極化協(xié)方差矩陣反演法拉第旋轉(zhuǎn)角[41—43]，并進行極化校正。此外，由于一定程度上可認為電離層法拉第旋轉(zhuǎn)不改變圓極化狀態(tài)，對于See-Earth系統(tǒng)中采用圓極化發(fā)射的混合簡縮極化及混合全極化模式而言，法拉第旋轉(zhuǎn)效應影響較小，只需考慮大帶寬情況的極化色散效應影響，此時可采用子帶處理進行規(guī)避。

4.2 觀測性能

結(jié)合軌道與系統(tǒng)工作模式設(shè)計，對See-Earth星座的重訪和覆蓋性能進行詳細分析，全球平均重訪時間如圖27所示，各模式的觀測能力如表5所示。See-Earth星座的最小重復觀測間隔為26 min，最大重復觀測間隔約為12 h，全球多數(shù)區(qū)域平均重訪時間小于4 h。

表5 See-Earth觀測能力Tab.5 See-Earth observation capability

圖27 See-Earth星座全球平均重訪時間Fig.27 The global average revisit time of the See-Earth plan

從上述性能分析可以看出，See-Earth衛(wèi)星系統(tǒng)對全球絕大多數(shù)地區(qū)的平均重訪時間小于4 h，12天可實現(xiàn)全球范圍的高分辨率覆蓋。該性能在全球衛(wèi)星觀測計劃中同樣占優(yōu)，可有力支撐我國的相關(guān)應用需求研究。

根據(jù)我國實施“一帶一路”建設(shè)倡議規(guī)劃以及大范圍地表形變監(jiān)測等需求，See-Earth衛(wèi)星計劃可提供廣域高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)以及高精度DEM數(shù)據(jù)，為相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施項目的地理規(guī)劃、實施狀態(tài)、后續(xù)監(jiān)測保障提供高效監(jiān)測手段。為有效支撐相關(guān)行業(yè)應用和地球科學研究，將See-Earth的觀測性能按照其應用潛力進行具體分析，如表6所示。See-Earth產(chǎn)品可有效滿足動態(tài)地球監(jiān)測任務，實現(xiàn)我國星座SAR數(shù)據(jù)的高效、穩(wěn)定獲取，有效滿足國家經(jīng)濟社會發(fā)展、科學研究與國家重大工程需求。

表6 See-Earth產(chǎn)品觀測性能Tab.6 The observation performance of See-Earth product

5 應用潛力

廣域監(jiān)測要求See-Earth具備高分辨率寬幅成像能力，在滿足覆蓋范圍需求的情況下，對地表狀況如形態(tài)、地物類型等基礎(chǔ)信息進行精細刻畫，兼顧對地表信息“形態(tài)-差異-變化”的多角度觀測。觀測效率要求See-Earth具備穩(wěn)定觀測、快速重訪的能力，在保障數(shù)據(jù)周期性穩(wěn)定獲取的前提下，提升目標的快速重訪能力，實現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取的“穩(wěn)”和“快”。下面從具體的應用領(lǐng)域出發(fā)，介紹See-Earth衛(wèi)星計劃的應用潛力。

5.1 服務國家重大工程

國家重大工程，包括“一帶一路”、川藏鐵路、西部陸海新通道、國家水網(wǎng)、雅魯藏布江下游水電開發(fā)、星際探測、北斗產(chǎn)業(yè)化等。其中，“一帶一路”倡議是由中國政府提出的國家級頂層合作協(xié)議[44]，在“一帶一路”沿線實現(xiàn)遙感衛(wèi)星全覆蓋是構(gòu)建“一帶一路”空間信息走廊的重要舉措?！耙粠б宦贰毖鼐€已規(guī)劃項目和在建項目超過3000個，其中基礎(chǔ)設(shè)施(運輸、電力、水利)項目占比近一半。利用SAR遙感技術(shù)可以月或者周為單位進行高頻次大范圍的數(shù)據(jù)獲取，對施工進度、基礎(chǔ)設(shè)施形變或沉降進行監(jiān)測，為工程任務的實施狀態(tài)評估和基礎(chǔ)設(shè)施安全風險評判提供重要參考依據(jù)。此外，獲取的數(shù)據(jù)還可用于目標識別和地物分類，為海洋艦船識別、荒漠化程度估計和荒漠化防治效果評估提供數(shù)據(jù)保障?！耙粠б宦贰笨臻g信息走廊和數(shù)字絲綢之路的建設(shè)需要建立在全面、可信、完備的空間對地觀測數(shù)據(jù)獲取與分析的基礎(chǔ)上，亟需高效穩(wěn)定的航天遙感數(shù)據(jù)獲取計劃提供支持。

目前大范圍地表形變監(jiān)測需要將大量的窄幅圖像數(shù)據(jù)進行拼接，如圖28所示的全國中東部地區(qū)InSAR監(jiān)測，共采用了11軌數(shù)據(jù)進行拼接，導致形變監(jiān)測處理的效率很低。

圖28 全國中東部地區(qū)InSAR監(jiān)測地面沉降分布(來源：中國自然資源航空物探遙感中心)Fig.28 Land subsidence distribution monitored by InSAR in the central and eastern regions of the China (Source:Aero Geophysical Survey ＆ Remote Sensing Center,Ministry of Land and Resources)

See-Earth衛(wèi)星計劃可以提供覆蓋大范圍區(qū)域的高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)，為相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施項目的地理規(guī)劃、實施狀態(tài)、后續(xù)監(jiān)測保障提供高效監(jiān)測的手段，通過強有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，保障基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、礦業(yè)開發(fā)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等經(jīng)濟生態(tài)活動的安全開展，也促進應急防災減災、海洋監(jiān)視監(jiān)測等應用的良性發(fā)展，對科技強國、“一帶一路”建設(shè)具有重大意義。

5.2 自然資源監(jiān)測

有形的自然資源包括土地、水體、動植物、礦產(chǎn)等。保護環(huán)境，合理開發(fā)利用自然資源，成為政府社會管理的重要任務。土地資源利用情況、森林資源覆蓋率、濕地生態(tài)系統(tǒng)生物量、農(nóng)作物種類及分布等相關(guān)領(lǐng)域的實時情況可以直接反映人類與自然環(huán)境的發(fā)展現(xiàn)狀與變化，從而推動對自然資源的合理利用等政策的制定。

對不同時空尺度上的典型濕地生態(tài)系統(tǒng)的濕地植被生物量進行系統(tǒng)性研究，不僅可以及時掌控濕地生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)變化，還可為濕地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)資產(chǎn)的定量測算提供重要參數(shù)和濕地生態(tài)系統(tǒng)基本生態(tài)功能的劃分標準，并為濕地生態(tài)系統(tǒng)的恢復、重建以及管理提供科學依據(jù)。SAR成像對地物的幾何特征和地表粗糙度、介電特性極為敏感的特性[45]，使得其在不同時空尺度上的濕地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測中具有得天獨厚的優(yōu)勢。

森林生物量是表征森林固碳能力的重要指標，也是評估區(qū)域森林碳平衡的重要參數(shù)。SAR基于其全天時全天候的大范圍成像能力，在全球高精度森林資源監(jiān)測方面，相比于光學遙感和激光雷達技術(shù)更具有優(yōu)勢[46]。利用SAR遙感數(shù)據(jù)獲取的一系列觀測數(shù)據(jù)，可以進行森林資源定量參數(shù)估計和大區(qū)域森林類型快速制圖，有助于繪制地面生物量地圖，了解全球碳循環(huán)情況，并支持森林管理、減排和可持續(xù)發(fā)展政策目標。圖29為利用ALOS-2數(shù)據(jù)處理得到的Borneo熱帶森林Pauli圖及相應的地上生物量估計結(jié)果[47]。

圖29 Borneo森林Pauli圖(上)及生物量估計結(jié)果(下) [47]Fig.29 Pauli map of Borneo forest (top) and biomass estimation results (bottom) [47]

隨著各國對自然環(huán)境的普遍關(guān)注，自然環(huán)境的監(jiān)測與管理需求也向著精細化、智能化、全球化的方向發(fā)展。See-Earth衛(wèi)星計劃可以提供長期穩(wěn)定、大范圍、高精度、高頻的星載SAR數(shù)據(jù)，為我國自然環(huán)境等相關(guān)國策的制定提供支撐。

5.3 災害應急管理

(1) 災前監(jiān)測與預警

盡可能檢測出隱患點在哪里、什么時候可能發(fā)生是當前自然災害防治的核心問題。近年來，數(shù)十起重大自然災害呈現(xiàn)出隱蔽性、潛伏性、突發(fā)性等特點，且多發(fā)生于人工巡查難以接近的位置，導致大型地質(zhì)災害的漏報、誤報率高。星載SAR可以滿足我國對于廣域監(jiān)測的需求，融合干涉技術(shù)開展地質(zhì)災害普查，盡可能在早期全面識別和發(fā)現(xiàn)災害隱患，已得到自然災害防治界的廣泛認可。

星載SAR數(shù)據(jù)以其良好的周期性和空間密集性，為滑坡、沉降等常規(guī)災害的時空位移模式推演提供了數(shù)據(jù)保障；有助于還原長期累進式災變的發(fā)育過程，協(xié)助攻克現(xiàn)階段監(jiān)測預警方面存在的成災機理不明確、致災因子難確定、預警指標難量化等關(guān)鍵問題?？仗煸横槍?018年金沙江白格滑坡災害發(fā)生前的多幅SAR數(shù)據(jù)進行時空位移模式分析，滑坡前發(fā)生明顯變形，如圖30(a)所示，通過時序分析，其變形與典型滑坡發(fā)育模型高度一致[48]，如圖30(b)、圖30(c)所示。

圖30 金沙江白格滑坡監(jiān)測結(jié)果Fig.30 Monitoring results of Baige landslide on the Jinsha River

通過分析該例滑坡成災前的形變規(guī)律，結(jié)合典型發(fā)育模型，可以判斷該SAR數(shù)據(jù)集的獲取時間區(qū)間涵蓋了滑坡發(fā)育的第2到第4階段：2017—2018.5處于第2階段(等速形變階段)，2018.5—2018.7進入第3階段(加速形變階段)，2018年9月明顯進入第4階段(臨滑階段)。這說明在滑坡前3～5個月，已經(jīng)可以通過時序SAR監(jiān)測手段獲取該區(qū)域的變形信息，該變形區(qū)域與滑坡區(qū)域所在位置基本一直在滑坡，如果可以對重點區(qū)域進行長時間穩(wěn)定的SAR環(huán)境監(jiān)測，結(jié)合滑坡發(fā)育模型，可以有效預報潛在滑坡點，結(jié)合其所處的發(fā)育階段，提前發(fā)布警示信息，可有效提升災害識別率，將預警與救援時間點前移。

然而，目前受限于特殊的自然環(huán)境，滿足觀測要求質(zhì)量與頻次要求的遙感數(shù)據(jù)嚴重不足，無法開展全面的滑坡監(jiān)測與預警研究。因此需要See-Earth在保證觀測性能的前提下，提供長期、穩(wěn)定、更高頻次的SAR圖像進行數(shù)據(jù)支撐。

(2) 災后監(jiān)測與重建

星載SAR遙感在惡劣天氣和夜晚仍可以執(zhí)行對地觀測任務，有望在災害發(fā)生后的第一時間獲取災區(qū)的觀測數(shù)據(jù)，配以有效的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，將其中的災情信息快速直觀地挖掘出來。因此，高性能星載SAR數(shù)據(jù)的快速獲取可為政府應急指揮和災后修復提供重要的科學依據(jù)和決策支持?？仗煸豪酶叻秩栃l(wèi)星SAR獲取的金沙江白格滑坡(2018年10月11日)災區(qū)受災前后高分辨率極化SAR數(shù)據(jù)，對受災區(qū)域極化散射特征變化情況進行了分析，結(jié)果如圖31所示。

圖31 滑坡區(qū)域災后的極化分解偽彩色合成圖(2018年10月12日)Fig.31 Pseudo-color composite image of polarization decomposition after the disaster in the landslide area (October 12,2018)

滑坡后受災區(qū)極化分解的散射特性與周圍未滑坡區(qū)域明顯不同，金沙江堰塞湖上游水位變高，河道明顯增寬，下游河道明顯變窄，河水幾乎枯竭。然而，由于重訪周期長，滑坡發(fā)生后近36 h才獲取了國產(chǎn)的首幅民用星載SAR數(shù)據(jù)，由于時效性較差，其對于災后的及時救助作用也十分有限。如果具備高頻次的SAR觀測結(jié)果，可掌握災后第一手的數(shù)據(jù)信息，大大提高我國災害救援的能力。

具備快速重訪能力的See-Earth衛(wèi)星系統(tǒng)能夠在保證高分辨率和全極化的前提下，提供目標區(qū)域更高頻次的SAR圖像。針對我國大部分區(qū)域的平均重訪時間可達3 h (圖27)，這滿足地災觀測中對于重點區(qū)域每4 h重復觀測一次的要求，勢必為災情的快速呈現(xiàn)與災區(qū)重建提供支撐。

5.4 “兩新一重”監(jiān)測

2020年5月22日，《2020年國務院政府工作報告》提出，重點支持“兩新一重”建設(shè)(新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，新型城鎮(zhèn)化建設(shè)，交通、水利等重大工程建設(shè))。到2021年，我國的城鎮(zhèn)化率已達到63.89%，隨著城市建設(shè)的不斷擴大和完善，城區(qū)作為全市中心的地位日益突出，流動人口數(shù)目逐年膨大，城市的生產(chǎn)和生活強度增加，交通、水利、住建等方面的監(jiān)測與管理壓力不斷攀升。

星載SAR具備多極化、多頻段、多視角獲取雷達觀測數(shù)據(jù)的能力，可通過電磁后向散射反映地物目標豐富的信息，同時，由于其對建筑物、道路等人工目標敏感，以及水文特征無反射的特性，對于房屋、道路、河道、湖泊、重大基礎(chǔ)設(shè)施等典型目標的識別有明顯優(yōu)勢，在環(huán)境分析、城鄉(xiāng)規(guī)劃等方面應用十分廣泛，如圖32所示。

圖32 典型目標特征提取Fig.32 The feature extraction of typical targets

遙感能力大規(guī)模應用的重點在于遙感圖像中的目標識別，深度學習作為當前圖像處理領(lǐng)域的前沿熱點，其在目標識別特征提取方面具有無可比擬的優(yōu)越性。其中數(shù)據(jù)源作為深度學習的驅(qū)動力，也是目標識別、行業(yè)應用的核心驅(qū)動力。See-Earth計劃可有效彌補當前數(shù)據(jù)源缺口，提升典型地物目標的識別精度，輔助完善地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，及時更新道路、河道等的狀態(tài)，聯(lián)合交通、地形、水利、人力等信息，為國家行政規(guī)劃提供更加精確的數(shù)據(jù)支撐和保障。

5.5 地球科學潛力

人類在長期的實踐中逐步加深了對地球的認識，并且逐漸形成了一門以地球為研究對象的科學—地球科學。其研究的根本任務在于認識地球，并利用這種認識保證人類生存和發(fā)展所需要的自然資源，保護和改善人類的居住環(huán)境。地球科學研究的基礎(chǔ)是對地球及其變化情況的認識，航天遙感的觀測優(yōu)勢，使面向地球的大范圍、連續(xù)監(jiān)測，甚至高頻監(jiān)測成為可能?；谌颦h(huán)境的高精度監(jiān)測，可以實現(xiàn)全球狀態(tài)的周/月/年及時更新，監(jiān)測地球變化，理解地表變化規(guī)律，探索人類環(huán)境變化。地球科學應用主要涉及4個方面，如圖33所示。

圖33 地球科學應用需求Fig.33 Application requirements of the Earth science

(1) 地球物理科學(Geophysics Science)

自地球誕生以來，地殼就在不停運動，既有水平運動，也有垂直運動。地殼運動造就了地表千變?nèi)f化的地貌形態(tài)，主宰著海陸的變遷。地球物理中地殼演變非常重要，是人類生存發(fā)展環(huán)境的先決條件。獲取大尺度地殼動態(tài)變化觀測數(shù)據(jù)，能夠推動地球物理科學的研究，了解人類賴以生存的地表環(huán)境?？梢酝ㄟ^圖像散射特征及干涉技術(shù)，利用不同時期圖像的微弱變化感知地表的起伏。具體來說，首先需要大范圍的觀測能力，尤其對于大尺度的地震來說，幾百公里的范圍都是很常見的，需要百公里量級以上的遙感觀測能力；另一方面，對于自然界的微弱變形，需要高頻次觀測以提高變形的采樣頻率，提前預警地表變化。

(2) 水文科學(Hydrological Science)

水文科學是研究地球表面能量交換過程的基礎(chǔ)科學，海洋占地球表面水量的97%，是全球高低緯度地區(qū)能量交換的載體；陸地表層水是地表與大氣能量通量和水通量交換的重要參數(shù)。不管是海洋水還是陸地地表水，都與人類生存息息相關(guān)。獲取全球大尺度水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，有利于探索全球海流的能量交換，追蹤水循環(huán)，使其更好地為人類服務。對于水文的監(jiān)測，主要是利用水面特殊的散射特性，以及不同的極化方式下的水面特征進行測量。目前中尺度和亞中尺度海洋渦旋是海洋能量循環(huán)的關(guān)鍵鏈路，但是由于現(xiàn)有遙感傳感器空間分辨率限制，亞中尺度海洋現(xiàn)象至今仍然是海洋遙感觀測的盲區(qū)。急切需要高分辨率大幅寬的數(shù)據(jù)推動海洋科學的發(fā)展。

(3) 生態(tài)科學(Ecological Science)

生態(tài)系統(tǒng)是人類與環(huán)境之間交互的聯(lián)系和紐帶，全球碳循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容。陸地植被是全球碳循環(huán)的核心監(jiān)測要素，全球植物總生物量的92%屬于森林生物量，因此森林生態(tài)系統(tǒng)受到了世界各國政府和科學家的高度重視，及時掌握森林資源的現(xiàn)狀及其變化規(guī)律，對于生態(tài)系統(tǒng)和人類生活至關(guān)重要[52]。獲取全球高精度森林生物量監(jiān)測數(shù)據(jù)有助于更好地研究生態(tài)科學，理解碳循環(huán)。針對植被的觀測主要是利用極化以及極化干涉的方法，利用微波的極化特征以及穿透特征進行植被特征反演。實際應用中，針對植被的結(jié)構(gòu)反演需要大范圍下高精度的數(shù)據(jù)來提供信息，而植被的生長特性也要求其具有周期性的觀測能力，這也都是當前遙感長期觀測的難點。

(4) 極地科學(Polar Science)

極地包括南極、北極和青藏高原；在全球氣候變化的背景下，由于極地區(qū)域自身的脆弱性以及對氣候變化的高度敏感性和強反饋作用，是全球氣候變化的預警器。獲取極地高分辨連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，預測極地-全球氣候響應模型，助力人類生存環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。極地觀測主要是依靠冰雪特殊的散射特性，以及干涉特性進行測量。其主要的觀測難點在于不同要素觀測周期差異很大，高頻次數(shù)據(jù)獲取難；高緯度、極夜嚴重限制觀測效率，數(shù)據(jù)獲取不足。因此需要從觀測的硬件條件上予以支持，也就是高分辨率大幅寬的高頻數(shù)據(jù)獲取。

高效能的See-Earth計劃，可以為地球科學的深入研究提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)支撐，監(jiān)測地球動態(tài)變化，實現(xiàn)全球狀態(tài)的周期更新，助力我國搭建全球化的科學產(chǎn)品體系，理解地表變化規(guī)律，探索人類環(huán)境變化。

6 新體制拓展

See-Earth計劃以提供長期、穩(wěn)定、高頻次、高性能的SAR觀測數(shù)據(jù)為目標，可以為國家、行業(yè)、科學等多領(lǐng)域的應用帶來幫助。在此基礎(chǔ)上，是否可以利用See-Earth計劃的衛(wèi)星系統(tǒng)，擴展新的工作體制，延申其科學價值是值得進一步探討的問題，下面討論3種可能的擴展方向。

6.1 雙多基成像

See-Earth星座以同一軌道面均勻配置的4顆高性能SAR衛(wèi)星來實現(xiàn)大范圍、高重訪、長期、穩(wěn)定、高精度對地觀測。此時，各衛(wèi)星相對獨立工作，共同完成對全球范圍的快速觀測。如果對星座軌道進行重新規(guī)劃或者增加伴飛小衛(wèi)星，See-Earth將具備雙基和多基成像能力。相比單基模式，雙多基SAR協(xié)同工作不僅同樣可以實現(xiàn)高分辨率寬幅成像，同時還能實現(xiàn)一些單基SAR無法做到的應用。例如，圖34為TerraSAR-X與TanDEM-X組成的星座方位雙通道系統(tǒng)對海面浮冰的成像結(jié)果，由于雙星獲取同一目標數(shù)據(jù)的時間間隔長達10 s，在這10 s中浮冰可能發(fā)生的旋轉(zhuǎn)運動引入一個方位變化的相位項，這會影響方位雙通道系統(tǒng)的頻譜重建效果。圖34右圖中浮冰的假目標仍然存在，且在真實目標和假目標上都出現(xiàn)橫條紋。這種現(xiàn)象一方面可視為該工作模式下的一個信號重建難題。另一方面，又為目標的運動指示提供了一種潛在的可能。See-Earth星座潛在的雙多基成像能力可進一步拓展應用方向，提供更加靈活的數(shù)據(jù)支撐。

圖34 TerraSAR-X/TanDEM-X雙基成像模式浮冰成像結(jié)果[53]Fig.34 The ice floe imaging results of TerraSAR-X/TanDEM-X dual-base imaging mode[53]

6.2 多角度二維洋流測量

傳統(tǒng)的二維洋流測速[54,55]采用兩顆衛(wèi)星的前后兩個波束分別獲取觀測區(qū)域的4幅圖像，波束分離后，單幅圖像的分辨率下降，且成像質(zhì)量大幅降低，直接影響干涉測量的精度。鑒于See-Earth星座單星出色的分辨率和幅寬組合，可以考慮增加單星多波束接收模式，相比原設(shè)計，減小觀測幅寬，提高PRF，利用單星實現(xiàn)多波束的數(shù)據(jù)獲取，而不再進行直接的波束分離，有望大幅度提升二維洋流測速的精度。

6.3 三維形變監(jiān)測

See-Earth星座利用高重訪能力每兩天即可獲取一次目標區(qū)域的觀測結(jié)果，為時序干涉處理提供了充足的數(shù)據(jù)源。但是，干涉處理的測量優(yōu)勢在于視線向變形，一般實際比較時會轉(zhuǎn)化為垂直方向的變形，由于極軌觀測中觀測角度的限制，對于東西向和南北向的形變測量精度較差。如果考慮調(diào)整See-Earth星座四顆星的布局方式，兩兩衛(wèi)星共面，形成差異化的軌道傾角組合，結(jié)合單星多波束接收模式，可從系統(tǒng)層面增加干涉數(shù)據(jù)的多樣性，將有可能為三維形變監(jiān)測帶來革命性的發(fā)展。

7 總結(jié)

在已有技術(shù)基礎(chǔ)上，See-Earth計劃持續(xù)加強技術(shù)創(chuàng)新，以實現(xiàn)指標設(shè)計的最優(yōu)化。通過發(fā)展我國自主創(chuàng)新的See-Earth衛(wèi)星系統(tǒng)，以獲取自主可控的高頻次、高性能廣域SAR圖像數(shù)據(jù)源，降低區(qū)域性風險，可極大推動我國空間技術(shù)、空間應用領(lǐng)域的發(fā)展，這無疑將會縮短我國在此研究領(lǐng)域與國際先進水平的差距，保障我國在基礎(chǔ)戰(zhàn)略性地理信息資源方面的優(yōu)勢地位，提高我國在空天遙感領(lǐng)域的話語權(quán)，為建設(shè)科技大國、擴大影響力提供重要支撐。