王 輝，付玉龍，李金亮

（1.上海市毫米波空天信息獲取及應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201109；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109；3.上海航天技術(shù)研究院毫米波成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201109）

0 引言

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一種主動微波遙感設(shè)備，它通過雷達(dá)平臺和目標(biāo)之間的相對運(yùn)動，在一定積累時間內(nèi)，將雷達(dá)在不同空間位置上接收的寬帶回波信號進(jìn)行相干處理得到目標(biāo)二維圖像。在距離向，SAR 通過發(fā)射寬帶線性調(diào)頻信號并進(jìn)行脈沖壓縮來提高分辨率；在方位向，SAR 利用目標(biāo)和雷達(dá)的相對運(yùn)動形成一個虛擬的合成孔徑來獲得高分辨率，通過在勻速直線運(yùn)動的平臺上以一定的脈沖重復(fù)頻率發(fā)射和接收脈沖信號，將回波信號進(jìn)行相干處理之后實(shí)現(xiàn)方位向高分辨率。由于SAR 不受天氣、氣候的影響，具備全天時、全天候的優(yōu)勢，其在軍事偵察、全球測繪、自然災(zāi)害防治等軍民領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

自1978 年第一顆SAR 衛(wèi)星SeaSAT 成功發(fā)射以來，星載SAR 技術(shù)受到了各國的高度重視，目前在軌的SAR 衛(wèi)星主要頻段已涵蓋L、C、X、Ku等。毫米波是處于微波和光波之間的電磁波，頻率范圍為30～300 GHz（波長1～10 mm），其中Ka波段（35 GHz）具有極佳的星載SAR 能力，為目前毫米波星載SAR 衛(wèi)星主要關(guān)注的大氣窗口頻段。與厘米波段相比，毫米波SAR 有如下優(yōu)點(diǎn)：帶寬可以更大、天線尺寸更小，更容易實(shí)現(xiàn)超高分辨率；具有類光學(xué)特性，目標(biāo)輪廓效應(yīng)更加清晰；對植被、雪、土壤等的穿透力較弱，更加適合數(shù)字表面模型的生成；在相同干涉測量精度下，毫米波干涉SAR（Interferometric SAR，InSAR）基線要短許多，更加適合單星多模式觀測；系統(tǒng)體積小、重量輕，更利于輕小型化SAR 衛(wèi)星的實(shí)現(xiàn)等。基于上述優(yōu)點(diǎn)，毫米波SAR 衛(wèi)星技術(shù)的研究與應(yīng)用已成為國內(nèi)外對地觀測的研究熱點(diǎn)。

本文以毫米波SAR 衛(wèi)星的發(fā)展為背景，首先分析了毫米波SAR 衛(wèi)星的特點(diǎn)，其次綜述了其發(fā)展現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步闡述了毫米波SAR 衛(wèi)星的主要應(yīng)用方向，并從連續(xù)波體制和脈沖體制兩個方面展望了毫米波SAR 衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 毫米波SAR 衛(wèi)星概述

1.1 毫米波SAR 衛(wèi)星特點(diǎn)

與低頻段的SAR 相比，毫米波SAR 具有如下特點(diǎn)：

1）可實(shí)現(xiàn)高分辨率。毫米波SAR 的工作頻率更高，系統(tǒng)可發(fā)射相對較大的帶寬信號，可獲得距離向高分辨率；毫米波SAR 工作波長更短，系統(tǒng)天線的實(shí)孔徑尺寸更小，可獲得方位向高分辨。

2）體積小、重量輕。毫米波波段天線及射頻模塊的尺寸遠(yuǎn)小于低波段，因此毫米波SAR 系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。

3）干涉基線短。毫米波波長短，因此在獲取相同的干涉測量精度時，毫米波InSAR 所需的基線比低頻段SAR 要小很多。

4）目標(biāo)輪廓效應(yīng)明顯。雷達(dá)工作頻段越高，目標(biāo)輪廓效應(yīng)就越明顯。在Ka 波段，目標(biāo)幾何外形的輪廓能產(chǎn)生更強(qiáng)的回波，有利于獲取清晰的目標(biāo)幾何特征。

5）穿透力較弱。毫米波對植被、雪、土壤等的穿透力較弱，更加適合觀測對象表面信息的提取，并形成觀測區(qū)域高精度數(shù)字表面模型。

6）姿態(tài)控制與測量精度要求高。毫米波較短的波長使得其天線波束寬度較窄，為了保證成像質(zhì)量，對波束指向精度提出了更高的要求。波束指向精度的保證，一方面取決于天線自身的波束指向；另一方面也依賴于衛(wèi)星平臺的姿態(tài)控制精度。特別是天線的方位向波束寬度，往往小于0.1°。從控制角度要滿足星載毫米波SAR 天線波束指向精度的要求極為困難，往往需要結(jié)合姿態(tài)測量信息在成像處理時進(jìn)行補(bǔ)償，對衛(wèi)星平臺的姿態(tài)測量精度提出了較高的要求。而應(yīng)用于干涉測繪時，毫米波較短的波長使得其對基線長度的需求較低，使得毫米波InSAR 具備實(shí)現(xiàn)單星高精度干涉的能力，是毫米波SAR 的一大優(yōu)勢。但是單星干涉測量，其基線傾角的確定在很大程度上取決于衛(wèi)星平臺的姿態(tài)確定精度，同樣對衛(wèi)星平臺的姿態(tài)確定能力提出了嚴(yán)苛的要求。

7）供配電能力要求高。星載毫米波SAR 較大的傳輸損耗，要求SAR 系統(tǒng)天線具有較高的功率孔徑積，即毫米波SAR 系統(tǒng)需要較高的發(fā)射功率；同時，毫米波頻段功放組件較低的效率，使得毫米波SAR 系統(tǒng)的功耗問題凸顯，功耗往往達(dá)到上萬瓦甚至更高。大功率的脈沖供電需求，給衛(wèi)星平臺供配電分系統(tǒng)的設(shè)計帶來了巨大挑戰(zhàn)。因此，滿足毫米波SAR 在軌的有效工作時長成為毫米波SAR 衛(wèi)星設(shè)計面臨的重要難題。

8）熱控要求高。一方面，星載毫米波SAR 較高的功耗和較低的功放組件發(fā)射效率，使得衛(wèi)星平臺供給的大量功率在SAR 天線工作時被轉(zhuǎn)化為熱耗，而及時排散發(fā)射天線大功率TR 組件和多通道電源組件工作時發(fā)出的熱量，并將TR 組件溫度一致性控制在指標(biāo)范圍內(nèi)，這對星載毫米波天線熱控提出了極高要求。同時，為了滿足幅寬覆蓋的要求，毫米波SAR 天線的距離向尺寸往往較小，不能給天線熱控提供足夠的散熱面，這就要求衛(wèi)星平臺在結(jié)構(gòu)布局設(shè)計時給SAR 天線留出足夠的散熱面空間。另一方面，毫米波頻段射頻電路幅相特性受溫度變化的影響非常大，因此衛(wèi)星平臺需要采取針對性熱控措施，將艙內(nèi)射頻單機(jī)的工作溫度控制在較小的溫度范圍內(nèi)，以保證其工作性能的穩(wěn)定。

9）載荷占比要求高。相比傳統(tǒng)頻段星載SAR，毫米波SAR 天線較小的尺寸使得毫米波SAR 衛(wèi)星具有較好的輕小化潛力。但是毫米波SAR 對衛(wèi)星平臺姿態(tài)、供配電、熱控等方面的高要求，又制約了整星小型化的實(shí)現(xiàn)。因此，為了充分開發(fā)毫米波SAR 衛(wèi)星的輕小化潛力，高載荷占比的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)是毫米波SAR 衛(wèi)星必須攻克的關(guān)鍵技術(shù)，從某種程度上來說也是決定毫米波SAR 衛(wèi)星成敗的核心因素之一。

1.2 毫米波SAR 衛(wèi)星發(fā)展概況

由于毫米波波段大氣衰減大于傳統(tǒng)低頻段，前期星載毫米波SAR 衛(wèi)星的發(fā)展受到了較多的限制。近年來，隨著大量毫米波SAR 技術(shù)研究的開展和相應(yīng)工藝水平的提高，星載毫米波SAR 衛(wèi)星技術(shù)開始進(jìn)入快速發(fā)展階段。

2003 年，美國洛克希德·馬丁公司首次提出了Ka 波段星載可重構(gòu)孔徑聚束SAR 的設(shè)計方案，如圖1 所示。該方案中衛(wèi)星軌道高度為700 km，采用8.51 m×2.90 m 的卡塞格倫天線，發(fā)射功率密度為25.5 W/m，饋源為高功率固態(tài)收發(fā)（Transmit/Receive，TR）陣列器件，每個TR 器件輸出功率為2～4 W，數(shù)據(jù)率為0.10～0.44 Gbit/s，入射角為 15°～70°，距離向和方位向設(shè)計分辨率都為1 m。

圖1 Ka 波段星載可重構(gòu)孔徑聚束SAR 系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of Ka-band reconfigurable SAR

2005 年，德宇航針對地球探索者計劃（EE8）提出了SIGNAL 系統(tǒng)（SAR for Ice Glacier and Global Dynamics）。SIGNAL 是一種創(chuàng)新的Ka 頻段SAR衛(wèi)星，軌道為750 km 太陽同步軌道，測高精度10 cm～1 m，測繪帶寬20 km，其主要目的是準(zhǔn)確測量冰川、冰蓋、極地變化、海拔、流速，為更好了解冰川盆地的水文以及為南北極水循環(huán)提供科學(xué)研究支撐，填補(bǔ)全球冰川的平衡和動力學(xué)數(shù)據(jù)庫的空白。該系統(tǒng)使用一對編隊飛行衛(wèi)星，獲得所需的長基線以實(shí)現(xiàn)高靈敏度和測量的穩(wěn)定性。

2006 年，加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室提出了“冰川和陸地冰面地形干涉儀”（Glacier and Land Ice Surface Topography Interferometer，GLISTIN）系統(tǒng)的論證方案，該系統(tǒng)是一個實(shí)現(xiàn)冰川和冰層表面測繪的新型單平臺InSAR，一顆星安裝兩部天線，干涉基線為8 m，如圖2 所示。該系統(tǒng)具有高空間分辨率、高垂直測量精度，并且不受云層覆蓋影響的特點(diǎn)。為解決寬測繪和高發(fā)射功率的限制，GLISTIN 采用數(shù)字波束合成技術(shù)（DBF）。GLISTIN 為天基系統(tǒng)中首次提出這樣的設(shè)計理念。通過論證，該系統(tǒng)在內(nèi)陸表面高程測量精度優(yōu)于10 cm，在沿海地區(qū)高程精度達(dá)到幾十厘米。該系統(tǒng)軌道高度大約為600 km，運(yùn)行于92°傾角非太陽同步軌道，地面測繪帶寬為70 km，其他主要參數(shù)見表1。

圖2 GLISTIN 系統(tǒng)Fig.2 Schematic diagram of GLISTIN system

表1 GLISTIN 系統(tǒng)參數(shù)表Tab.1 Parameters for GLISTIN system

2007 年，美國國家研究理事會發(fā)布了第一個有關(guān)地球科學(xué)和應(yīng)用的10 年空間觀測計劃——“地表水和海洋地形”（Surface Water and Ocean Topography，SWOT）衛(wèi)星，如圖3 所示。該星主要由NASA 與法國航天局（CNES）合作研制，其他參與方包括加拿大和英國航天局。項(xiàng)目人員已完成了SWOT 有效載荷模塊研制，目前正在與法國提供的衛(wèi)星平臺集成。SWOT 發(fā)射計劃一再推遲，預(yù)計2022 年12 月由SpaceX“獵鷹-9”火箭發(fā)射。SWOT 主載荷之一為Ka 波段的InSAR，其工作頻率35 GHz，信號帶寬200 MHz，可以實(shí)現(xiàn)0.75 m 的斜距分辨率和5 m 的地距分辨率。系統(tǒng)采用4 m×0.2 m 的相控陣天線，干涉基線長度為10 m，采用星下點(diǎn)雙測繪帶模式，同時對星下點(diǎn)兩側(cè)進(jìn)行觀測，每個測繪帶寬度為60 km，兩側(cè)共120 km，詳細(xì)參數(shù)見表2。SWOT 可實(shí)現(xiàn)海面的高精度和寬測繪帶測量，從而對海洋中小范圍的變化進(jìn)行研究，同時也可測量陸地水體高度，對陸地水體的儲存、流失導(dǎo)致的空間和時間分布進(jìn)行研究。

表2 SWOT 系統(tǒng)參數(shù)表［12-14］Tab.2 Parameters for SWOT system［12-14］

圖3 SWOT 系統(tǒng)Fig.3 Schematic diagram of SWOT system

2008 年，歐空局（European Space Agency，ESA）提出了基于掃描接收技術(shù)（Scan on Receive，SCORE）的Ka 波段星載SAR（Interferometric SAR，InSAR）的設(shè)計方案。鑒于系統(tǒng)組件在高頻段容易產(chǎn)生較大的損耗，因此在設(shè)計時采用收發(fā)分離的天線架構(gòu)：發(fā)射時選用高增益的反射面天線，接收時選用8 通道的相控陣天線，并采用基于DBF的掃描接收技術(shù)。采用這種系統(tǒng)架構(gòu)，能有效降低對發(fā)射功率的需求，采用掃描接收技術(shù)還能減小雨水后向散射對成像性能的干擾。

2010 年歐空局又進(jìn)行了Ka 波段SAR 單平臺高分辨率干涉的驗(yàn)證工作，用于獲取高精度數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，DSM），其中DSM 瞄準(zhǔn)HRTI-3 標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)采用單星雙天線一發(fā)兩收體制和DBF 掃描接收技術(shù)，如圖4 所示。該系統(tǒng)工作頻率為35.75 GHz，發(fā)射帶寬為300 MHz，發(fā)射天線尺寸為2 m×0.35 m 的，接收天線直徑為2.25 m，接收天線干涉基線為12 m，能夠獲得1 m×1 m 的分辨率，詳細(xì)參數(shù)見表3。

圖4 歐空局Ka InSARFig.4 Schematic diagram of ESA Ka InSAR

表3 歐空局Ka InSAR 參數(shù)表Tab.3 Parameters for ESA Ka InSAR

2012 年，意大利阿萊尼亞宇航公司（Alenia）提出一種在Ka 頻段工作的單星SAR 干涉儀，采用變異的雙基地方案設(shè)計滿足單星干涉測量需求，采用三根天線：其中一根只用于發(fā)射，安裝在衛(wèi)星本體；另外兩根接收天線安裝在吊桿頂端。通過天線的設(shè)計和部署，能夠?qū)崿F(xiàn)交軌干涉和順軌干涉的能力。系統(tǒng)示意圖如圖5 所示，系統(tǒng)詳細(xì)參數(shù)見表4。

圖5 阿萊尼亞宇航公司Ka InSARFig.5 Schematic diagram of Alenia Ka InSAR

表4 意大利阿萊尼亞航天公司Ka INSAR 參數(shù)表Tab.4 Parameters for Alenia Ka InSAR

2012 年，德宇航（Deutsches Zentrum für Luftund Raumfahrt，DLR）在歐空局提供基金的條件下，也對Ka 波段InSAR 系統(tǒng)進(jìn)行了研究并提出了設(shè)計方案，如圖6 所示。該方案中衛(wèi)星向兩側(cè)各伸出10 m 的天線支撐臂，2 個發(fā)射天線安裝在天線支撐臂末端，2 個接收天線則安裝在衛(wèi)星星體上，干涉基線長度約為10 m，2 個發(fā)射天線和2 個接收天線均為拋物面天線。該系統(tǒng)在方位向兩發(fā)兩收，采用DBF 技術(shù)，并在數(shù)據(jù)處理上采用多孔徑處理方法（Multi-aperture Processing Method，MAPS）降 低PRF，同時獲得寬測繪帶，距離向采用SCORE 技術(shù)獲得高增益。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以調(diào)整為4 個相位中心的結(jié)構(gòu)，以同時實(shí)現(xiàn)干涉和地面運(yùn)動目標(biāo)檢測技術(shù)（Ground Moving Target Indication，GMTI），系統(tǒng)詳細(xì)參數(shù)見表5。

圖6 德宇航Ka InSARFig.6 Schematic diagram of DLR Ka InSAR

表5 德宇航Ka InSAR 參數(shù)表Tab.5 Parameters for DLR Ka InSAR

2014 年，阿斯特里厄姆公司（Astrium GmbH）和德宇航在歐空局的支持下提出了一種9 通道MPAS Ka SAR 系統(tǒng)，可以同時實(shí)現(xiàn)干涉和GMTI，如圖7所示。雙偏置發(fā)射天線安裝在10 m展開臂末端，接收天線長13 m 由9 個單偏置天線模塊組成。軌道高度400～450 km，測高精度1.80～2.85 m，窄幅工作模式下距離向分辨率為2 m，測繪帶寬12 km，寬幅模式下距離向分辨率為5 m，測繪帶寬50 km。

圖7 阿斯特里厄姆公司Ka InSARFig.7 Schematic diagram of Astrium GmbH Ka InSAR

2016 年，德宇航提出了一種在Ka 波段中運(yùn)行的單通道跨軌道星載InSAR 方案，如圖8 所示。該單通道跨軌SAR 掃描波束側(cè)視角為25°，包含1副發(fā)射天線和2 副多功能接收天線（Multi-Function Antenna，MFA）。發(fā)射天線為饋源陣列位于為焦平面的單偏置反射面天線?；诿總€波束一個饋源的設(shè)計，以及利用放置在饋源陣列和2 kW 放大器之間的開關(guān)矩陣，該天線能夠生成8 個高程掃描波束。每副接收天線為饋源陣列，位于焦平面的偏置三反射面，以實(shí)現(xiàn)掃描接收操作。每個接收天線可產(chǎn)生56 個波束，每個波束由3 個相鄰饋源產(chǎn)生。接收天線位于可展開臂的尖端，展開后支撐臂與衛(wèi)星本體間的夾角為60°。

圖8 德宇航Ka 波段單通道跨軌道星載InSARFig.8 Schematic diagram of DLR Ka-band InSAR antenna farm

經(jīng)過10 多年的發(fā)展，星載毫米波SAR 技術(shù)已經(jīng)由單純的技術(shù)驗(yàn)證性質(zhì)的系統(tǒng)探索論證階段，發(fā)展到具有明確應(yīng)用和工程研制計劃的系統(tǒng)設(shè)計、研制階段。隨著天基毫米波遙感機(jī)理研究的不斷深入和各國相應(yīng)項(xiàng)目的不斷推進(jìn)，星載毫米波SAR 系統(tǒng)在不久的將來將很快加入到在軌星載SAR 衛(wèi)星的大家庭中。

2 毫米波SAR 衛(wèi)星應(yīng)用前景

2.1 冰雪探測

冰川、冰蓋、海冰和積雪是全球冰凍圈的重要組成部分，是氣候和生態(tài)環(huán)境變化的指示器。在經(jīng)濟(jì)全球化、區(qū)域一體化不斷深入發(fā)展的背景下，冰川、冰蓋和積雪探測在戰(zhàn)略、經(jīng)濟(jì)、科研、環(huán)保、航道、資源等方面的價值不斷提升，受到國際社會的普遍關(guān)注。海冰監(jiān)測有定點(diǎn)監(jiān)測、機(jī)載和船舶監(jiān)測、可見光遙感、近紅外遙感、遠(yuǎn)紅外遙感和微波衛(wèi)星遙感等技術(shù)手段，其中衛(wèi)星遙感因幅寬大、重訪周期短等技術(shù)優(yōu)勢成為海冰監(jiān)測的主要手段。可見光及近紅外遙感衛(wèi)星具有分辨率較高、直觀等特點(diǎn)，但其受日照、云霧、雨雪等天氣的影響較大，難以滿足全天時、全天候監(jiān)測需求。遠(yuǎn)紅外遙感衛(wèi)星通過獲得的熱紅外圖像溫度分布可明顯區(qū)分出海冰和海水，但其測量精度受雨雪風(fēng)云天氣及季節(jié)影響較大。積雪監(jiān)測方法主要有花桿法、自動氣象站超聲高度計測量法、地面微降雨雷達(dá)、云星載廓線雷達(dá)、激光雷達(dá)、微波遙感等。微波遙感具有全天時、全天候的工作能力，主要包括SAR、微波高度計、微波輻射計等，其中SAR 因其分辨率高、輪廓清晰、幅寬大等優(yōu)勢是未來冰雪探測發(fā)展的趨勢。相比于其他微波頻段，毫米波具有冰雪穿透能力小的優(yōu)點(diǎn)，可用于大氣-雪、大氣-冰、大氣-水界面高精度觀測；毫米波頻段高，實(shí)現(xiàn)厘米級測高和亞米級每秒測速所需接收天線基線長度在10 m 量級，具備單星多模式集約高效，具有避免重軌和分布式SAR 時間去相干的優(yōu)勢。通過毫米波SAR 圖像可實(shí)現(xiàn)冰雪測繪、海冰密集度測量、海冰分類，對極區(qū)人類活動、北極航道進(jìn)行觀測，保證極地科考、航行安全等。通過單星毫米波SAR 干涉測高可繪制冰雪覆蓋地區(qū)DSM 圖、海冰厚度圖、冰雪儲量變化圖等，推動極區(qū)、高原冰雪物質(zhì)平衡研究，提高冰雪變化預(yù)測精度，為冰雪與全球氣候變化等科學(xué)研究提供參考。通過單星毫米波SAR 干涉測速，可對冰川、冰蓋變化，極區(qū)洋流、極區(qū)渦流、海洋亞中尺度現(xiàn)象，陸地水資源評估等進(jìn)行動態(tài)觀測，為極區(qū)交通線路規(guī)劃、洪澇、海洋災(zāi)害預(yù)測等提供科學(xué)依據(jù)。

2.2 農(nóng)作物識別與分類

我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和消費(fèi)大國，及時掌握農(nóng)作物類型、分布、結(jié)構(gòu)、長勢等信息，是我國農(nóng)作物生產(chǎn)管理、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及糧食政策制定等的重要科學(xué)依據(jù)。國內(nèi)外學(xué)者利用光學(xué)遙感影像對不同時空尺度下的多種農(nóng)作物進(jìn)行了種類識別與長勢監(jiān)測研究。我國大部分農(nóng)作物生產(chǎn)地區(qū)長期受云霧覆蓋，光學(xué)遙感常常無法獲取完整的、連續(xù)的有效數(shù)據(jù)。SAR 全天時、全天候的監(jiān)測能力，能夠提供不同于光學(xué)遙感的信息。毫米波SAR 成像具有類光學(xué)、輪廓清晰、穿透性弱等特點(diǎn)，更容易反映不同農(nóng)作物的高度、冠層結(jié)構(gòu)、幾何特性信息，提高農(nóng)作識別與分類的精度。此外，毫米波SAR 圖像紋理特征清晰，可解決農(nóng)作物遙感監(jiān)測存在的“異物同譜”和“同物異譜”的現(xiàn)象，可為全天時農(nóng)作物精細(xì)化監(jiān)測提供科學(xué)支撐。

2.3 森林參數(shù)反演

森林是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中的最大碳存儲庫，全球地面生態(tài)系統(tǒng)的生物量90%都是由森林組成。準(zhǔn)確地掌握森林參數(shù)信息，對森林的科學(xué)管理、可持續(xù)性開發(fā)和利用具有非常重要的意義。對森林參數(shù)估測有多光譜、高光譜光學(xué)遙感，激光雷達(dá)和微波遙感等方法。多光譜、高光譜等光學(xué)遙感具有對森林的表層特征表現(xiàn)敏感、直觀的優(yōu)點(diǎn)，在葉面積指數(shù)、森林樹種等森林參數(shù)反演的應(yīng)用中，早期發(fā)揮了很大作用，但其穿透性較弱，不能夠獲取森林內(nèi)部信息。激光雷達(dá)具有森林垂直結(jié)構(gòu)信息獲取的能力，在樹高、森林生物量反演等方面起到了重要作用，但其受大氣、云霧及復(fù)雜地形的影響較大。SAR 依據(jù)雷達(dá)波與森林散射體后向散射系數(shù)進(jìn)行測量，更具有物理含義。目前長波L、P SAR 由于能夠獲取森林中下部及內(nèi)部信息，已被廣泛應(yīng)用到森林參數(shù)的估計中。研究表明，L 等波段獲取的森林冠層高程精度低于地面高程精度。精確測量森林不同樹木不同生長階段冠高、冠幅等生長結(jié)構(gòu)信息，對生物量估計、森林精準(zhǔn)培育等至關(guān)重要。利用毫米波對樹冠穿透性小、圖像輪廓清晰及紋理特征清晰的特點(diǎn)，可精確獲取森林冠層高程信息，繪制樹冠數(shù)字表面模型，在推動森林有效管理、森林報告、災(zāi)害預(yù)防等方面具有重要應(yīng)用價值。

3 毫米波SAR 衛(wèi)星發(fā)展趨勢

3.1 脈沖體制毫米波SAR 衛(wèi)星技術(shù)

脈沖體制SAR 由于收發(fā)同置的優(yōu)點(diǎn)，是目前星載SAR 應(yīng)用中的主要形式。本節(jié)基于毫米波SAR的特點(diǎn)，重點(diǎn)論述脈沖體制毫米波SAR 技術(shù)在面向干涉測量、視頻成像觀測、雙頻觀測、自適應(yīng)觀測等4 個方面的發(fā)展趨勢。

3.1.1 毫米波高精度InSAR 衛(wèi)星技術(shù)

毫米波高精度InSAR 衛(wèi)星主要用于極地綜合觀測、陸地水監(jiān)測、冰雪測繪等前沿任務(wù)，助力我國在高頻SAR 衛(wèi)星領(lǐng)域的發(fā)展，提升極地、洋流觀測綜合觀測能力，填補(bǔ)我國天基極區(qū)遙感高精度測繪手段空白，實(shí)現(xiàn)高緯度地區(qū)全天時全天候監(jiān)測。綜合考慮極區(qū)目標(biāo)穿透特性、觀測目標(biāo)后向散射特性等因素的影響，毫米波高精度InSAR 衛(wèi)星擇優(yōu)選取Ka 頻段。綜合考慮高精度干涉時Ka 基線需求、分布InSAR 系統(tǒng)的時間去相關(guān)性等因素，毫米波高精度InSAR 衛(wèi)星采用單星部署沿航跡、跨航跡多接收天線的多模式干涉方式，系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計見文獻(xiàn)［37］，衛(wèi)星示意如圖9 所示。

圖9 毫米波高精度InSAR 工作Fig.9 Operation schematic diagram of millimeter wave high-precision InSAR

衛(wèi)星軌道根據(jù)觀測需求、測量精度、幅寬等因素?fù)駜?yōu)選取，一般建議選擇極地軌道，以滿足極區(qū)冰雪、極地洋流等重點(diǎn)觀測區(qū)域需求。主載荷毫米波InSAR 采用單發(fā)射天線對星下點(diǎn)兩側(cè)交替掃描，實(shí)現(xiàn)觀測帶倍增；交軌向通過布置于星體垂直航跡兩側(cè)的天線形成空間基線對目標(biāo)區(qū)域測高；順軌向通過布置于星體航向前后的天線形成時間基線對目標(biāo)區(qū)域測速，詳見文獻(xiàn)［38］。交軌、順軌相位中心基線長度在十米量級，衛(wèi)星具備3 種工作模式：標(biāo)準(zhǔn)測高模式，可實(shí)現(xiàn)百公里幅寬下厘米級高精度測高；標(biāo)準(zhǔn)測速模式，可實(shí)現(xiàn)百公里幅寬下亞分米/秒的高精度測速精度；傳統(tǒng)高度計測高模式，可實(shí)現(xiàn)數(shù)十公里幅寬下厘米量級測高。

系統(tǒng)特點(diǎn)：1）多模式干涉?；贙a 頻段干涉基線短的優(yōu)勢，單星可實(shí)現(xiàn)成像、測速、測高。2）測繪帶寬大。相比于傳統(tǒng)高度計幾十公里的測繪帶寬，可實(shí)現(xiàn)百公里測繪，大大縮短覆蓋時間，并可實(shí)現(xiàn)海洋亞中尺度現(xiàn)象的觀測。3）高精度基線保持和測量?？蓪?shí)現(xiàn)毫米級基線展開精度及多自由度基線測量。

3.1.2 毫米波視頻SAR(VISAR)衛(wèi)星技術(shù)

在相同方位分辨率下，與低頻段相比，Ka 頻段波束較窄，所需要的合成孔徑時間短，具備高分辨率、高幀率視頻成像得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。毫米波VISAR 衛(wèi)星將毫米波SAR 技術(shù)與視頻技術(shù)相結(jié)合，主要用于熱點(diǎn)區(qū)域、運(yùn)動目標(biāo)的持續(xù)監(jiān)測和跟蹤，所獲得的視頻產(chǎn)品能夠直觀地反映出熱點(diǎn)地區(qū)運(yùn)動目標(biāo)位置、速度及運(yùn)動趨勢等動態(tài)信息，如圖10 所示。毫米波VISAR 通過天線的電掃描控制天線波束始終照射目標(biāo)區(qū)域，從而獲得對目標(biāo)區(qū)域的持續(xù)觀測能力；通過對大角度聚束模式下回波數(shù)據(jù)的合理分割，形成該場景的序貫圖像序列，經(jīng)過圖像處理后以視頻的形式再現(xiàn)目標(biāo)場景的信息。方位向采用偏置相位中心多波束技術(shù)降低PRF，距離向采用DBF-SCORE 技術(shù)提高接收增益，降低數(shù)據(jù)率，并采用陰影檢測方法實(shí)現(xiàn)動目標(biāo)監(jiān)測。毫米波VISAR 運(yùn)行于太陽同步軌道，衛(wèi)星主要工作模式為聚束模式，該模式下圖像分辨率可達(dá)亞米級，測速精度可達(dá)亞分米/秒，幀率優(yōu)于10 Hz 并且可調(diào)。

圖10 毫米波VISAR 工作Fig.10 Operation schematic diagram of millimeter wave VISAR

3.1.3 毫米波雙頻SAR(DSAR)衛(wèi)星技術(shù)

傳統(tǒng)波段（L、C、X）SAR 圖像存在判讀效果不佳、細(xì)節(jié)描述能力不強(qiáng)的問題，毫米波DSAR 衛(wèi)星技術(shù)旨在通過單平臺多源信息融合的理念，利用毫米波特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高效率、精準(zhǔn)化觀測，如Ka+L 雙頻（如圖11 所示）、Ka+X 雙頻等，圖11 中給出了一種Ka+L 雙頻SAR 工作示意圖，利用毫米波穿透性小、輪廓及紋理特征清晰的特點(diǎn)，可以彌補(bǔ)L 頻段樹冠高程精度低等問題，通過雙頻段數(shù)據(jù)融合可提高森林參數(shù)反演、農(nóng)作物識別的精細(xì)化。圖11 中毫米波DSAR 衛(wèi)星運(yùn)行在太陽同步軌道，工作在雙頻融合模式下，Ka 帶寬內(nèi)雙頻共同測繪覆蓋，進(jìn)一步對共同目標(biāo)區(qū)域雙頻數(shù)據(jù)融合，可實(shí)現(xiàn)高效率、精細(xì)化觀測；Ka 頻段和L 頻段也靈活組合以實(shí)現(xiàn)多種工作模式，如可在距離向通過測繪帶寬拼接實(shí)現(xiàn)幅寬擴(kuò)大模式觀測等。

圖11 毫米波DSAR 工作Fig.11 Operation schematic diagram of millimeter wave DSAR

3.1.4 毫米波ZSAR 衛(wèi)星技術(shù)

傳統(tǒng)SAR 在系統(tǒng)設(shè)計和信號處理中通常基于一定的假設(shè)開展，如信號衰減特性、雜波分布等采用已知或者先驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橹笇?dǎo)，信號處理中假設(shè)外界環(huán)境在空間上均勻、時間上平穩(wěn)等，且系統(tǒng)發(fā)射信號為固定形式，通過接收端自適應(yīng)處理及濾波算法設(shè)計來提高性能，為開環(huán)系統(tǒng)。面對復(fù)雜環(huán)境、多背景環(huán)境，傳統(tǒng)SAR 緊靠開環(huán)系統(tǒng)難以取得滿意的效果。毫米波自適應(yīng)SAR（ZSAR）衛(wèi)星系統(tǒng)是一種實(shí)現(xiàn)發(fā)射—環(huán)境—接收的全自適應(yīng)閉合環(huán)路系統(tǒng)，如圖12 所示。

圖12 毫米波ZSAR 工作Fig.12 Operation schematic diagram of millimeter wave ZSAR

星載毫米波ZSAR 系統(tǒng)的典型工作模式為：1）采用大幅寬工作模式實(shí)時成像，獲取大范圍場景信息；2）結(jié)合先驗(yàn)信息進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域、目標(biāo)識別；3）針對重點(diǎn)區(qū)域、目標(biāo)類型優(yōu)化工作模式、系統(tǒng)參數(shù)，其中Ka 頻段合成孔徑時間短、散射特性豐富，易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時成像和實(shí)時檢測，數(shù)據(jù)庫可在軌實(shí)時更新。

3.2 調(diào)頻連續(xù)波毫米波SAR 衛(wèi)星技術(shù)

調(diào)頻連續(xù)波毫米波SAR 是調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW）技術(shù)與毫米波SAR 技術(shù)的結(jié)合。與傳統(tǒng)脈沖體制SAR 相比，F(xiàn)MCW 毫米波SAR 采用去斜率接收方式，僅需很低的距離向采樣頻率即可記錄下回波信號，極大降低了A/D 采樣及處理設(shè)備的性能要求；FMCW 毫米波SAR 具有很大的時寬帶寬積，其峰值發(fā)射功率比相同平均功率脈沖雷達(dá)的峰值發(fā)射功率大大降低，采用固態(tài)放大器就可滿足要求。因此，F(xiàn)MCW 毫米波SAR 可以做到結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本低。尤其是在星載條件下，小型化系統(tǒng)將有助于減少對平臺空間和負(fù)荷的需求，有利于提高平臺機(jī)動性、靈活性和續(xù)航能力，具備廣闊的發(fā)展前景。

FMCW 毫米波SAR 衛(wèi)星作為一種創(chuàng)新性技術(shù)體制，既可用于開展傳統(tǒng)空間遙感應(yīng)用，又可滿足未來一段時期軍民各領(lǐng)域多類型、多維度、多方向的應(yīng)用需求。鑒于FMCW 毫米波SAR 衛(wèi)星同時具有低成本、規(guī)模小、可快速構(gòu)建的特點(diǎn)，可通過多種具有創(chuàng)新性的編隊形式，實(shí)現(xiàn)在不同應(yīng)用領(lǐng)域滿足多類型的需求。

3.2.1 輕小型毫米波SAR 衛(wèi)星技術(shù)

輕小型毫米波SAR 衛(wèi)星是一項(xiàng)高度創(chuàng)新的衛(wèi)星應(yīng)用方案，其充分考慮星載模式下收發(fā)信號功率、信噪比以及收發(fā)天線之間的隔離，系統(tǒng)采用雙星平臺。輕小型毫米波SAR 主要應(yīng)用于對地觀測，系統(tǒng)如圖13 所示。發(fā)射天線和接收天線分別安裝在2 個小衛(wèi)星平臺上。發(fā)射星和接收星組成飛行編隊，發(fā)射星向觀測區(qū)發(fā)射Ka 波段信號，接收星接收回波信號。衛(wèi)星軌道高度可根據(jù)需要觀測的對地幅寬和觀測分辨率進(jìn)行適當(dāng)選取，一般建議選擇太陽同步軌道，雙星系統(tǒng)星間距離主要依據(jù)發(fā)射星信號功率對接收星回波接收能力的影響開展分析，一般在幾十公里。與傳統(tǒng)的FMCW SAR 不同，系統(tǒng)發(fā)射信號采用高占空比。衛(wèi)星系統(tǒng)采用雙星編隊時，工作模式更加靈活，可根據(jù)不同的用戶需求選擇條帶模式、聚束模式、滑動聚束模式等。衛(wèi)星系統(tǒng)詳細(xì)方案及關(guān)鍵技術(shù)見文獻(xiàn)［41］。

圖13 輕小型毫米波SAR 衛(wèi)星系統(tǒng)Fig.13 Schematic diagram of light and small millimeter wave SAR satellite system

輕小型毫米波SAR 衛(wèi)星系統(tǒng)特點(diǎn)：1）收發(fā)分置SAR 成像系統(tǒng)。為了能夠在時序上實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號與回波信號的隔離，在SAR 衛(wèi)星采用FMCW 技術(shù)對地實(shí)施成像任務(wù)時，通過將發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)分置于不同衛(wèi)星平臺實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號與回波信號的隔離，可以實(shí)現(xiàn)近100%的占空比，從而大大減少T 組件數(shù)量，有利于部署在小衛(wèi)星平臺實(shí)現(xiàn)。2）編隊飛行設(shè)計。系統(tǒng)內(nèi)的兩顆衛(wèi)星軌道參數(shù)基本相同，僅雙星相位存在較小差異，在軌飛行時雙星前后跟隨飛行，可以通過多種在軌編隊完成各類任務(wù)應(yīng)用，包括雙星跟飛編隊、螺旋編隊等。3）星間高精度同步與測量?？?、時、頻、相四同步技術(shù)。4）實(shí)時成像。衛(wèi)星通過星載實(shí)時數(shù)據(jù)處理完成遙感業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的在軌實(shí)時處理，衛(wèi)星可隨時向地面提供最新的數(shù)據(jù)信息產(chǎn)品。5）高擴(kuò)展能力。借助輕小型毫米波SAR 衛(wèi)星的研究基礎(chǔ)，使用多顆衛(wèi)星形成不同長度組合的基線，多星系統(tǒng)具備以高分辨率和短重復(fù)周期實(shí)施各類遙感任務(wù)的能力。

3.2.2 多基線毫米波InSAR 衛(wèi)星技術(shù)

InSAR 的相位解纏是InSAR 面對的另一個難題，多基線InSAR 相位解纏技術(shù)不需要滿足相位梯度小于等于π 的假設(shè)，具有良好的相位解纏繞能力，其系統(tǒng)設(shè)計及數(shù)據(jù)處理近年來逐漸受到廣泛關(guān)注。通過對輕小型毫米波SAR 衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行拓展，按照特定的軌道編隊構(gòu)型采用一發(fā)多收的方式，可實(shí)現(xiàn)多基線交軌干涉，如圖14 所示。

圖14 多基線毫米波InSAR 衛(wèi)星系統(tǒng)Fig.14 Schematic diagram of multi-baseline millimeter wave InSAR satellite system

圖14 中，多基線毫米波InSAR 系統(tǒng)由1 顆發(fā)射星4 顆接收星構(gòu)成，共形成4 個相位中心，如圖15 所示，構(gòu)成了3 條交軌基線。為保證基線傾角盡可能為0°，衛(wèi)星編隊采用側(cè)擺形構(gòu)型，選定其中1 顆接收星為基準(zhǔn)，保證其與發(fā)射星的軌道傾角、軌道半長軸、偏心率、近地點(diǎn)幅角、升交點(diǎn)赤經(jīng)都相同，只修改其平近點(diǎn)角，使得兩星順軌向距離在約10 km 的范圍之內(nèi)；對3 顆接收星設(shè)計不同的升交點(diǎn)赤經(jīng)，使得衛(wèi)星拉開交軌向距離，使其滿足交軌向基線要求，并通過小幅度修改3 顆接收星的平近點(diǎn)角，使其拉開順軌向距離。在多基線交軌干涉模式下，可實(shí)現(xiàn)厘米級測高精度。

圖15 多基線毫米波In SAR 系統(tǒng)基線Fig.15 Schematic diagram of multi-baseline millimeter wave InSAR system baseline

3.2.3 多基線毫米波GMTI InSAR 衛(wèi)星技術(shù)

GMTI 在軍事偵察、農(nóng)業(yè)勘探、地質(zhì)勘探、災(zāi)害防治等軍民領(lǐng)域具有重要的意義。多基線毫米波GMTI InSAR 衛(wèi)星可解決單基線衛(wèi)星盲速、最小可檢測速度與最大模糊速度不可兼得等問題，且具有較平坦的速度響應(yīng)速度，越來越受到人們的重視。利用輕小型毫米波SAR 衛(wèi)星系統(tǒng)高擴(kuò)展性，按照特定的軌道編隊構(gòu)型采用一發(fā)多收的方式，可實(shí)現(xiàn)多基線毫米波GMTI，如圖16 所示。

圖16 多基線毫米波GMTI SAR 衛(wèi)星系統(tǒng)Fig.16 Schematic diagram of multi-baseline millimeter wave GMTI SAR satellite system

圖16 中，多基線毫米波GMTI InSAR 衛(wèi)星系統(tǒng)由1 顆發(fā)射星3 顆接收星構(gòu)成，共構(gòu)成了3 條順軌基線。整個衛(wèi)星系統(tǒng)采用串行編隊，所有發(fā)射星與接收星的軌道傾角、軌道半長軸、偏心率、近地點(diǎn)俯角、升交點(diǎn)赤經(jīng)都相同，對三顆接收星設(shè)計不同的平近點(diǎn)角，使得衛(wèi)星拉開順軌向距離。在多基線順軌干涉模式下，可實(shí)現(xiàn)亞米級/秒測速精度。

3.2.4 毫米波高分寬幅SAR 衛(wèi)星技術(shù)

高分寬幅（High Resolution Wide Swath，HRWS）測繪是SAR 系統(tǒng)發(fā)展的趨勢之一。一方面，寬測繪帶寬可以獲取更大觀測區(qū)域信息，幫助快速了解區(qū)域宏觀信息，縮短重訪周期等；另一方面，高分辨率可以獲取觀測區(qū)域更多的細(xì)節(jié)信息，提高目標(biāo)圖像識別的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)SAR 系統(tǒng)由于天線面積的制約，高分辨率和寬測繪帶寬不可兼得?；谳p小型毫米波SAR 體積小、重量輕、成本低的優(yōu)點(diǎn)，通過多組衛(wèi)星編隊飛行，便可解決這一矛盾，如圖17 所示。圖17 中，毫米波高分寬幅SAR 衛(wèi)星系統(tǒng)由4 組輕小型毫米波SAR 衛(wèi)星組成，整個系統(tǒng)采用串行編隊，所有發(fā)射星與接收星的軌道傾角、軌道半長軸、偏心率、近地點(diǎn)幅角、升交點(diǎn)赤經(jīng)都相同，只修改每顆衛(wèi)星的平近點(diǎn)角，使其拉開順軌向距離，組內(nèi)星間距離約為10 km，多組衛(wèi)星距離向觀測帶寬拼接便可實(shí)現(xiàn)百公里級高分寬幅測繪。

圖17 毫米波HRWS SAR 衛(wèi)星系統(tǒng)工作Fig.17 Operation schematic diagram of millimeter wave HRWS SAR satellite system

4 結(jié)束語

經(jīng)過20 多年的發(fā)展，L、C、X、Ku 等多種頻段SAR 已在全球測繪、災(zāi)害防治、資源勘探等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與低頻段相比，毫米波SAR 因其獨(dú)特的特點(diǎn)，在測繪、冰雪監(jiān)測、農(nóng)作物分類、森林參數(shù)反演等軍民領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。相信隨著毫米波技術(shù)的發(fā)展，毫米波SAR 衛(wèi)星必將對地觀測帶入一個超高分辨率、高精度、寬帶測繪、多模式系統(tǒng)工作的新時代。