國外SAR衛星最新進展與趨勢展望

陳筠力,李 威

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

國外SAR衛星最新進展與趨勢展望

陳筠力1,李 威2

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

為推進我國合成孔徑雷達(SAR)衛星的發展并與國際接軌，介紹了德國TanDEM-X系統、意大利Cosmo-SkyMed星座、日本ALOS-2衛星、歐空局Sentinel-1星座等國外目前典型在軌SAR衛星的系統特點、任務現狀、數據產品和典型應用，給出了農業變化檢測、超高精度地表高程數據、聯合航天飛機雷達地形測繪任務(SRTM)數據研究冰原地區長時間變化、海冰提取與速度估計、CLOSEYE項目、災害快速響應與監測、超大區域地表微小形變監測、建筑物高程測量等應用實例。分析了國際上CSG星座、NISAR衛星、TanDEM-L系統和RadarSAT星座等下一代系統的組成、工作模式和主要目標。展望了未來SAR衛星系統的低成本、輕型化、多模式、分布式、高分辨發展趨勢。

合成孔徑雷達衛星； TanDEM-X系統； Cosmo-SkyMed星座； ALOS-2衛星； Sentinel-1星座； CSG星座； NISAR衛星； TanDEM-L系統； RadarSAT星座

0 引言

與常規脈沖多普勒雷達系統不同，SAR衛星采用微波有源探測(發射/接收)方式，通過距離向脈沖壓縮和方位向合成孔徑技術，可穿透云、雨、霧、沙塵暴等，具備全天候、全天時工作能力，能實現對地高分寬幅成像、干涉測高、地表微小形變監測等，是常年多云雨地區最有效的數據獲取方式。有別于光學遙感，SAR衛星可獲取觀測區域的復影像，即同時包含強度信息和相位信息。通過合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)技術，可提取雷達復影像數據的相位信息反演地形和地表微小變化信息。這些特性，使SAR衛星在國土資源、地質、地震、防災減災、農業、林業、水文、測繪與軍事等領域有獨特的應用價值，受到各國政府和科研機構重視，并得到了迅猛發展。

自1978年世界上第一顆SAR衛星(美國Seasat衛星)發射成功以來，原蘇聯、歐空局、日本、加拿大等都成功發射了各自的SAR衛星。21世紀以來，SAR衛星已成為空間對地觀測發展的“熱點”，相繼有多顆SAR衛星成功發射并投入使用，如ENVISAT，RadarSAT-2，ALOS等衛星，將分辨率由早期的20 m提升到米級，由單極化觀測擴展到全極化業務化綜合應用，工作模式由單波位條帶升級到聚束、條帶、寬幅等多模式復合觀測，從而進一步提升了空間對地觀測能力。近年來，SAR衛星正向多波段、多級化、多模式、高空間分辨率和高重訪率的方向快速發展，其中出現了德國TanDEM-X系統、意大利Cosmo-SkyMed星座、日本ALOS-2衛星、歐空局Sentinel-1星座等優秀的雷達衛星系統。國內，隨著HJ-1C，GF-3等SAR衛星的成功發射，標志著我國進入了SAR衛星發展的快車道。對國外SAR衛星的最新進展和趨勢進行分析，研究未來SAR衛星的發展趨勢，可為我國未來SAR衛星的發展提供參考。本文分析了德國TanDEM-X系統、意大利Cosmo-SkyMed星座、日本ALOS-2衛星、歐空局Sentinel-1星座的系統特點、任務現狀、數據產品、典型應用等最新進展，介紹了國際上正在積極部署的NISAR，TanDEM-L，CSG等下一代SAR衛星系統，并聚焦未來，提出未來SAR衛星的可能發展方向，以及SAR衛星發展中的關鍵技術和研究重點，為我國該領域的快速發展提供支撐。

1 國外SAR衛星系統最新進展

依據美國憂思科學家聯盟(Union of Concerned Scientists)發布的數據，截至2016年6月，在軌運行的1 419顆衛星中有33顆為SAR衛星，其中的絕大多數集中于LEO軌道。目前主要的在軌衛星如圖1所示。其中，有廣泛商業應用的衛星為德國TerraSAR-X/TanDEM-X系統共2顆衛星、意大利Cosmo-SkyMed星座共4顆衛星、日本ALOS-2衛星共1顆衛星、歐空局Sentinel-1星座共2顆衛星。

1.1 德國TanDEM-X系統

TanDEM-X系統，由兩顆基本相同的SAR衛星組成。雙星以近距(120～500 m)繞飛形式獲取12 m網格間距、相對高程精度2 m的全球數字高程模型(DEM)[1-17]。DEM原始觀測數據的獲取已于2014年完成，預計于2016年秋完成全球DEM數據處理，最終的DEM數據空區極少。隨后，系統利用雙星繞飛特性，開展大量科學應用演示驗證。系統后續將用于選定區域的更高精度DEM生成及未來的科學試驗項目。

1.1.1 系統特點

TanDEM-X衛星僅在TerraSAR-X衛星基礎上進行了很小的改進。雙星通過靈活配合，可實現順軌干涉、切軌干涉、乒乓發射等多種工作模式。雙星設計壽命均為5.5年。基于目前使用情況，雙星可聯合工作至2018年，單星壽命可延長至2020年。

系統以Helix構形進行安全的近軌編隊飛行。通過設置不同偏心率和近地點幅角獲得面內微小偏移量，通過設置不同升交點赤徑獲得面外微小偏移量，進而實現沿航向和垂直航向的空間基線。其中垂直航向基線變化范圍為120 m～10 km，沿航向基線變化范圍為零到數百公里，具體長度可根據測量要求進行精確調整。

雙星使用同一個地面站。該站最初用于TerraSAR-X衛星，后為TanDEM-X衛星進行了擴展升級。

1.1.2 任務現狀

2010年12月～2014年，系統用于獲取地表高程數據，該階段只進行了極少數的科學數據獲取。

其中：2010年12月～2012年1月，系統完成全球首次覆蓋；2012年1月～2013年3月，系統完成第二次全球覆蓋；2013年8月，通過改變Helix構形，以相反的觀測幾何對山區進行觀測。對沙漠等低信噪比區域，系統采用低視角觀測。隨后系統恢復初始構形，以更長基線對南極州進行觀測。整個觀測階段于2014年中完成。2014年下半年及2015年主要是科學應用階段，該階段系統工作在追逐和雙站模式。科學階段時間表見表1。由于系統運行良好，后續將用于生成更高精度的數據，預期網格間距6 m，相對高程精度優于1 m。此階段也會開展大量科學應用試驗，涉及洋流測量、新SAR技術的演示應用，重點關注多基SAR、極化干涉SAR、數字波束形成和甚高分辨率。

配套地面系統于2013年底完成定標，開始生成1°場景19 000景。整個地面系統可進行持續的性能監控和狀態確認，甚至可為后續觀測計劃提供反饋，以獲取額外的觀測數據。

1.1.3 數據產品

該系統的首要目標是連續大面積獲取高精度全球DEM數據，高程精度見表2。該數據精度較已有的全球尺度的DEM數據提升了30余倍， SRTM DEM和TanDEM-X DEM對比如圖2所示。目前，除南極州和小島外，其余陸地表面的高精度DEM均已生成。

通過將系統獲取的DEM數據與ICESat衛星的定標點進行對比，所得TanDEM-X系統DEM數據絕對高程精度全球分布如圖3所示?？芍^對高程精度約1.3 m，遠高于10 m的系統指標要求。對相對高程精度來說，主要誤差源為系統的隨機誤差，可通過系統相干性和相位誤差進行解算，TanDEM-X系統DEM數據相對高程精度全球分布的計算結果如圖4所示。可知全部DEM數據中，98.5%滿足平地2 m、山地4 m的相對高程指標。指標超差地區多為茂密森林和冰雪覆蓋區域。此外，對沙漠地區，可采用更低入射角以獲取高信噪比。

表1 科學階段時間表

圖2 SRTM DEM和TanDEM-X DEM對比Fig.2 Comparison between SRTM DEM and TanDEM-X DEM

圖3 TanDEM-X系統DEM數據絕對高程精度全球分布Fig.3 TanDEM-X DEM absolute height accuracy global distribution

參數說明指標絕對高程精度全球90%線性誤差優于10m相對高程精度1°網格90%線性點對點誤差優于2m(坡度小于20%)優于4m(坡度大于20%)

圖4 TanDEM-X系統DEM數據相對高程精度全球分布Fig.4 TanDEM-X DEM relative height accuracy global distribution

1.1.4 典型應用

系統的首要任務是獲取全球地表高程數據，順軌干涉(如洋流監測)是次要任務。系統也支持SAR新技術的演示應用，如多基地SAR、極化干涉SAR、數字波數形成和超分辨等。為滿足更多的科學應用，建成了TanDEM-X科學服務系統，用于將科學家的數據請求轉為系統的觀測任務，并將其編入系統數據獲取規劃。目前科學應用研究主要集中于切軌干涉、順軌干涉和新的SAR技術三個方面。

a)基于時間序列的長基線雙極化數據實現農業變化監測

農作物的變化檢測，需要系統具備更高的測高靈敏度(約5～10 m)，這恰可通過增加系統基線長度實現。2015年5月～9月，德宇航局(DLR)開展了基于玉米、油菜和小麥的變化檢測試驗，不同時間獲得的作物相對2015年5月25日的高程變化如圖5所示。圖5中：黃色為玉米；藍色為油菜；紅色為小麥。

試驗結果表明：通過拉長系統基線，可增大系統對地表高程的靈敏度，進而實現對地表農作物的微小變化檢測。同樣，系統也可應用類似的技術，實現對森林變化的檢測。

b)利用長基線干涉獲取超高精度地表高程數據

潮坪是幾近平坦的沿海區，交替被潮水淹沒或露出水面，含有多種未固結沉淀物，該區域很難進行實地測量?？紤]潮坪坡度和高程變化均較小(試驗區坡度小于1°，高程變化小于5 m)，較適于長基線干涉獲取連續大范圍高精度DEM數據。Yawol數據處理結果如圖6所示，其高程模糊3.9 m。圖6中：紅點對應GPS位置。將生成的DEM與GPS觀測值比較，兩者均方根誤差優于0.5 m。這表明：用長基線干涉觀測小坡度、高程平緩地區可有效提高地表高程測量精度。

圖5 不同時間試驗區的農作物地圖高程變化Fig.5 Crop map of selected area respected to acquisition on May 25, 2015

圖6 Yawol去平影像Fig.6 Flattened image of Yawol

c)聯合SRTM數據研究冰原地區長時間變化

冰原與地表水循環及海平面關系重大，受限于冰原的變化極為緩慢，因此需針對樣本開展多年甚至數十年的數據累積研究。SRTM于2000年首次獲取地表高程數據，時隔14年后，TANDEM-X系統再次對全球進行地表高程測量，通過數據對比分析，可有效了解地表冰原近十余年的變化。對巴塔哥尼亞冰原北部，應用了5組TANDEM-X系統升軌數據，所得對比結果如圖7所示。由圖7可知：觀測區冰原消融非常明顯，尤其是在冰原邊緣地區，冰原逐年收縮，即使在冰原中心區域每年的平均消融量也有0.6 m。

圖7 2000～2014年觀測區的高程變化速率Fig.7 Elevation change rate of NPI forobservation period 2000～2014

d)應用混合基線實現海冰提取與速度估計

海冰約占全球海洋面積的10%，極大影響人類的海上活動，如遠洋捕撈、貿易運輸、石油開采等，因此需對海冰識別及其速度估計進行研究。由于海水與海冰的相干性差異，海水相干系數小于0.4，海冰相干系數大于0.6，可實現海冰與海水的分離。海冰識別結果如圖8所示。圖8中：青色為陸地；藍色為海水；白色為海冰。由于系統數據獲取時的基線是包含順軌和切軌長度的混合基線，通過先驗信息(海冰高程及X波段穿透能力)可有效分離干涉高程相位，進而對順軌基線信息處理以獲得海洋的運動速度估計，結果如圖9所示。

1.2 意大利Cosmo-SkyMed星座

Cosmo-SkyMed(Constellation of small satellites for mediterranean basin observation)星座由意大利主導，實施對地觀測[18-25]。作為軍民兩用的衛星星座，該系統通過協作、擴展、多傳感器及多年的運行經驗，充分滿足了軍民兩方面的應用需求，提供的產品和服務廣泛用于全球環境監測、科學及商業目的與國家安全等戰略應用。該系統運行至今已有5年時間。

1.2.1 系統特點

系統于2007年6月～2010年11月逐步實施，建設時間表和狀態見表3。系統由4顆中等大小低軌SAR衛星組成，軌道高度約620 km，在常規條件下衛星間距90°相位，均勻分布在軌道面上，可實現1天2次對同一地區的觀測。系統工作于X波段，于2011年5月進入全系統工作模式。

基于雙用戶概念考慮，系統資源75%提供民用，25%提供軍用。民用領域包括科研機構和商業應用兩部分。意大利宇航局為科研機構提供技術和運營管理，e-Geos公司負責系統的商業化運營。

圖8 海冰識別結果

圖9 海冰地速估計結果Fig.9 Estimated ground range velocity of sea ice

衛星發射時間計劃壽命預計壽命首發星PFM2007-06-082014-062016-06-07第二顆星FM#22007-12-092014-122016-12-08第三顆星FM#32008-10-252015-102016-10第四顆星FM#42010-11-062017-112017-11

1.2.2 任務現狀

為更好地迎合用戶并提供持續不斷的數據，系統在軌進行了如下改進。

a)亞米級分辨率

系統設計了新的聚束模式，其中SPOT-1A為軍用，SPOT-2A為民用，分辨率提升至到亞米級。

b)系統響應時間縮短為12 h

系統可為民用用戶提供1天2次的對地觀測服務。

c)民用能力開發

系統空間段標稱每天可獲取1 800景(每顆衛星聚束75景+條帶375景或掃描150景)，目前地面系統具備數據當天下傳能力。

目前，意宇航局正在研制2顆第二代星與目前在軌4星組成二代6星系統。相應的地面系統也在升級論證過程中。

1.2.3 數據產品

系統具備條帶、聚束和掃描三種工作模式，聚束模式用于高分辨率中等幅寬，條帶模式用于中等分辨率大幅寬，掃描模式用于低分辨率超大幅寬。不同模式的分辨率、幅寬見表4。

表4 系統傳感器工作模式

根據2015年12月的統計，74%的用戶選擇條帶-HIMAGE模式，4%的用戶選擇STR-PINGPONG模式，12%的用戶選擇SCN_HUGE模式，4%的用戶選擇SCN_WIDE模式，6%的用戶選擇SP_ENHANCED。多數用戶選擇條帶-HIMAGE模式的原因是其較均衡的分辨率和帶寬及干涉能力。

1.2.4 典型應用

系統主要任務是實現對用戶需求的快速響應，如農業、林業監測，船只監測，海洋監視，滑坡監測，極地研究，快速測繪制圖，文化遺產觀測，戰略監視等。

a)CLOSEYE項目

CLOSEYE項目旨在為歐洲提供一個安全可靠的外部周邊地區快速態勢感知和應急響應能力。項

目由西班牙發起，參與國包括葡萄牙和意大利，重點關注區域為地中海和奧爾堡海域。Cosmo-SkyMed星座參與了項目的演示驗證。在2015年11月16日～20日，為海軍提供了大量圖片，為海軍艦船檢測提供了數據基礎，保障了項目的演示效果。

b)災害快速響應

2015年4月尼泊爾地震，意宇航局在震后4 d得到圖像。通過干涉相干變化檢測生成災區受損地圖，用于災情評估和災后重建。尼泊爾應用干涉相干變化檢測生成的災害分布圖如圖10所示。

2014年8月美加州地震，意宇航局在震后3 d得到并提供圖像，同天相關研究機構生成同震形變圖，用于災情評估和救援指導。

2013年11月海燕超強臺風登陸菲律賓，造成巨大損失。意宇航局與美宇航局合作，利用2013年8月19日～11月11日的圖像，進行干涉相干變化檢測，提取受災區域以指導救災和災后重建。

c)超大區域地表微小形變監測

通過對意大利全境進行永久散射體SAR干涉(PS-InSAR)監測，驗證基于SAR衛星開展全球尺度下地表微小形變監測的可行性。項目采用了1992～2014年間ERS，Envisat，Cosmo-SkyMed多星數據約20 000景，其中ERS，ENVISAT衛星數據約15 000景，Cosmo-SkyMed星座數據約5 000景，處理結果如圖11～12所示。通過比較分析，Sentinel-1星座更適于全球大范圍日常觀測，而Cosmo-SkyMed等高分辨系統更適于局部區域的重點觀測。

圖10 尼泊爾應用干涉相干變化檢測生成的災害分布圖Fig.10 Nepal damage proxy map derived from temporal changes in interferometric SAR coherence

圖11 用2011～2014年間Cosmo-SkyMed星座數據生成的地表形變監測結果Fig.11 Surface deformation measurements obtained by PS SAR interferometryprocessing of Cosmo-SkyMed data acquired from 2011 to 2014

圖12 用1992～2000年間ERS數據及2003～2010年間ENVISAT數據生成的地表形變監測結果Fig.12 Italy’s surface deformation measurements by PS SAR interferometry processing of ERS dataacquired from 1992 to 2000 and ENVISAT data acquired from 2003 to 2010

1.3 日本ALOS-2衛星

ALOS-2(Advanced Land Observing Satellite-2)衛星于2014年5月24日成功發射，星上搭載國際先進水平的L波段四極化相控陣天線(PALSAR-2)，將分辨率由PALSAR天線的10 m提升至3 m[26-38]。經在軌測試與定標，ALOS-2衛星標準數據產品于2015年11月通過網站對外發布。ALOS-2衛星已支持了全球范圍內多起由地震、滑坡、臺風等引起的災害應急響應。衛星設計壽命5年，目標7年。

1.3.1 系統特點

為實現3 m分辨率，ALOS-2衛星幾乎使用了國際電聯配給L波段用于對地主動觀測的全部帶寬。為實現更高的系統靈敏度，首次在星上使用氮化鎵放大器驅動的TR組件。載荷短期功率大于6 000 W。PALSAR-2天線安裝于衛星對地面，通過衛星平臺機動實現左右側視功能。衛星采用X波段對地傳輸數據(速率800 Mb/s)。PALSAR-2天線通過精確軌道控制，實現500 m管道半徑內的嚴格回歸，用于提升重軌干涉相干性。為實現大區域重軌干涉，PALSAR-2天線配備了干涉掃描模式。為實現災害的快速響應，系統回歸周期為14 d。

1.3.2 任務現狀

為實現災后的應急響應，通過基本觀測場景(BOS)規劃，ALOS-2衛星在日本規劃了數種入射角條件下的數據產品用于干涉對的快速生成。目前已累積的基礎數據如圖13所示，左側視的觀測還未累積完成。全球范圍內10 m分辨率雙極化基礎數據的獲取正在進行中。

圖13 基于3 m分辨率的日本已獲取基礎數據覆蓋圖Fig.13 Coverage of acquired data for Japan basemap with 3 m resolution mode

1.3.3 數據產品

系統具備條帶、聚束和掃描三種工作模式。聚束模式分辨率1 m×3 m，觀測帶寬度25 km；條帶模式分辨率3/6/10 m，觀測帶寬度50～70 km；掃描模式60/100 m，觀測帶寬度350/490 km。系統具備單極化、雙極化和四極化功能。

1.3.4 典型應用

ALOS-2衛星的一項重要應用是實現災害觀測，得益于L波段在植被地區的高相干性，至2015年底，ALOS-2衛星已在全球范圍內實現應急響應173次，涉及地震、火山、洪水滑坡等多災種。

a)基于差分干涉的火山噴發形變監測

日本是火山多發國，Sakurajima島火山噴發形變監測結果如圖14所示。數據采用二軌法差分干涉處理，兩景數據獲取時間為2015年8月16日和2015年1月4日。圖14中可清晰看到由于火山噴發導致的巨大形變。

圖14 Sakurajima島差分干涉處理結果Fig.14 Result of differential interferometry overSakurajima island

b)基于干涉相干的洪水受災區域估計

由于連日暴雨，Kinugawa河的洪水沖跨了堤岸，導致沿河大面積區域受災，ALOS-2衛星通過連續觀測，生成基于時間序列的變化檢測結果，用于指導災區救援。用ALOS-2衛星在2015年9月10日獲取得到的數據結合基礎數據生成的變化檢測結果如圖15所示。圖15中：藍色表示后向散射下降區域，即洪水覆蓋區域。

圖15 2015年9月10日數據成生的Joso市偽彩色圖像Fig.15 Color composite image using data before andafter flooding around Joso city on Sept. 10,2015

c)基于四極化分類的農業監測

利用四極化數據進行極化分解，可實現地物分類。Niigata農業區極化分解結果如圖16所示，偽彩圖像中：藍色表示存在面散射的裸露地表或莊稼；綠色表示存在體散射的植被區；紅色表示引起了兩次反射的人工建筑；黑色表示平坦區域。類似地，可用該法對森林采伐進行監測，進而實現對全球森林保有量及變化的估計。

1.4 歐空局Sentinel-1星座

Sentinel-1星座隸屬于歐空局對地觀測計劃(EOP)，由Sentinel-1A，Sentinel-1B兩顆衛星組成。其中：Sentinel-1A衛星于2014年4月3日成功發射，在軌測試至2014年9月；Sentinel-1B衛星于2016年4月25日成功發射，在軌測試4個月。系統單星回歸周期為12 d，雙星均勻分布在同一軌道面上，使系統回歸周期縮短為6 d[39-48]。

1.4.1 系統特點

Sentinel-1星座在ERS，ENVISAT衛星基礎上進行了大量改進，如改進的波模式、改進的多普勒估計、更系統的雙極化和全新的TOPSAR工作模式?？紤]重軌干涉應用，衛星通過精密軌道控制可實現200 m直徑管道內的嚴格回歸。

圖16 位于Niigata的農業區Fig.16 Agricultural field in Niigata

1.4.2 任務現狀

作為哥白尼全球對地觀測項目研制的首顆衛星，Sentinel-1星座采用預編程、無沖突的運行模式，開展全球陸地、海岸帶、航線的高分辨率監測，可實現全球海洋的大區域覆蓋，也為同一地區的長時間序列等各種運營應用提供數據支持。與其它衛星運營模式不同，通過The Sentinel-1 Scientific Data Hub(https://scihub.esa.int)網站可免費獲取該衛星Level-0，Level-1級存檔數據。

1.4.3 數據產品

衛星配置了條帶模式、廣域干涉模式、超幅寬模式和波模式四種模式。其中：廣域干涉模式采用改進的TOPSAR技術，在實現廣域觀測的同時保證多幅圖像間的干涉質量，是干涉向連續大范圍區域觀測邁出的重要一步；波模式用于海洋參數獲取。各工作模式數據產品指標見表5。

1.4.4 典型應用

Sentinel-1星座充分延續了ERS，ENVISAT衛星的在軌職能，主要用于陸地和海洋對地觀測，由于采用C波段數據，非常適于水體特征提取。歐空局為方便全球科學家使用Sentinel-1星座數據，在提供免費數據的同時，開發了免費的工具箱用于數據處理。

表5 系統傳感器工作模式數據產品指標

a)基于PS-InSAR的地表變化監測

基于廣域干涉模式的長時間序列分析，可實現連續大范圍地表微小形變監測，地下水開采和土壤固結是城市區域地面沉降的重要原因。墨西哥城的觀測結果如圖17所示，該城市每月的地表沉降約2 cm。

圖17 墨西哥城形變圖Fig.17 Deformation map over Mexico City

b)基于層析的建筑物高程測量

層析成像采用切軌基線上的時間序列采樣，實現地表高度維的分辨能力?；谠摲椒ǖ奶幚斫Y果如圖18所示。圖18中：墨西哥城的最高建筑——市長大樓清晰分辨，從而證明Sentinel-1星座具備一定條件下的層析成像能力。

圖18 Sentinel-1對高225 m的市長大樓的層析成像結果Fig.18 Sentinel-1 tomogram of height 225 m Torre Mayor

2 國外SAR衛星系統計劃與趨勢展望

2.1 意大利Cosmo-SkyMed Second Generation星座

繼2010年意大利完成Cosmo-SkyMed星座4星在軌運行后，意大利宇航局和意大利國防部聯合啟動了Cosmo-SkyMed Second Generation(CSG)衛星的研制計劃，用于增強現有星座的功能和性能。二代星新增全極化觀測能力及多種試驗模式，見表6。表6中，CE為圓誤差。如DI2S技術，通過復用脈沖重復周期，實現對兩景圖像的同時成像，基于聚束模式的兩景成像如圖19所示；通過增強衛星平臺的靈活性，在左右側視的基礎上，實現星載斜視成像。二代星計劃2顆，發射后入軌后將與一代4顆星組成6星星座——CSG星座[49-54]。

圖19 基于DI2S技術的聚束模式多景成像示例Fig.19 DI2S spotlight multi-swath mode examples

工作模式極化范圍幅寬(方位′垂直)分辨率(方位′垂直)噪聲等效散射系數定位聚束2A單/雙20°～25°目標3.1km′7.3km0.35m′0.55m目標-23.5dB25°～50°目標3.2km′7.3km0.35m′0.51m目標-22.5dB50°～60°目標4.4km′7.3km0.35m′0.48m目標-20dB1.25m(90%CE)聚束2B單/雙20°～60°10km′10km0.63m′0.63m目標-20dB1.25m(90%CE)聚束2C單/雙20°～25°25°～50°50°～60°目標5km′10km0.8m′0.8m目標-22dB目標-20dB目標-19dB1.25m(90%CE)條帶單/雙20°～50°40km′40km50°～60°40km′30km3m′3m-22dB2m(90%CE)Ping-Pong雙/四20°～50°目標40km′40km50°～60°目標40km′30km目標12m′5m目標-24dB10m(3s)條帶四極化四20°～45°40km′15km3m′3m目標-25dB2m(90%CE)掃描SAR1單/雙20°～60°100km′100km20m′4m-22dB10m(3s)掃描SAR2單/雙20°～50°200km′200km50°～60°200km′190km40m′5m-22dB10m(3s)

2.2 美國NISAR衛星

NASA-ISRO SAR(NISAR)衛星是由美宇航局(NASA)和印度空間研究組織(ISRO)共同研發的基于L，S雙波段SAR的天基對地觀測系統[55]。系統采用反射面天線實現較大的觀測帶寬度。NASA研制L/S波段電子設備結構、L波段電子設備、12 m反射面和支架、含固存(>9 Tb)的雷達接口設備、高速Ka波段數傳、GPS接收機；ISRO研制衛星平臺、運載火箭、S波段電子設備、備份高速Ka波段數傳。目前工程處于樣機研制階段。

NISAR衛星計劃于2020年發射，衛星設計壽命3年。衛星采用高度740 km的12 d嚴格回歸太陽同步晨昏軌道。衛星每年回歸周期30個，其中25個用于右側視成像，剩余5個設計在南半球冬季，用于對南極洲進行觀測。L，S波段雷達既可獨立也可聯合工作。為增加系統的觀測帶寬度，載荷采用了SweepSAR技術，用于實現240 km的觀測帶寬度，距離向3～10 m、方位向7 m分辨率對地成像。

這是美國在民用領域繼1978年發射首顆SAR衛星后，第二次組織發射雷達衛星，受到了全球科研機構的廣泛關注。

2.3 德國TanDEM-L系統

TanDEM-L系統由兩顆近軌繞飛的L波段SAR衛星組成，如圖20所示，用于測量全球的地表變化，為生物圈、巖石圈、低溫層和水圈等科學研究提供觀測數據。該系統的一項重要目標是對全球的森林生物量進行測量，以期更好地了解全球碳循環過程[56-57]。此外，系統還能實現毫米級的地表形變測量，用于研究地震及分析風險、觀察極地冰河的移動及消融過程、測量土壤淺層含水量、觀測海表動力學及冰川移動。

圖20 TanDEM-L衛星系統Fig.20 TanDEM-L satellite system

該系統衛星軌道高度745 km，回歸周期16 d。為實現重軌干涉，軌道管道直徑設為500 m(3σ)。在一個回歸周期內，可實現單極化、雙極化左右側視共4次全球覆蓋。為實現海量數據的高速下傳，衛星配備Ka波段2.6 Gb/s數據下傳能力，與地面接收站可實現每天8 Tb的數傳能力。

系統搭載先進的L波段SAR載荷，可實現多種分辨率條件下的廣域觀測，見表7。系統的等效噪聲系數優于-25 dB；模糊度單/雙極化優于-25 dB，四極化優于-22 dB。為實現高分寬幅，系統采用距離向數字波束形成，按回波時序，通過電掃調節距離向接收波束接收雷達回波信號。

目前衛星已完成A階段設計，正在開展B1階段研究，預計于2017年中期完成。衛星系統計劃于2022年末發射。

2.4 加拿大RadarSAT星座

目前加拿大正在研制RadarSAT星座，計劃于2018年發射，用于接替2007年發射的RadarSAT-2衛星。星座設計由3顆C波段小衛星組成，單星質量1 560 kg，均勻分布在高度600 km的同一軌道面上，可實現4 d的嚴格回歸，用于基于相干性的變化檢測技術[58]。此外，系統可實現每天全球50 m分辨率的重復觀測。對地面站可視范圍內的艦船檢測，系統可在10 min內完成數據獲取與對地傳輸。

表7 TanDEM-L衛星系統數據產品

除SAR載荷外，衛星還搭載自動檢測系統(AIS)。SAR載荷具備三種觀測模式：聚束模式可實現1 m分辨率；條帶模式可實現3/5 m分辨率；掃描模式可實現16～100 m分辨率。系統具備雙極化、四極化及減縮極化模式。

2.5 發展趨勢展望

國際上，SAR衛星系統已進入高速發展階段，除美國、加拿大、德國、日本等傳統強國外，越來越多的國家和地區已開始進入該領域，如印度與美國合作的NISAR、韓國的KOMPSAT 5/6等項目[59-62]。此外，新模式新技術不斷涌現，這在傳統強國研發下一代SAR衛星系統中體現得尤為明顯。因SAR衛星可穿透云、雨、霧、沙塵暴等，具備全天候、全天時工作能力，故在未來相當長時間內必將保持強勁的發展勢頭。

在衛星系統方面，各國發展的衛星均有其獨有特色，除波段不同外，衛星或編隊繞飛，或在軌組網，或干涉，或極化，或多頻，充分呈現出多樣性。

在在軌任務與使用方面，除應急響應各星均優先保證外，各星的使用規劃也呈現出明顯的差異性，如TanDEM-X系統用于地表高程測量，Cosmo-SkyMed星座軍民共用，ALOS-2衛星科學陸地及生物量變化觀測，Sentinel-1星座科學觀測及數據免費發布等，使各系統在軌實現了較好的增強補充效果。

在數據產品方面，除Sentinel-1星座等主要廣域觀測的系統外，均在高分辨率對地觀測方面逐漸加強，全極化基本實現了普及，用于地表微小形變測量的差分干涉模式，已具備了業務化應用的條件，因此近年發射的衛星及后續規劃的衛星均充分考慮了該模式的應用。

在數據應用方面，除傳統的單幅圖像應用，發展方向是數據集，如多極化圖像、多幅圖像的時間序列分析等。應用領域也圍繞陸地、海洋、森林等方向進行深層次應用與業務化探索。可見在不遠的將來，SAR衛星數據將與氣象衛星數據一樣，成為國民經濟與建設領域不可或缺的重要支撐。

著眼未來發展，SAR衛星后續可能的發展方向包括：多頻、多極化、多角度雷達衛星探測技術；分布式雷達衛星系統技術；高輻射分辨率雷達衛星技術，以強化SAR衛星在多領域的應用。

3 結束語

本文介紹了目前國際典型SAR衛星系統：德國TanDEM-X系統、意大利Cosmo-SkyMed星座、日本ALOS-2衛星、歐空局Sentinel-1星座，對各自特點、發展現狀、數據格式和應用等進行了介紹和歸納。在后續衛星發展方面，分析了NISAR，TanDEM-L，CSG，RadarSAT等典型系統或計劃。SAR衛星的發展方向將是多模式、多功能、低成本、輕型化，并通過與人類生活越來緊密的結合，實現持續的高速發展。

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Recent Advances and Trends of SAR Satellites in Foreign Countries

CHEN Jun-li1, LI Wei2

(1. Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China；2. Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China)

In order to advance our country’s SAR satellite and connect with the international practice, the system characteristic, present status, products and applications of current international typical SAR satellites were introduced in this paper, which were Germany TanDEM-X system, Italy Cosmo-SkyMed constellation, Japan ALOS-2 satellite and European Space Agency Sentinel-1 constellation. Some typical applications were given, which were agricultural detection, ultrahigh accuracy land surface elevation data, long time change of ice field united with shuttle radar topography mission (SRTM), sea ice extraction and ground velocity estimation, collaborative evaluation of border surveillance technologies in maritime environment by pre-operational validation of innovative solutions (CLOSEYE), disaster fast response and monitoring, super-area ground surface small deformation monitoring, and building height measurement. The Cosmo-SkyMed Second Generation (CSG) constellation; NISAR satellite; TanDEM-L system; RadarSAT constellation which were the next generation international SAR system were introduced. The composition, mode and main mission of these future systems were presented. It is proposed that the SAR satellite is bound to develop in the direction of low cost, lightweight, multi mode, distributed and high resolution.

Synthetic aperture radar (SAR) satellite; TanDEM-X System; Cosmo-SkyMed Mission; ALOS-2 satellite; Senttinel-1 constellation; Cosmo-SkyMed Second Generation (CGS) constellation; NISAR satellite; TanDEM-L system; RadarSAT constellation

1006-1630(2016)06-0001-19

2016-11-10；

2016-11-25

陳筠力(1971—)，男，研究員，遙感六號、十三號、十七號，天繪二號等多型衛星總設計師，入選2014年國家百千萬人才工程有突出貢獻中青年專家，主要從事衛星總體設計和衛星測試工作。

V474

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2016.06.001