雷達衛(wèi)星遙感的遙感應用新技術研究

周卿

摘 要：雷達衛(wèi)星技術發(fā)展基于雷達的基本原理和技術，由于雷達衛(wèi)星有全天候?qū)Φ赜^測的能力且數(shù)據(jù)可用性挖掘能力強，成為遙感技術發(fā)展的熱點和重點。為了能夠增強對地觀測性能和成像性能，發(fā)展了SAR和InSAR雷達衛(wèi)星，通過SAR衛(wèi)星影像可以快速構建高精度的DEM，通過InSAR衛(wèi)星影像可以對地表形變和地震后的山體滑坡進行偵測和分析。同時，SAR/InSAR衛(wèi)星影像還可以應用于自然災害監(jiān)測、水資源分析、林業(yè)和農(nóng)業(yè)估產(chǎn)保護等，有著巨大的應用推廣潛力。

關鍵詞：SAR InSAR 極化 DEM

中圖分類號：TP701 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）02（b）-0003-06

目前，隨著航空航天技術和計算機技術的不斷發(fā)展，衛(wèi)星遙感技術也得到了巨大發(fā)展，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在各個部門和領域的應用非常廣泛。但是，傳統(tǒng)光學遙感受到云層干擾很大，極大限制了衛(wèi)星遙感獲取地面信息的能力，因此，不受天氣影響的雷達衛(wèi)星遙感逐漸成為遙感研究的熱點。相對于傳統(tǒng)的光學衛(wèi)星遙感，雷達衛(wèi)星遙感不受云層遮擋限制，具有全天候?qū)Φ赜^測的能力。除此之外，由于合成孔徑干涉雷達可以快速生成數(shù)字高程模型（DEM），同時雷達衛(wèi)星對水體、植物和冰川等地物的反射波有差異，因此，可以通過雷達遙感影像對地物進行分析。源于以上因素，從20世紀末開始，世界各國都大力發(fā)展雷達衛(wèi)星遙感技術。目前歐美日等很多國家擁有民用或軍民兩用雷達遙感衛(wèi)星，主要衛(wèi)星包括加拿大的Envisat衛(wèi)星、德國的TerraX衛(wèi)星、意大利的Cosmo-SkyMed衛(wèi)星、日本的ALOS衛(wèi)星等，我國在2016年8月也發(fā)射了我國第一顆高分辨率雷達衛(wèi)星——高分三號。

1 雷達衛(wèi)星遙感基本理論

1.1 雷達工作原理

雷達的英文RADAR是由Radio Detection And Ranging（無線電偵測與測區(qū)）的縮寫。雷達工作原理是由電磁脈沖源系統(tǒng)發(fā)出電磁波脈沖，并偵測脈沖反射信號，通過發(fā)出和接收信號的時間、方位角以及電磁波強弱等信息計算目標物的距離、方位、大小和密度等特性。雷達自20世紀20年代誕生以來，在軍事領域得到了廣泛應用。二戰(zhàn)結(jié)束后，雷達開始應用于非軍事用途，如氣象預報、環(huán)境監(jiān)測、探礦和大地測量等。

雷達的波段屬于電磁波中的微波波段，雷達根據(jù)用途不同采用不同的波段和頻率，而不同雷達的觀測分辨率和清晰度不同。根據(jù)微波探測基本理論，雷達波長越小，其頻率越高，觀測分辨率越高。雷達微波在電磁波中的位置段以及波長與頻率的關系如圖1所示。

雷達根據(jù)電磁波接收方式劃分，可以分為主動式雷達和被動式雷達。

主動式雷達系統(tǒng)在電磁波源發(fā)射電磁波，碰到目標物后反射或散射，再被可接收各個方向的接受雷達端接收，利用不同路徑的雷達信號對目標物的參數(shù)進行計算。主動雷達系統(tǒng)的信號發(fā)送與接收的雷達一般是同一部雷達，在特殊情況下可以是兩部雷達。

被動式雷達系統(tǒng)只接收電磁波信號，由于空間中存在大量的電磁波信號，遇到目標物后會進行散射，其中一些電磁波會散射到被動雷達接收源，而接收雷達通過從不同的接收器接收的信號中或同一接收器在不同時間接收到的信號來估測目標的參數(shù)。一般情況下通過Bistatic方法比較反射信號與原來發(fā)射信號的差異可以計算所需的參數(shù)，如距離、方位、速度等，也可以通過Monostatic方法利用反射或折射信號直接估算各項參數(shù)。

目前所有遙感衛(wèi)星的星載雷達都是主動式雷達。

1.2 雷達衛(wèi)星遙感

雷達衛(wèi)星遙感即將雷達安裝到運行于地球太空軌道上的衛(wèi)星上，實現(xiàn)對地球的觀測。目前最常見的雷達遙感衛(wèi)星是合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，簡稱SAR）衛(wèi)星。SAR衛(wèi)星可以充分使用地物的電磁波反射特性對地物目標進行偵測，通過地物的電磁波反射特性與電磁波頻率、極化以及入射角的關系進行對地觀測，可以獲得被偵測目標地物各種豐富的信息，如材料、密度、水含量和結(jié)構可靠性等。在雷達衛(wèi)星遙感技術誕生后，隨著干涉技術的SAR衛(wèi)星和聚束SAR技術發(fā)展，雷達衛(wèi)星功能越來越強大，用途越來越廣泛。因此，各主要國家在大力發(fā)展SAR衛(wèi)星遙感的同時，也在發(fā)展遙感衛(wèi)星編隊組網(wǎng)以及衛(wèi)星星座，編隊飛行可以實現(xiàn)立體成像功能，衛(wèi)星組成的飛行編隊，可以連續(xù)對某個區(qū)域進行多景重疊成像，從而實現(xiàn)該區(qū)域的立體建模。

2 SAR/InSAR衛(wèi)星與數(shù)據(jù)處理方法

2.1 合成孔徑雷達遙感

合成孔徑雷達衛(wèi)星是目前衛(wèi)星遙感的主流，合成孔徑雷達是多個雷達孔徑或天線組成的多電波源雷達系統(tǒng)。雷達和人眼都是通過電磁波的傳輸來觀測目標物，雷達波段理論上是波段越小看到的影像越清晰，因此，雷達需要很長的天線才能發(fā)出所需的微波。目前大型的微波雷達天線達數(shù)公里，因此，傳統(tǒng)雷達無法實現(xiàn)機載和星載，為了解決機載和星載高分辨率雷達的問題，采用多個雷達孔徑同步或者異步觀測，可以獲得多個小波段的雷達成像。因此，從雷達衛(wèi)星一般都采用合成孔徑雷達作為傳感器。

合成孔徑雷達的操作原理復雜，但是可以通過實例說明基本作業(yè)原理。假設一搭載SAR衛(wèi)星，SAR的觀測方向與衛(wèi)星軌道垂直，如圖2所示。SAR直接產(chǎn)生二維空間影像，即range（行方位）維和azimuth（極方位）維，SAR影像所顯示的則是其視角方向的相對距離與位置，視角方向是衛(wèi)星電磁波傳輸與目標物的方向夾角。SAR衛(wèi)星的電磁波Range維方向解析度由測量電磁波脈沖發(fā)射天線與接收天線的接收時間決定。

Azimuth維與Range維垂直。與光學傳感器不同，azimuth維的方位解析度可以與range維不同，azimuth解析度依賴于雷達天線的寬度，越大的雷達天線可以使目標物的對焦更加清晰，進而使azimuth維方向的解析度更高。與傳統(tǒng)光學遙感傳感器類似，越大的孔徑獲得的影像質(zhì)量越佳。但是SAR所使用的頻率遠低于可見光，因此，如要提高SAR影像的成像品質(zhì)，需要更長的雷達天線。但是無論是飛機還是衛(wèi)星，其攜帶的雷達大小都是一定的。因此，為了解決該問題，雷達傳感器可以改裝成基于多普勒效應的多個小型天線以獲得高分辨率遙感影像，即SAR傳感器。SAR一次搭載了多個發(fā)射器，在飛行途中每個發(fā)射器都會發(fā)射出不同的電磁脈沖，再依照接收到電磁波脈沖的多普勒位移，經(jīng)過處理可以提高成像品質(zhì)，但也需要考慮地球自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的頻率位置誤差，經(jīng)過計算機增強后，可以將azimuth維方向的解析度提高3個數(shù)量級。

2.2 SAR影像幾何失真與糾正

在衛(wèi)星雷達遙感成像中，被偵測地物目標的方位在衛(wèi)星按飛行平臺的時間序列進行成像，距離方向上是按照地物目標反射信息記錄順序成像，在高程上，即使微小變化，都可能引起較大范圍的圖像扭曲，我們將這些微小變化的產(chǎn)生因素稱為誘導因子，從目前衛(wèi)星雷達遙感的經(jīng)驗上看，目前最主要的誘導因子包括電磁波透視收縮、地物疊蓋和陰影。

同時為了獲得更大的偵測范圍，SAR衛(wèi)星一般采用側(cè)視發(fā)射和接收電磁波的方式，這種方式獲得的影像與正常影像有差異，這種差異稱為幾何失真。由于入射角不同，所以斜距不同，導致雷達斜距圖像上的近距離壓縮，就是圖像失真，如圖3所示。圖中的山區(qū)部分，在迎向雷達區(qū)域會有縮短現(xiàn)象，而在背向雷達的區(qū)域會有變長現(xiàn)象。

以上原因?qū)е铝薙AR影像各種失真，對于雷達遙感的幾何失真，可以采用地距的顯示方式進行消除，即DEM疊加影像獲得實際距離，糾正SAR圖像。

圖4為廣西柳州市紅花水電站地區(qū)的ERS-2衛(wèi)星SAR遙感影像，可以發(fā)現(xiàn)東邊（右邊）山區(qū)較白的區(qū)域較短，西邊（左邊）較深的區(qū)域較長，這是前波縮短和后波拉長造成的，由此可見衛(wèi)星軌道是自西向東。

2.3 合成孔徑干涉雷達

合成孔徑雷達就是讓合成孔徑雷達做干涉運動。SAR影像通常包含了距離與相位資訊，InSAR利用相位的信號得到空間信息。在對地形進行分析的過程中，可以挑選兩張在不同時間拍攝的SAR影像并假設在拍攝時間段地表沒有發(fā)生變化，若對兩張影像進行干涉，則可以得到相對高程值，其原理類似于立體相對。通過這種方法，可以獲得數(shù)字高程模型，即DEM數(shù)據(jù)。利用該方法獲得的DEM數(shù)據(jù)，其分辨率更高，但是目前要解決的主要問題是無地面像控點的數(shù)據(jù)校正處理，一般采用高精度軌道實現(xiàn)數(shù)據(jù)高精度校正和立體成像。

圖5為DEM處理流程，圖6為通過SAR數(shù)據(jù)處理獲得的DEM數(shù)據(jù)。

如果在兩種SAR影像采樣過程中，地表有變動，則獲取的高程數(shù)據(jù)將包括實際高度與變形，為了得到變形量，需要將高度數(shù)據(jù)去除。

2.4 差分合成孔徑干涉雷達

在合成孔徑干涉雷達的數(shù)據(jù)中，將高度數(shù)據(jù)從合成孔徑干涉雷達影像中去除，再通過另一景相同位置的SAR數(shù)據(jù)獲取相對高程，稱為差分合成孔徑干涉雷達。這類方法按照軌跡數(shù)可以分為雙軌跡法、三軌跡法和四軌跡法。雙軌跡法是利用現(xiàn)有的數(shù)字高程模型（DEM）來減去高度數(shù)據(jù)，該方法的缺點是如果干涉影像的采樣時間與數(shù)字高程模型的采樣時間點內(nèi)地表有大的變動，則該方法不能使用；三軌跡法是再使用一景SAR影像，與原相對的主影像作干涉，然后減去原干涉相對，這種方法可以得到研究時間范圍內(nèi)的全部動量，精度較高；四軌跡法是采用4張SAR影像，制作成兩對干涉相對，將兩相對進行差分，可以得到兩相對間的地表變形量。如果觀察地區(qū)有異常地物形變，還需要對非正常形變進行過濾。

2005年的影像（ERS影像）與2008年汶川地震后的影像（ERS影像）干涉后，再減去當?shù)馗怕訢EM（GDEM數(shù)據(jù)）的結(jié)果，即雙線法。該處變形指對于衛(wèi)星視角方向的變形。

2.5 SAR/InSAR極化

當雷達發(fā)射電極上有凈電流通過的時候，電極電位顯著地偏離了未通過凈電流的起始電位值，這種現(xiàn)象叫極化。極化是底電磁波的偏振方式，可分為線極化、橢圓極化、圓極化。在線極化中，根據(jù)電場矢量方向隨時間變化，又分為兩個方向的極化，即水平極化（H極化）和垂直極化（V極化）。水平極化指電磁波的電場矢量與入射面垂直，垂直極化指電磁波的電場矢量與入射面平行。雷達極化是指雷達發(fā)射的電波和接收的回波的極化狀態(tài)，線極化是目前雷達衛(wèi)星遙感最常見的極化方式。在雷達遙感中，由于在傳播過程中電波與媒質(zhì)相互作用，電波與目標相互作用，導致波在傳播過程中極化狀態(tài)改變，這些改變都反映了媒質(zhì)和目標的信息，因此，通過研究回波的極化狀態(tài)可以提取有用信息。

根據(jù)極化理論，改變雷達發(fā)射天線的方向就可以改變電磁波的極化方式。

如果發(fā)射的是水平極化方式的電磁波，與地物表面發(fā)生作用后會使電磁波極化方向產(chǎn)生不同程度的旋轉(zhuǎn)，形成水平和垂直兩個分量，用不同極化方式的天線接收，形成HH和HV兩種極化方式的圖像。若雷達發(fā)射的是垂直極化方式的電磁波，同理，會產(chǎn)生VV和VH兩種極化方式的圖像。

多極化SAR通過測量地面每個分辨單元內(nèi)的散射回波，進而獲得極化散射矩陣以及Stokes矩陣。極化散射矩陣具有將目標散射的能量特性，為更加深入地研究地物目標提供了重要的依據(jù)，使SAR遙感對目標的信息獲取能力極大增強。

極化干涉SAR是極化SAR與干涉SAR的結(jié)合，利用了相干性和干涉相位觀測量隨極化變化的特性，使干涉SAR觀測量實現(xiàn)目標高程獲取，又具有極化SAR對不同散射機理的分辨能力，同時使SAR遙感的SAR干涉獲取數(shù)據(jù)具備提取地物參數(shù)的能力，實現(xiàn)對森林、巖石、水體和裸地等目標進行識別的能力。

3 結(jié)語

SAR/InSAR衛(wèi)星有著特殊優(yōu)點，因此目前主要應用于軍事偵察、地質(zhì)和地震研究等。同時，由于雷達衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的普及時間較短，現(xiàn)在仍然不斷挖掘其應用潛力。主要包括對水體水質(zhì)的探測分析、洪水預警分析和災后損失分析、山體滑坡分析和預警、森林保護和估產(chǎn)、城市變遷等。雷達衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)光學影像數(shù)據(jù)更加具有應用挖掘潛力。但是，目前雷達衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)處理技術未完全成熟，未來隨著計算機技術的不斷進步和算法的不斷優(yōu)化，相信雷達衛(wèi)星遙感在世界各個行業(yè)將有更加廣泛的應用。

參考文獻

[1] S.kaya.The Use of Radar Remote Sensing for Identifying Environmental Factors Associated with Mlaria Risk in Coastal Kenya[C]//GARSS02.2002.

[2] I Baran，MP stewart，Zperski，et al.Modification to Goldstein Radar Interferogram Filter[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2002，41（9）：2114-2118.

[3] 孫佳.國外合成孔徑雷達衛(wèi)星發(fā)展趨勢分析[J].裝備指揮技術學院學報，2007，18（1）：67-70.

[4] 陳基煒.應用遙感衛(wèi)星雷達干涉測量進行城市地面沉降研究[J].測繪通報，2001（8）：13-15.

[5] 李德仁.衛(wèi)星雷達干涉測量原理與應用[J].測繪科學，2000，25（1）：9-12.

[6] 魏鐘銓.合成孔徑雷達衛(wèi)星[M].科學出版社，2001.