星載合成孔徑雷達遙感技術進展及發展趨勢

張慶君 韓曉磊 劉杰

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

星載合成孔徑雷達遙感技術進展及發展趨勢

張慶君 韓曉磊 劉杰

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

從品質因子、極化方式、定量化程度、信息獲取維度等方面,對現有星載SAR技術發展階段進行劃分,給出了不同發展階段星載SAR的特征和典型工作模式,并對新一代星載SAR技術發展趨勢進行了分析。最后,簡要介紹高分三號(GF-3)衛星的基本特性,并分析高分三號衛星所處的發展階段和歷史地位。

高分三號衛星;合成孔徑雷達;品質因子;極化方式;定量遙感;多維信息獲取

1 引言

合成孔徑雷達(SAR)是一種主動式微波遙感器,能不受光照和氣候條件的限制,實現全天時、全天候對地觀測。SAR所使用的電磁波可以穿透水汽云層,甚至可以透過地表和植被獲取地下信息[1]。此外,SAR與光學遙感器具有互補性,甚至有比光學更強的地表特征區分能力。SAR可以搭載在飛艇、飛機和衛星等平臺上,對地物進行高分辨率成像[2-3]。其中,衛星平臺軌道高度高,相對于其它平臺具備成像幅寬大、成像區域不受領空主權限制、平臺穩定度高等優點[4],顯著提升了合成孔徑雷達的應用效能,成為世界各國重點開發的遙感技術之一。

近年來,隨著微波成像理論和電子信息技術的快速發展,星載SAR技術取得了長足進步,新的專項技術和概念體制不斷出現,星載SAR系統性能極限不斷被突破[5]。大批先進的SAR衛星陸續發射,如美國的“未來成像體系”(FIA)系列衛星[6]、德國的陸地合成孔徑雷達-X頻段(TerraSAR-X)衛星[7]和X頻段陸地合成孔徑雷達-附加數字高程測量(TanDEM-X)衛星[8]、加拿大的雷達衛星(Radarsat)系列[6]、歐洲航天局的“哨兵”(Sentinel)系列衛星[10]、以色列的合成孔徑雷達技術試驗衛星(TECSAR)[11]和中國的高分三號(GF-3)衛星[12]等。正是由于上述先進SAR衛星系統的不斷出現,星載SAR圖像的應用領域不斷擴展,應用效能不斷提升,在國防、科研和國民經濟建設等領域發揮越來越重要的作用。

本文首先分析SAR技術的發展和未來的發展趨勢;梳理了星載SAR的發展現狀,并根據本文給出的發展階段劃分方法,對現有SAR衛星進行了階段劃分;然后介紹了GF-3衛星的基本情況,并分析其所處的發展階段;最后對全文進行總結。

2 星載SAR技術的發展

星載SAR技術的發展可以從品質因子、極化方式、定量化程度、信息獲取等方面進行分析。

2．1 品質因子

分辨率和測繪帶寬是星載SAR的兩個重要成像指標,一直以來都是人們努力提高的目標。一方面,高分辨率能夠更為精確地反映目標特征信息,便于目標識別和特征提取,這在軍事偵察、城市繪圖及災害評估等方面有著重要的意義。另一方面,寬測繪帶可提供更為廣闊的場景信息,以獲取全局判讀能力,這有利于對土地、森林、海洋等大面積區域的觀測。此外,寬幅測繪能夠提高對特定區域的重訪周期,對于動態監視快速變化的目標具有重要的意義[13-14]。星載SAR系統獲得的測繪帶越寬,分辨率越高,說明系統的成像性能越好。因此,可以用測繪帶和分辨率的比值來衡量星載SAR系統的性能,即品質因子(Merit Factor,MF)[15-16]

式中:W為測繪帶寬;ρ為分辨率;c為光速;V為衛星速度。早期SAR衛星均運行于地球低軌道,以7500 m/s為典型速度,則品質因子約為2萬。以分辨率為l m的高分辨率SAR衛星為例,其測繪帶寬的極限是20 km;考慮距離模糊和方位模糊、加窗、脈寬和發射窗的余量,實際星載SAR系統的品質因子約為1萬,即斜距測繪帶約為10 km[15]。

傳統的條帶模式、掃描模式和方位向電掃描合成孔徑雷達(TOPSAR)模式等的星載SAR成像性能均不能突破上述品質因子的限制。而隨后產生的聚束模式、馬賽克模式等高分辨率模式是以犧牲方位向成像場景的連續性來提升分辨率,本質上仍未突破上述品質因子的限制,因此,它們同屬于傳統星載SAR技術。

方位向多通道模式的提出是為了從本質上突破分辨率和測繪帶寬不能同時提高的限制,它利用方位向上多個接收通道,在一個脈沖周期內獲得多個方位向采樣點,利用空間采樣來彌補時間采樣的不足,從而降低脈沖重復周期(PRF)對分辨率和測繪帶寬同時提高的限制[4],突破了傳統模式品質因子不超過1萬的限制,成為新一代星載SAR技術的典型代表。在方位向多通道模式的基礎上,為進一步改善其他性能,衍生出多種工作模式,如高分寬幅模式、波束掃描合成孔徑雷達(Sweep-SAR)等,它們同屬新一代星載SAR技術范疇。

方位向多通道模式由于天線規模、發射功率和通道一致性等因素限制,難以在單個脈沖周期內獲得10個以上的方位向采樣點,同樣受發射脈沖干擾限制,品質因子不能超過10萬,進一步提升成像能力需發展新的技術。多發多收SAR(MIMO-SAR)系統每個孔徑獨立發射信號,并同時接收回波,經過匹配濾波后,分離出各相位中心信號[17],可以實現單個脈沖周期內10個以上的方位向采樣點,獲得超過10萬的品質因子,成為未來星載SAR技術發展方向之一。此外,脈沖重復周期掃描(Sweep-PRI)模式利用脈沖發射周期的連續變化改變測繪盲區的位置,使得整個測繪帶內目標回波均能被接收到,從而克服了測繪盲區固定不變的問題,大幅提升了星載SAR測繪帶寬度[14],成為可能的未來星載SAR技術發展方向。

另一種更為直接的品質因子提升方法是地球同步軌道SAR,它將SAR衛星置于地球同步軌道上,同樣的天線波束寬度可以覆蓋遠大于低軌SAR的區域,大幅提升星載SAR系統品質因子[18]。同時,低軌SAR提升品質因子的方法稍加改進,仍可應用于地球同步軌道SAR,因此,地球同步軌道SAR具備進一步提升性能的潛力,地球同步軌道SAR是未來星載SAR技術發展的重要方向。壓縮感知(Compressive Sensing,CS)SAR利用高維數據中的信息維數遠低于數據維數的特點,將對信號的采樣轉變為對信息的采樣,從而有效降低回波信號的采樣率,減少雷達系統的數據量。在此基礎上,若將壓縮感知理論與掃描合成孔徑雷達(ScanSAR)模式相結合,采用時分復用的方式,將稀疏采樣所節省的時間分配到不同的觀測區域,在保持空間分辨率不變的情況下,有效擴展雷達系統的測繪帶寬度,實現高分辨率、寬測繪帶對地觀測,成為可能的未來星載SAR技術[5]。

2．2 極化方式

地物目標特征信息主要反映在SAR雷達圖像的幅度、相位、頻率和極化響應上,其中幅度、相位、頻率響應信息提出較早,并已得到成功應用。而極化信息的提取由于技術和理論發展的限制,近十幾年來才做到全極化信息提取。極化成像技術是星載SAR領域重要的發展方向之一,極化SAR衛星通過多通道發射和接收不同極化方式的電磁波,獲得目標觀測方向上更全面的電磁波散射特征,提高目標散射信息的獲取能力。廣泛應用于農作物分類估產、森林調查、生物量估計、海洋、地質、水文、資源、環境、災害監測、軍事等領域[19]。

傳統星載SAR一般為單極化,采用單一的極化通道發射和接收電磁波,僅能獲得地物對某種單一電磁波的散射特性,信息獲取能力有限,典型代表有:歐洲航天局的歐洲遙感衛星-1(ERS-1)、加拿大的Radarsat-1衛星、日本的地球資源衛星-1(JERS-1)和中國的環境一號C星等。

新一代星載SAR具有多個極化通道,可以獲得不同極化方式下的目標電磁散射特性,組成完備的極化基,獲得極化散射矩陣,全面得到目標在觀測方向上對任意電磁波的散射特性。極化散射矩陣含有更豐富的信息,可得到更全面的目標物理特性,如方向、形狀、粗糙度、介電常數等,為大面積地物分類、目標檢測和識別提供更多的有用信息。典型代表包括:日本的先進陸地觀測衛星(ALOS)、德國的TerraSAR-X衛星、加拿大的Radarsat-2衛星和中國的GF-3衛星。

極化干涉SAR技術是在極化SAR和干涉SAR的基礎上發展起來的,它通過極化和干涉信息的有效組合,獲取地物的空間三維結構特征信息和散射信息,擴展觀測空間,既具有干涉SAR對散射體位置、分布、運動、變化信息敏感的特點,也具有極化SAR對散射體結構、方向、對稱性、紋理以及介電常數等敏感的特征,具有更廣闊的應用空間和潛力,成為未來星載SAR技術的發展方向之一。簡縮極化SAR技術是通過發射具有特定極化狀態的單一極化電磁波,兩路相互正交的極化接收的方式,在降低極化SAR系統復雜度的同時,有效保留全極化SAR的回波信息。簡縮極化SAR在獲得與全極化相當的后向散射定量分類能力的同時,避免了全極化SAR系統復雜、成本高、數據量大等缺點,可能成為未來星載SAR技術的發展方向。

2．3 定量化程度

隨著星載微波遙感技術的發展,對地物目標定量精細信息獲取的需求與日俱增。定量精細信息取決于對遙感數據圖像物理與數值的理解和信息獲取處理能力。隨著星載SAR多任務、多頻段、多極化和高分辨率等技術不斷發展與融合,定量化精細遙感技術也取得了長足進步,進一步拓展了SAR衛星應用領域,成為未來星載SAR技術的重要發展方向[20]。

傳統星載SAR為非定量遙感,主要目標是獲取地物場景的幅度圖像,用于分辨所關注地物目標的特征,圖像像素點的準確幅度和相位信息沒有深入挖掘應用,定量化應用水平低。典型工作模式包括:條帶模式、掃描模式、聚束模式等。

新一代星載SAR利用高精度的外定標技術,實現幅度和相位定量化應用,準確獲得地物的幾何、高程、運動、電磁散射等信息,大幅拓展SAR衛星的地物分類、識別、確認和描述能力,支撐SAR圖像智能化應用發展。可能的工作模式包括極化干涉SAR模式、多角度成像模式、層析成像模式等。

2．4 信息獲取維度

隨著微波成像技術的發展及更多應用需求的推動,星載SAR對地物目標信息的獲取維度不斷提升,從最初僅能獲得地物目標平面幾何輪廓,逐步發展到可以獲得地物目標的高程、形變、運動、多角度,多時相以及三維分辨等多維信息。通過對上述多維信息的解譯、充分挖掘和有效利用,可以得到更多信息,促進高精度分類、三維重建、變化檢測等應用發展。

傳統星載SAR主要獲取地物目標的二維幾何信息,通過相鄰目標后向散射系數的不同,區分不同的地物目標,獲得目標的平面幾何尺寸,實現二維信息獲取,典型的工作模式包括:條帶模式、掃描模式、聚束模式、TOPSAR模式、馬賽克模式等。

新一代星載SAR通過干涉成像等手段,獲得了地物目標的高程、形變和運動等信息,實現三維信息獲取,拓展了SAR衛星對地物目標的認知能力。典型的工作模式包括:干涉合成孔徑雷達(InSAR)模式、差分干涉合成孔徑雷達(DInSAR)模式、合成孔徑雷達-地面動目標檢測(SAR-GMTI)模式等。

多視角成像,通過大角度波束掃描或多軌重復觀測獲取地物目標的多方位角雷達圖像,更好地反映目標的散射特性和幾何特征,提升星載SAR系統的對地偵察觀測能力,成為可能的未來星載SAR技術。多頻多基線干涉SAR,采用多個觀測基線和多個信號頻率對同一觀測區域多航過干涉測量,通過對獲取的多組干涉數據融合處理來提升高程信息提取精度,與傳統的單基線干涉SAR相比,多頻多基線的引入可以有效抑制噪聲對SAR圖像的影響,擴大干涉相位的模糊間隔,提升地形測量和地表參數反演結果的精度,成為未來星載SAR技術可能的發展方向[5]。層析成像SAR,通過沿垂直于視線的法線方向排布多個天線或利用同一天線在法線方向的不同軌跡高度對同一目標區域成像,得到高度向上的分辨率,實現真正的三維成像。層析成像SAR不僅能夠獲得目標散射體的高程信息,同時還可以得到散射體在高度向上的分布,完全恢復真實的三維場景,避免散射點的疊掩現象以及干涉相位模糊問題[21],成為未來星載SAR技術可能的發展方向之一。

綜合上述分析,星載SAR技術發展可根據品質因子、極化方式、定量化程度、信息獲取維度等情況進行劃分,如圖1所示。

(1)傳統星載SAR具備的特征:品質因子＜1萬,單極化,非定量,僅能獲取二維信息,典型工作模式包括條帶模式、掃描模式、TOPSAR模式、聚束模式和馬賽克模式等。

(2)新一代星載SAR具備的特征:品質因子≥1萬,全極化,相位定量,能獲取三維信息,典型工作模式包括方位多通道模式、高分寬幅模式、Sweep-SAR模式、干涉SAR模式、差分干涉SAR模式、SAR-GMTI模式等。

(3)未來星載SAR應具備的特征:品質因子≥10萬,擴展全極化,幅度相位定量,能獲取多維信息,可能的工作模式包括MIMO-SAR、Sweep-PRI、地球同步軌道SAR、壓縮感知SAR、極化干涉SAR、簡縮極化SAR、多視角成像、多頻多基線干涉SAR和層析成像SAR等。

3 SAR衛星發展現狀

1978年6月27日,美國航空航天局(NASA)從范登堡基地發射了海洋衛星(SEASAT),首次裝載了合成孔徑雷達。SEASAT是美國也是世界第一顆SAR衛星,宣告了合成孔徑雷達已成功進入從太空對地觀測的新時代,標志著星載SAR由實驗室研究向應用研究的突破性轉變。隨著SAR衛星卓越的觀測性能和應用潛力被廣泛了解,其逐漸吸引了全世界學者和研究機構的關注,大批性能逐漸提高的SAR衛星陸續發射升空。截至目前,世界范圍內已經陸續發射了超過26個系列,50余顆SAR衛星(部分軍用衛星未公開發布),其中美國發射的SAR衛星數目最多,超過16顆[22-23]。具體衛星情況見表1所示,其中Radarsat-2、Sentinel-1、TerraSAR-X、Tan DEM-X和GF-3衛星為新一代SAR衛星,其余為傳統SAR衛星。

表1 世界范圍內已發射的SAR衛星Table 1 Launched SAR satellites in the world

4 高分三號衛星

2016年8月10日,中國成功發射了GF-3衛星,它是“高分專項”中唯一一顆雷達成像衛星。GF-3衛星是中國首顆高分辨率全極化SAR衛星,能夠全天候、全天時實現全球海洋和陸地信息的監視監測,并通過左右姿態機動擴大對地觀測范圍和提升快速響應能力,構型如圖2所示。GF-3衛星獲取的C頻段多極化微波遙感信息可服務于中國海洋、減災、水利及氣象等多個行業及業務部門,是我國實施海洋開發、陸地環境資源監測和防災減災的重要技術支撐,典型應用實例見圖3。

GF-3衛星突破了星載SAR多模式、多極化和定量化等遙感技術,是目前世界上成像模式最多的SAR衛星,整星12種成像模式,覆蓋條帶模式、掃描模式、全極化模式、滑動聚束模式、方位向多通道模式等,同時進行了凝視聚束、SAR-GMTI、TOPSAR、重軌干涉SAR和逆合成孔徑雷達成像(ISAR)等模式試驗;具備從單極化到全極化的極化方式;圖像質量指標達到或超過國外同類SAR衛星水平,分辨率1～500 m,相應幅寬10～650 km,同時具有詳查和普查功能,成像指標詳見表2。

表2 GF-3衛星SAR成像模式Table 2 SAR imaging modes of GF-3

GF-3衛星在國內首次采用了全極化、多通道等技術,能同時實現高分辨率和寬測繪帶成像。此外,通過在軌試驗模式實現了干涉測高、形變檢測和動目標檢測[24]等功能。根據圖1所示,GF-3衛星具備新一代星載SAR屬性,屬于典型的新一代SAR衛星,它的成功發射和在軌穩定運行將中國星載SAR技術提升到國際先進水平。同時,GF-3衛星在定量化[25]應用等方面達到國際領先水平,為中國未來高性能SAR衛星的研制奠定了堅實的基礎。

5 結束語

近年來,星載SAR的新技術和新概念不斷出現,各國陸續發射了大量先進的SAR衛星。從品質因子、極化方式、定量化程度、信息獲取維度等方面,可對星載SAR技術進行發展階段劃分。傳統星載SAR技術具有品質因子小于1萬、單極化、非定量、僅能獲取二維地物信息的特點;新一代星載SAR技術具有品質因子在1萬和10萬之間、多極化、相位定量、能獲取三維地物信息的特點;未來星載SAR技術應具備品質因子大于10萬、擴展全極化、高精度定量化、能獲取多維地物信息等特點。中國的GF-3是典型的新一代SAR衛星,同時具有未來SAR衛星的部分特征,它的成功發射和在軌穩定運行使中國的星載SAR技術達到世界先進水平。

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Technology Progress and Development Trend of Spaceborne Synthetic Aperture Radar Remote Sensing

ZHANG Qingjun HAN Xiaolei LIU Jie
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

This paper divides the stages of spaceborne SAR technology development from the aspects of merit factor,polarization mode,quantification degree and information acquisition dimension．The characteristics and typical working modes of spaceborne SAR at different stages of develop is given．The development trend of new generation spaceborne SAR technology is analyzed．Finally,the basic characteristics of GF-3 satellite are briefly introduced,and the development stage and historical status of GF-3 satellite are analyzed．

GF-3 satellite;synthetic aperture radar(SAR);merit factor;polarization;quantitative remote sensing;multidimensional information acquisition

TN958

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.001

2017-10-30;

2017-11-24

國家重大科技專項工程

張慶君,男,博士,研究員,博士生導師,衛星總設計師兼總指揮,航天遙感領域總設計師,入選“新世紀百千萬人才工程”和國家“萬人計劃”科技創新領軍人才。先后獲國家科技進步特等獎、國家發明一等獎、國防科技進步一等獎等多項獎勵。研究方向為航天器系統與總體技術、航天遙感。Email:ztzhangqj＠163．com。

(編輯:張小琳)