天基干涉合成孔徑雷達(dá)技術(shù)發(fā)展與展望

陳筠力，劉艷陽(yáng)，陳重華，趙 迪

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

0 引言

近些年來(lái)，星載干涉合成孔徑雷達(dá)（InSAR）因其全天時(shí)、全天候、高分辨率、寬幅對(duì)地觀測(cè)能力，得到了國(guó)內(nèi)外的普遍關(guān)注與研究［1-6］。該技術(shù)利用多幅相干合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）的圖像進(jìn)行干涉處理，通過(guò)獲取干涉相位得到主輔雷達(dá)相對(duì)目標(biāo)的斜距差，進(jìn)一步測(cè)量反演目標(biāo)的位置及其運(yùn)動(dòng)變化信息［3-5］，已廣泛應(yīng)用于數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）生成［6-9］、大范圍地表形變監(jiān)測(cè)［11-15］、森林生物量反演［16-20］、海面流場(chǎng)測(cè)量［21-25］等領(lǐng)域。

20 世紀(jì)80 年代早期，ZEBKER 等［4］首次利用機(jī)載SAR 和衛(wèi)星SeaSAT 衛(wèi)星數(shù)據(jù)驗(yàn)證InSAR 技術(shù)的可行性。此后，國(guó)內(nèi)外基于歐空局ERS-1/2［26］、ENVISAT ASAR［27］和Sentinel-1A/B［28］，加 拿 大RadarSAT-1/2［29］，日 本ALOS-2［30］等SAR 衛(wèi) 星 數(shù)據(jù)開(kāi)展了大量的重復(fù)航過(guò)InSAR 技術(shù)研究，如地表形變監(jiān)測(cè)、高精度數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）獲取等，有效地促進(jìn)了相關(guān)理論方法和應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展。重復(fù)航過(guò)星載InSAR 面臨著嚴(yán)重的航過(guò)間大氣延遲差異、時(shí)間去相干及基線測(cè)量精度低等問(wèn)題，影響了DEM 生成精度［7］。

星載單航過(guò)InSAR 利用多副接收天線同時(shí)獲取多幅相干SAR 圖像進(jìn)行干涉處理，可有效避免上述問(wèn)題實(shí)現(xiàn)高精度DEM 獲取。作為第1 個(gè)星載單航過(guò)SAR 系統(tǒng)，美國(guó)SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）系統(tǒng)將雷達(dá)安裝在60 m 長(zhǎng)度的伸展臂兩端，獲取了南緯56°到北緯60°范圍內(nèi)滿(mǎn)足DTED-2（Digital Terrain Elevation Data level 2）標(biāo)準(zhǔn)的DEM［31］。2010 年，德國(guó)發(fā)射 了TanDEM-X 衛(wèi)星，與之前發(fā)射的TerraSAR-X 構(gòu)成了全球第1 個(gè)分布式編隊(duì)InSAR 衛(wèi)星系統(tǒng)［7］。2016 年，TanDEM-X利用垂直航跡干涉技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全球滿(mǎn)足HRTI-3 標(biāo)準(zhǔn)的DEM 生成。此外，通過(guò)靈活的基線及載荷設(shè)置，TanDEM-X 還開(kāi)展了沿航向干涉SAR 技術(shù)、極化干涉SAR 技術(shù)等科學(xué)試驗(yàn)，極大地促進(jìn)了分布式編隊(duì)衛(wèi)星InSAR 技術(shù)的發(fā)展［32］。2019 年，我國(guó)成功發(fā)射了天繪-2 號(hào)SAR 衛(wèi)星，是我國(guó)首個(gè)分布式編隊(duì)SAR 衛(wèi)星，在國(guó)際上是繼TanDEM-X 系統(tǒng)后的第2個(gè)微波干涉測(cè)繪衛(wèi)星系統(tǒng)［33］。天繪-2 號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)在軌測(cè)試結(jié)果表明，可滿(mǎn)足1∶50 000 比例尺測(cè)圖精度要求。

1 InSAR 基本原理

SAR 利用距離向大帶寬脈沖壓縮技術(shù)和方位向孔徑合成技術(shù)獲取地物目標(biāo)回波，經(jīng)成像處理，實(shí)現(xiàn)高分辨率對(duì)地成像觀測(cè)和特征識(shí)別［1-2，34］。SAR 圖像信號(hào)可表示為［34］

式中：rTx、rRx為發(fā)射雷達(dá)天線相位中心和接收雷達(dá)天線相位中心到目標(biāo)的距離；λ為雷達(dá)波長(zhǎng)；K為與目標(biāo)后向散射及雷達(dá)方程相關(guān)的復(fù)數(shù)。對(duì)于自發(fā)自收雷達(dá)，rTx=rRx=r。

InSAR 通過(guò)對(duì)同一地區(qū)獲取的兩/多幅相干SAR 圖像進(jìn)行干涉處理，通過(guò)測(cè)量干涉相位實(shí)現(xiàn)高精度相對(duì)測(cè)距［5］。以?xún)煞园l(fā)自收SAR 圖像為例，主輔SAR 圖像經(jīng)干涉處理后可表示為

式中：s1、s2為主輔SAR 圖像。

干涉相位可表示為

式中：angle(?)為取相角運(yùn)算符；r1、r2為主輔SAR天線相位中心到目標(biāo)的斜距。

由式（3）可知

干涉相位測(cè)量精度與主輔SAR 圖像的相干系數(shù)γ有關(guān)［35］，

式中：E(?)為期望函數(shù)。

主輔SAR 圖像干涉相位概率密度函數(shù)為［36］

式中：Nl為多視視數(shù)；Γ(?)為gamma 函數(shù)；F(?)為高斯超幾何分布函數(shù)。

干涉相位標(biāo)準(zhǔn)差可表示為

不同視數(shù)下干涉相位標(biāo)準(zhǔn)差隨相干系數(shù)變化曲線如圖1 所示。由圖可知，當(dāng)多視視數(shù)為9 視時(shí)，相干系數(shù)大于0.5，相對(duì)測(cè)距精度即可達(dá)到亞波長(zhǎng)量級(jí)。

圖1 干涉相位誤差隨相干系數(shù)變化曲線Fig.1 Variations of the interferometric phase error with the coherence coefficient

根據(jù)對(duì)目標(biāo)位置及其變化敏感程度的不同，InSAR 可分為垂直航跡干涉（Cross-Track InSAR，CT-InSAR）和沿航跡干涉（Along-Track InSAR，AT-InSAR）［5］。

1）垂直航跡干涉。

垂直航跡InSAR 通過(guò)對(duì)垂直航向不同視角獲取的兩幅相干SAR 圖像進(jìn)行干涉處理，獲得主輔雷達(dá)到目標(biāo)的斜距差。與雷達(dá)立體測(cè)量（通過(guò)圖像配準(zhǔn)獲得相對(duì)斜距差）相比，InSAR 的相對(duì)斜距測(cè)量精度可達(dá)亞波長(zhǎng)量級(jí)精度，可在主輔雷達(dá)小視角差的情況下實(shí)現(xiàn)高精度地面高程［5-6］。

這里以一發(fā)雙收分布式編隊(duì)SAR 衛(wèi)星為例，其系統(tǒng)觀測(cè)幾何如圖2 所示。在WGS-84 坐標(biāo)系下，考慮圖像中某一目標(biāo)點(diǎn)，其坐標(biāo)為pt=(px py pz)，sk、vk分別表示雷達(dá)的軌跡和速度矢量，下標(biāo)k=1，2 分別為主星雷達(dá)和輔星雷達(dá)，b為主輔雷達(dá)瞬時(shí)基線矢量，Ba和Be分別為沿航跡基線和垂直有效基線，r1為主星雷達(dá)到目標(biāo)的斜距。

圖2 垂直航跡InSAR 測(cè)高空間幾何關(guān)系Fig.2 Observation geometry of cross-track InSAR

InSAR 定位方程為［37］

式中：r1、fdc為主星雷達(dá)斜距和多普勒中心頻率；t1、t2為主輔星干涉時(shí)刻；s2=s1+b，其中，b為主輔雷達(dá)瞬時(shí)基線矢量。

系統(tǒng)高程測(cè)量精度與干涉相位測(cè)量精度的關(guān)系［5］為

式中：Hamb為模糊高度。

式中：θi為入射角。

由式（10）可知，垂直有效基線長(zhǎng)度（視角差）是影響干涉測(cè)高精度的重要因素。系統(tǒng)設(shè)計(jì)需綜合考慮垂直有效基線長(zhǎng)度對(duì)相干系數(shù)及模糊高度的影響［7］。

2）沿航跡干涉。

沿航跡干涉測(cè)量是利用同一航跡上不同時(shí)間采集的多幅SAR 圖像進(jìn)行干涉處理，其干涉相位代表了這些航過(guò)間目標(biāo)的徑向位移［5，10］：

通過(guò)擬合形變量與時(shí)間可進(jìn)一步獲取目標(biāo)徑向速度vr［12］。通過(guò)改變SAR 圖像序列獲取的時(shí)間間隔，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速率測(cè)量范圍可從m/s變化至ms/a［38］。

單航過(guò)沿航跡InSAR 系統(tǒng)SAR 圖像序列時(shí)間間隔短，可實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量，典型應(yīng)用為洋流測(cè)速、地面動(dòng)目標(biāo)顯示（Ground Moving Target Indication，GMTI）等［38］。重復(fù)航過(guò)沿航跡InSAR 系統(tǒng)SAR 圖像獲取時(shí)間間隔長(zhǎng)（為衛(wèi)星軌道回歸周期的整數(shù)倍），可用于地面大尺度位移及慢變目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速率的測(cè)量［12］。這里需要指出的是，實(shí)際重復(fù)航過(guò)InSAR 系統(tǒng)不可避免地會(huì)出現(xiàn)垂直航跡基線分量，為降低其對(duì)沿航跡干涉效果的影響，需要天基InSAR 系統(tǒng)采用嚴(yán)格軌道設(shè)計(jì)與控制技術(shù)，并需在地面處理中補(bǔ)償該分量引入的地形干涉相位［12］。

2 天基InSAR系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及典型應(yīng)用

2.1 天基InSAR 系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

從20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，隨著InSAR 技術(shù)日趨成熟，國(guó)內(nèi)外InSAR 應(yīng)用需求不斷推動(dòng)著星載In-SAR 系統(tǒng)的發(fā)展。SAR 衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)從最初無(wú)法干涉發(fā)展到具備重復(fù)航過(guò)InSAR 觀測(cè)能力，從重復(fù)航過(guò)InSAR 發(fā)展到具備單航過(guò)InSAR 觀測(cè)能力。典型SAR 衛(wèi)星的干涉能力見(jiàn)表1。

表1 部分天基InSAR 系統(tǒng)Tab.1 Some spaceborne InSAR systems

重復(fù)航過(guò)InSAR 系統(tǒng)經(jīng)歷單星InSAR 發(fā)展到了多星跟飛組網(wǎng)InSAR 系統(tǒng)。典型的多星跟飛組網(wǎng)InSAR 系統(tǒng)有歐空局（ESA）的ERS-1 和ERS-2兩顆SAR 衛(wèi)星，兩星分別于1991年和1995年發(fā)射，具備相隔1d的重復(fù)軌道InSAR觀測(cè)能力［26］。此后，ESA又于2014年和2016年分別發(fā)射了Sentinel-1A和Sentinel-1B，雙星跟飛相位間隔180°，該InSAR星座重軌周期為6d［28］。

單航過(guò)InSAR 系統(tǒng)經(jīng)歷單星InSAR 發(fā)展到了多星繞飛編隊(duì)InSAR 系統(tǒng)。作為第1 個(gè)星載單航過(guò)SAR 系統(tǒng)，美國(guó)SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）系統(tǒng)將雷達(dá)安裝在60 m 長(zhǎng)度的伸展臂兩端，獲取了南緯56°到北緯60°范圍內(nèi)滿(mǎn)足DTED-2標(biāo) 準(zhǔn) 的DEM［31］。2007年，加拿大發(fā)射的Radar-SAT-2具備雙通道接收能力，可進(jìn)行沿航跡InSAR測(cè)量［29］。2010 年，德國(guó)發(fā)射了TanDEM-X 衛(wèi)星，與之前發(fā)射的TerraSAR-X 構(gòu)成了全球第1 個(gè)分布式編隊(duì)InSAR 衛(wèi)星系統(tǒng)［32］。2019 年，我國(guó)成功發(fā)射了天繪-2號(hào)SAR衛(wèi)星［33］，是我國(guó)首個(gè)分布式編隊(duì)SAR衛(wèi)星，在國(guó)際上是繼TanDEM-X 系統(tǒng)后的第2個(gè)微波干涉測(cè)繪衛(wèi)星系統(tǒng)。

2.2 InSAR 典型應(yīng)用

目前，InSAR 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地面高程測(cè)量、地表形變監(jiān)測(cè)、森林生物量反演、洋流測(cè)速等領(lǐng)域［7］。

2.2.1 地面高程測(cè)量

數(shù)字高程模型（DEM）是描述地球表面形狀的三維數(shù)字模型，由一系列包含有地理平面坐標(biāo)和高程的數(shù)據(jù)集組成，在科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和軍事領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用價(jià)值。如前所述，垂直航跡In-SAR 是獲取高精度DEM 的重要技術(shù)手段，特別是在分布式衛(wèi)星InSAR 衛(wèi)星體制下［7，33］。分布式編隊(duì)SAR 衛(wèi)星不僅可以有效克服重復(fù)軌道InSAR 時(shí)間去相干及大氣延遲等問(wèn)題，還可提供靈活的基線配置和高精度基線測(cè)量結(jié)果，有效提升了DEM 生成精度。天繪-2 號(hào)衛(wèi)星獲取的新疆吉木薩爾縣宜化露天煤礦礦坑DSM 圖如圖3 所示。

圖3 天繪-2 號(hào)獲取的新疆吉木薩爾縣礦坑DSM 圖Fig.3 DSM map of the mine pit of Jimusaer County，Xinjiang acquired by Tianhui-2

2.2.2 地表形變監(jiān)測(cè)

InSAR 技術(shù)以其大范圍、高精度、高空間密度的形變獲取能力，被廣泛用于大范圍地表形變監(jiān)測(cè)［12］。從應(yīng)用領(lǐng)域而言，InSAR 形變監(jiān)測(cè)主要分為突發(fā)地災(zāi)的應(yīng)急與日常監(jiān)測(cè)應(yīng)用兩大類(lèi)：一類(lèi)是基于差分InSAR（D-InSAR）技術(shù)的地震、重大滑坡等大尺度位移災(zāi)后調(diào)查應(yīng)用［14］；另一類(lèi)主要是基于面向時(shí)間序列InSAR 技術(shù)的活動(dòng)斷裂、區(qū)域性地面沉降、滑坡監(jiān)測(cè)和礦山塌陷等日常監(jiān)測(cè)應(yīng)用［12，15］。

D-InSAR 技術(shù)利用覆蓋同一地區(qū)的形變前后SAR 圖像進(jìn)行干涉處理，然后除去垂直有效基線引入的地形干涉相位獲取地表微量形變的測(cè)量技術(shù)［11，14］。差分干涉形變量提取方法有兩軌法和三軌法：兩軌法利用外部先驗(yàn)DEM 反演去除垂直有效基線引入的地形干涉相位；三軌法利用形變前或形變后的兩景SAR 圖像反演去除地形干涉相位。

為有效克服時(shí)間去相干及大氣延遲對(duì)DInSAR 測(cè)量精度的影響，時(shí)間序列InSAR 技術(shù)通過(guò)提取在時(shí)間序列上具有穩(wěn)定散射特性的高相干點(diǎn)，利用不同相位分量的時(shí)空頻譜特性，獲得經(jīng)過(guò)地形、軌道以及大氣誤差改正的形變速率場(chǎng)［12-13］。時(shí)間序列InSAR 技術(shù)典型方法有永久散射體方法（Persistent Scatterer InSAR，PS-InSAR）和小基線集方法（Small BAseline Subset，SBAS）［12，39］，其中，PS-InSAR 采用公共主圖像，SBAS 采用多主圖像。目前，時(shí)序InSAR 技術(shù)已成功應(yīng)用于山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害早期預(yù)警，堤壩、交通路網(wǎng)沿線、鐵路沿線監(jiān)測(cè)和地鐵沿線穩(wěn)定分析、機(jī)場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)估和橋梁監(jiān)測(cè)等城市基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)中［15］。利用Sentinel-1A/B數(shù)據(jù)反演的上海航天城沉降結(jié)果如圖4 所示。

圖4 上海航天城時(shí)間序列InSAR 形變速率監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.4 Monitoring results of the InSAR time series deformation rate of Shanghai Academy of Space Technology

為保證地表形變監(jiān)測(cè)性能，SAR 衛(wèi)星需采用嚴(yán)格回歸軌道設(shè)計(jì)與控制，以提高圖像的空間相干性并降低地形干涉相位的影響。

2.2.3 森林生物量反演

森林生物量是表征森林固碳能力的重要指標(biāo)，也是評(píng)估區(qū)域森林碳平衡的重要參數(shù)。InSAR 在植被覆蓋區(qū)具備一定的穿透能力，可記錄植被垂直結(jié)構(gòu)屬性信息，但傳統(tǒng)InSAR 無(wú)法直接區(qū)分同一分辨單元內(nèi)不同散射體的垂直向分布，導(dǎo)致InSAR 在植被區(qū)測(cè)量面臨體散射去相干，干涉相位對(duì)應(yīng)的高度介于植被表面和地面之間。為解決該問(wèn)題，人們?cè)贗nSAR 高程測(cè)量的基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入極化測(cè)量信息，提出了極化InSAR（Polarimetric SAR，Pol-InSAR）技術(shù)［16］。該技術(shù)基于不同極化方式對(duì)散射體形狀、空間排布規(guī)律及介電屬性敏感程度不同，通過(guò)建立隨機(jī)地體散射模型（Random Volume over Ground，RVoG）將Pol-InSAR 信息與森林生物物理參數(shù)進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)森林高度的監(jiān)測(cè)，可為解決大范圍森林高度反演難題提供重要的技術(shù)手段。德國(guó)DLR F-SAR 獲取的Rabi 地區(qū)Pol-InSAR森林高度反演結(jié)果如圖5 所示，與激光雷達(dá)測(cè)量結(jié)果基本一致［17］。

圖5 DLR F-SAR 獲取的Rabi 地區(qū)Pol-InSAR 森林高度反演結(jié)果［17］Fig.5 Pol-InSAR forest height inversion results of Rabi region obtained by DLR F-SAR［17］

2.2.4 洋流測(cè)速

洋流又稱(chēng)海流，表示海洋中除了由引潮力引起的潮汐運(yùn)動(dòng)外，海水沿一定途徑的大規(guī)模流動(dòng)。利用星載沿航跡InSAR 技術(shù)可以對(duì)洋流的速度進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)海表流場(chǎng)速度的反演，對(duì)海洋災(zāi)害預(yù)警、海洋經(jīng)濟(jì)監(jiān)視、海洋戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境測(cè)繪、航海安全以及維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益等具有重要意義［21-23］。利用TerraSAR/TanDEM-X數(shù)據(jù)獲取PentlandFirth地區(qū)的洋流流速測(cè)量結(jié)果如圖6 所示。其中，TerraSAR-X雙天線接收模式（沿航向有效基線長(zhǎng)度為1.15 m）如圖6（a）所示，TanDEM-X 系統(tǒng)結(jié)果（沿航向有效基線長(zhǎng)度為25.00 m）［22］如圖6（b）所示。

圖6 TerraSAR-X/TanDEM-X 沿航跡干涉洋流流速測(cè)量結(jié)果［22］Fig.6 Current velocity measured by TerraSAR-X/TanDEM-X along-track InSAR［22］

除上述應(yīng)用外，垂直航跡InSAR 技術(shù)還可應(yīng)用于地物分類(lèi)、農(nóng)作物估產(chǎn)、冰雪深度探測(cè)等領(lǐng)域［7，40］。沿航跡InSAR 技術(shù)還可應(yīng)用于地面交通監(jiān)視、海面艦船顯示及成像等領(lǐng)域［7，25，41］。TerraSARX/TanDEM-X 首次沿航跡干涉動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果［42］如圖7 所示。

圖7 TerraSAR-X/TanDEM-X SAR 地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)［42］Fig.7 Ground moving target indication results obtained by TerraSAR-X/TanDEM-X along-track InSAR［42］

3 天繪-2 號(hào)

天繪-2 號(hào)衛(wèi)星于2019 年4 月30 日成功發(fā)射，是我國(guó)首個(gè)基于干涉合成孔徑雷達(dá)技術(shù)的微波測(cè)繪衛(wèi)星系統(tǒng)［33］。該系統(tǒng)工作于X 頻段，處于500 km 的太陽(yáng)同步軌道，由兩顆對(duì)等的衛(wèi)星組成，采用異軌道面衛(wèi)星編隊(duì)、一發(fā)雙收雷達(dá)收發(fā)模式的技術(shù)體制，可以快速測(cè)制全球數(shù)字表面模型和雷達(dá)正射影像。天繪-2 號(hào)在國(guó)際上首次采用雙頻成像技術(shù)解決干涉相位絕對(duì)模糊問(wèn)題，徹底擺脫了對(duì)地面控制數(shù)據(jù)的依賴(lài)。

作為分布式編隊(duì)衛(wèi)星InSAR 系統(tǒng)，天繪-2 號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)主要包括衛(wèi)星繞飛編隊(duì)構(gòu)型設(shè)計(jì)與控制、雙星三同步、高精度SAR 載荷內(nèi)定標(biāo)、基線確定及高精度星間基線測(cè)量等。文獻(xiàn)［33］對(duì)各關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)情況進(jìn)行了介紹，這里不再贅述。

天繪-2 號(hào)衛(wèi)星獲取的冰川國(guó)家公園地區(qū)測(cè)繪圖如圖8 所示。其中，干涉條紋圖如圖8（a）所示，雷達(dá)正射影像（Orthorectified Radar Image，ORI）如圖8（b）所示，數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，DSM）如圖8（c）所示。由圖可見(jiàn)，測(cè)繪產(chǎn)品紋理清晰、邊緣鋒銳。天繪-2 號(hào)系統(tǒng)靈敏度高，其在沙漠等低后向散射區(qū)域可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)圖［33］。天繪-2號(hào)衛(wèi)星獲取的毛里塔尼亞沙漠地區(qū)DSM 如圖9所示。

圖8 天繪-2 號(hào)冰川國(guó)家公園觀測(cè)結(jié)果Fig.8 Observation results of the Glacier National Park obtained by Tianhui-2

圖9 天繪-2 號(hào)毛里塔尼亞沙漠地區(qū)Fig.9 Observation results of the desert area of Mauritanisha obtained by Tianhui-2

在軌測(cè)試結(jié)果表明，天繪-2 號(hào)測(cè)圖精度可滿(mǎn)足1∶50 000 比例尺要求。與美國(guó)SRTM系統(tǒng)及日本AW3D30系統(tǒng)相比，天繪-2衛(wèi)星DSM產(chǎn)品層次更加分明，地理信息更加精細(xì)。天繪-2 號(hào)衛(wèi)星與美國(guó)SRTM 系統(tǒng)對(duì)肯尼亞境內(nèi)相同區(qū)域的測(cè)繪對(duì)比圖如圖10 所示。我國(guó)天繪-2 號(hào)衛(wèi)星與日本AW3D30系統(tǒng)對(duì)我國(guó)河南省境內(nèi)相同區(qū)域的測(cè)繪對(duì)比圖如圖11 所示。

圖11 天繪-2 號(hào)衛(wèi)星與日本AW3D30 系統(tǒng)DSM 產(chǎn)品對(duì)比圖Fig.11 DSM product observed by Tianhui-2 satellite and AW3D30 system

此外，天繪-2 號(hào)衛(wèi)星還能夠在國(guó)土普查、城區(qū)規(guī)劃、緊急救援、災(zāi)害評(píng)估、農(nóng)林監(jiān)測(cè)、國(guó)際反恐、基礎(chǔ)地理信息獲取以及全球生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)等方面為用戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)、高效、穩(wěn)定的航天服務(wù)。

4 發(fā)展趨勢(shì)展望

InSAR 應(yīng)用需求不斷牽引著天基微波測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前InSAR 衛(wèi)星正朝著高分（辨率）寬幅、多維度觀測(cè)等方向發(fā)展。

4.1 高分寬幅

地表形變監(jiān)測(cè)的短臨預(yù)警等應(yīng)用需要SAR 衛(wèi)星在同一分辨率下盡可能增大觀測(cè)幅寬，有效提高InSAR 衛(wèi)星應(yīng)用的觀測(cè)時(shí)效性。同一幅寬下提高分辨率，可一定程度上提升產(chǎn)品的觀測(cè)精度，如可提高地表形變監(jiān)測(cè)時(shí)間序列InSAR 永久散射體的密度，提升InSAR 高程測(cè)量多視處理有效視數(shù)等。高分寬幅成像是未來(lái)InSAR 衛(wèi)星的重要發(fā)展方向之一。

面向高分寬幅發(fā)展方向，德國(guó)TanDEM-L 系統(tǒng)設(shè)計(jì)了7 m 分辨率350 km 的超大幅寬SAR 成像模式［43］，TanDEM-L 系統(tǒng)觀測(cè)示意圖如圖12 所示。在一個(gè)回歸周期內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)單極化、雙極化左右側(cè)視共4 次全球覆蓋，實(shí)現(xiàn)三維形變測(cè)量，可有效提升地表形變監(jiān)測(cè)效率和精度（如圖12（b）所示），更好地服務(wù)于城市沉降、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害早期預(yù)警識(shí)別。日本ALOS-4 衛(wèi)星3 m 分辨率條帶模式將由ALOS-2 的50 km 增大至200 km，可實(shí)現(xiàn)全球陸地14 d 全覆蓋［44］。

圖12 TanDEM-L 系統(tǒng)觀測(cè)示意圖［43］Fig.12 Observation geometry of TanDEM-L system［43］

為實(shí)現(xiàn)高分寬幅對(duì)地SAR 成像，國(guó)內(nèi)外提出了方位多通道接收［45］、俯仰向數(shù)字波束形成（Digital Beam-Forming）［46-47］、Staggered SAR［48］、MIMOSAR［49-51］等新體制及新工作模式。

4.2 多維度觀測(cè)

隨著SAR 成像技術(shù)及其應(yīng)用需求的推動(dòng)，星載InSAR 系統(tǒng)逐漸從單極化、單波段、單角度發(fā)展到多極化、多波段、多角度等不同觀測(cè)方式的組合（簡(jiǎn)稱(chēng)為多維度InSAR 觀測(cè)），并向全息SAR 方向發(fā)展［38，52-55］。多維度SAR 可有效解決高精度地形測(cè)繪、海洋復(fù)雜環(huán)境觀測(cè)以及森林生物量等國(guó)家重大需求。

1）多波段。不同波段雷達(dá)的穿透能力不同，如圖13 所示。由圖可見(jiàn)，低頻段SAR 具有更好的穿透能力，更適合地表森林生物量的估計(jì)［17-19］。通過(guò)融合多波段SAR 圖像，可以實(shí)現(xiàn)高精度地物分類(lèi)與地表垂直結(jié)構(gòu)信息反演。現(xiàn)有SAR 衛(wèi)星主要工作于L、S、C 及X 波段，ESA 將率先發(fā)展P 波段全極化InSAR 系統(tǒng)——BIOMASS 衛(wèi)星［56］，該系統(tǒng)采用重復(fù)航過(guò)全極化InSAR 體制，主要任務(wù)為地表森林生物量估計(jì)及年度變化檢測(cè)，并測(cè)量冰川及其次表面結(jié)構(gòu)等。

圖13 不同波段SAR 穿透能力圖［17-19］Fig.13 Penetration capabilities of different band SAR systems［17-19］

2）多極化。目前，德國(guó)TanDEM-X 具備全極化InSAR 能力，但由于其工作在X 波段，穿透能力差，在高植被區(qū)生物量反演中將存在估計(jì)偏差［57］。星載低頻段多極化InSAR 穿透能力強(qiáng)，但通過(guò)重復(fù)航過(guò)InSAR 實(shí)現(xiàn)，面臨著嚴(yán)重的時(shí)間去相干和大氣延遲差異等問(wèn)題。因此，亟需發(fā)展單航過(guò)低頻段多極化InSAR 系統(tǒng)。德國(guó)TanDEM-L 采用雙星繞飛編隊(duì)［43］，并專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了用于植被、冰雪、干土等觀測(cè)的三維成像模式（如圖12（a）所示），可有效克服傳統(tǒng)重復(fù)航過(guò)面臨的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高精度地表垂直結(jié)構(gòu)反演，同時(shí)獲得數(shù)字表面模型和數(shù)字地形模型。此外，系統(tǒng)還可通過(guò)重復(fù)航過(guò)層析成像實(shí)現(xiàn)植被、冰雪內(nèi)部結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

3）多角度。星載InSAR 系統(tǒng)采用側(cè)視成像幾何，SAR 圖像中存在著層疊、陰影等問(wèn)題，這大大限制了目標(biāo)的三維空間分布反演能力。同時(shí)，單次觀測(cè)僅能獲取沿徑向的斜距差，無(wú)法獲取觀測(cè)區(qū)域的三維形變場(chǎng)。TomoSAR（多俯仰角InSAR 成像）、多方位角InSAR 等多角度InSAR 系統(tǒng)可有效解決上述問(wèn)題［55，58-62］。TomoSAR 通過(guò)獲取多景相干SAR 圖像，進(jìn)行俯仰向數(shù)字波束形成實(shí)現(xiàn)觀測(cè)區(qū)域的3-D 層析成像，結(jié)合時(shí)序序列SAR 圖像進(jìn)行形變場(chǎng)估計(jì)，還可實(shí)現(xiàn)4-DSAR成像［58-61］。2018年，德國(guó)DLR 的MITTERMAYER 等［60］首次提 出了雙基SAR 小衛(wèi)星浮動(dòng)集群概念，如圖14 所示，多個(gè)小衛(wèi)星共同編隊(duì)，在方位和俯仰向形成稀疏陣列，進(jìn)行3-D 成像。

圖14 雙基SAR 小衛(wèi)星浮動(dòng)集群示意圖［60］Fig.14 Floating swarm concept for passive bi-static SAR satellite［60］

多方位角InSAR 系統(tǒng)單次航過(guò)利用多個(gè)方位角觀測(cè)，通過(guò)融合處理提取二維流場(chǎng)速度［55，62］。德國(guó)DLR 提出的Bidirectional InSAR 體制是典型的多方位角InSAR 觀測(cè)體制，并利用TanDEM-X 在軌得到了驗(yàn)證［62］，如圖15 所示。

圖15 Bidirectional InSAR 體制觀測(cè)幾何［62］Fig.15 Observation geometry of bidirectional InSAR［62］

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了InSAR 基本原理，對(duì)天基InSAR 系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及其典型應(yīng)用進(jìn)行了回顧，包括地面高程測(cè)量、地表形變監(jiān)測(cè)、森林生物量反演、洋流測(cè)速等，對(duì)我國(guó)首個(gè)基于干涉合成孔徑雷達(dá)技術(shù)的微波測(cè)繪衛(wèi)星系統(tǒng)——天繪-2 號(hào)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，給出了在軌DEM 獲取結(jié)果。針對(duì)我國(guó)天基InSAR 系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展需求，建議發(fā)展高分寬幅多維度觀測(cè)InSAR 衛(wèi)星系統(tǒng)，突破多星高穩(wěn)定度編隊(duì)、甚高精度基線測(cè)量、基于深度學(xué)習(xí)的復(fù)雜地理環(huán)境（如城市）信息重構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)，在軍事和民用航天領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。