海絲一號合成孔徑雷達衛星及應用概況

文 | 李泉錕 高海英 趙一迪 薛思涵 謝婷 呂素娜 耿旭樸 任維佳

1.廈門大學海洋與地球學院 2.長沙天儀空間科技研究院有限公司

一、前言

近年來，隨著集成化小型化的微電子技術、快速低成本發射和衛星模塊化等技術的不斷成熟，微小衛星以其快速低成本的特點開始逐漸進入人們的視野，全球微小衛星產業正處于蓬勃發展期，微小衛星的發射數量逐年大幅增長。衛星的“小”不只是體現在質量和體積上，通過使用高度集成化、模塊化等技術，使小衛星在擁有與大衛星類似的成像水平時，其設計、制造、發射等整個開發周期被大大縮減，成本也大幅度降低。

2020 年12 月22 日，海絲一號（HISEA-1）衛星在我國文昌衛星發射中心升空入軌，開始執行對地觀測任務。這是國內首顆C 波段商業合成孔徑雷達（SAR）遙感衛星。該星對標國際先進SAR 衛星指標，采用有源相控陣天線，在整星質量185kg 的情況下實現了米級空間分辨率和多種SAR 成像模式。

海絲一號衛星由廈門大學、長沙天儀空間科技研究院有限公司和中國電子科技集團公司第三十八研究所等單位聯合研制。海絲一號衛星具有全天時全天候觀測和二維高空間分辨率的優勢，能夠穿透云霧雨，不受惡劣天氣條件影響而成像，可為全球變化背景下的海洋動力環境參數的遙感反演、海洋災害監測、洪水災害監測、目標識別和地表形變分析等提供有力支撐。

二、海絲一號衛星簡介

海絲一號衛星在國內外衛星小型化的浪潮推動下，基于立方星思想，采用平臺與載荷高度一體化、適應批量化生產的標準化/模塊化技術，以及立足工業級器件的低成本、簡潔化設計，實際重量僅為185kg，設計簡潔、功能密集且極具性價比。

海絲一號衛星具有四種成像模式，包括聚束模式、條帶模式、掃描模式和寬幅掃描模式，最高空間分辨率可達到1m，最大幅寬可達100km，具體參數見表1。

表1 海絲一號衛星參數

（2）洪澇災害監測

洪水影響的范圍十分廣泛，嚴重影響人類的生產實踐活動，傳統人工測量無法第一時間評估洪水的影響范圍。隨著衛星遙感技術的發展，為洪水影響的監測評估提供了一種高效的觀測方法。但發生洪澇災害的地方往往伴隨著云雨天氣，傳統的光學衛星很難在第一時間獲得有效數據。海絲一號衛星不但具有二維高分辨率，而且還能夠穿透云層，全方位地獲取影像，大大提高了對洪水影響范圍觀測的準確性和時效性。利用SAR 衛星可以有效監測大范圍地表洪水情況，為洪澇災害的預防與評估以及災后重建工作提供重要的科學依據。2021 年7 月河南持續強降水天氣過程中，根據應急成像需求，緊急調度海絲一號衛星于7 月25 日和26 日，連續采用條帶模式對河南省多地進行觀測，對其水域面積進行提取和渲染，結果如圖3 所示。

圖3 海絲一號河南衛輝市和淇縣洪水災情監測圖

（3）公共安全應急快速響應

公共安全應急保障工作是國家安全和社會穩定的基石。海絲一號作為一種主動式微波成像衛星，可在任何惡劣天氣晝夜連續工作，為公共安全應急快速響應提供快速、準確的基礎數據支撐。圖4 為海絲一號衛星在2021 年7 月9 日凌晨1 點對泰國曼谷明迪化工爆炸的成像結果。圖中可以看出爆炸區域在影像中有較大幅度響應，由于爆炸改變了原有的建筑物結構，使得原本相對整齊的結構變成了“一片廢墟”。根據爆炸區與普通目標的回波進行對比可以發現，爆炸區增加了組合散射中體散射的比率導致回波強度增強，圖像較“亮”。

圖4 海絲一號夜間爆炸區域成像結果

3.目標識別與分類

SAR 衛星在全天時、全天候都可以獲得目標區域的圖像信息，被廣泛用于目標檢測、分類和變化檢測。通過引入機器學習，結合SAR 衛星提供的豐富的原始數據，可以對圖像進行高效的信息提取，更有助于對陸地和海洋不同目標的識別與分類。海絲一號衛星具有全天時、全氣候觀測的優越功能，不受黑暗條件和糟糕天氣的影響，能夠直接穿越云層拍攝照片，并且具有二維高分辨率等特點。無論處于何種天氣狀況，甚至是面臨極其惡劣的環境，海絲一號都能接連不斷地對目標進行觀測。利用衛星影像與深度學習技術結合可以有效地對海上船只