面向綜合環境監測的星載SAR技術發展

鄧云凱,張衡,范懷濤,禹衛東,2,王宇,2,唐新明,葛大慶,徐豐,劉國祥

1.中國科學院空天信息創新研究院 航天微波遙感系統部,北京 100190 2.中國科學院大學,北京 100049 3.自然資源部國土衛星遙感應用中心,北京 100048 4.自然資源航空物探遙感中心,北京 100083 5.復旦大學,上海 200433 6.西南交通大學,成都 611756

1 引言

星載合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)是一種以衛星為平臺的主動式微波成像傳感器,通過發射寬帶調頻信號和脈沖壓縮技術實現距離向高分辨率成像,通過方位虛擬合成孔徑技術實現方位向高分辨率成像[1-2]。星載SAR圖像包含豐富的幾何、輻射及相位信息,是全天時、全天候對地觀測的主要技術手段[3]。

自1978年第一顆SAR衛星SeaSat發射以來[4],星載SAR在平臺、載荷與應用等多方面一直受到世界航天大國與組織的高度關注,近年來獲得了快速發展,涌現出一批標志性SAR衛星,如歐空局的Envisat[5]、哨兵一號[6](Sentinel-1A/B),德宇航的TerraSAR-X[7]、TanDEM-X,加拿大的RadarSat-1/2[8],日本的Alos-2[9],中國的高分三號[10]等,推動了星載SAR的幾何分辨率、成像幅寬、極化自由度、觀測維度和應用廣度不斷提升。星載SAR成像新概念、新體制、新規劃不斷被提出,如德宇航提出TanDEM-L星座計劃[11],用于全球陸地探測與生物量測量;美國在研的SWOT衛星[12],將首次利用Ka波段干涉測量全球水體;美印合建的雙頻多極化SAR系統NISAR[13];日本的下一代陸地成像衛星Alos-4[14]等。

在國家高分辨率對地觀測重大科技專項、國家民用空間基礎設施、國家863計劃等國家重大型號任務的支持下,中國星載SAR技術的研究與應用也得到飛速發展。以遙感二十九號、遙感三十三號、高分三號、十號、十二號和陸探一號(LT-1)為代表的重大型號工程突破了亞米級分辨率、大幅寬和多極化成像與高精度干涉等一系列關鍵核心技術,在目標信息獲取、資源探測、災害監測、海洋監視與地形測繪等多方面發揮了重大作用。

近年來,面向地質圈、生物圈、水文圈和土壤圈的全球陸海環境綜合監測成為人們的關注熱點,應用廣度的拓展與傳統技術的局限,為星載SAR體制、技術的深入研究提供了前所未有的機遇和挑戰。在此時代背景下,中科院空天院牽頭完成了國家重點研發計劃“地球觀測與導航”重點專項項目“星載新體制SAR綜合環境監測技術”,圍繞星載SAR成像新概念、新體制與新技術(多通道、變重頻、數字波束形成(Digital Beamforming,DBF)、多發多收(Multi-Input Multi-Output,MIMO)、分布式SAR、混合極化等),開展全鏈路、全方位深入研究,在理論、技術、方法和應用層面突破了系列關鍵核心技術,取得了系列創新性成果,并成功應用于中國LT-1以及后續多型星載SAR研制任務。

本文基于項目研究成果,對面向全球綜合環境監測的星載SAR技術發展進行論述,主要從超大幅寬成像、高靈敏度成像、多極化成像、多維度干涉以及綜合環境監測星座架構設計等方面探討未來星載SAR在地球動態環境監測領域的發展趨勢。

2 超大幅寬星載SAR成像

2.1 寬幅成像的需求及實現

提高觀測時效性和大測繪帶寬是環境監測SAR衛星的兩個主要目標。高時效觀測要求星載SAR縮短重復觀測周期,尤其是面向應急減災需求,要求盡可能實時反映受災區域的動態變化情況,即要求較高的時間分辨率。“星載新體制SAR綜合環境監測技術”項目圍繞國土、測繪、地震、減災、海洋、森林及大型工程基礎設施監測等領域的觀測需求,梳理并明確了星載SAR的探測時效性需求指標。如表1所示。

表1 星載SAR觀測時效性需求

具備大幅寬、高軌道占空比和雙側視成像能力的高性能星載SAR是實現廣域高效能觀測的有效途徑。當前,以林草生物量探測、海洋觀測、地表高程測量和形變沉降監測為代表的地球環境感知應用對寬幅成像的需求日益迫切。寬幅成像已成為新一代地球環境監測衛星的重要發展方向之一。對此,通常以品質因數(Q=幅寬/分辨率)衡量星載SAR系統的高分寬幅成像能力。目前在軌星載SAR實現高品質因數的寬幅成像的主要技術途徑包括:

1)采用方位向波束掃描結合距離向多子帶的成像模式(terrain observation by progressive scans,TOPS[15])。

2)采用方位多通道[16]成像模式,通過方位空間采樣等效時間采樣,降低系統脈沖重復頻率(pulse repetition frequency,PRF),通過頻譜重構,實現高分辨率與寬測繪帶。

3)采用方位多通道結合距離向多子帶的成像模式[17]。

表2總結了部分典型高分寬幅星載SAR的常規模式技術指標。目前,以變PRF和DBF[18]為代表的寬幅成像新體制、新技術正快速發展并進入工程實踐,未來寬幅星載SAR系統將在實現米級空間分辨率的同時對完成數百至上千公里區域成像,大大提高微波遙感效率。表3中列出了目前在規劃中以及在研制中的高分寬幅星載SAR任務,系統品質因數達到50～100,全球觀測能力較傳統星載SAR大幅提升,將為全球動態環境監測提供大量數據支撐。

表2 典型高分寬幅SAR技術指標

2.2 寬幅成像的制約因素

星載SAR成像幅寬定義為雷達一次航過獲取的地面區域垂直航跡向有效地距寬度。對于單一波位,測繪帶寬度為天線的俯仰向主瓣照射區域,可以表示如下[19]:

式中:Rc為場景中心斜距;θE為天線俯仰向波束寬度;成像場景中心電磁波入射角為θi(θi=θ0+α,θ0為波束下視角,α為目標點和星下點的地心夾角)。星載SAR實現高品質因數寬幅成像主要受收發時序、二維模糊等條件約束。

表3 規劃/在研高分寬幅SAR

圖1給出一個典型的星載SAR時序圖,在選取成像帶時,只能在白色菱形區域中選擇視角范圍和PRF值。選擇成像帶和PRF的原則如下:

圖1 星載SAR系統設計斑馬圖Fig.1 The zebra figure of spaceborne SAR system designing

1)為保證方位模糊性能,滿足方位過采樣需求,需盡可能在較高PRF處選擇成像帶。

2)高PRF會導致距離模糊性能惡化,因此PRF在滿足條件(1)的情況下盡量低。

3)相鄰子成像帶之間需要有足夠的重疊度。

若要實現方位高分辨率,則需較高的PRF保證足夠的方位向過采樣率,受到時序限制,系統可選擇的有效成像區域變窄,幅寬變小。因此,在傳統成像體制下,星載SAR的方位向分辨率與成像幅寬相互制約。

方位多通道技術是實現高分寬幅成像的一種有效手段,如表2所示,該技術已在國內外多顆SAR衛星得到應用和驗證[20-22]。基于多通道技術實現高品質因數寬幅成像需要解決如下難題:

1)受星地相對速度變化影響,多通道空間采樣在時間上通常是非均勻的。因此,多通道系統需在系統設計層面實現多通道基線與相位中心的優化配置;在信號處理層面實現非均勻信號的均勻化重建。

2)通道性能不均衡引入的幅度、相位誤差會帶來嚴重的模糊,需要對通道誤差進行有效的定標、估計與校正。

鑒于方位多通道SAR的相關研究已日趨完善,在此就不再贅述。本文重點介紹本項目突破的變PRF寬幅成像技術。

2.3 變PRF成像新體制

變PRF-SAR(VPRF-SAR)是近幾年提出的一種SAR成像新體制,可有效解決成像盲區問題,實現可視范圍連續覆蓋。在恒定脈沖重復頻率的系統中,發射截止區無法接收信號形成成像盲區。VPRF體制可以使得每一個時間接收回波的盲區在斜距上錯開,從而將盲區分布到整個測繪帶,使得每個斜距上都能接收到回波信號,從而距離向測繪帶寬可擴展為接收窗的數倍。

VPRF成像體制工程應用中,需解決兩大問題。首先,PRF變化方式將決定方位信號丟失形式并直接影響到該成像體制的系統靈敏度、模糊度等性能指標。其次,在信號處理方面,變PRF引入的方位非均勻采樣使得該體制信號模型區別于傳統星載SAR體制,必須實現多脈沖信號回波分離、盲區內的缺失數據恢復和高效高精度的非均勻重采樣。

針對PRF變化的方式,團隊提出了一種分段漸變PRF時序設計方法[23],使得沿方位向每個缺失采樣值兩側都具有盡可能多的連續已知采樣值。再結合線性貝葉斯數據處理方法開展數據恢復與重建處理,可以自適應地處理各種散射場景的回波數據,使寬幅成像性能在多種回波場景下普遍優于德宇航研究人員在文獻[24]給出的經典快變PRF方法。

針對盲區內的信號恢復與方位非均勻信號重建問題,早期的處理思路多是基于方位高過采樣率的變PRF成像系統。在文獻[25]中,脈沖重復間隔呈周期性線性變化,在信號處理時可直接獲得對均勻采樣數據的最優線性無偏(best linear unbiased,BLU)估計。團隊實現了一種低過采樣因子下VPRF-SAR數據處理技術[26],即缺失數據恢復-非均勻采樣重建的兩步式處理方案。該方案解決了傳統處理方法需要方位高過采樣導致成像幅寬窄的缺陷,并保證良好的距離模糊性能、較小的下傳數據量與工程可實現性,該方法得到了國際同行專家的認可。

圖2給出了試驗系統獲取的盲區恢復與方位重建結果。圖2(c)和(d)表明,未經方位非均勻信號重建的圖像中存在明顯的虛假目標和模糊信息,經過重建處理后,均得到有效抑制。

3 寬幅星載SAR高靈敏度成像

3.1 寬幅SAR高靈敏度成像需求與實現方法

星載SAR系統的靈敏度直接決定了微波圖像的信噪比,高信噪比圖像清晰度更高,可提升目標檢測、分類與識別精度,提升干涉圖像對之間的相干性,降低隨機相位誤差,進而提升高程測量與形變反演精度。

SAR系統的靈敏度由等效噪聲后向散射系數(noise equivalent sigma zero,NESZ)表征,其定義為信號功率與噪聲功率相等時目標的散射系數。表4給出了部分在軌星載SAR(涵蓋L、C、X三個波段)的典型成像模式的NESZ。

圖2 機載變PRF試驗成像結果Fig.2 Imaging result of airborne various PRF SAR

表4 星載SAR典型模式的NESZ

針對地震、測繪、減災等綜合環境監測重點關注的應用領域,未來新體制星載SAR的技術指標需求,如表5所示。可見,綜合環境監測要求在米級分辨率、百公里幅寬(品質因數達100)條件下,仍需以高靈敏度完成場景成像。

表5 新體制星載SAR靈敏度與幅寬需求

目前,提升系統靈敏度的主要技術途徑是增大星載SAR系統功率孔徑積:

1)提升發射功率。當分辨率和幅寬確定后,天線孔徑基本確定,這時增加系統發射功率是主要手段。

2)增大天線孔徑尺寸。在有限發射功率條件下,通過大孔徑天線進行多通道子孔徑復用,在滿足寬波束發射時,通過數字波束合成形成高增益接收,該項技術仍處于試驗驗證階段。

3.2 寬幅SAR高靈敏度成像的制約因素

首先從決定系統靈敏度的NESZ影響因素入手,分析制約寬幅SAR高靈敏度成像的因素。NESZ表達式如下:

NESZ=

式中:θ0表示目標下視角;k=1.38×10-23J/K表示玻爾茲曼常數;T表示等效噪聲溫度;Bn表示系統等效噪聲帶寬,一般可取信號帶寬;L、F與Laz分別表示等效噪聲損耗、接收端噪聲系數與方位壓縮損失;Pt表示系統峰值發射功率;Gt與Gr分別表示發射和接收增益;λc表示載波波長。

可以看出,NESZ指標與多個系統參數相關,下面僅從寬幅成像對其影響進行分析。系統方位向分辨率的提高要求使用更高的PRF,但是一般來說,占空比PRF·Tp不會隨方位向分辨率變化,而主要是由SAR系統能力決定。因此,該項一般不會對NESZ造成較大影響。測繪幅寬增大要求使用俯仰向小天線生成更寬的波束,這將導致Gt與Gr變小,從而使NESZ變差。為實現在更高分辨率、更大測繪帶寬條件下的高靈敏度成像。團隊針對DBF技術開展了深入研究,提出了中頻DBF處理方案,并對DBF體制下的脈沖延展損失、實時加權進行了研究。

3.3 DBF成像新體制

如圖3所示,DBF成像體制采用俯仰向大口徑多通道天線接收地面反射的電磁回波,并由多通道數字信號加權處理生成由測繪帶近端連續掃描到測繪帶遠端的窄波束,從而有效提高接收增益,提升系統信噪比。

圖3 俯仰向DBF技術的信號接收幾何Fig.3 The signal receiving geometry of elevation DBF SAR

在DBF信號處理框架中,每一個通道的信號都需要經過中頻采樣與數字下變頻,然后在數字域加權之后合成,如圖4(a)。該系統數字資源的占有量幾乎與通道數成正比。低通數字濾波器對數字資源消耗較大,而且在波束形成部分,一個復數乘法操作需要3到4次實數乘法來實現。完成數字下變頻后,數字波束形成模塊中的數據都是在復數域,每一個通道的數據流都有實部和虛部兩部分,有限長度單位沖擊響應濾波器(finite impulse response,FIR)延遲濾波器也需要對實部和虛部分別做一次操作。所以,隨著俯仰向通道數的增多,消耗的系統資源會大幅度增加。

圖4 兩種DBF處理框架Fig.4 Two DBF processing programs

為此,團隊提出了一種中頻DBF合成方案[27]。在中頻完成波束形成操作,采用實數域加權后將所有通道的數據合成為兩路信號,再做數字域正交解調得到DBF輸出的基帶信號,如圖4(b)所示。與德宇航的DBF合成處理方法相比,該方案處理復雜度幾乎不隨通道數目增多而線性增長,可大大減小俯仰向DBF處理對星上數字資源的占用,更有利于DBF技術的工程實現。

DBF提高回波接收增益的核心在于實時跟蹤回波方向。在快時間域,需針對每個脈沖的采樣點進行實時加權合成,每個脈沖的加權因子數量與采樣點數和通道數成正比。在慢時間域,星地幾何關系會發生變化,需逐脈沖更新加權因子。對此,提出一種基于線性多項式擬合的加權因子快速生成方法[28],有效避免了傳統方法中反正切和除法等復雜處理過程,實現了多模式、多波位DBF加權因子的實時計算。

目前,試驗已獲取了掃描接收波束實時合成、脈間距離多波束、脈內距離多波束、基于波形編碼的MIMO模式等大量數據。實測數據處理與定量分析表明DBF圖像信噪比提升水平接近理論值,圖像質量明顯改善,如圖5所示(16通道DBF系統理論信噪比提升約12dB,實測數據分析合成數據較單通道信噪比提升11.2dB)。

4 多極化星載SAR成像

4.1 多極化星載SAR成像需求與實現方法

電磁波的極化特征對目標的散射特性(幾何形狀、空間分布、材料構成、粗糙度及干濕度等)高度敏感,相較單極化SAR,多極化SAR極大地增強了成像雷達對地物信息的獲取能力,在目標檢測、目標識別、圖像增強與分類具有巨大的應用前景。針對多極化成像,減災、國土、林草、海洋等均提出了要在高品質因數寬幅條件下實現全極化觀測的需求。

多極化SAR工作模式按收發模式和電磁波極化狀態差異,可分為雙極化模式(雙線極化、雙圓極化、簡縮極化)和全極化模式(正交線全極化、混合全極化),如表6所示。混合全極化SAR以及混合簡縮極化SAR采用圓極化發射線極化接收(Circularly Transmit and Linearly Receive,CTLR)的方式完成雷達信號的發射和接收。

4.2 多極化星載SAR成像制約因素

在傳統線極化模式下,為了獲取地物目標四極化信息,星載SAR通常需要付出更多的系統資源(功耗、質量、數據率和成本)。同時,全極化模式導致系統整體PRF較單極化或雙極化模式翻倍,受回波接收窗縮短的影響,可視成像幅寬范圍縮短。無法滿足綜合環境監測的需求。除此之外,在經典全極化模式中,交叉極化圖像距離模糊通常比對應的同極化圖像惡化6～8dB,嚴重影響全極化圖像的整體性能。

表6 常見極化合成孔徑雷達

為了解決經典線全極化SAR對系統資源和觀測效能限制難題,團隊重點研究了簡縮極化工作模式;為抑制全極化模式下的交叉極化距離模糊,團隊針對混合全極化模式開展了理論研究,開展了機載SAR飛行試驗,并且應用于星載SAR系統。

4.3 星載SAR極化信息處理新方法

4.3.1 混合簡縮極化SAR定標與極化信息處理

混合簡縮極化是極化SAR發展的一個前沿方向,該模式僅發射一種圓極化電磁波并以水平和垂直極化天線接收回波,可以獲取兩個通道的極化信息。當前國際上已經有多顆SAR衛星具備混合簡縮極化工作模式,如日本的ALOS-2、加拿大的RCM以及中國的LT-1。混合簡縮極化與全極化系統的工作時序對比見圖6。

圖6 混合簡縮極化與全極化模式的時序圖對比Fig.6 Timing diagrams of hybrid compact polarimetric SAR and full polarimetric SAR

與全極化SAR系統相比,混合簡縮極化SAR在定標和極化信息處理兩方面存在差異。首先,混合簡縮極化獲取的目標極化觀測信息減半,導致其定標過程難以完全借用傳統全極化SAR的定標方案。對此,團隊研究了基于優化算法的混合簡縮極化SAR系統定標方案,可校正接收失真對數據的影響[29]。針對現有極化分解在簡縮極化SAR系統中不通用,無法在不同場景中準確估計體散射部分的問題,團隊提出了一種基于模型的二階段極化分解算法(General Two-Stage Model,GTM)[30],通過研究各散射機制的散射特性確定主導散射機制,進而完成極化分解,能夠得到與全極化通用四分量分解算法相近的結果。

為分析混合簡縮極化與全極化等多極化SAR數據在地物分類等應用上的性能差異,團隊基于極化統計特性設計,提出了一個對比多極化SAR數據分類性能的分析框架。通過全極化與混合簡縮極化飛行試驗。驗證了全極化與簡縮極化模式均可以實現較高的地物分類精度,兩者總體分類精度相差不到2%,具體數值如表7所示。圖7給出傳統全極化與混合簡縮極化圖像分類結果對比圖。

表7 全極化與簡縮極化分類精度

圖7 極化圖像分類結果對比圖Fig.7 Polarimetric target decomposition results

4.3.2 混合全極化SAR方位模糊抑制

混合全極化模式通過交替發射左旋和右旋圓極化電磁波并以線極化天線進行接收,可以在測量完備極化信息的前提下改善距離模糊性能,是星載極化SAR系統一種非常具有潛力的新模式。

以LT-1系統設計為例,相同系統參數條件下,傳統全極化和混合全極化SAR系統距離模糊性能曲線仿真如圖8所示。不難發現,與傳統的全極化系統相比,混合全極化SAR系統可以提升距離向測繪幅寬。此外,混合全極化SAR系統可通過同時發射調相后的H和V極化信號合成圓極化發射信號,兼具傳統全極化模式和簡縮極化模式工作能力,從而增強極化SAR系統的擴展性。

圖8 全極化與混合極化SAR距離模糊RASR性能曲線Fig.8 RASR of full polarization and hybrid polarization

為驗證混合全極化SAR系統性能,研究團隊針對多種場景獲取了大量試驗數據。通過對比,驗證了混合全極化SAR和傳統全極化SAR數據之間的特性幾乎完全一致[31],成像結果如圖9所示。同時,針對混合全極化模式線極化重構后的交叉極化信道中方位模糊性能惡化問題,文獻[32]和[33]分別提出結合波形分集雙聚焦后處理技術和基于聯合優化的改進重建方法,有效消除強散射虛假目標的影響,提升圖像質量,提高后續目標檢測與識別處理性能。圖10給出混合全極化SAR系統方位模糊抑制效果對比。

圖9 P波段全極化SAR Pauli彩色編碼圖像Fig.9 P-band full-pol pseudo-color image after Pauli decomposition

圖10 混合全極化SAR系統方位模糊抑制效果對比Fig.10 Imaging results of hybrid full-pol SAR

混合簡縮極化與混合全極化模式很好的解決了星載多極化SAR系統中交叉極化模糊抑制等問題,多極化成像幅寬成倍增加,極化特征提取性能優良,已應用于在軌的LT-1,并將在中國后續的SAR衛星型號中應用,為國土、減災、林草、海洋等行業提供更為豐富的數據支撐。

5 高精度干涉SAR技術

5.1 干涉SAR技術發展需求與實現方法

干涉SAR(InSAR)通過獲取兩幅或多幅帶有幅度和相位信息的復圖像,利用復圖像分辨單元之間的相位差,可獲取地表高程和形變等信息。按照干涉基線取向,InSAR可分為順軌干涉和交軌干涉。順軌干涉主要用于目標運動特性反演,比如車輛、洋流等;交軌干涉主要用于高程和形變測量,例如全球數字高程模型(digital elevation model,DEM)獲取、滑坡監測、城市沉降監測等。InSAR技術在多云多雨區的地形測繪、廣域自然環境滑坡等地質災害監測方面的作用已得到廣大用戶的認可。此外,多基線層析SAR技術在森林結構、生物量反演等方面的研究及應用也逐漸增多。

目前,中國在軌的雙基星載SAR系統天繪二號通過在軌驗證,可滿足1:50000比例尺地形測繪需要;已發射的LT-1 A、B星主要用于地表形變監測與重點地區地形測繪,實現精度達到厘米級(差分干涉)的形變監測。在“新體制星載SAR綜合環境監測技術”項目中,測繪行業提出了未來星載SAR實現1:5000比例尺(相對高程精度達0.5～1m)的全球測繪需求;地震、國土等行業對地表形變測量精度提出了更高的要求;林業對森林高度測量、地上生物量反演、森林垂直結構反演等也提出了要求。

5.2 高精度干涉SAR制約因素

針對高精度DEM獲取,目前主流的兩種InSAR體制是基于單衛星平臺(或飛船、航天飛機)的雙天線InSAR和雙/多星編隊InSAR。其中雙天線干涉以美國的SRTM任務為代表,雙星編隊InSAR以德國TanDEM-X系統和中國的天繪二號為代表的。兩種InSAR體制所獲取DEM精度均受到圖像配準誤差、基線誤差和相位解纏繞誤差等因素制約。其中,圖像配準誤差會導致相干性下降;軌道誤差則會影響DEM的絕對定位精度;而干涉圖解纏繞誤差,則會顯著影響DEM的測高準確度。高精度DEM的獲取通常采用長基線模式,但干涉條紋的密度增大,相位解纏十分困難。此外,復雜地形的配準難度也會隨著基線的增加而增加。

針對地表高精度形變提取,系統成像幾何畸變、系統熱噪聲、衛星軌道誤差、大氣延遲誤差(電離層和對流層引起的誤差)以及地面噪聲信號誤差等會導致干涉失相干、形變測量精度下降。以時間去相干為例,在城市區域,建筑物等永久散射體在較長時間內失相干現象較少。但是在農村、山地等植被覆蓋區域,由于植被的生長變化、土壤濕度的改變等因素,時間去相干較為嚴重。另外,在地震、礦區沉陷、火山等引起的大梯度幾何形變時,也會發生較嚴重的失相干。已有研究表明,相對于短波SAR干涉系統(如X波段,波長3.1cm),長波SAR干涉系統(如L波段,波長約23.6cm)長時間相干性更強。

5.3 多基線干涉SAR技術

為實現更高精度的DEM獲取,同時降低相位解纏的難度,特別是在復雜的地形情況下,多基線InSAR將發揮重要作用。

多基線干涉技術利用多條不同長度的空間基線,得到不同模糊高度下的干涉相位,進而將相位解纏繞從病態問題轉換為了具有唯一解或較少解的問題,能夠顯著提升解纏繞正確率并提升測量的精度。雙/多基星載SAR是實現多基線干涉的主要途徑。國際首個星載雙基SAR系統TanDEM-X通過多次觀測,獲得同一場景的多基線干涉數據,獲取了全球空間分辨優于12m、相對高程測量精度優于2m的高精度DEM。中國也在積極發展星載多基線InSAR技術。除了在軌運行的天繪二號雙星系統,陸探一號01組衛星將開展雙星編隊繞飛,可獲取多基線InSAR數據。

面向未來1:5000比例尺測繪精度需求,團隊從波段選擇、構型及基線設計、分辨率/幅寬設計、定軌精度、基線測量精度等方面開展了新體制多基線干涉SAR星座設計,并針對多基線相位解纏方法開展了研究。該星座采用一顆主星發射、三顆輔星接收的方式,實現相對高程測量精度優于1m,并具備3個月可覆蓋全球、3天可覆蓋重點局部城市的全球高程測量能力。為降低軌道重構時間、提高整軌內基線有效率,團隊提出了一種超四面體星座構型,較雙螺旋構型提高了測繪效率。

對于多基線相位解纏,團隊研究了基于立體測量輔助的多基線InSAR方法,針對地形起伏較大區域干涉相位條紋密集、圖像匹配精度下降的問題,采用相干立體測量方法得到精細配準的主、輔圖像,并通過差分相位處理得到高精度的高程重建結果。

在多基線干涉技術驗證方面,項目團隊基于TerraSAR-X衛星獲取了星-地四基線干涉數據,并獲得建筑三維高程重建結果,如圖11所示。此外,團隊利用P波段多極化SAR,在塞罕壩林場一次飛行獲取了8條基線的全極化SAR數據,通過多基線聯合處理得到了林場某區域的森林高度反演,并與Lidar獲取的結果相對比,得到基于多基線技術的森林高度反演精度優于0.9m[34]。圖12給出基于多基線技術的P波段森林高度反演結果。

目前,在研的多基線干涉SAR星座—宏圖-1號預計成為中國首個四星編隊雷達星座,將以多基線干涉作為常規模式,開展高精度DEM生成、三維成像試驗驗證。中科院空天院作為SAR載荷研制單位,將實現多基星載SAR的高精度時間、空間及相位同步,完成高集成度先進載荷研制。

圖11 星地多基SAR三維成像試驗:SAR圖像與三維重建Fig.11 Spaceborne-stationary multistatic tomography

多頻InSAR是實現多基線的另一種途徑。該體制需在單顆星上搭載不同頻段的射頻單機及天線模塊,兩顆多頻SAR衛星即可形成多個統計獨立的等效干涉基線。較單頻系統,多頻SAR單星質量、復雜度和功耗將增大。團隊針對雙頻干涉的頻段配置、雙頻聯合相位解纏等進行了研究,并分別在2018年和2020年開展了兩次機載雙頻干涉SAR技術驗證試驗,獲取了試驗場景的高精度DEM。圖13給出機載X/Ku雙頻段干涉試驗結果。

5.4 形變測量技術

廣域高時效地質災害監測是中國防災減災領域的重要工作,星載SAR以其良好的時空分辨率特點,可滿足中國對于廣域監測的需求,融合干涉技術開展地質災害普查,為滑坡、沉降等常規災害的時空位移模式推演提供高時效天基微波遙感數據。

圖12 基于多基線技術的森林高度反演Fig.12 Forest height estimation with multibaseline InSAR

圖13 X/Ku雙頻干涉試驗Fig.13 X and Ku-band dual-frequency airborne InSAR campaign

干涉地表形變監測技術按照測量敏感度分為兩類,一類是以相位干涉為主的高敏感度測量,包括差分干涉(Differential InSAR,DInSAR)以及多時相干涉(Multi-temporal InSAR,MTInSAR);另一類是以高分辨率SAR影像信息變化檢測為主的強度測量,包括offset-tracking等方法,側重探測大尺度的地表形變。基于相位信息的SAR干涉形變測量技術是當前最常用的SAR圖像形變提取技術;基于強度信息的offset-tracking方法多應用于自然環境中的大尺度形變監測,該算法利用互相關系數估計主從影像間的偏移量,進而提取地面的二維形變場(方位向-斜距向)。

面向多場景形變測量應用,團隊重點開展了高精度SAR地形建模與重大設施形變監測、多波段SAR地質災害識別與監測技術研究與應用示范。針對滑坡形變監測和災害隱患早期識別,團隊面向西部山區大型滑坡災害防治這一國家重大需求,提出了一種相干散射體InSAR分析方法(CSI)[35],通過聯合分析永久散射體和分布式散射體目標來提升測量點空間密度,從而準確獲取滑坡體表面形變信息,該方法在大渡河流域上游區域滑坡隱患早期識別的成功應用[36]。

形變測量一直是國產SAR衛星重點發展的方向之一。LT-1號 01組雙星計劃于2022年底調整雙星構型,兩顆衛星運行在相同軌道面間隔180°,形變監測成為主要任務。高分三號(C波段)也已經完成三星組網,且02/03星的軌道控制精度較01星提升,可進一步提升形變測量能力。兩個SAR衛星星座將共同承擔起中國廣域、高效能、高分辨率環境動態監測的任務。此外,高時空分辨率的SAR星座(如See-Earth星座計劃)也在研究之中,未來將會為環境動態監測提供更加豐富、可靠的數據保障。

6 綜合環境監測星座架構設計

圍繞國土、測繪、地震、減災、海洋、森林及大型工程基礎設施監測等領域的觀測需求,面向高精度地形測量、形變測量、生物量反演、海浪譜反演與洋流測速等典型行業應用,團隊通過星地一體化綜合應用指標仿真,構建了一體化星載SAR綜合環境監測體系架構及技術指標體系,如圖14所示。

圖14 綜合環境監測體系星座Fig.14 SAR satellite constellation of Earth environmental monitoring system

(1)高時空分辨率SAR星座

針對高時間分辨率、高空間分辨率對地觀測應用,設計了4顆Ka波段高性能全極化SAR衛星星座,利用多星組網實現快速重訪和高頻次全球覆蓋,進而監測地球表面的動態變化過程,為中國基礎戰略性地理信息資源獲取提供長期、穩定、自主可控的數據支撐。衛星系統全球平均重訪時間優于3h,對局部重點區域(最大成像幅寬40km)最高0.1m分辨率的覆蓋能力。

(2)雙頻多極化SAR星座

針對全球生物量探測,設計P+X雙頻全球生物量探測星座聯合探測方案,采用P波段SAR的全極化模式,利用極化干涉技術提取森林垂直結構信息;X波段雙星編隊模式同時獲取干涉SAR數據,得到森林的冠層信息,X波段和P波段載荷協同觀測,可同時獲取林下地形和冠層信息,從而獲得森林高度的精確信息,實現森林生物量的反演精度優于80%,滿足全球森林高度、生物量、蓄積量產品每年更新一次的觀測需求。

(3)多基線編隊SAR星座

針對全球高精度DEM數據獲取、高分辨率全球海表流場監測等應用,設計一主三輔衛星星座,同時具備多條垂直航跡干涉基線:采用垂直向多基線干涉技術實現相對高程測量精度優于1m,并具備3個月可覆蓋全球、3d可覆蓋重點局部城市的全球高程測量能力;采用順軌干涉技術進行洋流測速,主星為方位多通道工作體制,通過一發多收,可獲取有效沿航跡基線。該系統可對世界重要環流的高分辨率海表流場進行每日觀測,流場分辨率優于1km,測速精度優于0.1m/s;在最大成像幅寬模式下,可對全球重點海域的海浪和海面風進行反演,海浪譜反演精度優于15%,可實現3次/天的觀測頻次以及1天內覆蓋重點關注海域的觀測能力。

(4)差分干涉寬幅SAR星座

針對中國地表形變高精度監測應用,設計包含兩顆L波段衛星和兩顆C波段衛星的衛星星座,均勻分布于同一軌道面,間隔90°。精度滿足常規差分干涉測量精度達到厘米級,InSAR時間序列分析測量精度控制在5mm/a以內的需求。

7 結論

隨著中國社會經濟發展水平不斷提高,中國星載SAR技術由優先發展軍事裝備向軍民裝備協同發展的方向推進。在民用天基遙感領域,未來星載SAR發展需面向國家經濟轉型升級與生態文明建設、“一帶一路”倡議實施與新型城鎮化發展規劃實施、地球科學研究等重大需求,圍繞陸海資源、生態環境、地形測繪與災害監測等重要應用,在體系、體制、技術、機理、處理、反演與應用等各方面不斷探索。

可以預見的是,這些新體制、新模式、新技術將為人類提供前所未有的高時效、多層次、多維度遙感觀測數據,未來星載SAR在對地觀測乃至宇宙探測中將發揮更加重要的作用。但是,下一代高性能SAR衛星在系統工程實現、海量數據高效處理、多源數據智能提取方面也面臨更加嚴峻的挑戰,要求星載SAR在概念、設計、仿真、研制、集成、測試、處理、應用等多方面開展全鏈路的技術突破。