周卿

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

關(guān)鍵詞：SAR InSAR 極化 DEM

中圖分類號(hào)：TP701 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）02（b）-0003-06

目前，隨著航空航天技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星遙感技術(shù)也得到了巨大發(fā)展，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在各個(gè)部門和領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。但是，傳統(tǒng)光學(xué)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(dá)衛(wèi)星遙感逐漸成為遙感研究的熱點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的光學(xué)衛(wèi)星遙感，雷達(dá)衛(wèi)星遙感不受云層遮擋限制，具有全天候?qū)Φ赜^測(cè)的能力。除此之外，由于合成孔徑干涉雷達(dá)可以快速生成數(shù)字高程模型（DEM），同時(shí)雷達(dá)衛(wèi)星對(duì)水體、植物和冰川等地物的反射波有差異，因此，可以通過(guò)雷達(dá)遙感影像對(duì)地物進(jìn)行分析。源于以上因素，從20世紀(jì)末開(kāi)始，世界各國(guó)都大力發(fā)展雷達(dá)衛(wèi)星遙感技術(shù)。目前歐美日等很多國(guó)家擁有民用或軍民兩用雷達(dá)遙感衛(wèi)星，主要衛(wèi)星包括加拿大的Envisat衛(wèi)星、德國(guó)的TerraX衛(wèi)星、意大利的Cosmo-SkyMed衛(wèi)星、日本的ALOS衛(wèi)星等，我國(guó)在2016年8月也發(fā)射了我國(guó)第一顆高分辨率雷達(dá)衛(wèi)星——高分三號(hào)。

1 雷達(dá)衛(wèi)星遙感基本理論

1.1 雷達(dá)工作原理

雷達(dá)的英文RADAR是由Radio Detection And Ranging（無(wú)線電偵測(cè)與測(cè)區(qū)）的縮寫。雷達(dá)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(cè)脈沖反射信號(hào)，通過(guò)發(fā)出和接收信號(hào)的時(shí)間、方位角以及電磁波強(qiáng)弱等信息計(jì)算目標(biāo)物的距離、方位、大小和密度等特性。雷達(dá)自20世紀(jì)20年代誕生以來(lái)，在軍事領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。二戰(zhàn)結(jié)束后，雷達(dá)開(kāi)始應(yīng)用于非軍事用途，如氣象預(yù)報(bào)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、探礦和大地測(cè)量等。

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

雷達(dá)根據(jù)電磁波接收方式劃分，可以分為主動(dòng)式雷達(dá)和被動(dòng)式雷達(dá)。

主動(dòng)式雷達(dá)系統(tǒng)在電磁波源發(fā)射電磁波，碰到目標(biāo)物后反射或散射，再被可接收各個(gè)方向的接受雷達(dá)端接收，利用不同路徑的雷達(dá)信號(hào)對(duì)目標(biāo)物的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。主動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)送與接收的雷達(dá)一般是同一部雷達(dá)，在特殊情況下可以是兩部雷達(dá)。

被動(dòng)式雷達(dá)系統(tǒng)只接收電磁波信號(hào)，由于空間中存在大量的電磁波信號(hào)，遇到目標(biāo)物后會(huì)進(jìn)行散射，其中一些電磁波會(huì)散射到被動(dòng)雷達(dá)接收源，而接收雷達(dá)通過(guò)從不同的接收器接收的信號(hào)中或同一接收器在不同時(shí)間接收到的信號(hào)來(lái)估測(cè)目標(biāo)的參數(shù)。一般情況下通過(guò)Bistatic方法比較反射信號(hào)與原來(lái)發(fā)射信號(hào)的差異可以計(jì)算所需的參數(shù)，如距離、方位、速度等，也可以通過(guò)Monostatic方法利用反射或折射信號(hào)直接估算各項(xiàng)參數(shù)。

目前所有遙感衛(wèi)星的星載雷達(dá)都是主動(dòng)式雷達(dá)。

1.2 雷達(dá)衛(wèi)星遙感

雷達(dá)衛(wèi)星遙感即將雷達(dá)安裝到運(yùn)行于地球太空軌道上的衛(wèi)星上，實(shí)現(xiàn)對(duì)地球的觀測(cè)。目前最常見(jiàn)的雷達(dá)遙感衛(wèi)星是合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，簡(jiǎn)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(duì)地物目標(biāo)進(jìn)行偵測(cè)，通過(guò)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(guān)系進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)，可以獲得被偵測(cè)目標(biāo)地物各種豐富的信息，如材料、密度、水含量和結(jié)構(gòu)可靠性等。在雷達(dá)衛(wèi)星遙感技術(shù)誕生后，隨著干涉技術(shù)的SAR衛(wèi)星和聚束SAR技術(shù)發(fā)展，雷達(dá)衛(wèi)星功能越來(lái)越強(qiáng)大，用途越來(lái)越廣泛。因此，各主要國(guó)家在大力發(fā)展SAR衛(wèi)星遙感的同時(shí)，也在發(fā)展遙感衛(wèi)星編隊(duì)組網(wǎng)以及衛(wèi)星星座，編隊(duì)飛行可以實(shí)現(xiàn)立體成像功能，衛(wèi)星組成的飛行編隊(duì)，可以連續(xù)對(duì)某個(gè)區(qū)域進(jìn)行多景重疊成像，從而實(shí)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(dá)遙感

合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星是目前衛(wèi)星遙感的主流，合成孔徑雷達(dá)是多個(gè)雷達(dá)孔徑或天線組成的多電波源雷達(dá)系統(tǒng)。雷達(dá)和人眼都是通過(guò)電磁波的傳輸來(lái)觀測(cè)目標(biāo)物，雷達(dá)波段理論上是波段越小看到的影像越清晰，因此，雷達(dá)需要很長(zhǎng)的天線才能發(fā)出所需的微波。目前大型的微波雷達(dá)天線達(dá)數(shù)公里，因此，傳統(tǒng)雷達(dá)無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)載和星載，為了解決機(jī)載和星載高分辨率雷達(dá)的問(wèn)題，采用多個(gè)雷達(dá)孔徑同步或者異步觀測(cè)，可以獲得多個(gè)小波段的雷達(dá)成像。因此，從雷達(dá)衛(wèi)星一般都采用合成孔徑雷達(dá)作為傳感器。

合成孔徑雷達(dá)的操作原理復(fù)雜，但是可以通過(guò)實(shí)例說(shuō)明基本作業(yè)原理。假設(shè)一搭載SAR衛(wèi)星，SAR的觀測(cè)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(duì)距離與位置，視角方向是衛(wèi)星電磁波傳輸與目標(biāo)物的方向夾角。SAR衛(wèi)星的電磁波Range維方向解析度由測(cè)量電磁波脈沖發(fā)射天線與接收天線的接收時(shí)間決定。

Azimuth維與Range維垂直。與光學(xué)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(dá)天線的寬度，越大的雷達(dá)天線可以使目標(biāo)物的對(duì)焦更加清晰，進(jìn)而使azimuth維方向的解析度更高。與傳統(tǒng)光學(xué)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(yuǎn)低于可見(jiàn)光，因此，如要提高SAR影像的成像品質(zhì)，需要更長(zhǎng)的雷達(dá)天線。但是無(wú)論是飛機(jī)還是衛(wèi)星，其攜帶的雷達(dá)大小都是一定的。因此，為了解決該問(wèn)題，雷達(dá)傳感器可以改裝成基于多普勒效應(yīng)的多個(gè)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(gè)發(fā)射器，在飛行途中每個(gè)發(fā)射器都會(huì)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(guò)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(guò)計(jì)算機(jī)增強(qiáng)后，可以將azimuth維方向的解析度提高3個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.2 SAR影像幾何失真與糾正

在衛(wèi)星雷達(dá)遙感成像中，被偵測(cè)地物目標(biāo)的方位在衛(wèi)星按飛行平臺(tái)的時(shí)間序列進(jìn)行成像，距離方向上是按照地物目標(biāo)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(dǎo)因子，從目前衛(wèi)星雷達(dá)遙感的經(jīng)驗(yàn)上看，目前最主要的誘導(dǎo)因子包括電磁波透視收縮、地物疊蓋和陰影。

同時(shí)為了獲得更大的偵測(cè)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(dǎo)致雷達(dá)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(dá)區(qū)域會(huì)有縮短現(xiàn)象，而在背向雷達(dá)的區(qū)域會(huì)有變長(zhǎng)現(xiàn)象。

以上原因?qū)е铝薙AR影像各種失真，對(duì)于雷達(dá)遙感的幾何失真，可以采用地距的顯示方式進(jìn)行消除，即DEM疊加影像獲得實(shí)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(zhǎng)，這是前波縮短和后波拉長(zhǎng)造成的，由此可見(jiàn)衛(wèi)星軌道是自西向東。

2.3 合成孔徑干涉雷達(dá)

合成孔徑雷達(dá)就是讓合成孔徑雷達(dá)做干涉運(yùn)動(dòng)。SAR影像通常包含了距離與相位資訊，InSAR利用相位的信號(hào)得到空間信息。在對(duì)地形進(jìn)行分析的過(guò)程中，可以挑選兩張?jiān)诓煌瑫r(shí)間拍攝的SAR影像并假設(shè)在拍攝時(shí)間段地表沒(méi)有發(fā)生變化，若對(duì)兩張影像進(jìn)行干涉，則可以得到相對(duì)高程值，其原理類似于立體相對(duì)。通過(guò)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(wèn)題是無(wú)地面像控點(diǎn)的數(shù)據(jù)校正處理，一般采用高精度軌道實(shí)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(guò)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(guò)程中，地表有變動(dòng)，則獲取的高程數(shù)據(jù)將包括實(shí)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(dá)

在合成孔徑干涉雷達(dá)的數(shù)據(jù)中，將高度數(shù)據(jù)從合成孔徑干涉雷達(dá)影像中去除，再通過(guò)另一景相同位置的SAR數(shù)據(jù)獲取相對(duì)高程，稱為差分合成孔徑干涉雷達(dá)。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(lái)減去高度數(shù)據(jù)，該方法的缺點(diǎn)是如果干涉影像的采樣時(shí)間與數(shù)字高程模型的采樣時(shí)間點(diǎn)內(nèi)地表有大的變動(dòng)，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(duì)的主影像作干涉，然后減去原干涉相對(duì)，這種方法可以得到研究時(shí)間范圍內(nèi)的全部動(dòng)量，精度較高；四軌跡法是采用4張SAR影像，制作成兩對(duì)干涉相對(duì)，將兩相對(duì)進(jìn)行差分，可以得到兩相對(duì)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(duì)非正常形變進(jìn)行過(guò)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(dāng)?shù)馗怕訢EM（GDEM數(shù)據(jù)）的結(jié)果，即雙線法。該處變形指對(duì)于衛(wèi)星視角方向的變形。

2.5 SAR/InSAR極化

當(dāng)雷達(dá)發(fā)射電極上有凈電流通過(guò)的時(shí)候，電極電位顯著地偏離了未通過(guò)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(chǎng)矢量方向隨時(shí)間變化，又分為兩個(gè)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(chǎng)矢量與入射面垂直，垂直極化指電磁波的電場(chǎng)矢量與入射面平行。雷達(dá)極化是指雷達(dá)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(dá)衛(wèi)星遙感最常見(jiàn)的極化方式。在雷達(dá)遙感中，由于在傳播過(guò)程中電波與媒質(zhì)相互作用，電波與目標(biāo)相互作用，導(dǎo)致波在傳播過(guò)程中極化狀態(tài)改變，這些改變都反映了媒質(zhì)和目標(biāo)的信息，因此，通過(guò)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(dá)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(huì)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(gè)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(dá)發(fā)射的是垂直極化方式的電磁波，同理，會(huì)產(chǎn)生VV和VH兩種極化方式的圖像。

多極化SAR通過(guò)測(cè)量地面每個(gè)分辨單元內(nèi)的散射回波，進(jìn)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(biāo)散射的能量特性，為更加深入地研究地物目標(biāo)提供了重要的依據(jù)，使SAR遙感對(duì)目標(biāo)的信息獲取能力極大增強(qiáng)。

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(cè)量隨極化變化的特性，使干涉SAR觀測(cè)量實(shí)現(xiàn)目標(biāo)高程獲取，又具有極化SAR對(duì)不同散射機(jī)理的分辨能力，同時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)森林、巖石、水體和裸地等目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別的能力。

3 結(jié)語(yǔ)

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

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