張潤(rùn)寧 王國(guó)良 梁健 張旭 王旭瑩

(1 中國(guó)空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

(2 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

微波是頻率范圍在300 MHz～300 GHz之間的無線電波，空間微波遙感技術(shù)是以空間飛行器作為微波遙感器的支撐平臺(tái)，對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)實(shí)施觀測(cè)、識(shí)別和分析的技術(shù)總稱，是空間技術(shù)和遙感技術(shù)的綜合。

空間微波遙感技術(shù)具有如下的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[1-2]：①能穿透云霧、雨雪，具有全天候工作的能力；②不受光照的影響，可以全天時(shí)工作；③具有一定的地表和森林植被的穿透能力，對(duì)研究植被覆蓋和檢測(cè)隱蔽目標(biāo)等具有很好的作用；④具有多極化信息獲取能力，可獲得更豐富、更全面的目標(biāo)信息；⑤可以提供不同于可見光和紅外遙感所能提供的某些信息，比如主動(dòng)微波遙感具有測(cè)量距離和相位信息的能力，可以用于大地水準(zhǔn)面的測(cè)量和三維信息的獲取等，還可以用于海洋動(dòng)力學(xué)特性的研究等；⑥具有大幅寬觀測(cè)、不受地域限制的優(yōu)勢(shì)。

由于基于空間平臺(tái)的空間微波遙感技術(shù)的上述特點(diǎn)，目前已成為對(duì)地和對(duì)宇宙觀測(cè)的重要手段，受到各國(guó)的廣泛重視。在軍事成像偵察與監(jiān)視、地形測(cè)繪、打擊效果評(píng)估、災(zāi)害與環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源調(diào)查及海洋研究、空間科學(xué)探測(cè)等領(lǐng)域顯示出廣泛的應(yīng)用價(jià)值和巨大的潛力[3]。

微波遙感載荷一般分為有源和無源兩類。有源微波遙感載荷工作時(shí)需要向目標(biāo)發(fā)射電磁波，然后再接收從目標(biāo)反射或散射回來的電磁信號(hào)。無源微波載荷無需向目標(biāo)發(fā)射電磁波，僅被動(dòng)地接收目標(biāo)輻射的電磁波。常用的星載微波遙感載荷有合成孔徑雷達(dá)(SAR)、高度計(jì)、微波輻射計(jì)、散射計(jì)等。本文以合成孔徑雷達(dá)、雷達(dá)高度計(jì)、微波輻射計(jì)、微波散射計(jì)等典型載荷為代表對(duì)空間微波遙感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析。

1 空間微波遙感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 星載合成孔徑雷達(dá)

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)作為一種主動(dòng)式微波成像遙感器，通過發(fā)射寬帶調(diào)頻信號(hào)和脈沖壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)距離向高分辨率，通過方位合成孔徑技術(shù)獲得方位向高分辨率。

從1978年美國(guó)發(fā)射第1顆SAR衛(wèi)星“海洋衛(wèi)星”(Seasat)開始，星載SAR逐漸成為對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，很多國(guó)家都陸續(xù)開展了星載SAR技術(shù)研究并制定了相應(yīng)的星載SAR衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃。進(jìn)入21世紀(jì)以來，世界上多個(gè)航天強(qiáng)國(guó)相繼部署了各自的星載SAR衛(wèi)星系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了SAR衛(wèi)星的更新?lián)Q代，其中美國(guó)發(fā)射了5顆“未來成像架構(gòu)”(FIA)衛(wèi)星，俄羅斯發(fā)射了一顆禿鷹-E(Kondor-E)衛(wèi)星，以色列發(fā)射了1顆地平線-10(Ofeq-10)衛(wèi)星，韓國(guó)發(fā)射了阿里郎-5(kompsat-5)衛(wèi)星，歐洲航天局發(fā)射了2顆“哨兵-1(Sentinel-1)”衛(wèi)星，印度發(fā)射了雷達(dá)成像衛(wèi)星-1(RISAT-1)。同時(shí)，美國(guó)、德國(guó)、意大利、加拿大等國(guó)家都對(duì)其現(xiàn)有的SAR衛(wèi)星進(jìn)行更新?lián)Q代。英國(guó)、阿根廷、西班牙等國(guó)家也已發(fā)射自己的首顆SAR衛(wèi)星[4-5]。

美國(guó)在其第一代“長(zhǎng)曲棍球”(Lacrosse)雷達(dá)偵察衛(wèi)星系列之后，相繼發(fā)射5顆“未來成像架構(gòu)”(Future Image Architecture，F(xiàn)IA)雷達(dá)衛(wèi)星，其軌道高度為1100 km，成像最高分辨率優(yōu)于0.3 m，整星質(zhì)量約3300 kg，采用了大型傘狀反射面天線。

德國(guó)在其陸地觀測(cè)系列衛(wèi)星中發(fā)射了2顆雷達(dá)衛(wèi)星，第1顆陸地雷達(dá)-X頻段衛(wèi)星(TerraSAR-X)于2007年發(fā)射，第2顆于2010年發(fā)射。2顆星載SAR組成X頻段陸地合成孔徑雷達(dá)-附加數(shù)字高程測(cè)量(TanDEM-X)編隊(duì)(如圖1所示)，并能夠協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)干涉測(cè)繪功能，TerraSAR-X除了能夠?qū)崿F(xiàn)條帶、掃描、滑動(dòng)聚束等功能外還在軌驗(yàn)證了能夠去除星載波束掃描合成孔徑雷達(dá)(ScanSAR)模式中扇貝效應(yīng)的TOPS模式、能夠進(jìn)行高分辨率成像及識(shí)別的凝視聚束模式以及可以進(jìn)行海洋寬幅監(jiān)測(cè)的超寬幅ScanSAR模式，其凝視聚束模式分辨率最高可達(dá)0.8 m(距離向)×0.16 m(方位向)。

圖1 德國(guó)TanDEM-X雙星編隊(duì)示意圖

在下一代TerraSAR系統(tǒng)(TSX-NG)中，距離向分辨率將由目前的0.8 m提高到0.2 m，TSX-NG還會(huì)利用3～5顆組網(wǎng)的形式以提高對(duì)成像需求的響應(yīng)時(shí)間。

俄羅斯在2013年的發(fā)射Kondor-E衛(wèi)星，質(zhì)量約為1150 kg，部署在高度約500 km的太陽(yáng)同步軌道，其有效載荷為S頻段合成孔徑雷達(dá)，載荷天線為口徑6 m的網(wǎng)狀反射面天線，其聚束模式分辨率為1 m，如圖2所示。

圖2 俄羅斯Kondor-E星載SAR整星結(jié)構(gòu)示意圖

加拿大于2019年發(fā)射了“雷達(dá)衛(wèi)星星座任務(wù)”(RCM)星座，RCM星座為“雷達(dá)衛(wèi)星”(RadarSat)系列的后續(xù)系統(tǒng)，與RadarSat系列衛(wèi)星相比，RCM星座仍采用C頻段SAR載荷，并新增了艦船自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)，衛(wèi)星質(zhì)量由RadarSat-2的2200 kg降為1400 kg，RCM星座三星運(yùn)行于同一軌道面，等相位分布，三星組網(wǎng)后可通過干涉測(cè)量實(shí)現(xiàn)地表形變的監(jiān)測(cè)。

近年來國(guó)內(nèi)星載SAR衛(wèi)星也取得了突出的成就，頻段覆蓋L、S、C、X、Ka等頻段，其技術(shù)水平整體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

2012年我國(guó)發(fā)射了由航天東方紅衛(wèi)星有限公司抓總研制的首顆民用的環(huán)境一號(hào)-C(HJ-1-C)SAR衛(wèi)星(圖3)，衛(wèi)星采用CAST2000小衛(wèi)星平臺(tái)，整星重約830 kg，有效載荷為S頻段SAR，其采用了6.0 m×2.8 m的可折疊式網(wǎng)狀拋物面天線，其條帶模式成像分辨率為5 m，環(huán)境一號(hào)C衛(wèi)星成功發(fā)射取得了重要的技術(shù)及應(yīng)用成果，填補(bǔ)了我國(guó)星載構(gòu)架式可展開天線技術(shù)領(lǐng)域的空白，首次實(shí)現(xiàn)星載集中式SAR體制在軌檢驗(yàn)和成像，并首次開展了S頻段SAR圖像數(shù)據(jù)在環(huán)境減災(zāi)領(lǐng)域的應(yīng)用研究[6]。

圖3 HJ-1-C衛(wèi)星在軌示意圖

HJ-1-C衛(wèi)星后續(xù)星目前正在進(jìn)行工程研制，其標(biāo)稱分辨率仍為5 m，通過增大天線口徑并對(duì)饋源進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)靈敏度在HJ-1-C衛(wèi)星的基礎(chǔ)上提升了約2～3 dB，相比于HJ-1-C單極化，后續(xù)星可選擇單極化、雙極化、四極化，同時(shí)通過增大觀測(cè)幅寬提升了對(duì)目標(biāo)區(qū)域的重訪與覆蓋能力，星上增加了數(shù)據(jù)應(yīng)急處理分系統(tǒng)，具備星上實(shí)現(xiàn)SAR圖像幾何校正、成像等功能的能力，可優(yōu)先將應(yīng)急數(shù)據(jù)下傳到地面，衛(wèi)星預(yù)計(jì)于2022年發(fā)射。

2016年成功發(fā)射了由中國(guó)空間技術(shù)研究院抓總研制的我國(guó)首顆C頻段全極化多模式SAR衛(wèi)星——高分三號(hào)(GF-3)衛(wèi)星(圖4)，GF-3衛(wèi)星具有高分辨率、大成像幅寬、高輻射精度、多成像模式和長(zhǎng)時(shí)工作的特點(diǎn)，能夠全天候和全天時(shí)實(shí)現(xiàn)全球海洋和陸地信息的監(jiān)視監(jiān)測(cè)，GF-3衛(wèi)星有20種工作模式，最高分辨率達(dá)到1 m，整星質(zhì)量2779 kg。衛(wèi)星發(fā)射以來已經(jīng)成為資源監(jiān)測(cè)、災(zāi)害應(yīng)急不可或缺的重要手段，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行業(yè)[7]。

圖4 GF-3衛(wèi)星在軌示意圖

此外由中國(guó)空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部抓總研制的世界首顆高軌SAR衛(wèi)星已進(jìn)入正樣研制階段，高軌SAR衛(wèi)星運(yùn)行于地球同步軌道，具備大幅寬、快重訪的能力，可向用戶提供分辨率優(yōu)于20～50 m的SAR圖像，有效滿足防災(zāi)減災(zāi)及應(yīng)急監(jiān)測(cè)需求，同時(shí)兼顧國(guó)土資源、地震、水利、氣象、海洋、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等行業(yè)應(yīng)用需求。

近年來隨著設(shè)計(jì)理念及星上電子器件和機(jī)電產(chǎn)品技術(shù)的不斷進(jìn)步，微小型SAR衛(wèi)星成為空間微波遙感領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。特別是2018年以來，以芬蘭“冰眼”(ICEYE)系列衛(wèi)星、美國(guó)Capella系列衛(wèi)星(圖5)、日本Strix衛(wèi)星和QPS衛(wèi)星為代表，世界各國(guó)共研制發(fā)射了20余顆微小SAR衛(wèi)星，均為百千克量級(jí)，最高分辨率可達(dá)0.5 m。與大中型SAR衛(wèi)星單星或小規(guī)模星座組網(wǎng)應(yīng)用相比，各國(guó)計(jì)劃建設(shè)的微小SAR衛(wèi)星星座規(guī)模達(dá)到幾十顆至上百顆。微小型SAR衛(wèi)星的批量化研制、規(guī)?；渴鸷途W(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行將帶來空間微波遙感應(yīng)用模式和商業(yè)模式的新變革。

圖5 美國(guó)Capella衛(wèi)星在軌示意圖

1.2 星載雷達(dá)高度計(jì)

雷達(dá)高度計(jì)(Radar Altimeter)是主動(dòng)式工作的微波遙感器，傳統(tǒng)的雷達(dá)高度計(jì)以飛行器的軌道為基準(zhǔn)，向地面發(fā)射電磁脈沖，并接收地面反射的回波，通過測(cè)量發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)之間的時(shí)間延遲，來測(cè)量與其垂直的地球表面的距離[8]。

通過對(duì)雷達(dá)高度計(jì)直接測(cè)量的雷達(dá)回波波形的信息提取可以獲得海面高度、有效波高等數(shù)據(jù)產(chǎn)品，進(jìn)一步開展數(shù)據(jù)產(chǎn)品的反演數(shù)據(jù)可獲得包括海洋地球物理學(xué)、海洋動(dòng)力學(xué)、海洋氣候與環(huán)境、海冰監(jiān)測(cè)等諸多應(yīng)用領(lǐng)域的專題應(yīng)用產(chǎn)品。雷達(dá)高度計(jì)測(cè)量技術(shù)目前已經(jīng)成為重要的用于海洋觀測(cè)不可或缺的遙感手段。

自1973年美國(guó)的天空實(shí)驗(yàn)室(Skylab)驗(yàn)證了星載雷達(dá)高度計(jì)的方案以來，雷達(dá)高度計(jì)經(jīng)歷了近50年的發(fā)展，測(cè)量精度也從最初的米級(jí)提高到了現(xiàn)在的厘米量級(jí)。目前裝載了雷達(dá)高度計(jì)的衛(wèi)星絕大部分來自美國(guó)和歐洲，美國(guó)和法國(guó)合作研制的Jason系列衛(wèi)星是高度計(jì)衛(wèi)星最典型的代表，目前在軌的可提供高度計(jì)應(yīng)用數(shù)據(jù)的衛(wèi)星包括美/法的Jason系列衛(wèi)星、歐洲航天局的“冷星”(CryoSat)系列衛(wèi)星和我國(guó)的海洋二號(hào)系列衛(wèi)星等[9]。

星載雷達(dá)高度計(jì)的發(fā)展經(jīng)歷了傳統(tǒng)星下點(diǎn)高度計(jì)、星下點(diǎn)合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)以及寬刈幅干涉型高度計(jì)三種體制的發(fā)展歷程，其中Jason-3衛(wèi)星、CryoSat-2、Sentinel-3A/B衛(wèi)星采用了合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)，其利用衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)，經(jīng)多普勒銳化將天線波束變成多個(gè)子波束，每個(gè)子波束在傳統(tǒng)圓形天線足跡內(nèi)形成條帶狀的波束足跡，即采用合成孔徑技術(shù)提高了沿軌跡空間分辨率，同時(shí)在衛(wèi)星飛行過程中，條帶區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)被子波束依次掃視，將不同位置接收的回波信號(hào)進(jìn)行延遲距離校正后疊加，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的多次測(cè)量，提高了信噪比，比起傳統(tǒng)回波波形，合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)的回波前沿更陡峭，信噪比更高，從而獲得更高的測(cè)距精度[10-11]。

寬刈幅雷達(dá)高度計(jì)規(guī)劃包括Jason-CS、SWOT等[12-15]，使用了干涉型成像高度計(jì)。干涉型成像高度計(jì)采用干涉技術(shù)獲取高程信息的原理，雖然理論上絕對(duì)測(cè)高精度不及傳統(tǒng)高度計(jì)，但其具有寬刈幅觀測(cè)能力，可以大大提高海面高度和有效波高的探測(cè)效率，同時(shí)其通過各種差分校正技術(shù)和信號(hào)處理手段，可以在寬刈幅內(nèi)獲得相對(duì)高的測(cè)高精度滿足特定的應(yīng)用需求，此外可以獲得海洋波浪譜信息，兼顧了海洋和陸地的成像功能，SWOT衛(wèi)星的觀測(cè)刈幅可達(dá)120 km，如圖6所示。

圖6 SWOT衛(wèi)星在軌效果圖

我國(guó)目前已發(fā)射的海洋二號(hào)系列衛(wèi)星采用傳統(tǒng)雷達(dá)高度計(jì)，測(cè)高精度優(yōu)于5 cm；合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)也已進(jìn)入工程研制階段；2016年9月16日，由中科院國(guó)家空間中心研制的三維成像微波高度計(jì)隨天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室發(fā)射升空開展原理驗(yàn)證工作，成為國(guó)際上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)寬刈幅高度測(cè)量的三維成像高度計(jì)，在400 km的軌道高度上在定軌精度20 cm的條件下實(shí)現(xiàn)了幅寬30～35 km，相對(duì)測(cè)高精度為8.2 cm的指標(biāo)。

1.3 星載輻射計(jì)

星載微波輻射計(jì)是一種被動(dòng)式微波遙感設(shè)備，通過接收被觀測(cè)場(chǎng)景輻射的微波能量來探測(cè)目標(biāo)特性。當(dāng)微波輻射計(jì)的天線主波束指向地面時(shí)，天線收到地面輻射、地面散射和大氣輻射等輻射流量，引起天線視在溫度的變化。天線接收的信號(hào)經(jīng)放大、濾波、檢波和再放大后，以電壓的形式給出。對(duì)微波溫度探測(cè)輻射計(jì)的輸出電壓進(jìn)行定標(biāo)后，即建立起輸出電壓與天線視在溫度的關(guān)系，就可以確定所觀測(cè)目標(biāo)的亮溫度，該溫度值包含了輻射體和傳播介質(zhì)的一些物理信息[16]。

星載微波輻射計(jì)已發(fā)展成為觀測(cè)大氣與地球表面的重要遙感手段，具有全天候、全天時(shí)的對(duì)地觀測(cè)能力，可獲取大氣溫度、濕度、水汽、降雨含量、海冰分布等地表、海洋和大氣的重要信息，是氣象衛(wèi)星和海洋衛(wèi)星的重要遙感載荷。

美國(guó)的Seasat系列衛(wèi)星、國(guó)防氣象衛(wèi)星(DMSP)、“諾阿”(NOAA)氣象衛(wèi)星、“科里奧利”(Coriolis)衛(wèi)星都搭載了微波輻射計(jì)，我國(guó)的風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星、云海一號(hào)衛(wèi)星、海洋二號(hào)系列衛(wèi)星(圖7)也搭載了微波輻射計(jì)[17]，目前海洋二號(hào)系列衛(wèi)星已成功發(fā)射4顆，海洋二號(hào)B星、C星、D星相繼于2018年、2020年、2021年成功發(fā)射并在軌穩(wěn)定運(yùn)行，三星組網(wǎng)構(gòu)成我國(guó)首個(gè)海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星星座。

圖7 海洋二號(hào)衛(wèi)星在軌示意圖

微波輻射計(jì)目前的發(fā)展方向主要包括全極化輻射計(jì)及綜合孔徑輻射計(jì)[18]。

傳統(tǒng)的微波輻射計(jì)只是測(cè)量目標(biāo)微波輻射的H和V極化分量的輻射亮溫。研究表明除了H和V極化分量，Stokes矢量的其它分量即兩個(gè)極化分量的復(fù)相關(guān)分量，能夠提供更多的關(guān)于目標(biāo)的信息，由此星載全極化微波輻射計(jì)得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用，全極化微波輻射計(jì)可以測(cè)量海面微波輻射全部4個(gè)Stokes參數(shù)，與傳統(tǒng)的微波輻射計(jì)只能測(cè)量水平和垂直極化兩個(gè)Stokes參數(shù)(TV、TH，前兩個(gè)Stokes參數(shù))相比，第3和第4個(gè)Stokes參數(shù)對(duì)于粒子分布的方向非常敏感，這是測(cè)量大氣有關(guān)粒子分布方向信息很好的兩個(gè)候選參數(shù)，通過反演獲得測(cè)量海面風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)速、風(fēng)向)信息，美國(guó)的Coriolis衛(wèi)星搭載了全極化輻射計(jì)，其測(cè)溫精度達(dá)到0.75 K，并能夠提供高精度的海面風(fēng)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，我國(guó)全極化微波輻射計(jì)也已進(jìn)入工程研制。

星載微波輻射計(jì)要提高空間分辨率，就必須設(shè)法增大天線的物理口徑，而天線物理口徑過大對(duì)于其星載應(yīng)用會(huì)帶來很大的困難，綜合孔徑微波輻射測(cè)量技術(shù)將一個(gè)大口徑天線等效分割成若干個(gè)小口徑天線的思想，通過基線設(shè)計(jì)和組合干涉測(cè)量得到所有的小口徑天線組合的測(cè)量結(jié)果，并對(duì)這些干涉測(cè)量結(jié)果進(jìn)行相干處理，來得到被測(cè)目標(biāo)的輻射亮溫，美國(guó)于2002年發(fā)射的HYDROSTAR輻射計(jì)為綜合孔徑輻射計(jì)，其工作在L頻段，采用一維稀疏天線陣，在交軌方向采用孔徑綜合技術(shù)，在順軌方向采用天線真實(shí)口徑進(jìn)行觀測(cè)，其星下點(diǎn)分辨率為27 km，目前在軌運(yùn)行的土壤濕度和海洋鹽度衛(wèi)星(SMOS)搭載的MIRAS為全球首個(gè)二維綜合孔徑微波輻射計(jì)，其具有1000 km觀測(cè)幅寬、40 km分辨率和1 K靈敏度[19-21]。

1.4 星載散射計(jì)

星載微波散射計(jì)是專門用來從空間大范圍定量測(cè)量被觀測(cè)面(或體)散射特性即后向散射系數(shù)的有源微波遙感器，星載微波散射計(jì)對(duì)海面風(fēng)矢量的測(cè)量是通過在不同方位角測(cè)量海面同一區(qū)域的歸一化雷達(dá)后向散射系數(shù)，并利用后向散射系數(shù)和海面風(fēng)的幾何模型函數(shù)來推導(dǎo)出海面風(fēng)的速度和方向，從而得到海洋表面的矢量風(fēng)場(chǎng)。星載微波散射計(jì)的基本體制主要包括筆形波束(也稱為點(diǎn)波束)體制和扇形波束體制兩類。筆形波束體制的分辨能力通?？拷嵌葴y(cè)量來獲得，扇形波束體制的分辨力由距離測(cè)量來獲得，也可由速度測(cè)量來獲得[22-23]。

美國(guó)發(fā)射了海洋衛(wèi)星-A(Seasat-A)，它首次證明了散射計(jì)可以對(duì)海洋上空的風(fēng)矢量進(jìn)行全天候測(cè)量。自Seasat-A以后，美國(guó)、歐空局、日本等先后研制并成功發(fā)射了多個(gè)散射計(jì)，其中最具代表的是NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)研制的NSCAT扇形波束微波散射計(jì)和SeaWinds筆形波束微波散射計(jì)[24]。

星載散射計(jì)的兩個(gè)重要的發(fā)展方向?yàn)樯刃尾ㄊ鴪A錐掃描體制散射計(jì)以及極化散射計(jì)，扇形波束圓錐掃描體制結(jié)合了點(diǎn)波束圓錐掃描以及扇形波束的優(yōu)勢(shì)，通過獲取掃描過程中對(duì)同一目標(biāo)的不同入射角觀測(cè)值無模糊反演風(fēng)場(chǎng)矢量，航天東方紅衛(wèi)星公司研制的中法海洋衛(wèi)星(CFOSAT-1)搭載了一臺(tái)扇形波束掃描散射計(jì)，風(fēng)速測(cè)量精度達(dá)到2 m/s[25]，如圖8所示。

圖8 中法海洋衛(wèi)星在軌效果圖

星載散射計(jì)的另一個(gè)發(fā)展方向是極化散射計(jì)，極化散射計(jì)同時(shí)測(cè)量常規(guī)的同極化后向散射系數(shù)，以及同極化和交叉極化的雷達(dá)回波的相關(guān)系數(shù)。利用同極化和極化相關(guān)信號(hào)的對(duì)稱性質(zhì)的差異可以解決風(fēng)向模糊問題，同時(shí)提高整個(gè)觀測(cè)帶內(nèi)的風(fēng)向反演性能。此外，采用極化散射計(jì)還有可能將大氣中雨的影響去掉，提高降雨情況下風(fēng)的反演精度。

2 空間微波遙感技術(shù)應(yīng)用需求分析

2.1 星載合成孔徑雷達(dá)

隨著星載合成孔徑雷達(dá)技術(shù)以及地面數(shù)據(jù)處理與反演技術(shù)的進(jìn)步，各應(yīng)用行業(yè)對(duì)星載合成孔徑雷達(dá)提出了諸多新的應(yīng)用需求。

2.1.1 高分寬幅成像需求

在應(yīng)用中，一方面期望SAR具有很高的分辨率以獲得更多的目標(biāo)細(xì)節(jié)信息，另一方面同時(shí)期望SAR可以對(duì)場(chǎng)景目標(biāo)進(jìn)行大范圍觀測(cè)，自SAR技術(shù)應(yīng)用于遙感觀測(cè)以來，高分辨率和寬測(cè)繪帶一直是牽引SAR技術(shù)發(fā)展的兩個(gè)主要引擎，傳統(tǒng)的星載SAR體制在空間分辨率與測(cè)繪帶之間存在制約關(guān)系，需要采用新的體制及技術(shù)手段解決高分辨與寬覆蓋之間的矛盾，在充分考慮星上資源約束的情況下實(shí)現(xiàn)相對(duì)高分寬幅。

2.1.2 定量化應(yīng)用需求

當(dāng)前各行業(yè)用戶對(duì)SAR衛(wèi)星定量化應(yīng)用支持能力提出了很高的要求，這就要求SAR圖像輻射精度和幾何精度等性能指標(biāo)達(dá)到較高的應(yīng)用水平才能反演出高精度的行業(yè)應(yīng)用信息，這需要衛(wèi)星設(shè)計(jì)、研制、數(shù)據(jù)處理、定標(biāo)等各個(gè)環(huán)節(jié)來共同保證。

2.1.3 地理測(cè)繪及地表形變測(cè)量需求

SAR衛(wèi)星通過干涉測(cè)量可獲得場(chǎng)景內(nèi)的高度信息，進(jìn)而獲得DEM信息，自然資源管理、交通運(yùn)輸、應(yīng)急管理對(duì)DEM信息的獲取提出了迫切的要求，此外通過差分干涉可獲得地表形變信息，這對(duì)災(zāi)害預(yù)警、重要基礎(chǔ)設(shè)施地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)具有重要意義，這些需求對(duì)衛(wèi)星軌道控制、干涉基線測(cè)量與保持、干涉數(shù)據(jù)處理都提出了較高的要求。

2.1.4 穿透探測(cè)需求

低頻電磁波具有一定的穿透性，利用其對(duì)植被的穿透性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物量的估計(jì)，利用電磁波對(duì)沙漠、冰川、凍土等介質(zhì)的穿透性可以實(shí)現(xiàn)地下目標(biāo)探測(cè)、全球氣候變化研究。

2.1.5 快速重訪的需求

傳統(tǒng)的星載SAR受軌道重訪周期的限制無法滿足某些特定的應(yīng)用需求，衛(wèi)星應(yīng)急應(yīng)用及戰(zhàn)術(shù)偵察對(duì)重訪提出了較高的要求，可通過增加衛(wèi)星平臺(tái)左右側(cè)視機(jī)動(dòng)能力、多星組網(wǎng)、高軌SAR等技術(shù)手段滿足快速重訪的需求。

2.2 星載雷達(dá)高度計(jì)

2.2.1 高的測(cè)高精度和高時(shí)空分辨率需求[26]

傳統(tǒng)雷達(dá)高度計(jì)為星下點(diǎn)的測(cè)量，對(duì)觀測(cè)物理現(xiàn)象的時(shí)空分辨率通過軌道星下點(diǎn)軌跡的合理設(shè)計(jì)來保證，中小尺度的海洋現(xiàn)象既需要提高空間分辨率也需要提高其時(shí)間分辨率(及縮短重訪周期)以獲取其高的時(shí)空譜信息，此外高精度的海洋重力場(chǎng)及海底地形反演對(duì)測(cè)高精度和空間分辨率也提出了更高的要求。

2.2.2 近岸觀測(cè)能力需求

近岸區(qū)域，雷達(dá)高度計(jì)回波受到陸地回波及較大有效波高的影響，測(cè)距精度較差，但近岸區(qū)的海洋現(xiàn)象對(duì)海洋生物、生態(tài)系統(tǒng)以及污染物的擴(kuò)展都有重要影響，這就要求在近岸區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的測(cè)量。

2.3 星載輻射計(jì)

全球性的高精度海洋溫度測(cè)量對(duì)海洋動(dòng)力環(huán)境與海洋生態(tài)環(huán)境的反演至關(guān)重要，海洋溫度是決定海氣界面水循環(huán)和能量循環(huán)的一個(gè)重要參數(shù)，從而決定全球的水循環(huán)和能量收支平衡。臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度、頻率、發(fā)生和登陸位置很大程度都決定于其下墊面海水溫度對(duì)臺(tái)風(fēng)的維持、促生和衰減過程。大尺度的氣候變化包括厄爾尼諾、南方濤動(dòng)和北大西洋濤動(dòng)，都具有明顯的海面溫度變化特征，高空間分辨率、高精度的海面溫度測(cè)量對(duì)海洋動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋環(huán)境預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)都具有重要意義。

2.4 星載散射計(jì)

星載散射計(jì)用于對(duì)海面風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量，海面風(fēng)場(chǎng)作為海洋環(huán)流的主要驅(qū)動(dòng)力，調(diào)制著海洋與大氣之間的熱通量、水汽通量、氣溶膠粒子通量等，進(jìn)而調(diào)節(jié)海洋與大氣之間的耦合作用，最終確定并保持著全球或區(qū)域的氣候模式。風(fēng)速的分布決定著波高的分布以及海洋涌浪的傳播方向，并能預(yù)測(cè)涌浪對(duì)船只、近岸建筑以及海岸帶的影響。因此，高精度、高空間分辨率海面風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)于理解海洋與大氣之間的相互作用、開展海洋大氣領(lǐng)域、近岸船舶航行等至關(guān)重要。

3 空間微波遙感技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

3.1 星載合成孔徑雷達(dá)

3.1.1 多種成像模式

早期SAR成像基本模式包括條帶、掃描、聚束模式，在高分寬幅、三維成像、圖像質(zhì)量提升等需求的牽引下，SAR成像模式向著更多樣化的趨勢(shì)發(fā)展，逐步衍生出了滑動(dòng)聚束、馬賽克、TOPS、層析SAR、陣列SAR的等新型成像模式及成像體制，未來隨著信息獲取自由度的擴(kuò)展及數(shù)據(jù)處理方法的技術(shù)進(jìn)步，解決特定需求的新成像模式及成像體制將不斷涌現(xiàn)[27]。

3.1.2 頻段的擴(kuò)展以及多頻段的融合

對(duì)SAR系統(tǒng)而言低頻段具有很好的穿透性能，可實(shí)現(xiàn)植被、淺層地表以及冰川、凍土的穿透，可應(yīng)用于生物量估計(jì)、地質(zhì)研究、次地表目標(biāo)探測(cè)等領(lǐng)域；高頻段SAR系統(tǒng)具備近光學(xué)的成像能力，圖像目標(biāo)細(xì)節(jié)特征清晰、棱角明顯，更有利于目標(biāo)的識(shí)別確認(rèn)，可應(yīng)用于精細(xì)化農(nóng)業(yè)分類、精確有效災(zāi)害監(jiān)測(cè)和評(píng)估、高效精準(zhǔn)邊防、海防、海上救援，SAR系統(tǒng)在現(xiàn)有成像頻段的基礎(chǔ)上向更高頻及更低頻的方向發(fā)展。在機(jī)載多頻段SAR的基礎(chǔ)上，星載SAR系統(tǒng)也將也不斷涌現(xiàn)。

3.1.3 極化與干涉SAR的融合

同一目標(biāo)對(duì)不同極化信號(hào)有不同的響應(yīng)，每種極化可以獲得各自獨(dú)特的信息，因此多極化測(cè)量獲得的極化矩陣數(shù)據(jù)可以提高目標(biāo)散射特性的獲取能力，考慮不同的應(yīng)用場(chǎng)景及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)代價(jià)，SAR成像的極化方式由傳統(tǒng)的單極化系統(tǒng)向全極化、圓極化、簡(jiǎn)縮極化SAR的方向發(fā)展。

干涉體制的相干系數(shù)的測(cè)量與多極化體制的散射矩陣的測(cè)量相結(jié)合可以同時(shí)獲得散射體的高度信息和結(jié)構(gòu)信息。

3.1.4 SAR產(chǎn)品空間、時(shí)間維度的發(fā)展

SAR成像空間維度的發(fā)展主要為由傳統(tǒng)的二維成像向三維成像發(fā)展，SAR三維成像主要基于層析SAR，利用SAR衛(wèi)星在層析高度維的多次飛行實(shí)現(xiàn)合成孔徑，在傳統(tǒng)二維成像的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)三維成像。傳統(tǒng)側(cè)視SAR衛(wèi)星可通過多次航過將高度維作為層析方向，實(shí)現(xiàn)三維成像。下視層析雷達(dá)通過多航過層析實(shí)現(xiàn)跨航向的高分辨，高度向高分辨通過大帶寬信號(hào)脈壓實(shí)現(xiàn)，航向高分辨通過合成孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

SAR成像時(shí)間維度的發(fā)展主要為通過多孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻SAR成像，視頻SAR具備更強(qiáng)的動(dòng)態(tài)信息獲取能力，由于SAR成像的合成孔徑時(shí)間遠(yuǎn)大于光學(xué)圖像的曝光時(shí)間，故運(yùn)動(dòng)目標(biāo)由于長(zhǎng)合成孔徑時(shí)間的原因會(huì)產(chǎn)生散焦和移位，對(duì)視頻SAR而言動(dòng)目標(biāo)的重聚焦與重定位是數(shù)據(jù)處理的難點(diǎn)問題。

在時(shí)間維度上差分干涉SAR通過長(zhǎng)時(shí)間序列的積累，可以用于跨年度的時(shí)間尺度的毫米量級(jí)的微小地表形變的監(jiān)測(cè)。

3.1.5 SAR衛(wèi)星平臺(tái)多樣化發(fā)展

衛(wèi)星軌道高度由傳統(tǒng)的低軌向超低軌、中軌、高軌方向發(fā)展，超低軌道SAR衛(wèi)星相對(duì)低軌衛(wèi)星而言具有發(fā)射功率低、天線尺寸小、易于小型化實(shí)現(xiàn)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，中高軌道SAR衛(wèi)星以其大幅寬、快重訪成像備受青睞。

對(duì)SAR衛(wèi)星平臺(tái)而言，其向超大型平臺(tái)及微小型平臺(tái)兩個(gè)方向發(fā)展，超大型平臺(tái)主要應(yīng)用于地球同步軌道SAR衛(wèi)星、長(zhǎng)時(shí)間開機(jī)SAR衛(wèi)星，微小型平臺(tái)主要應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)單一特定功能的SAR衛(wèi)星。

此外SAR衛(wèi)星平臺(tái)向著分布式或者編隊(duì)的方向發(fā)展，分布式SAR是將SAR載荷及其天線按照一定的要求或規(guī)律分解分置在不同衛(wèi)星上，各衛(wèi)星按一定的構(gòu)形編隊(duì)飛行并協(xié)同工作的多天線雷達(dá)體制，能夠通過多基線、多視角、多波段、多極化等提供的互補(bǔ)信息，完成寬測(cè)繪帶高分辨成像、超分辨成像、高程反演、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等多種任務(wù)。

3.2 雷達(dá)高度計(jì)

測(cè)高精度、時(shí)空分辨率是雷達(dá)高度計(jì)應(yīng)用過程中的重要指標(biāo)，雷達(dá)高度計(jì)目前測(cè)高精度達(dá)2～3 cm，網(wǎng)格產(chǎn)品分辨率達(dá)到10～20 km；雷達(dá)高度計(jì)的發(fā)展歷程是提升測(cè)高精度與時(shí)空分辨率的過程，在傳統(tǒng)星下點(diǎn)高度計(jì)的基礎(chǔ)上為提高其沿軌跡向的分辨率及測(cè)高精度，發(fā)展出了合成孔徑高度計(jì)。為了滿足高時(shí)空分辨率的需求，形成了多星編隊(duì)測(cè)高、干涉型成像高度計(jì)等技術(shù)體制，典型干涉型成像高度計(jì)系統(tǒng)為SWOT計(jì)劃，其測(cè)量示意圖如圖9所示，其在一定程度上實(shí)現(xiàn)了時(shí)空分辨率的有效提升。未來雷達(dá)高度計(jì)將向著更高測(cè)高精度、更高時(shí)空分辨率的方向發(fā)展[28]，有望實(shí)現(xiàn)高程精度優(yōu)于1 cm，網(wǎng)格分辨率優(yōu)于10 km的產(chǎn)品。

圖9 寬刈幅干涉高度計(jì)(SWOT)測(cè)量示意圖

3.3 星載輻射計(jì)

星載輻射計(jì)向著更高測(cè)溫精度、更高空間分辨率的方向發(fā)展，測(cè)溫精度由目前的0.5～1 K向優(yōu)于0.5 K發(fā)展，高測(cè)量精度依靠硬件系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)步保證；空間分辨率目前為50～100 km，熱流阻擋層、熱鹽環(huán)流等海洋現(xiàn)象的觀測(cè)目標(biāo)對(duì)空間分辨率提出了更高的要求，高空間分辨率通過大口徑天線或合成孔徑實(shí)現(xiàn)，當(dāng)前已有在軌應(yīng)用的合成孔徑輻射計(jì)系統(tǒng)。此外，全極化輻射計(jì)也是輻射計(jì)發(fā)展的重要方向之一，通過測(cè)量全部4個(gè)Stokes參數(shù)反演得到海面風(fēng)場(chǎng)的信息，利用全極化輻射計(jì)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)輻射計(jì)與散射計(jì)的功能。

全極化輻射計(jì)可利用所有極化方式獲取多種海面物理信息，有效提高了觀測(cè)效率，合成孔徑輻射計(jì)可實(shí)現(xiàn)高空間分辨率輻射亮溫觀測(cè)，將二者有機(jī)結(jié)合，把全極化模式和合成孔徑技術(shù)用于同一微波輻射計(jì)天線，形成高分辨率、多功能的全極化合成孔徑輻射計(jì)(FPIR)可進(jìn)一步提高微波遙感衛(wèi)星的工作效率。

3.4 星載散射計(jì)

星載散射計(jì)主要通過不同方位對(duì)海面同一觀測(cè)單元進(jìn)行測(cè)量，通過對(duì)后向散射系數(shù)的測(cè)量無模糊反演風(fēng)速與風(fēng)向信息；更高的測(cè)量精度依靠更多的測(cè)量自由度保證，目前風(fēng)速測(cè)量精度優(yōu)于2 m/s，通過全極化、雙頻、扇形波束圓錐掃描增加極化、頻率、入射角的自由度，多自由度信息獲取后通過數(shù)據(jù)處理及模型修正能夠進(jìn)一步提升星載散射計(jì)的測(cè)量精度，未來星載散射計(jì)將圍繞多自由度信息獲取以實(shí)現(xiàn)高精度無模糊反演風(fēng)場(chǎng)信息為目標(biāo)繼續(xù)發(fā)展。

4 發(fā)展建議

4.1 統(tǒng)籌規(guī)劃，構(gòu)建我國(guó)空間微波遙感體系

在梳理不同行業(yè)用戶需求的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同探測(cè)要素的測(cè)量方法，結(jié)合現(xiàn)有空間微波遙感系統(tǒng)現(xiàn)狀及技術(shù)體制發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，制定我國(guó)空間微波遙感體系的發(fā)展戰(zhàn)略，最大限度發(fā)揮體系的應(yīng)用能力。

4.2 重點(diǎn)構(gòu)建滿足特定需求的高性能衛(wèi)星系統(tǒng)

針對(duì)不同用戶的特定需求，發(fā)展功能相對(duì)專一的空間微波遙感系統(tǒng)是滿足“高精尖”應(yīng)用需求的最佳策略，在此基礎(chǔ)上，明確衛(wèi)星系統(tǒng)體系定位的前提下，不同衛(wèi)星系統(tǒng)擔(dān)負(fù)各自的職責(zé)，通過體系內(nèi)部不同系統(tǒng)協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)不同要素、不同維度的探測(cè)以滿足多樣化應(yīng)用的需求。

4.3 關(guān)注載荷多種技術(shù)路線及技術(shù)體制融合發(fā)展

針對(duì)空間微波遙感各類載荷的發(fā)展路線，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，在分析各技術(shù)體制與技術(shù)路線特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將各種技術(shù)體制取長(zhǎng)補(bǔ)短，進(jìn)行多種技術(shù)路線與體制的融合設(shè)計(jì)。以最佳的系統(tǒng)方案和工程代價(jià)滿足應(yīng)用需求并保證相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)水平處于國(guó)際前沿。

4.4 重視空間微波器件的技術(shù)突破與工程實(shí)現(xiàn)

當(dāng)前在微波載荷模式設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理算法研究等領(lǐng)域已取得諸多研究成果和工程產(chǎn)品，技術(shù)水平已達(dá)到同國(guó)外并跑甚至領(lǐng)跑的水平，但空間微波器件以及與其相關(guān)的材料、工藝等基礎(chǔ)學(xué)科與日益增長(zhǎng)的需求尚有差距，未來需更加重視空間微波器件及其相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。

4.5 優(yōu)化星地一體化指標(biāo)體系，充分挖掘潛在應(yīng)用效能

空間微波遙感載荷探測(cè)要素復(fù)雜，數(shù)據(jù)獲取和處理過程中星地一體關(guān)聯(lián)性強(qiáng)和耦合關(guān)系復(fù)雜，目前地面處理和產(chǎn)品反演能力成為制約微波遙感衛(wèi)星效能充分發(fā)揮的瓶頸，單靠提升星上硬件產(chǎn)品的性能和精度已不能提升最終產(chǎn)品精度，對(duì)星地一體化指標(biāo)及其匹配性必須給予充分重視，此外，后續(xù)需加大對(duì)數(shù)據(jù)處理與反演模型的研究和投入，并通過理論分析、仿真計(jì)算、試驗(yàn)、定標(biāo)等多種手段辨識(shí)空間微波遙感載荷探測(cè)過程中的各類誤差因素，并對(duì)反演和補(bǔ)償方法進(jìn)行星地一體化優(yōu)化，進(jìn)一步提升空間遙感器的使用效能和定量化應(yīng)用水平。

4.6 研究信息識(shí)別能力提升的方法

衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)最終是要進(jìn)入信息提取和識(shí)別的環(huán)節(jié)，在衛(wèi)星以及載荷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)既要關(guān)注傳統(tǒng)工程參數(shù)指標(biāo)(比如分辨率、信噪比等)的實(shí)現(xiàn)，也要關(guān)注影響人工判讀甚至機(jī)器判斷的定性、定量的非工程參數(shù)性質(zhì)的指標(biāo)，同時(shí)要關(guān)注和研究適應(yīng)未來機(jī)器智能判讀和識(shí)別的指標(biāo)體系。此外，隨著遙感器性能指標(biāo)的不斷提升，傳統(tǒng)的信號(hào)模型和處理算法已經(jīng)不能完全適應(yīng)和充分發(fā)揮遙感器的潛在性能，為此，必須對(duì)相關(guān)的散射模型、處理及反演方法進(jìn)行深入研究，以進(jìn)一步適應(yīng)未來智能化處理的發(fā)展需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

空間微波遙感技術(shù)發(fā)展取得了巨大的進(jìn)步，探測(cè)要素測(cè)量精度不斷提升，各種滿足特定需求的新概念、新技術(shù)、新體制不斷涌現(xiàn)，相關(guān)技術(shù)已逐步突破，其工程化進(jìn)程也在穩(wěn)步推進(jìn)，未來空間微波遙感將以更高的性能、更靈活的配置、更加智能化和更加面向大眾的方式在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)家安全保障和人民生活領(lǐng)域作出更大的貢獻(xiàn)。