机载多维度SAR系统技术研究和应用

◎邬伯才 沈明星

机载多维度SAR系统技术研究和应用

◎邬伯才 沈明星

本文针对机载多维度SAR遥感系统进行应用需求分析，总结了国内外在多维度SAR系统上的实现与试验情况，从SAR系统的工作频段、工作体制、极化方式、工作模式等多个角度进行了SAR的多维度性概括，并对三类机载多维度SAR遥感系统进行了示例分析，最后对该系统的应用前景进行了分析和总结。

进入21世纪，随着我国国民经济与社会的发展，国家西部大开发、可持续性发展的能源和资源战略的实施以及自然灾害评估与监测系统的建设，越来越多的应用行业表现出对于大比例尺、高分辨力、高精度、实时获取与处理、机动灵活的航空SAR遥感数据的迫切需求，如地形测绘、地质调查、对海观测、农业、林业等行业。不同行业对航空SAR系统除了具有高性能需求，还因为遥感场景的不同、使用任务的不同，对具有多频段、多极化、具有干涉能力、多模式等多维度特性也提出更高的需求。

多频段多极化SAR系统有美国研制的AIRSAR、P3/SAR、MB-SAR、ECOSAR等，德国的E-SAR/F-SAR，俄罗斯的IMARC。美国NASA/JPL研制的AIRSAR作为各种先进SAR技术的试验床，安装在Douglas DC-8飞机上。AIRSAR能同时工作在三个频段：C频段、L频段和P频段。它有三种工作模式：在C频段、L频段和P频段全极化模式；在C频段和L频段，沿航线的干涉模式；在C频段和L频段，垂直航线的干涉模式，这些模式均是条带照射。三个频段发射机交替发射水平极化和垂直极化电磁波，在全极化模式，有6个通道同时接收水平极化和垂直极化电磁波。在两种干涉模式下，已试验了多种发射和接收的组合方式。德国DLR研制E-SAR/F-SAR是试验型SAR，用来试验新技术和信号处理算法，也是地质、农业、森林研究等遥感领域的研究工具，安装在Dornier DO 228飞机上。E-SAR具有多个工作频率：P、L、C和X频段，具有可选择的垂直极化或水平极化天线。P和C频段天线采用微带贴片阵列，X频段天线采用角锥喇叭，L频段天线采用无源微带相控阵。俄罗斯的多频段多极化IMARC实验室是安装在TU-134A大型飞机上的多频段（X，L，P，VHF）、多极化（VV，HH，HV，VH）合成孔径雷达系统空中飞行实验室，它可以对地球表面进行全天候的高分辨率遥感。从目前国外机载SAR系统试验情况看，机载SAR向着多频段、多极化、极化干涉以及多模式等即多维度方向发展。

机载多维度SAR技术研究

通过对机载多维度SAR技术研究，综合处理各维度信息，如多频段、多模式、多极化、多任务SAR系统等，可以大大提高SAR不同维度信息的获取能力。如VHF、UHF、L、S、C、X、Ku、Ka全频段多维度综合应用，可获取频率、极化、空间等多维度的观测信息，可反演新的观测量，或提高现有观测量的测量精度。如获取地物的体散射特征、反演目标的多次散射特征、目标散射幅相分布的角度维谱特征、目标散射幅相特性的频率维离散谱特性、目标频率-极化二维谱特性、目标散射幅相特性的角度-频率-极化三维度谱特征等。

例如，通过C频段单频段工作，通过与极化方式维、工作模式维等组合，该SAR系统可以有以下不同用途：

0.5m/1m分辨率交轨干涉模式，可用于地形测绘制图；3m/5m全极化成像，可用于海冰监测、分类，农/林作物分类等方面；10m/25km宽测绘带模式，可用于海洋舰船目标监测、岛礁监测、虎苔监测等方面；顺轨干涉模式，可用于海面舰船目标检测与速度估计等方面；圆迹成像模式，可用于城市精细观测，建筑物三维重建。

如多频段（X，L，P，VHF）、多极化（VV，HH，HV，VH）SAR系统针对民用目的提供以下遥感信息。

地质学：地表及地表下各种岩石、褶皱及断裂带成像，矿物及油、气的探察，地貌及不可见结构探察，地下水文（包括淡水和矿泉水的蓄水层和透水层）成像，水文及水利勘察，随污染物（油、生物质、放射性物质）运动的地表水的迁移、上升、渗漏等的勘察。

海洋学：生物薄膜及其它污染的监测，冰盖及其季节性迁移分析。

农业、林业、经济测图：大面积林区的成像与监视，农田测量，植被破坏监测，土壤湿度估算，污染监测，远距离区域成像及修图。

多维度SAR应用分析

多维度SAR遥感系统可应用于诸如测绘、地址调查、对海观测、农业、林业等领域，如图1所示。

在测绘行业中，由于我国地形、气候复杂多样，利用现有的测绘手段，至今还有许多地方无法完成高精度的测图任务，急需增添先进的全天候、全天时SAR遥感系统，提高航空测绘能力。多维度SAR系统不受天气影响，并能获取测区高精度地理高程信息，将迅速占领该摄影困难地区测图市场。

在地质调查方面，从1999年8月起，我国开始实施国家重大项目“新一轮国土资源大调查”，目前和未来10年内重大的地质调查包括：区域地球物理、矿产资源勘察、水文地质调查和1:5万地质填图等工作，离不开高分辨率、机动灵活的多维度航空SAR遥感应用系统的支持。

在海洋观测方面，我国海洋和沿海地区面临严重的海洋灾害威胁。建设业务化的海洋环境保障体系，将进一步提升灾害监测、预报警报和灾害评估能力，有效减轻海洋灾害造成的损失。多维度SAR可作为业务化的海洋环境保障体系重要组成部分，其典型的海洋应用包括物理海洋学、海岸带、浅岸带、浅海水下地形、海冰和海洋污染等。

图1多维度SAR遥感系统应用

在农业方面，农业部每年需要高分遥感数据用于覆盖全国的农业资源、主要农作物估产、农业自然灾害遥感监测的业务化运行。目前，农业遥感监测的结果已作为主要数据源之一，正式纳入农业部信息发布体系，为宏观决策服务。多维度机载SAR遥感系统应用于农作物分类时，P频段适合地表类型粗分，L频段和C频段交叉极化效果较好，L频段的分类精度比C频段的分类精度高（特别是对于成熟的高大农作物），L频段还可用于农作物生长的监测，X频段和C频段可提供植物的上层信息和纹理，可用于禾本科农作物的细分类。总的来说，将X频段与L频段或C频段同时使用时，可以提高分类精度，将X频段（VV极化）与L频段（HH、HV、VV极化）同时使用时，也可以提高分类精度。

在林业方面，在林业资源调查、森林健康监测、野生动植物保护、森林防护、火灾监测、退耕还林监测、荒漠化治理中急需低成本快速高精度遥感监测手段，林业局下属各林业调查规划设计院、航空护林总站、森林资源监督办、防治荒漠化管理中心、野生动植物保护中心等单位将成为机载多维度SAR遥感系统的用户。 机载多维度SAR遥感系统可以利用极化干涉手段获取树木高度信息，并且可以利用其多波段多极化信息，对森林生物量进行定期监测。

多维度SAR系统也是相关领域应用的重要平台，将对资源勘查与开发、灾害监测与评估、生态环境保护起到积极的作用。利用高精度的遥感正射影像图，以及土地覆盖数据等基础地理信资料，可以开展生态资产总量评估、建设生态环境数据库、进行生态环境建设规划，并以此为基础进行每年度的生态环境变化监测，土地退化监测，尤其是退耕还林、退牧还草的效益监测与评估，以及大型工程生态环境影响、恢复、监测与评估工作。

通过上文的分析，建议大力研究与发展机载多维度SAR遥感系统，通过该系统提供多频段、多极化、多模式、多任务、具有不同干涉能力等多维度SAR信息，以开展高精度地形测绘、森林树高反演、精细农业、海洋遥感以及SAR图像解译等典型应用研究，最终实现服务于国家重大应用需求的产业化发展目标。

（作者单位：中国电子科技集团公司第三十八研究所）