星载合成孔径雷达遥感技术进展及发展趋势

张庆君 韩晓磊 刘杰

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

星载合成孔径雷达遥感技术进展及发展趋势

张庆君 韩晓磊 刘杰

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

从品质因子、极化方式、定量化程度、信息获取维度等方面,对现有星载SAR技术发展阶段进行划分,给出了不同发展阶段星载SAR的特征和典型工作模式,并对新一代星载SAR技术发展趋势进行了分析。最后,简要介绍高分三号(GF-3)卫星的基本特性,并分析高分三号卫星所处的发展阶段和历史地位。

高分三号卫星;合成孔径雷达;品质因子;极化方式;定量遥感;多维信息获取

1 引言

合成孔径雷达(SAR)是一种主动式微波遥感器,能不受光照和气候条件的限制,实现全天时、全天候对地观测。SAR所使用的电磁波可以穿透水汽云层,甚至可以透过地表和植被获取地下信息[1]。此外,SAR与光学遥感器具有互补性,甚至有比光学更强的地表特征区分能力。SAR可以搭载在飞艇、飞机和卫星等平台上,对地物进行高分辨率成像[2-3]。其中,卫星平台轨道高度高,相对于其它平台具备成像幅宽大、成像区域不受领空主权限制、平台稳定度高等优点[4],显著提升了合成孔径雷达的应用效能,成为世界各国重点开发的遥感技术之一。

近年来,随着微波成像理论和电子信息技术的快速发展,星载SAR技术取得了长足进步,新的专项技术和概念体制不断出现,星载SAR系统性能极限不断被突破[5]。大批先进的SAR卫星陆续发射,如美国的“未来成像体系”(FIA)系列卫星[6]、德国的陆地合成孔径雷达-X频段(TerraSAR-X)卫星[7]和X频段陆地合成孔径雷达-附加数字高程测量(TanDEM-X)卫星[8]、加拿大的雷达卫星(Radarsat)系列[6]、欧洲航天局的“哨兵”(Sentinel)系列卫星[10]、以色列的合成孔径雷达技术试验卫星(TECSAR)[11]和中国的高分三号(GF-3)卫星[12]等。正是由于上述先进SAR卫星系统的不断出现,星载SAR图像的应用领域不断扩展,应用效能不断提升,在国防、科研和国民经济建设等领域发挥越来越重要的作用。

本文首先分析SAR技术的发展和未来的发展趋势;梳理了星载SAR的发展现状,并根据本文给出的发展阶段划分方法,对现有SAR卫星进行了阶段划分;然后介绍了GF-3卫星的基本情况,并分析其所处的发展阶段;最后对全文进行总结。

2 星载SAR技术的发展

星载SAR技术的发展可以从品质因子、极化方式、定量化程度、信息获取等方面进行分析。

2．1 品质因子

分辨率和测绘带宽是星载SAR的两个重要成像指标,一直以来都是人们努力提高的目标。一方面,高分辨率能够更为精确地反映目标特征信息,便于目标识别和特征提取,这在军事侦察、城市绘图及灾害评估等方面有着重要的意义。另一方面,宽测绘带可提供更为广阔的场景信息,以获取全局判读能力,这有利于对土地、森林、海洋等大面积区域的观测。此外,宽幅测绘能够提高对特定区域的重访周期,对于动态监视快速变化的目标具有重要的意义[13-14]。星载SAR系统获得的测绘带越宽,分辨率越高,说明系统的成像性能越好。因此,可以用测绘带和分辨率的比值来衡量星载SAR系统的性能,即品质因子(Merit Factor,MF)[15-16]

式中:W为测绘带宽;ρ为分辨率;c为光速;V为卫星速度。早期SAR卫星均运行于地球低轨道,以7500 m/s为典型速度,则品质因子约为2万。以分辨率为l m的高分辨率SAR卫星为例,其测绘带宽的极限是20 km;考虑距离模糊和方位模糊、加窗、脉宽和发射窗的余量,实际星载SAR系统的品质因子约为1万,即斜距测绘带约为10 km[15]。

传统的条带模式、扫描模式和方位向电扫描合成孔径雷达(TOPSAR)模式等的星载SAR成像性能均不能突破上述品质因子的限制。而随后产生的聚束模式、马赛克模式等高分辨率模式是以牺牲方位向成像场景的连续性来提升分辨率,本质上仍未突破上述品质因子的限制,因此,它们同属于传统星载SAR技术。

方位向多通道模式的提出是为了从本质上突破分辨率和测绘带宽不能同时提高的限制,它利用方位向上多个接收通道,在一个脉冲周期内获得多个方位向采样点,利用空间采样来弥补时间采样的不足,从而降低脉冲重复周期(PRF)对分辨率和测绘带宽同时提高的限制[4],突破了传统模式品质因子不超过1万的限制,成为新一代星载SAR技术的典型代表。在方位向多通道模式的基础上,为进一步改善其他性能,衍生出多种工作模式,如高分宽幅模式、波束扫描合成孔径雷达(Sweep-SAR)等,它们同属新一代星载SAR技术范畴。

方位向多通道模式由于天线规模、发射功率和通道一致性等因素限制,难以在单个脉冲周期内获得10个以上的方位向采样点,同样受发射脉冲干扰限制,品质因子不能超过10万,进一步提升成像能力需发展新的技术。多发多收SAR(MIMO-SAR)系统每个孔径独立发射信号,并同时接收回波,经过匹配滤波后,分离出各相位中心信号[17],可以实现单个脉冲周期内10个以上的方位向采样点,获得超过10万的品质因子,成为未来星载SAR技术发展方向之一。此外,脉冲重复周期扫描(Sweep-PRI)模式利用脉冲发射周期的连续变化改变测绘盲区的位置,使得整个测绘带内目标回波均能被接收到,从而克服了测绘盲区固定不变的问题,大幅提升了星载SAR测绘带宽度[14],成为可能的未来星载SAR技术发展方向。

另一种更为直接的品质因子提升方法是地球同步轨道SAR,它将SAR卫星置于地球同步轨道上,同样的天线波束宽度可以覆盖远大于低轨SAR的区域,大幅提升星载SAR系统品质因子[18]。同时,低轨SAR提升品质因子的方法稍加改进,仍可应用于地球同步轨道SAR,因此,地球同步轨道SAR具备进一步提升性能的潜力,地球同步轨道SAR是未来星载SAR技术发展的重要方向。压缩感知(Compressive Sensing,CS)SAR利用高维数据中的信息维数远低于数据维数的特点,将对信号的采样转变为对信息的采样,从而有效降低回波信号的采样率,减少雷达系统的数据量。在此基础上,若将压缩感知理论与扫描合成孔径雷达(ScanSAR)模式相结合,采用时分复用的方式,将稀疏采样所节省的时间分配到不同的观测区域,在保持空间分辨率不变的情况下,有效扩展雷达系统的测绘带宽度,实现高分辨率、宽测绘带对地观测,成为可能的未来星载SAR技术[5]。

2．2 极化方式

地物目标特征信息主要反映在SAR雷达图像的幅度、相位、频率和极化响应上,其中幅度、相位、频率响应信息提出较早,并已得到成功应用。而极化信息的提取由于技术和理论发展的限制,近十几年来才做到全极化信息提取。极化成像技术是星载SAR领域重要的发展方向之一,极化SAR卫星通过多通道发射和接收不同极化方式的电磁波,获得目标观测方向上更全面的电磁波散射特征,提高目标散射信息的获取能力。广泛应用于农作物分类估产、森林调查、生物量估计、海洋、地质、水文、资源、环境、灾害监测、军事等领域[19]。

传统星载SAR一般为单极化,采用单一的极化通道发射和接收电磁波,仅能获得地物对某种单一电磁波的散射特性,信息获取能力有限,典型代表有:欧洲航天局的欧洲遥感卫星-1(ERS-1)、加拿大的Radarsat-1卫星、日本的地球资源卫星-1(JERS-1)和中国的环境一号C星等。

新一代星载SAR具有多个极化通道,可以获得不同极化方式下的目标电磁散射特性,组成完备的极化基,获得极化散射矩阵,全面得到目标在观测方向上对任意电磁波的散射特性。极化散射矩阵含有更丰富的信息,可得到更全面的目标物理特性,如方向、形状、粗糙度、介电常数等,为大面积地物分类、目标检测和识别提供更多的有用信息。典型代表包括:日本的先进陆地观测卫星(ALOS)、德国的TerraSAR-X卫星、加拿大的Radarsat-2卫星和中国的GF-3卫星。

极化干涉SAR技术是在极化SAR和干涉SAR的基础上发展起来的,它通过极化和干涉信息的有效组合,获取地物的空间三维结构特征信息和散射信息,扩展观测空间,既具有干涉SAR对散射体位置、分布、运动、变化信息敏感的特点,也具有极化SAR对散射体结构、方向、对称性、纹理以及介电常数等敏感的特征,具有更广阔的应用空间和潜力,成为未来星载SAR技术的发展方向之一。简缩极化SAR技术是通过发射具有特定极化状态的单一极化电磁波,两路相互正交的极化接收的方式,在降低极化SAR系统复杂度的同时,有效保留全极化SAR的回波信息。简缩极化SAR在获得与全极化相当的后向散射定量分类能力的同时,避免了全极化SAR系统复杂、成本高、数据量大等缺点,可能成为未来星载SAR技术的发展方向。

2．3 定量化程度

随着星载微波遥感技术的发展,对地物目标定量精细信息获取的需求与日俱增。定量精细信息取决于对遥感数据图像物理与数值的理解和信息获取处理能力。随着星载SAR多任务、多频段、多极化和高分辨率等技术不断发展与融合,定量化精细遥感技术也取得了长足进步,进一步拓展了SAR卫星应用领域,成为未来星载SAR技术的重要发展方向[20]。

传统星载SAR为非定量遥感,主要目标是获取地物场景的幅度图像,用于分辨所关注地物目标的特征,图像像素点的准确幅度和相位信息没有深入挖掘应用,定量化应用水平低。典型工作模式包括:条带模式、扫描模式、聚束模式等。

新一代星载SAR利用高精度的外定标技术,实现幅度和相位定量化应用,准确获得地物的几何、高程、运动、电磁散射等信息,大幅拓展SAR卫星的地物分类、识别、确认和描述能力,支撑SAR图像智能化应用发展。可能的工作模式包括极化干涉SAR模式、多角度成像模式、层析成像模式等。

2．4 信息获取维度

随着微波成像技术的发展及更多应用需求的推动,星载SAR对地物目标信息的获取维度不断提升,从最初仅能获得地物目标平面几何轮廓,逐步发展到可以获得地物目标的高程、形变、运动、多角度,多时相以及三维分辨等多维信息。通过对上述多维信息的解译、充分挖掘和有效利用,可以得到更多信息,促进高精度分类、三维重建、变化检测等应用发展。

传统星载SAR主要获取地物目标的二维几何信息,通过相邻目标后向散射系数的不同,区分不同的地物目标,获得目标的平面几何尺寸,实现二维信息获取,典型的工作模式包括:条带模式、扫描模式、聚束模式、TOPSAR模式、马赛克模式等。

新一代星载SAR通过干涉成像等手段,获得了地物目标的高程、形变和运动等信息,实现三维信息获取,拓展了SAR卫星对地物目标的认知能力。典型的工作模式包括:干涉合成孔径雷达(InSAR)模式、差分干涉合成孔径雷达(DInSAR)模式、合成孔径雷达-地面动目标检测(SAR-GMTI)模式等。

多视角成像,通过大角度波束扫描或多轨重复观测获取地物目标的多方位角雷达图像,更好地反映目标的散射特性和几何特征,提升星载SAR系统的对地侦察观测能力,成为可能的未来星载SAR技术。多频多基线干涉SAR,采用多个观测基线和多个信号频率对同一观测区域多航过干涉测量,通过对获取的多组干涉数据融合处理来提升高程信息提取精度,与传统的单基线干涉SAR相比,多频多基线的引入可以有效抑制噪声对SAR图像的影响,扩大干涉相位的模糊间隔,提升地形测量和地表参数反演结果的精度,成为未来星载SAR技术可能的发展方向[5]。层析成像SAR,通过沿垂直于视线的法线方向排布多个天线或利用同一天线在法线方向的不同轨迹高度对同一目标区域成像,得到高度向上的分辨率,实现真正的三维成像。层析成像SAR不仅能够获得目标散射体的高程信息,同时还可以得到散射体在高度向上的分布,完全恢复真实的三维场景,避免散射点的叠掩现象以及干涉相位模糊问题[21],成为未来星载SAR技术可能的发展方向之一。

综合上述分析,星载SAR技术发展可根据品质因子、极化方式、定量化程度、信息获取维度等情况进行划分,如图1所示。

(1)传统星载SAR具备的特征:品质因子＜1万,单极化,非定量,仅能获取二维信息,典型工作模式包括条带模式、扫描模式、TOPSAR模式、聚束模式和马赛克模式等。

(2)新一代星载SAR具备的特征:品质因子≥1万,全极化,相位定量,能获取三维信息,典型工作模式包括方位多通道模式、高分宽幅模式、Sweep-SAR模式、干涉SAR模式、差分干涉SAR模式、SAR-GMTI模式等。

(3)未来星载SAR应具备的特征:品质因子≥10万,扩展全极化,幅度相位定量,能获取多维信息,可能的工作模式包括MIMO-SAR、Sweep-PRI、地球同步轨道SAR、压缩感知SAR、极化干涉SAR、简缩极化SAR、多视角成像、多频多基线干涉SAR和层析成像SAR等。

3 SAR卫星发展现状

1978年6月27日,美国航空航天局(NASA)从范登堡基地发射了海洋卫星(SEASAT),首次装载了合成孔径雷达。SEASAT是美国也是世界第一颗SAR卫星,宣告了合成孔径雷达已成功进入从太空对地观测的新时代,标志着星载SAR由实验室研究向应用研究的突破性转变。随着SAR卫星卓越的观测性能和应用潜力被广泛了解,其逐渐吸引了全世界学者和研究机构的关注,大批性能逐渐提高的SAR卫星陆续发射升空。截至目前,世界范围内已经陆续发射了超过26个系列,50余颗SAR卫星(部分军用卫星未公开发布),其中美国发射的SAR卫星数目最多,超过16颗[22-23]。具体卫星情况见表1所示,其中Radarsat-2、Sentinel-1、TerraSAR-X、Tan DEM-X和GF-3卫星为新一代SAR卫星,其余为传统SAR卫星。

表1 世界范围内已发射的SAR卫星Table 1 Launched SAR satellites in the world

4 高分三号卫星

2016年8月10日,中国成功发射了GF-3卫星,它是“高分专项”中唯一一颗雷达成像卫星。GF-3卫星是中国首颗高分辨率全极化SAR卫星,能够全天候、全天时实现全球海洋和陆地信息的监视监测,并通过左右姿态机动扩大对地观测范围和提升快速响应能力,构型如图2所示。GF-3卫星获取的C频段多极化微波遥感信息可服务于中国海洋、减灾、水利及气象等多个行业及业务部门,是我国实施海洋开发、陆地环境资源监测和防灾减灾的重要技术支撑,典型应用实例见图3。

GF-3卫星突破了星载SAR多模式、多极化和定量化等遥感技术,是目前世界上成像模式最多的SAR卫星,整星12种成像模式,覆盖条带模式、扫描模式、全极化模式、滑动聚束模式、方位向多通道模式等,同时进行了凝视聚束、SAR-GMTI、TOPSAR、重轨干涉SAR和逆合成孔径雷达成像(ISAR)等模式试验;具备从单极化到全极化的极化方式;图像质量指标达到或超过国外同类SAR卫星水平,分辨率1～500 m,相应幅宽10～650 km,同时具有详查和普查功能,成像指标详见表2。

表2 GF-3卫星SAR成像模式Table 2 SAR imaging modes of GF-3

GF-3卫星在国内首次采用了全极化、多通道等技术,能同时实现高分辨率和宽测绘带成像。此外,通过在轨试验模式实现了干涉测高、形变检测和动目标检测[24]等功能。根据图1所示,GF-3卫星具备新一代星载SAR属性,属于典型的新一代SAR卫星,它的成功发射和在轨稳定运行将中国星载SAR技术提升到国际先进水平。同时,GF-3卫星在定量化[25]应用等方面达到国际领先水平,为中国未来高性能SAR卫星的研制奠定了坚实的基础。

5 结束语

近年来,星载SAR的新技术和新概念不断出现,各国陆续发射了大量先进的SAR卫星。从品质因子、极化方式、定量化程度、信息获取维度等方面,可对星载SAR技术进行发展阶段划分。传统星载SAR技术具有品质因子小于1万、单极化、非定量、仅能获取二维地物信息的特点;新一代星载SAR技术具有品质因子在1万和10万之间、多极化、相位定量、能获取三维地物信息的特点;未来星载SAR技术应具备品质因子大于10万、扩展全极化、高精度定量化、能获取多维地物信息等特点。中国的GF-3是典型的新一代SAR卫星,同时具有未来SAR卫星的部分特征,它的成功发射和在轨稳定运行使中国的星载SAR技术达到世界先进水平。

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Technology Progress and Development Trend of Spaceborne Synthetic Aperture Radar Remote Sensing

ZHANG Qingjun HAN Xiaolei LIU Jie
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

This paper divides the stages of spaceborne SAR technology development from the aspects of merit factor,polarization mode,quantification degree and information acquisition dimension．The characteristics and typical working modes of spaceborne SAR at different stages of develop is given．The development trend of new generation spaceborne SAR technology is analyzed．Finally,the basic characteristics of GF-3 satellite are briefly introduced,and the development stage and historical status of GF-3 satellite are analyzed．

GF-3 satellite;synthetic aperture radar(SAR);merit factor;polarization;quantitative remote sensing;multidimensional information acquisition

TN958

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.001

2017-10-30;

2017-11-24

国家重大科技专项工程

张庆君,男,博士,研究员,博士生导师,卫星总设计师兼总指挥,航天遥感领域总设计师,入选“新世纪百千万人才工程”和国家“万人计划”科技创新领军人才。先后获国家科技进步特等奖、国家发明一等奖、国防科技进步一等奖等多项奖励。研究方向为航天器系统与总体技术、航天遥感。Email:ztzhangqj＠163．com。

(编辑:张小琳)