海丝一号合成孔径雷达卫星及应用概况

文 | 李泉锟 高海英 赵一迪 薛思涵 谢婷 吕素娜 耿旭朴 任维佳

1.厦门大学海洋与地球学院 2.长沙天仪空间科技研究院有限公司

一、前言

近年来，随着集成化小型化的微电子技术、快速低成本发射和卫星模块化等技术的不断成熟，微小卫星以其快速低成本的特点开始逐渐进入人们的视野，全球微小卫星产业正处于蓬勃发展期，微小卫星的发射数量逐年大幅增长。卫星的“小”不只是体现在质量和体积上，通过使用高度集成化、模块化等技术，使小卫星在拥有与大卫星类似的成像水平时，其设计、制造、发射等整个开发周期被大大缩减，成本也大幅度降低。

2020 年12 月22 日，海丝一号（HISEA-1）卫星在我国文昌卫星发射中心升空入轨，开始执行对地观测任务。这是国内首颗C 波段商业合成孔径雷达（SAR）遥感卫星。该星对标国际先进SAR 卫星指标，采用有源相控阵天线，在整星质量185kg 的情况下实现了米级空间分辨率和多种SAR 成像模式。

海丝一号卫星由厦门大学、长沙天仪空间科技研究院有限公司和中国电子科技集团公司第三十八研究所等单位联合研制。海丝一号卫星具有全天时全天候观测和二维高空间分辨率的优势，能够穿透云雾雨，不受恶劣天气条件影响而成像，可为全球变化背景下的海洋动力环境参数的遥感反演、海洋灾害监测、洪水灾害监测、目标识别和地表形变分析等提供有力支撑。

二、海丝一号卫星简介

海丝一号卫星在国内外卫星小型化的浪潮推动下，基于立方星思想，采用平台与载荷高度一体化、适应批量化生产的标准化/模块化技术，以及立足工业级器件的低成本、简洁化设计，实际重量仅为185kg，设计简洁、功能密集且极具性价比。

海丝一号卫星具有四种成像模式，包括聚束模式、条带模式、扫描模式和宽幅扫描模式，最高空间分辨率可达到1m，最大幅宽可达100km，具体参数见表1。

表1 海丝一号卫星参数

（2）洪涝灾害监测

洪水影响的范围十分广泛，严重影响人类的生产实践活动，传统人工测量无法第一时间评估洪水的影响范围。随着卫星遥感技术的发展，为洪水影响的监测评估提供了一种高效的观测方法。但发生洪涝灾害的地方往往伴随着云雨天气，传统的光学卫星很难在第一时间获得有效数据。海丝一号卫星不但具有二维高分辨率，而且还能够穿透云层，全方位地获取影像，大大提高了对洪水影响范围观测的准确性和时效性。利用SAR 卫星可以有效监测大范围地表洪水情况，为洪涝灾害的预防与评估以及灾后重建工作提供重要的科学依据。2021 年7 月河南持续强降水天气过程中，根据应急成像需求，紧急调度海丝一号卫星于7 月25 日和26 日，连续采用条带模式对河南省多地进行观测，对其水域面积进行提取和渲染，结果如图3 所示。

图3 海丝一号河南卫辉市和淇县洪水灾情监测图

（3）公共安全应急快速响应

公共安全应急保障工作是国家安全和社会稳定的基石。海丝一号作为一种主动式微波成像卫星，可在任何恶劣天气昼夜连续工作，为公共安全应急快速响应提供快速、准确的基础数据支撑。图4 为海丝一号卫星在2021 年7 月9 日凌晨1 点对泰国曼谷明迪化工爆炸的成像结果。图中可以看出爆炸区域在影像中有较大幅度响应，由于爆炸改变了原有的建筑物结构，使得原本相对整齐的结构变成了“一片废墟”。根据爆炸区与普通目标的回波进行对比可以发现，爆炸区增加了组合散射中体散射的比率导致回波强度增强，图像较“亮”。

图4 海丝一号夜间爆炸区域成像结果

3.目标识别与分类

SAR 卫星在全天时、全天候都可以获得目标区域的图像信息，被广泛用于目标检测、分类和变化检测。通过引入机器学习，结合SAR 卫星提供的丰富的原始数据，可以对图像进行高效的信息提取，更有助于对陆地和海洋不同目标的识别与分类。海丝一号卫星具有全天时、全气候观测的优越功能，不受黑暗条件和糟糕天气的影响，能够直接穿越云层拍摄照片，并且具有二维高分辨率等特点。无论处于何种天气状况，甚至是面临极其恶劣的环境，海丝一号都能接连不断地对目标进行观测。利用卫星影像与深度学习技术结合可以有效地对海上船只