穿云透雾给卫星装上放大镜和透视眼丨观天测地

　　编者按：从古至今，人类从未停止过探索未知世界的脚步，认知世界的能力和手段与日俱增。中科院之声与中国科学院空天信息创新研究院联合开设＂观天测地＂专栏，为大家介绍天上地上探索的那些事儿，带来空天信息领域最新进展，普及科学知识。 北京时间2022年10月13日6时53分，我国在太原卫星发射中心使用长征二号丙运载火箭，成功将5米S-SAR 01星发射升空，卫星顺利进入预定轨道，发射任务获得圆满成功。
　　5米S-SAR是什么意思？要弄清它，首先要了解什么是SAR。
　　5米S-SAR 01星发射瞬间（图片来源：新华社）
　　什么是SAR？
　　SAR，是指合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）。该技术起源于20世纪50年代，美国 Goodyear Aerospace 公司的 Carl Wiley首先提出这一概念。
　　当时，民用遥感领域正处于发展阶段。光学遥感作为当时的主要手段广泛应用于传统航空摄影侦察和航空摄影测绘，主要是接收辐射能量来成像，类似人眼观察世界、所见即所得的技术原理，为被动式遥感手段。然而由于无法穿透云层与植被，受天气影响很大，只有在阳光与天气条件合适的情况下，才能获取高质量的光学图像，具有一定的局限性。
　　早期的雷达系统主要应用于探测目标方位，并对目标进行测距测速，并不具备成像能力。直到SAR的出现，专家们发现可以将SAR搭载在飞行平台上对地表进行二维成像。1958年，美国密执安大学进行了飞行试验，获得了世界上第一幅雷达图像。1978年，美国发射了世界上第一颗搭载SAR系统的SEASAT卫星，对地球表面进行测绘。相比于光学遥感，SAR作为一种主动式微波成像传感器，具备全天时、全天候的成像能力，可以在夜间工作，不惧云、雨、雾等恶劣天气的干扰，能够对普通光学、高光谱等被动式遥感设备难以发现的目标进行成像，为光学图像提供非常有用的补充。
　　凭借这种优势，SAR既能洞察埋藏于地下的矿藏，又能穿透土层显示地下的地质构造情况，还能通过监测地质活动预报地震和火山活动，可以起到其他遥感器无法起到的作用。
　　光学图像与SAR图像的区别（图片来自网络）
　　SAR的工作原理：我为什么可以＂穿云透雾＂工作原理1：成为＂放大镜＂？我是＂合成＂出来的孔径
　　传统雷达所使用的线阵天线由多个辐射单元组成，天线的长度称为天线的＂真实孔径＂或简称＂孔径＂。与透镜的孔径类似，它是雷达用来观察成像地域的＂窗口＂。雷达的天线孔径与其波束宽度成反比，而波束宽度决定了雷达分辨率的大小。为了提高传统雷达的分辨率，我们希望减小有效的波束宽度，也就是增大天线的孔径。以ERS - 1/ 2 卫星雷达为例，在C波段（波长为 5.66cm）如果以真实孔径成像，为了达到 10m的方位向分辨率，则需要3 km长的雷达天线，这是任何飞行平台在工程实施层面都无法承受的。
　　针对这一问题，科研人员找到了一种解决办法，就是SAR技术。来看SAR如何解决这一工程难题。
　　与传统雷达固定在地面上收发信号不同，SAR一般搭载在飞行平台上进行收发信号，根据搭载平台的不同可分为机载SAR与星载SAR。当SAR搭载在卫星或飞机平台沿轨道飞行时 , 按照一定频率对观测区域发射电磁波，由于被观测区域与SAR之间存在相对运动，因而被地面反射回来的雷达脉冲频率产生漂移，也就是多普勒频移（Doppler frequency shift）现象。SAR正是利用这一物理现象来改善雷达成像的方位向分辨率的，即通过精确测定雷达在轨道不同位置接收到脉冲的相位延迟并跟踪频率漂移，对雷达照射时间内的观测区域的回波信号通过数据处理的方法＂合成＂为一个脉冲，也就是利用目标和雷达的相对运动形成的轨迹来合成一个很长孔径的等效天线，以此取代庞大的阵列实孔径天线，＂合成孔径＂的实现，相当于一个空间采样过程（下图）。
　　同样以ERS - 1/ 2 卫星雷达为例，在C波段（波长为 5.66cm），如果以在合成孔径雷达成像模式下，使用长度为 10 m 的天线 , 便可获得5米左右的方位向分辨率。从效果来看，尽管SAR天线的真实孔径仅在1-15m的量级，但它在星载情况下，等效于等间隔的天线阵元在空间上合成了一个数千米的实孔径天线，因而可以获得高分辨率。
　　天线运行时收发信号合成孔径工作原理2：成为＂透视镜＂？我使用的是微波信号
　　为什么SAR可以不舍昼夜、不惧恶劣天气地对目标区域进行观测？这当然是来自SAR本身的属性——SAR图像不是＂看＂到的，而是通过利用成像算法对雷达回波信号进行成像处理而得到的。
　　其中的关键点，就是雷达发射微波信号的波长要远大于空气中气溶胶或者颗粒物的粒径，在照射地物目标时，其电磁波的衍射效应使得雷达波具有穿透云雾的能力，雷达接收机接收被地面目标散射返回的一部分能量，由于不同地物的散射特征不一样，所能返回的能量也不尽相同。这部分能量的大小决定了此地物目标在雷达图像上的相对亮度，也就是说，回波能量的差别构成了雷达图像上灰度色调的强弱。测绘带内不同的地物目标具有不同的灰度，这样就构成了测绘带的雷达图像，因此也就并不会像光学遥感那样会受到云雾遮挡。
　　1979年空天信息创新研究院（原电子学研究所）研制的机载SAR原理样机首飞并获取我国首批SAR图像
　　SAR的＂透视＂能力不仅能穿云透雾，并且还可以穿透地表覆盖层（植被层、沙漠层以及冰雪层），传统光学遥感主要采集地表覆盖层的表面几何信息和部分物理信息，但是对其厚度及内部结构属性信息难以进行全方位监测。研究人员发现极化干涉合成孔径雷达（Polarimetric Interferometry SAR, PolInSAR）系统可在一定程度上穿透地表覆盖层，对地表覆盖层进行穿透测量，并反演地表覆盖层空间几何、记录内部结构属性及其动态变化过程。
　　以穿透植被层为例，PolInSAR系统通过发射穿透性较强的长波，使得其在穿透森林等植被时衰减较小，较为容易到达地表，可以与地表及森林的主体——主枝与树干以及浅表根部发生作用，因此一方面可以反映更加真实的地表信息，另一方面则可以更加如实地反映森林主体结构以及生物量变化。当前受到模型不完善、硬件不稳定等因素的限制，对地表覆盖层测绘的研究尚处于探索阶段，但随着空天院作为SAR载荷总体研制单位的新一代PolInSAR系统——陆地探测一号卫星（LT-1）01组A / B星的成功发射，逐渐填补了我国相关领域的空白，将有效提升我国对地表多维信息感知与综合环境监测能力。
　　PolInSAR系统穿透植被SAR的应用与发展
　　凭借SAR的这种＂放大镜 ＂和＂透视镜＂的优势，SAR卫星在灾害监测、环境监测、海洋监测、资源勘察、测绘等方面的应用上有着其独特的优势。
　　目前，我国星载SAR系统在系统体制、成像理论、系统性能、应用领域等方面正处于高速发展阶段，逐渐实现了以亚米级分辨率等为代表的技术跨越，工作模式也从早先的单通道单模式提升到了单通道多模式乃至多通道多模式新体制SAR系统。新体制星载SAR技术的研究与应用已成为我国对地观测领域的重点发展方向。未来，我国星载SAR系统的发展将朝着高分辨率宽测绘带、分布式多基成像、多星协同组网等新体制SAR的方向发展，将为人类更好地提供多层次、多角度、多模式综合对地观测数据，以满足不同应用场景的需求。参考文献：1.Cumming I G, Wong F H. Digital processing of synthetic aperture radar data: algorithms and implementation [M]. Norwood, MA, USA: Artech house, 2005.2.皮亦鸣, 杨建宇. 合成孔径雷达成像原理[M]. 电子科技出版社, 2007.3.邓云凯,禹卫东,张衡,等.未来星载SAR技术发展趋势[J].雷达学报,2020,9(01):1-33.4.吴一戎, 朱敏慧. 合成孔径雷达技术的发展现状与趋势[J]. 遥感技术与应用, 2000, 15(2): 121-123.5.张云华，现代雷达系统[M].2018
　　6.朱建军,付海强,汪长城.极化干涉SAR地表覆盖层＂穿透测绘＂技术进展[J].测绘学报,2022,51(06):983-995.
　　来源：中国科学院空天信息创新研究院
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