面向綜合環(huán)境監(jiān)測的星載SAR技術(shù)發(fā)展

鄧云凱,張衡,范懷濤,禹衛(wèi)東,2,王宇,2,唐新明,葛大慶,徐豐,劉國祥

1.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 航天微波遙感系統(tǒng)部,北京 100190 2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3.自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心,北京 100048 4.自然資源航空物探遙感中心,北京 100083 5.復(fù)旦大學(xué),上海 200433 6.西南交通大學(xué),成都 611756

1 引言

星載合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar,SAR)是一種以衛(wèi)星為平臺的主動式微波成像傳感器,通過發(fā)射寬帶調(diào)頻信號和脈沖壓縮技術(shù)實現(xiàn)距離向高分辨率成像,通過方位虛擬合成孔徑技術(shù)實現(xiàn)方位向高分辨率成像[1-2]。星載SAR圖像包含豐富的幾何、輻射及相位信息,是全天時、全天候?qū)Φ赜^測的主要技術(shù)手段[3]。

自1978年第一顆SAR衛(wèi)星SeaSat發(fā)射以來[4],星載SAR在平臺、載荷與應(yīng)用等多方面一直受到世界航天大國與組織的高度關(guān)注,近年來獲得了快速發(fā)展,涌現(xiàn)出一批標(biāo)志性SAR衛(wèi)星,如歐空局的Envisat[5]、哨兵一號[6](Sentinel-1A/B),德宇航的TerraSAR-X[7]、TanDEM-X,加拿大的RadarSat-1/2[8],日本的Alos-2[9],中國的高分三號[10]等,推動了星載SAR的幾何分辨率、成像幅寬、極化自由度、觀測維度和應(yīng)用廣度不斷提升。星載SAR成像新概念、新體制、新規(guī)劃不斷被提出,如德宇航提出TanDEM-L星座計劃[11],用于全球陸地探測與生物量測量;美國在研的SWOT衛(wèi)星[12],將首次利用Ka波段干涉測量全球水體;美印合建的雙頻多極化SAR系統(tǒng)NISAR[13];日本的下一代陸地成像衛(wèi)星Alos-4[14]等。

在國家高分辨率對地觀測重大科技專項、國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施、國家863計劃等國家重大型號任務(wù)的支持下,中國星載SAR技術(shù)的研究與應(yīng)用也得到飛速發(fā)展。以遙感二十九號、遙感三十三號、高分三號、十號、十二號和陸探一號(LT-1)為代表的重大型號工程突破了亞米級分辨率、大幅寬和多極化成像與高精度干涉等一系列關(guān)鍵核心技術(shù),在目標(biāo)信息獲取、資源探測、災(zāi)害監(jiān)測、海洋監(jiān)視與地形測繪等多方面發(fā)揮了重大作用。

近年來,面向地質(zhì)圈、生物圈、水文圈和土壤圈的全球陸海環(huán)境綜合監(jiān)測成為人們的關(guān)注熱點,應(yīng)用廣度的拓展與傳統(tǒng)技術(shù)的局限,為星載SAR體制、技術(shù)的深入研究提供了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。在此時代背景下,中科院空天院牽頭完成了國家重點研發(fā)計劃“地球觀測與導(dǎo)航”重點專項項目“星載新體制SAR綜合環(huán)境監(jiān)測技術(shù)”,圍繞星載SAR成像新概念、新體制與新技術(shù)(多通道、變重頻、數(shù)字波束形成(Digital Beamforming,DBF)、多發(fā)多收(Multi-Input Multi-Output,MIMO)、分布式SAR、混合極化等),開展全鏈路、全方位深入研究,在理論、技術(shù)、方法和應(yīng)用層面突破了系列關(guān)鍵核心技術(shù),取得了系列創(chuàng)新性成果,并成功應(yīng)用于中國LT-1以及后續(xù)多型星載SAR研制任務(wù)。

本文基于項目研究成果,對面向全球綜合環(huán)境監(jiān)測的星載SAR技術(shù)發(fā)展進(jìn)行論述,主要從超大幅寬成像、高靈敏度成像、多極化成像、多維度干涉以及綜合環(huán)境監(jiān)測星座架構(gòu)設(shè)計等方面探討未來星載SAR在地球動態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

2 超大幅寬星載SAR成像

2.1 寬幅成像的需求及實現(xiàn)

提高觀測時效性和大測繪帶寬是環(huán)境監(jiān)測SAR衛(wèi)星的兩個主要目標(biāo)。高時效觀測要求星載SAR縮短重復(fù)觀測周期,尤其是面向應(yīng)急減災(zāi)需求,要求盡可能實時反映受災(zāi)區(qū)域的動態(tài)變化情況,即要求較高的時間分辨率?！靶禽d新體制SAR綜合環(huán)境監(jiān)測技術(shù)”項目圍繞國土、測繪、地震、減災(zāi)、海洋、森林及大型工程基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測等領(lǐng)域的觀測需求,梳理并明確了星載SAR的探測時效性需求指標(biāo)。如表1所示。

表1 星載SAR觀測時效性需求

具備大幅寬、高軌道占空比和雙側(cè)視成像能力的高性能星載SAR是實現(xiàn)廣域高效能觀測的有效途徑。當(dāng)前,以林草生物量探測、海洋觀測、地表高程測量和形變沉降監(jiān)測為代表的地球環(huán)境感知應(yīng)用對寬幅成像的需求日益迫切。寬幅成像已成為新一代地球環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星的重要發(fā)展方向之一。對此,通常以品質(zhì)因數(shù)(Q=幅寬/分辨率)衡量星載SAR系統(tǒng)的高分寬幅成像能力。目前在軌星載SAR實現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)的寬幅成像的主要技術(shù)途徑包括:

1)采用方位向波束掃描結(jié)合距離向多子帶的成像模式(terrain observation by progressive scans,TOPS[15])。

2)采用方位多通道[16]成像模式,通過方位空間采樣等效時間采樣,降低系統(tǒng)脈沖重復(fù)頻率(pulse repetition frequency,PRF),通過頻譜重構(gòu),實現(xiàn)高分辨率與寬測繪帶。

3)采用方位多通道結(jié)合距離向多子帶的成像模式[17]。

表2總結(jié)了部分典型高分寬幅星載SAR的常規(guī)模式技術(shù)指標(biāo)。目前,以變PRF和DBF[18]為代表的寬幅成像新體制、新技術(shù)正快速發(fā)展并進(jìn)入工程實踐,未來寬幅星載SAR系統(tǒng)將在實現(xiàn)米級空間分辨率的同時對完成數(shù)百至上千公里區(qū)域成像,大大提高微波遙感效率。表3中列出了目前在規(guī)劃中以及在研制中的高分寬幅星載SAR任務(wù),系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)達(dá)到50～100,全球觀測能力較傳統(tǒng)星載SAR大幅提升,將為全球動態(tài)環(huán)境監(jiān)測提供大量數(shù)據(jù)支撐。

表2 典型高分寬幅SAR技術(shù)指標(biāo)

2.2 寬幅成像的制約因素

星載SAR成像幅寬定義為雷達(dá)一次航過獲取的地面區(qū)域垂直航跡向有效地距寬度。對于單一波位,測繪帶寬度為天線的俯仰向主瓣照射區(qū)域,可以表示如下[19]:

式中:Rc為場景中心斜距;θE為天線俯仰向波束寬度;成像場景中心電磁波入射角為θi(θi=θ0+α,θ0為波束下視角,α為目標(biāo)點和星下點的地心夾角)。星載SAR實現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)寬幅成像主要受收發(fā)時序、二維模糊等條件約束。

表3 規(guī)劃/在研高分寬幅SAR

圖1給出一個典型的星載SAR時序圖,在選取成像帶時,只能在白色菱形區(qū)域中選擇視角范圍和PRF值。選擇成像帶和PRF的原則如下:

圖1 星載SAR系統(tǒng)設(shè)計斑馬圖Fig.1 The zebra figure of spaceborne SAR system designing

1)為保證方位模糊性能,滿足方位過采樣需求,需盡可能在較高PRF處選擇成像帶。

2)高PRF會導(dǎo)致距離模糊性能惡化,因此PRF在滿足條件(1)的情況下盡量低。

3)相鄰子成像帶之間需要有足夠的重疊度。

若要實現(xiàn)方位高分辨率,則需較高的PRF保證足夠的方位向過采樣率,受到時序限制,系統(tǒng)可選擇的有效成像區(qū)域變窄,幅寬變小。因此,在傳統(tǒng)成像體制下,星載SAR的方位向分辨率與成像幅寬相互制約。

方位多通道技術(shù)是實現(xiàn)高分寬幅成像的一種有效手段,如表2所示,該技術(shù)已在國內(nèi)外多顆SAR衛(wèi)星得到應(yīng)用和驗證[20-22]?；诙嗤ǖ兰夹g(shù)實現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)寬幅成像需要解決如下難題:

1)受星地相對速度變化影響,多通道空間采樣在時間上通常是非均勻的。因此,多通道系統(tǒng)需在系統(tǒng)設(shè)計層面實現(xiàn)多通道基線與相位中心的優(yōu)化配置;在信號處理層面實現(xiàn)非均勻信號的均勻化重建。

2)通道性能不均衡引入的幅度、相位誤差會帶來嚴(yán)重的模糊,需要對通道誤差進(jìn)行有效的定標(biāo)、估計與校正。

鑒于方位多通道SAR的相關(guān)研究已日趨完善,在此就不再贅述。本文重點介紹本項目突破的變PRF寬幅成像技術(shù)。

2.3 變PRF成像新體制

變PRF-SAR(VPRF-SAR)是近幾年提出的一種SAR成像新體制,可有效解決成像盲區(qū)問題,實現(xiàn)可視范圍連續(xù)覆蓋。在恒定脈沖重復(fù)頻率的系統(tǒng)中,發(fā)射截止區(qū)無法接收信號形成成像盲區(qū)。VPRF體制可以使得每一個時間接收回波的盲區(qū)在斜距上錯開,從而將盲區(qū)分布到整個測繪帶,使得每個斜距上都能接收到回波信號,從而距離向測繪帶寬可擴(kuò)展為接收窗的數(shù)倍。

VPRF成像體制工程應(yīng)用中,需解決兩大問題。首先,PRF變化方式將決定方位信號丟失形式并直接影響到該成像體制的系統(tǒng)靈敏度、模糊度等性能指標(biāo)。其次,在信號處理方面,變PRF引入的方位非均勻采樣使得該體制信號模型區(qū)別于傳統(tǒng)星載SAR體制,必須實現(xiàn)多脈沖信號回波分離、盲區(qū)內(nèi)的缺失數(shù)據(jù)恢復(fù)和高效高精度的非均勻重采樣。

針對PRF變化的方式,團(tuán)隊提出了一種分段漸變PRF時序設(shè)計方法[23],使得沿方位向每個缺失采樣值兩側(cè)都具有盡可能多的連續(xù)已知采樣值。再結(jié)合線性貝葉斯數(shù)據(jù)處理方法開展數(shù)據(jù)恢復(fù)與重建處理,可以自適應(yīng)地處理各種散射場景的回波數(shù)據(jù),使寬幅成像性能在多種回波場景下普遍優(yōu)于德宇航研究人員在文獻(xiàn)[24]給出的經(jīng)典快變PRF方法。

針對盲區(qū)內(nèi)的信號恢復(fù)與方位非均勻信號重建問題,早期的處理思路多是基于方位高過采樣率的變PRF成像系統(tǒng)。在文獻(xiàn)[25]中,脈沖重復(fù)間隔呈周期性線性變化,在信號處理時可直接獲得對均勻采樣數(shù)據(jù)的最優(yōu)線性無偏(best linear unbiased,BLU)估計。團(tuán)隊實現(xiàn)了一種低過采樣因子下VPRF-SAR數(shù)據(jù)處理技術(shù)[26],即缺失數(shù)據(jù)恢復(fù)-非均勻采樣重建的兩步式處理方案。該方案解決了傳統(tǒng)處理方法需要方位高過采樣導(dǎo)致成像幅寬窄的缺陷,并保證良好的距離模糊性能、較小的下傳數(shù)據(jù)量與工程可實現(xiàn)性,該方法得到了國際同行專家的認(rèn)可。

圖2給出了試驗系統(tǒng)獲取的盲區(qū)恢復(fù)與方位重建結(jié)果。圖2(c)和(d)表明,未經(jīng)方位非均勻信號重建的圖像中存在明顯的虛假目標(biāo)和模糊信息,經(jīng)過重建處理后,均得到有效抑制。

3 寬幅星載SAR高靈敏度成像

3.1 寬幅SAR高靈敏度成像需求與實現(xiàn)方法

星載SAR系統(tǒng)的靈敏度直接決定了微波圖像的信噪比,高信噪比圖像清晰度更高,可提升目標(biāo)檢測、分類與識別精度,提升干涉圖像對之間的相干性,降低隨機(jī)相位誤差,進(jìn)而提升高程測量與形變反演精度。

SAR系統(tǒng)的靈敏度由等效噪聲后向散射系數(shù)(noise equivalent sigma zero,NESZ)表征,其定義為信號功率與噪聲功率相等時目標(biāo)的散射系數(shù)。表4給出了部分在軌星載SAR(涵蓋L、C、X三個波段)的典型成像模式的NESZ。

圖2 機(jī)載變PRF試驗成像結(jié)果Fig.2 Imaging result of airborne various PRF SAR

表4 星載SAR典型模式的NESZ

針對地震、測繪、減災(zāi)等綜合環(huán)境監(jiān)測重點關(guān)注的應(yīng)用領(lǐng)域,未來新體制星載SAR的技術(shù)指標(biāo)需求,如表5所示?？梢?綜合環(huán)境監(jiān)測要求在米級分辨率、百公里幅寬(品質(zhì)因數(shù)達(dá)100)條件下,仍需以高靈敏度完成場景成像。

表5 新體制星載SAR靈敏度與幅寬需求

目前,提升系統(tǒng)靈敏度的主要技術(shù)途徑是增大星載SAR系統(tǒng)功率孔徑積:

1)提升發(fā)射功率。當(dāng)分辨率和幅寬確定后,天線孔徑基本確定,這時增加系統(tǒng)發(fā)射功率是主要手段。

2)增大天線孔徑尺寸。在有限發(fā)射功率條件下,通過大孔徑天線進(jìn)行多通道子孔徑復(fù)用,在滿足寬波束發(fā)射時,通過數(shù)字波束合成形成高增益接收,該項技術(shù)仍處于試驗驗證階段。

3.2 寬幅SAR高靈敏度成像的制約因素

首先從決定系統(tǒng)靈敏度的NESZ影響因素入手,分析制約寬幅SAR高靈敏度成像的因素。NESZ表達(dá)式如下:

NESZ=

式中:θ0表示目標(biāo)下視角;k=1.38×10-23J/K表示玻爾茲曼常數(shù);T表示等效噪聲溫度;Bn表示系統(tǒng)等效噪聲帶寬,一般可取信號帶寬;L、F與Laz分別表示等效噪聲損耗、接收端噪聲系數(shù)與方位壓縮損失;Pt表示系統(tǒng)峰值發(fā)射功率;Gt與Gr分別表示發(fā)射和接收增益;λc表示載波波長。

可以看出,NESZ指標(biāo)與多個系統(tǒng)參數(shù)相關(guān),下面僅從寬幅成像對其影響進(jìn)行分析。系統(tǒng)方位向分辨率的提高要求使用更高的PRF,但是一般來說,占空比PRF·Tp不會隨方位向分辨率變化,而主要是由SAR系統(tǒng)能力決定。因此,該項一般不會對NESZ造成較大影響。測繪幅寬增大要求使用俯仰向小天線生成更寬的波束,這將導(dǎo)致Gt與Gr變小,從而使NESZ變差。為實現(xiàn)在更高分辨率、更大測繪帶寬條件下的高靈敏度成像。團(tuán)隊針對DBF技術(shù)開展了深入研究,提出了中頻DBF處理方案,并對DBF體制下的脈沖延展損失、實時加權(quán)進(jìn)行了研究。

3.3 DBF成像新體制

如圖3所示,DBF成像體制采用俯仰向大口徑多通道天線接收地面反射的電磁回波,并由多通道數(shù)字信號加權(quán)處理生成由測繪帶近端連續(xù)掃描到測繪帶遠(yuǎn)端的窄波束,從而有效提高接收增益,提升系統(tǒng)信噪比。

圖3 俯仰向DBF技術(shù)的信號接收幾何Fig.3 The signal receiving geometry of elevation DBF SAR

在DBF信號處理框架中,每一個通道的信號都需要經(jīng)過中頻采樣與數(shù)字下變頻,然后在數(shù)字域加權(quán)之后合成,如圖4(a)。該系統(tǒng)數(shù)字資源的占有量幾乎與通道數(shù)成正比。低通數(shù)字濾波器對數(shù)字資源消耗較大,而且在波束形成部分,一個復(fù)數(shù)乘法操作需要3到4次實數(shù)乘法來實現(xiàn)。完成數(shù)字下變頻后,數(shù)字波束形成模塊中的數(shù)據(jù)都是在復(fù)數(shù)域,每一個通道的數(shù)據(jù)流都有實部和虛部兩部分,有限長度單位沖擊響應(yīng)濾波器(finite impulse response,FIR)延遲濾波器也需要對實部和虛部分別做一次操作。所以,隨著俯仰向通道數(shù)的增多,消耗的系統(tǒng)資源會大幅度增加。

圖4 兩種DBF處理框架Fig.4 Two DBF processing programs

為此,團(tuán)隊提出了一種中頻DBF合成方案[27]。在中頻完成波束形成操作,采用實數(shù)域加權(quán)后將所有通道的數(shù)據(jù)合成為兩路信號,再做數(shù)字域正交解調(diào)得到DBF輸出的基帶信號,如圖4(b)所示。與德宇航的DBF合成處理方法相比,該方案處理復(fù)雜度幾乎不隨通道數(shù)目增多而線性增長,可大大減小俯仰向DBF處理對星上數(shù)字資源的占用,更有利于DBF技術(shù)的工程實現(xiàn)。

DBF提高回波接收增益的核心在于實時跟蹤回波方向。在快時間域,需針對每個脈沖的采樣點進(jìn)行實時加權(quán)合成,每個脈沖的加權(quán)因子數(shù)量與采樣點數(shù)和通道數(shù)成正比。在慢時間域,星地幾何關(guān)系會發(fā)生變化,需逐脈沖更新加權(quán)因子。對此,提出一種基于線性多項式擬合的加權(quán)因子快速生成方法[28],有效避免了傳統(tǒng)方法中反正切和除法等復(fù)雜處理過程,實現(xiàn)了多模式、多波位DBF加權(quán)因子的實時計算。

目前,試驗已獲取了掃描接收波束實時合成、脈間距離多波束、脈內(nèi)距離多波束、基于波形編碼的MIMO模式等大量數(shù)據(jù)。實測數(shù)據(jù)處理與定量分析表明DBF圖像信噪比提升水平接近理論值,圖像質(zhì)量明顯改善,如圖5所示(16通道DBF系統(tǒng)理論信噪比提升約12dB,實測數(shù)據(jù)分析合成數(shù)據(jù)較單通道信噪比提升11.2dB)。

4 多極化星載SAR成像

4.1 多極化星載SAR成像需求與實現(xiàn)方法

電磁波的極化特征對目標(biāo)的散射特性(幾何形狀、空間分布、材料構(gòu)成、粗糙度及干濕度等)高度敏感,相較單極化SAR,多極化SAR極大地增強(qiáng)了成像雷達(dá)對地物信息的獲取能力,在目標(biāo)檢測、目標(biāo)識別、圖像增強(qiáng)與分類具有巨大的應(yīng)用前景。針對多極化成像,減災(zāi)、國土、林草、海洋等均提出了要在高品質(zhì)因數(shù)寬幅條件下實現(xiàn)全極化觀測的需求。

多極化SAR工作模式按收發(fā)模式和電磁波極化狀態(tài)差異,可分為雙極化模式(雙線極化、雙圓極化、簡縮極化)和全極化模式(正交線全極化、混合全極化),如表6所示?；旌先珮O化SAR以及混合簡縮極化SAR采用圓極化發(fā)射線極化接收(Circularly Transmit and Linearly Receive,CTLR)的方式完成雷達(dá)信號的發(fā)射和接收。

4.2 多極化星載SAR成像制約因素

在傳統(tǒng)線極化模式下,為了獲取地物目標(biāo)四極化信息,星載SAR通常需要付出更多的系統(tǒng)資源(功耗、質(zhì)量、數(shù)據(jù)率和成本)。同時,全極化模式導(dǎo)致系統(tǒng)整體PRF較單極化或雙極化模式翻倍,受回波接收窗縮短的影響,可視成像幅寬范圍縮短。無法滿足綜合環(huán)境監(jiān)測的需求。除此之外,在經(jīng)典全極化模式中,交叉極化圖像距離模糊通常比對應(yīng)的同極化圖像惡化6～8dB,嚴(yán)重影響全極化圖像的整體性能。

表6 常見極化合成孔徑雷達(dá)

為了解決經(jīng)典線全極化SAR對系統(tǒng)資源和觀測效能限制難題,團(tuán)隊重點研究了簡縮極化工作模式;為抑制全極化模式下的交叉極化距離模糊,團(tuán)隊針對混合全極化模式開展了理論研究,開展了機(jī)載SAR飛行試驗,并且應(yīng)用于星載SAR系統(tǒng)。

4.3 星載SAR極化信息處理新方法

4.3.1 混合簡縮極化SAR定標(biāo)與極化信息處理

混合簡縮極化是極化SAR發(fā)展的一個前沿方向,該模式僅發(fā)射一種圓極化電磁波并以水平和垂直極化天線接收回波,可以獲取兩個通道的極化信息。當(dāng)前國際上已經(jīng)有多顆SAR衛(wèi)星具備混合簡縮極化工作模式,如日本的ALOS-2、加拿大的RCM以及中國的LT-1?；旌虾喛s極化與全極化系統(tǒng)的工作時序?qū)Ρ纫妶D6。

圖6 混合簡縮極化與全極化模式的時序圖對比Fig.6 Timing diagrams of hybrid compact polarimetric SAR and full polarimetric SAR

與全極化SAR系統(tǒng)相比,混合簡縮極化SAR在定標(biāo)和極化信息處理兩方面存在差異。首先,混合簡縮極化獲取的目標(biāo)極化觀測信息減半,導(dǎo)致其定標(biāo)過程難以完全借用傳統(tǒng)全極化SAR的定標(biāo)方案。對此,團(tuán)隊研究了基于優(yōu)化算法的混合簡縮極化SAR系統(tǒng)定標(biāo)方案,可校正接收失真對數(shù)據(jù)的影響[29]。針對現(xiàn)有極化分解在簡縮極化SAR系統(tǒng)中不通用,無法在不同場景中準(zhǔn)確估計體散射部分的問題,團(tuán)隊提出了一種基于模型的二階段極化分解算法(General Two-Stage Model,GTM)[30],通過研究各散射機(jī)制的散射特性確定主導(dǎo)散射機(jī)制,進(jìn)而完成極化分解,能夠得到與全極化通用四分量分解算法相近的結(jié)果。

為分析混合簡縮極化與全極化等多極化SAR數(shù)據(jù)在地物分類等應(yīng)用上的性能差異,團(tuán)隊基于極化統(tǒng)計特性設(shè)計,提出了一個對比多極化SAR數(shù)據(jù)分類性能的分析框架。通過全極化與混合簡縮極化飛行試驗。驗證了全極化與簡縮極化模式均可以實現(xiàn)較高的地物分類精度,兩者總體分類精度相差不到2%,具體數(shù)值如表7所示。圖7給出傳統(tǒng)全極化與混合簡縮極化圖像分類結(jié)果對比圖。

表7 全極化與簡縮極化分類精度

圖7 極化圖像分類結(jié)果對比圖Fig.7 Polarimetric target decomposition results

4.3.2 混合全極化SAR方位模糊抑制

混合全極化模式通過交替發(fā)射左旋和右旋圓極化電磁波并以線極化天線進(jìn)行接收,可以在測量完備極化信息的前提下改善距離模糊性能,是星載極化SAR系統(tǒng)一種非常具有潛力的新模式。

以LT-1系統(tǒng)設(shè)計為例,相同系統(tǒng)參數(shù)條件下,傳統(tǒng)全極化和混合全極化SAR系統(tǒng)距離模糊性能曲線仿真如圖8所示。不難發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)的全極化系統(tǒng)相比,混合全極化SAR系統(tǒng)可以提升距離向測繪幅寬。此外,混合全極化SAR系統(tǒng)可通過同時發(fā)射調(diào)相后的H和V極化信號合成圓極化發(fā)射信號,兼具傳統(tǒng)全極化模式和簡縮極化模式工作能力,從而增強(qiáng)極化SAR系統(tǒng)的擴(kuò)展性。

圖8 全極化與混合極化SAR距離模糊RASR性能曲線Fig.8 RASR of full polarization and hybrid polarization

為驗證混合全極化SAR系統(tǒng)性能,研究團(tuán)隊針對多種場景獲取了大量試驗數(shù)據(jù)。通過對比,驗證了混合全極化SAR和傳統(tǒng)全極化SAR數(shù)據(jù)之間的特性幾乎完全一致[31],成像結(jié)果如圖9所示。同時,針對混合全極化模式線極化重構(gòu)后的交叉極化信道中方位模糊性能惡化問題,文獻(xiàn)[32]和[33]分別提出結(jié)合波形分集雙聚焦后處理技術(shù)和基于聯(lián)合優(yōu)化的改進(jìn)重建方法,有效消除強(qiáng)散射虛假目標(biāo)的影響,提升圖像質(zhì)量,提高后續(xù)目標(biāo)檢測與識別處理性能。圖10給出混合全極化SAR系統(tǒng)方位模糊抑制效果對比。

圖9 P波段全極化SAR Pauli彩色編碼圖像Fig.9 P-band full-pol pseudo-color image after Pauli decomposition

圖10 混合全極化SAR系統(tǒng)方位模糊抑制效果對比Fig.10 Imaging results of hybrid full-pol SAR

混合簡縮極化與混合全極化模式很好的解決了星載多極化SAR系統(tǒng)中交叉極化模糊抑制等問題,多極化成像幅寬成倍增加,極化特征提取性能優(yōu)良,已應(yīng)用于在軌的LT-1,并將在中國后續(xù)的SAR衛(wèi)星型號中應(yīng)用,為國土、減災(zāi)、林草、海洋等行業(yè)提供更為豐富的數(shù)據(jù)支撐。

5 高精度干涉SAR技術(shù)

5.1 干涉SAR技術(shù)發(fā)展需求與實現(xiàn)方法

干涉SAR(InSAR)通過獲取兩幅或多幅帶有幅度和相位信息的復(fù)圖像,利用復(fù)圖像分辨單元之間的相位差,可獲取地表高程和形變等信息。按照干涉基線取向,InSAR可分為順軌干涉和交軌干涉。順軌干涉主要用于目標(biāo)運(yùn)動特性反演,比如車輛、洋流等;交軌干涉主要用于高程和形變測量,例如全球數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)獲取、滑坡監(jiān)測、城市沉降監(jiān)測等。InSAR技術(shù)在多云多雨區(qū)的地形測繪、廣域自然環(huán)境滑坡等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方面的作用已得到廣大用戶的認(rèn)可。此外,多基線層析SAR技術(shù)在森林結(jié)構(gòu)、生物量反演等方面的研究及應(yīng)用也逐漸增多。

目前,中國在軌的雙基星載SAR系統(tǒng)天繪二號通過在軌驗證,可滿足1:50000比例尺地形測繪需要;已發(fā)射的LT-1 A、B星主要用于地表形變監(jiān)測與重點地區(qū)地形測繪,實現(xiàn)精度達(dá)到厘米級(差分干涉)的形變監(jiān)測。在“新體制星載SAR綜合環(huán)境監(jiān)測技術(shù)”項目中,測繪行業(yè)提出了未來星載SAR實現(xiàn)1:5000比例尺(相對高程精度達(dá)0.5～1m)的全球測繪需求;地震、國土等行業(yè)對地表形變測量精度提出了更高的要求;林業(yè)對森林高度測量、地上生物量反演、森林垂直結(jié)構(gòu)反演等也提出了要求。

5.2 高精度干涉SAR制約因素

針對高精度DEM獲取,目前主流的兩種InSAR體制是基于單衛(wèi)星平臺(或飛船、航天飛機(jī))的雙天線InSAR和雙/多星編隊InSAR。其中雙天線干涉以美國的SRTM任務(wù)為代表,雙星編隊InSAR以德國TanDEM-X系統(tǒng)和中國的天繪二號為代表的。兩種InSAR體制所獲取DEM精度均受到圖像配準(zhǔn)誤差、基線誤差和相位解纏繞誤差等因素制約。其中,圖像配準(zhǔn)誤差會導(dǎo)致相干性下降;軌道誤差則會影響DEM的絕對定位精度;而干涉圖解纏繞誤差,則會顯著影響DEM的測高準(zhǔn)確度。高精度DEM的獲取通常采用長基線模式,但干涉條紋的密度增大,相位解纏十分困難。此外,復(fù)雜地形的配準(zhǔn)難度也會隨著基線的增加而增加。

針對地表高精度形變提取,系統(tǒng)成像幾何畸變、系統(tǒng)熱噪聲、衛(wèi)星軌道誤差、大氣延遲誤差(電離層和對流層引起的誤差)以及地面噪聲信號誤差等會導(dǎo)致干涉失相干、形變測量精度下降。以時間去相干為例,在城市區(qū)域,建筑物等永久散射體在較長時間內(nèi)失相干現(xiàn)象較少。但是在農(nóng)村、山地等植被覆蓋區(qū)域,由于植被的生長變化、土壤濕度的改變等因素,時間去相干較為嚴(yán)重。另外,在地震、礦區(qū)沉陷、火山等引起的大梯度幾何形變時,也會發(fā)生較嚴(yán)重的失相干。已有研究表明,相對于短波SAR干涉系統(tǒng)(如X波段,波長3.1cm),長波SAR干涉系統(tǒng)(如L波段,波長約23.6cm)長時間相干性更強(qiáng)。

5.3 多基線干涉SAR技術(shù)

為實現(xiàn)更高精度的DEM獲取,同時降低相位解纏的難度,特別是在復(fù)雜的地形情況下,多基線InSAR將發(fā)揮重要作用。

多基線干涉技術(shù)利用多條不同長度的空間基線,得到不同模糊高度下的干涉相位,進(jìn)而將相位解纏繞從病態(tài)問題轉(zhuǎn)換為了具有唯一解或較少解的問題,能夠顯著提升解纏繞正確率并提升測量的精度。雙/多基星載SAR是實現(xiàn)多基線干涉的主要途徑。國際首個星載雙基SAR系統(tǒng)TanDEM-X通過多次觀測,獲得同一場景的多基線干涉數(shù)據(jù),獲取了全球空間分辨優(yōu)于12m、相對高程測量精度優(yōu)于2m的高精度DEM。中國也在積極發(fā)展星載多基線InSAR技術(shù)。除了在軌運(yùn)行的天繪二號雙星系統(tǒng),陸探一號01組衛(wèi)星將開展雙星編隊繞飛,可獲取多基線InSAR數(shù)據(jù)。

面向未來1:5000比例尺測繪精度需求,團(tuán)隊從波段選擇、構(gòu)型及基線設(shè)計、分辨率/幅寬設(shè)計、定軌精度、基線測量精度等方面開展了新體制多基線干涉SAR星座設(shè)計,并針對多基線相位解纏方法開展了研究。該星座采用一顆主星發(fā)射、三顆輔星接收的方式,實現(xiàn)相對高程測量精度優(yōu)于1m,并具備3個月可覆蓋全球、3天可覆蓋重點局部城市的全球高程測量能力。為降低軌道重構(gòu)時間、提高整軌內(nèi)基線有效率,團(tuán)隊提出了一種超四面體星座構(gòu)型,較雙螺旋構(gòu)型提高了測繪效率。

對于多基線相位解纏,團(tuán)隊研究了基于立體測量輔助的多基線InSAR方法,針對地形起伏較大區(qū)域干涉相位條紋密集、圖像匹配精度下降的問題,采用相干立體測量方法得到精細(xì)配準(zhǔn)的主、輔圖像,并通過差分相位處理得到高精度的高程重建結(jié)果。

在多基線干涉技術(shù)驗證方面,項目團(tuán)隊基于TerraSAR-X衛(wèi)星獲取了星-地四基線干涉數(shù)據(jù),并獲得建筑三維高程重建結(jié)果,如圖11所示。此外,團(tuán)隊利用P波段多極化SAR,在塞罕壩林場一次飛行獲取了8條基線的全極化SAR數(shù)據(jù),通過多基線聯(lián)合處理得到了林場某區(qū)域的森林高度反演,并與Lidar獲取的結(jié)果相對比,得到基于多基線技術(shù)的森林高度反演精度優(yōu)于0.9m[34]。圖12給出基于多基線技術(shù)的P波段森林高度反演結(jié)果。

目前,在研的多基線干涉SAR星座—宏圖-1號預(yù)計成為中國首個四星編隊雷達(dá)星座,將以多基線干涉作為常規(guī)模式,開展高精度DEM生成、三維成像試驗驗證。中科院空天院作為SAR載荷研制單位,將實現(xiàn)多基星載SAR的高精度時間、空間及相位同步,完成高集成度先進(jìn)載荷研制。

圖11 星地多基SAR三維成像試驗:SAR圖像與三維重建Fig.11 Spaceborne-stationary multistatic tomography

多頻InSAR是實現(xiàn)多基線的另一種途徑。該體制需在單顆星上搭載不同頻段的射頻單機(jī)及天線模塊,兩顆多頻SAR衛(wèi)星即可形成多個統(tǒng)計獨(dú)立的等效干涉基線。較單頻系統(tǒng),多頻SAR單星質(zhì)量、復(fù)雜度和功耗將增大。團(tuán)隊針對雙頻干涉的頻段配置、雙頻聯(lián)合相位解纏等進(jìn)行了研究,并分別在2018年和2020年開展了兩次機(jī)載雙頻干涉SAR技術(shù)驗證試驗,獲取了試驗場景的高精度DEM。圖13給出機(jī)載X/Ku雙頻段干涉試驗結(jié)果。

5.4 形變測量技術(shù)

廣域高時效地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測是中國防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的重要工作,星載SAR以其良好的時空分辨率特點,可滿足中國對于廣域監(jiān)測的需求,融合干涉技術(shù)開展地質(zhì)災(zāi)害普查,為滑坡、沉降等常規(guī)災(zāi)害的時空位移模式推演提供高時效天基微波遙感數(shù)據(jù)。

圖12 基于多基線技術(shù)的森林高度反演Fig.12 Forest height estimation with multibaseline InSAR

圖13 X/Ku雙頻干涉試驗Fig.13 X and Ku-band dual-frequency airborne InSAR campaign

干涉地表形變監(jiān)測技術(shù)按照測量敏感度分為兩類,一類是以相位干涉為主的高敏感度測量,包括差分干涉(Differential InSAR,DInSAR)以及多時相干涉(Multi-temporal InSAR,MTInSAR);另一類是以高分辨率SAR影像信息變化檢測為主的強(qiáng)度測量,包括offset-tracking等方法,側(cè)重探測大尺度的地表形變?；谙辔恍畔⒌腟AR干涉形變測量技術(shù)是當(dāng)前最常用的SAR圖像形變提取技術(shù);基于強(qiáng)度信息的offset-tracking方法多應(yīng)用于自然環(huán)境中的大尺度形變監(jiān)測,該算法利用互相關(guān)系數(shù)估計主從影像間的偏移量,進(jìn)而提取地面的二維形變場(方位向-斜距向)。

面向多場景形變測量應(yīng)用,團(tuán)隊重點開展了高精度SAR地形建模與重大設(shè)施形變監(jiān)測、多波段SAR地質(zhì)災(zāi)害識別與監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)用示范。針對滑坡形變監(jiān)測和災(zāi)害隱患早期識別,團(tuán)隊面向西部山區(qū)大型滑坡災(zāi)害防治這一國家重大需求,提出了一種相干散射體InSAR分析方法(CSI)[35],通過聯(lián)合分析永久散射體和分布式散射體目標(biāo)來提升測量點空間密度,從而準(zhǔn)確獲取滑坡體表面形變信息,該方法在大渡河流域上游區(qū)域滑坡隱患早期識別的成功應(yīng)用[36]。

形變測量一直是國產(chǎn)SAR衛(wèi)星重點發(fā)展的方向之一。LT-1號 01組雙星計劃于2022年底調(diào)整雙星構(gòu)型,兩顆衛(wèi)星運(yùn)行在相同軌道面間隔180°,形變監(jiān)測成為主要任務(wù)。高分三號(C波段)也已經(jīng)完成三星組網(wǎng),且02/03星的軌道控制精度較01星提升,可進(jìn)一步提升形變測量能力。兩個SAR衛(wèi)星星座將共同承擔(dān)起中國廣域、高效能、高分辨率環(huán)境動態(tài)監(jiān)測的任務(wù)。此外,高時空分辨率的SAR星座(如See-Earth星座計劃)也在研究之中,未來將會為環(huán)境動態(tài)監(jiān)測提供更加豐富、可靠的數(shù)據(jù)保障。

6 綜合環(huán)境監(jiān)測星座架構(gòu)設(shè)計

圍繞國土、測繪、地震、減災(zāi)、海洋、森林及大型工程基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測等領(lǐng)域的觀測需求,面向高精度地形測量、形變測量、生物量反演、海浪譜反演與洋流測速等典型行業(yè)應(yīng)用,團(tuán)隊通過星地一體化綜合應(yīng)用指標(biāo)仿真,構(gòu)建了一體化星載SAR綜合環(huán)境監(jiān)測體系架構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)體系,如圖14所示。

圖14 綜合環(huán)境監(jiān)測體系星座Fig.14 SAR satellite constellation of Earth environmental monitoring system

(1)高時空分辨率SAR星座

針對高時間分辨率、高空間分辨率對地觀測應(yīng)用,設(shè)計了4顆Ka波段高性能全極化SAR衛(wèi)星星座,利用多星組網(wǎng)實現(xiàn)快速重訪和高頻次全球覆蓋,進(jìn)而監(jiān)測地球表面的動態(tài)變化過程,為中國基礎(chǔ)戰(zhàn)略性地理信息資源獲取提供長期、穩(wěn)定、自主可控的數(shù)據(jù)支撐。衛(wèi)星系統(tǒng)全球平均重訪時間優(yōu)于3h,對局部重點區(qū)域(最大成像幅寬40km)最高0.1m分辨率的覆蓋能力。

(2)雙頻多極化SAR星座

針對全球生物量探測,設(shè)計P+X雙頻全球生物量探測星座聯(lián)合探測方案,采用P波段SAR的全極化模式,利用極化干涉技術(shù)提取森林垂直結(jié)構(gòu)信息;X波段雙星編隊模式同時獲取干涉SAR數(shù)據(jù),得到森林的冠層信息,X波段和P波段載荷協(xié)同觀測,可同時獲取林下地形和冠層信息,從而獲得森林高度的精確信息,實現(xiàn)森林生物量的反演精度優(yōu)于80%,滿足全球森林高度、生物量、蓄積量產(chǎn)品每年更新一次的觀測需求。

(3)多基線編隊SAR星座

針對全球高精度DEM數(shù)據(jù)獲取、高分辨率全球海表流場監(jiān)測等應(yīng)用,設(shè)計一主三輔衛(wèi)星星座,同時具備多條垂直航跡干涉基線:采用垂直向多基線干涉技術(shù)實現(xiàn)相對高程測量精度優(yōu)于1m,并具備3個月可覆蓋全球、3d可覆蓋重點局部城市的全球高程測量能力;采用順軌干涉技術(shù)進(jìn)行洋流測速,主星為方位多通道工作體制,通過一發(fā)多收,可獲取有效沿航跡基線。該系統(tǒng)可對世界重要環(huán)流的高分辨率海表流場進(jìn)行每日觀測,流場分辨率優(yōu)于1km,測速精度優(yōu)于0.1m/s;在最大成像幅寬模式下,可對全球重點海域的海浪和海面風(fēng)進(jìn)行反演,海浪譜反演精度優(yōu)于15%,可實現(xiàn)3次/天的觀測頻次以及1天內(nèi)覆蓋重點關(guān)注海域的觀測能力。

(4)差分干涉寬幅SAR星座

針對中國地表形變高精度監(jiān)測應(yīng)用,設(shè)計包含兩顆L波段衛(wèi)星和兩顆C波段衛(wèi)星的衛(wèi)星星座,均勻分布于同一軌道面,間隔90°。精度滿足常規(guī)差分干涉測量精度達(dá)到厘米級,InSAR時間序列分析測量精度控制在5mm/a以內(nèi)的需求。

7 結(jié)論

隨著中國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷提高,中國星載SAR技術(shù)由優(yōu)先發(fā)展軍事裝備向軍民裝備協(xié)同發(fā)展的方向推進(jìn)。在民用天基遙感領(lǐng)域,未來星載SAR發(fā)展需面向國家經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級與生態(tài)文明建設(shè)、“一帶一路”倡議實施與新型城鎮(zhèn)化發(fā)展規(guī)劃實施、地球科學(xué)研究等重大需求,圍繞陸海資源、生態(tài)環(huán)境、地形測繪與災(zāi)害監(jiān)測等重要應(yīng)用,在體系、體制、技術(shù)、機(jī)理、處理、反演與應(yīng)用等各方面不斷探索。

可以預(yù)見的是,這些新體制、新模式、新技術(shù)將為人類提供前所未有的高時效、多層次、多維度遙感觀測數(shù)據(jù),未來星載SAR在對地觀測乃至宇宙探測中將發(fā)揮更加重要的作用。但是,下一代高性能SAR衛(wèi)星在系統(tǒng)工程實現(xiàn)、海量數(shù)據(jù)高效處理、多源數(shù)據(jù)智能提取方面也面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),要求星載SAR在概念、設(shè)計、仿真、研制、集成、測試、處理、應(yīng)用等多方面開展全鏈路的技術(shù)突破。