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星载SAR综述
星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）的研究主要集中在美国、加拿大和欧洲诸国等西方发达国家。
编辑于2022-05-01 18:55:38- 卫星
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星载SAR综述
研究背景
自美国在1978年发射第一颗合成孔径成像雷达卫星( Seasat)以来, 由于其能全天时、全天候、不受国界和政治的影响， 几乎可以获得地球每个角落的高分辨率图像而受到广泛关注。合成孔径成像雷达获得的高分辨率图像与传统光学图像相比， 具有其明显的特点， 可以获得光学图像所不具有的信息， 工作在低频段的合成孔径成像雷达甚至可以发现隐藏在树林下、浅层地表下的目标。
目前星载合成孔径成像雷达已经在民用、军用方面得到了广泛的应用。在民用方面， 主要用来灾害评估， 如地震引起的山体、道路、桥梁的断裂程度评估， 水灾、雪灾的面积评估， 海洋受污染的程度评估等; 海洋特性研究， 如根据雷达图像分析海流、内波特性等。在军事方面， 主要用来侦察重要军事目标， 如港口、机场等; 也可以对打击效果进行评估。利用两部干涉合成孔径成像雷达对同一地区获得的图像， 经干涉处理可以形成该地区的三维图像， 因此可以用于地图测绘。
星载SAR研究现状
星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）的研究主要集中在美国、加拿大和欧洲诸国等西方发达国家。
美国是星载合成孔径雷达的发源地，美国的研究人员在星载SAR领域做到了多个第一。早在1978年，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）就成功发射了第一颗SAR卫星—海洋卫星（Seasat）[1]。Seasat的轨道高度为795km，分辨率为25m，测绘带宽度为100km。Seasat运行了100天，对地球表面多达1亿平方千米的面积进行了测绘，并且利用重复轨道干涉模式首次在空间获得了地球表面的星载SAR干涉测量数据。1989年NASA开展了一项星球雷达任务——“麦哲伦”（Magellan）SAR观测金星计划[2][3]。Magellan于1989年5月4日由“亚特兰蒂斯”号发射升空，1990年9月15日开始测绘任务，1991年5月15日终止，期间测绘了金星的70%地表，分辨率不低于300米。Magellan雷达工作于S波段，HH极化，距离向分辨率为120～360m，方位向分辨率为120～150m，入射角大于30°。
1981年，1984年，1994年美国分别发射了航天飞机搭载的SIR-A、SIR-A和SIR-C（其中SIR-C搭载的 X-SAR 由德国和意大利联合研制）[4][5]。这一系列SAR载荷从单一的L波段扩展到了L、C、X三个波段；从单纯的HH极化发展到HH、VV、HV和VV四种极化方式；从固定天线到机械扫描天线最后发展为电扫描天线，能够实现条带和扫描两种工作模式。多频段、多极化、多模式工作的SAR逐步成为SAR卫星的发展方向。
2002年，美国“奋进”号航天飞机发射升空，执行耗资3.64亿美元，称为“航天飞机雷达测绘使命（SRTM）”的空间飞行任务[6][7][8][9]。它采用的方式为单航过双天线干涉测量，即在航天飞机上使用双天线实施干涉SAR（InSAR）地形测绘。该任务历经11天顺利完成任务，共计进行了222小时23分钟的数据采集工作，获取的雷达影像数据达9.8万亿字节，数据覆盖范围在北纬60°至南纬56°之间，覆盖面积超过1.19亿平方公里，数据产品为间距30m和90m的数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）数据。SRTM的天线直径1.12m，交轨基线长度60m，顺轨基线长度7m，采用频段C/X，绝对测高精度为水平20m，垂直16m，相对测高精度为水平15m，垂直4m。这也是全球首次获得如此丰富的数字高程模型数据。
除了民用星载SAR系列，1988年~2005年美国北美防空联合司令部（North American Air Defense Command，NORAD）陆续发射了5颗“长曲棍球（Lacrosse）”SAR卫星组成对地雷达图像侦查卫星星座，现有三颗在轨。其最高分辨率估计达到了0. 3 m 左右，在海湾战争中发挥了巨大的作用。
加拿大也是较早开展星载SAR技术研究的国家。1995年和2007年加拿大分别发射了RadarSAT-1和RadarSAT-2卫星。RadarSAT-1的轨道高度为798km，工作于C波段，采用了HH极化，并且采用了具有一维电扫描能力的天线，工作模式多达7类25种，是目前工作模式最多的SAR卫星。RadarSAT-2继承了RadarSAT-1的主要性能，并且采用了更为先进的微带固态有源相控阵天线，波束扫描能力更强，下视角在 20°～50°范围内可变，其分辨率最高可以达到3m，另外RadarSAT-2还支持全极化工作方式。RadarSAT系列最主要的应用是观测海冰、海洋现象等，是目前适用于海洋应用的性能最好的星载SAR系统。未来加拿大还预计构建Radarsat星座系统（Radarsat Constellation Mission，RCM）利用多颗小卫星形成星座，每颗卫星都搭载C波段SAR和船只自动识别系统（Automated Identification System，AIS）。这个星座将具备近乎实时的海冰监测、溢油检测、舰船监视和灾害控制等方面的能力。
欧洲参与了美国的SIR-A、SIR-A和SIR-C等项目，提供了部分设备[13][14]。同时1991年、1995年和2002年欧空局（European Space Agency，ESA）分别发射了ERS-1、ERS-2和Envisat等C波段SAR卫星。这些卫星的轨道高度为790km，主要用于海洋、陆地及气象的长期观测，而这 3颗卫星获得的数据也支撑了大量的科学研究， 特别在民用和地图测绘方面起到了重要作用。而ESA未来还准备发射Envisat的后续卫星Sentinel-1[15]，主要用于环境和农业监测。
除了参与ESA的星载SAR项目，欧洲主要发达国家也独立进行了许多星载SAR研究。
德国的星载SAR获得了巨大的成功。为了获取全球地表的高分辨率星载SAR图像以及比SRTM数据更为准确的全球DEM数据，德国开展了高分辨率编队飞行卫星的研究。2007年6月，德国首先发射了一颗X 波段相控阵体制的TerraSAR-X卫星[16][17][18][19][20][21][22]。这颗SAR卫星能够达到最高1m的分辨率；首次采用了二维全零多普勒导引技术，降低了地面数据处理难度，提升了图像质量；首次对全新的工作模式——滑动聚束（Sliding Spotlight）模式和TOPS（Terrain Observation by Progressive Scan）模式进行了实验并取得了成功；在卫星定标、姿态控制、波束控制等方面进行了大量的实验并且得到了难以想象的精度。为了进行TanDEM-X任务，2009年德国又发射了一颗TerraSAR-X卫星，两颗卫星编队飞行组成缠绕螺旋状轨道，德国预计利用TanDEM-X生成全球的高精度DEM，高程定位精度优于2m，DEM网格间距为12m。
另外，在军用卫星方面，2006年~2008年间，德国成功发射了5颗X波段抛物面体制的SAR卫星，组成了SARLupe卫星星座。这5颗卫星运行在3个轨道平面上，它们的轨道高度为500km，能够实现对南纬80度到北纬80度的覆盖，并且图像地距分辨率优于1m。SARLupe通过卫星本体的摆动改变天线波束指向， 从而实现聚束等工作模式， 这给卫星的姿态控制提出了较高的要求。
意大利研制了COSMO-SkyMed小卫星星座[23]，卫星轨道高度为619km，工作在X波段，聚束模式下分辨率达到1 m。阿根廷发射的SAOCOM-1卫星也加入了Cosmo-Skymed系统 2卫星星座[24]。
日本在L波段星载SAR研究方面获得了很多成果。1992年，日本发射了JERS-1卫星[25][26]，采用L波段相控阵天线，分辨率在10 m左右，主要用于资源勘探。2006年，日本发射了此卫星的后续卫星ALOS卫星[27][28]，搭载了PALSAR，分辨率提高到5m，并且能够以多极化、多视角、多模式工作。另外，在2003~2007年间，日本还发射了多颗情报收集卫星[29][30]（Information Gathering Satellites，IGS），现有IGS-1B、IGS-3B两颗SAR卫星在轨，它们的分辨率达到1~3m。
俄罗斯主要是在苏联时期开展了部分星载SAR研究，并且在1991年3月成功发射工作在S波段的SAR卫星Almaz[31]，后期因为经费紧张，星载SAR的研制基本处于停滞状态。
以色列最近研发了具有自身特色的星载SAR系统。2008年1月，以色列成功发射了TecSAR卫星[32]， 这颗卫星采用了抛物面天线的超轻型SAR雷达，雷达总重仅100kg左右，大大轻于其他星载SAR雷达，分辨率也达到了1 m，当然其观测范围因受雷达体制的限制也相对较小。这颗卫星创造性地使用了马赛克（Mosaic）模式[33]，能够在保持高分辨率的同时获得较宽的测绘带宽。
除了日本的一些亚洲国家近些年也开始了星载SAR的研究。包括印度，RISAT，韩国，Kompsat-5[34]。Kompsat:韩国预计2009年发射
中国在星载SAR的研究方面起步稍晚。现有遥感一号、遥感三号SAR卫星在轨。2012年12月，由中国空间技术研究院下属的东方红小卫星公司研制的环境1C SAR卫星发射成功。环境1C是我国的首颗民用SAR卫星[35]，工作于S波段，和其它环境系列卫星组成小卫星星座，用于自然灾害监测。
综上所述，分析已经发射和正在研制的星载SAR系统，可以归纳出未来星载SAR的发展趋势如下。
星载SAR的空间分辨率一直是人们追求的主要指标。星载SAR的分辨率在最近几年有了快速提高，已经达到到了1m 左右，而在2007年初美国明确提出了其下一代星载SAR的分辨率将达到0.1m[36]。
从品质因数的角度来说，通常分辨率越高，图像的覆盖范围越窄。但是用户总是希望在高分辨率的基础上获得比较宽的覆盖范围。因此星载SAR的发展方向是提高系统的品质因数，最近几年出现的滑动聚束模式、TOPS模式和Mosaic模式都是在这方面的有益尝试[37][38]。
提高时间分辨率对于灾害控制等应用具有重大的价值，因此人们也想尽办法降低星载SAR的重访周期。现有的解决方案为LEO SAR多颗卫星组网，如 SARLupe采用5颗卫星、COSMO-SkyMed采用4颗卫星组成对地观测系统。然而相比于LEO SAR组网，GEOSAR系统的性能更具有优势，因此现在有诸多研究机构投入到GEOSAR相关技术的研究中。
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