《無線電頻譜需求增加下的主動遙感發展戰略》評介

■侯美亭

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《無線電頻譜需求增加下的主動遙感發展戰略》評介

■侯美亭

NAP，2015年

無線電頻譜（Radio Spectrum）是頻率介于0Hz和300GHz之間的電磁波譜，其中0.3～300GHz范圍的波譜被稱為微波，微波是科學界主動遙感主要使用的頻譜范圍。相比，被動遙感使用的波譜范圍更為寬泛，即包括微波波段，也包括頻率大于300GHz的可見光、紅外、熱紅外等波段。同可見光、紅外相比，微波的波長更長，因此微波能夠穿透云層、霧、沙塵等，并且不受大氣散射的干擾，幾乎在所有天氣和環境條件下都可以檢測到微波能量。這也是主動遙感大都采用微波波段的重要原因。

無線電頻譜是一種寶貴的資源，在社會許多行業領域都有重要的應用價值（圖1）。鑒于此，許多國家都設有專門的機構對其進行監管。比如，在美國，隸屬美國商務部的國家電信和信息管理局（NTIA）管理聯邦政府頻譜的使用，美國聯邦通信委員會（FCC）負責所有非聯邦政府的頻譜使用管理；在英國，設有專門的電信監管機構Ofcom負責頻譜的管理。在日益增加的電子產品和移動通信技術的推動下，社會對頻譜的需求增長很快。由其帶來的無線技術的擴散對科學界主動遙感系統的干擾也不斷增加，特別是在L和C波段。因而，如何滿足各界（特別是科學界）對頻譜資源的需求，以及如何重新分配和共享頻譜，以便更高效的利用頻譜，也成為各頻譜監管部門所面臨的迫切問題。

科學界以及相關的業務部門必須積極參與頻譜分配和部署過程，確保滿足科學界對頻譜資源的需求。

為此，來自美國多所高校、研究所及公司的科學家組成的主動遙感對無線電頻譜利用調查委員會、物理學和天文學委員會以及美國國家科學院共同發布了《無線電頻譜需求增加下的主動遙感發展戰略》（A Strategy for Active Remote Sensing Amid Increased Demand for Radio Spectrum）一書，探討了主動遙感利用頻譜資源的有關問題及應對戰略。該書于2015年由美國國家科學院出版社（NAP，The National Academies Press）出版，其主要目標有3個：（1）指出主動遙感對于社會的重要性；（2）介紹目前和未來主動遙感有效利用電磁頻譜所面臨的威脅；（3）為主動遙感所需頻譜的保護和有效利用提供具體的建議。

本書共包括9章：第1—6章介紹了主動遙感的重要價值，并分別闡述了其在大氣、海洋、陸表、空間物理、行星科學等幾大領域的應用情況；第7—9章則闡述了頻譜資源的分配政策、主動遙感儀器面臨的射頻干擾問題以及緩解干擾的有關技術和建議。總體上，本書內容可以匯總為以下3個方面。

一、主動遙感的重要性

圖1　無線電頻譜及其應用（來源：New America Foundation,MCT,Howstuffworks.com）

主動遙感是指由探測器主動向目標物發射一定能量的電磁波，再由至少一個接收器接受目標物反射或散射電磁波的遙感系統。通過測量目標物的反射或散射特性，就可以分辨目標物的物理狀態。在不同領域，主動遙感的目標物也有所差異。比如在大氣科學領域，主動遙感的目標物主要包括地球大氣、海洋和陸地表面，其探測器平臺可以在地面、空中和/或衛星上。

不同領域的主動遙感技術對科學和社會的重要影響，具體包括：1）大氣主動遙感可以提供對風暴、全球大氣環流的深入了解；2）海洋領域，主動微波傳感器可提供洋流、波浪和風速和風向測量，是被動微波、可見光和紅外測量的重要補充。其對全球天氣預測、風暴和颶風預警、波浪預測、沿海風暴潮、船舶航線、商業捕撈等具有重要應用價值；3）主動遙感測量雷達，包括真實孔徑雷達、合成孔徑雷達（SARs）和散射計，能為土地利用、環境管理等提供必要的數據；4）電離層的主動遙感對于理解其附近空間區域的物理特征、以及預測空間天氣事件對電力、通信等行業的影響直觀重要；5）行星雷達天文學中的主動遙感技術，有助于人類提高對太陽系的理解、制定衛星發射計劃以及跟蹤和表征可能威脅到地球的近地小行星。

二、 主動遙感所需頻譜的有效使用在當前和未來面臨的威脅

主動遙感使用的頻率基本決定于所研究的物理現象。對于每種測量類型，很難把其所使用頻段轉換到其他頻段。因此，對于那些對社會發展非常有必要的主動遙感測量，必須保證它們所需的頻譜資源。

主動遙感傳感器面臨的頻譜問題主要有兩類：1）與被動傳感器一樣，主動傳感器也受到了其他無線電服務的射頻干擾（Radio-frequency Interference，RFI）；2）與被動系統不同的是，主動遙感系統也發射信號，因此可以根據業務進行調整，以確保它們不會干擾其他服務。隨著對頻譜資源不斷增長的使用和需求，這兩個問題越來越影響到主動傳感器當前和未來的發展。

當前和未來RFI問題，具體例子如下：

1）在一些情形下，對主動傳感器的傳輸限制大大阻礙了其收集科學數據的能力，如對歐空局BIOMASS衛星計劃在某些區域上空的傳輸限制，因為BIOMASS對U.S.DOD SOTR（美國國防部空間對象跟蹤雷達）系統存在干擾。在一些波段保守的干擾標準使科學操作變得困難，對超高頻（UHF）和L波段的限制也隨著時間不斷提高。

2）部分波段的RFI環境正日益惡化。對于大量使用并得到充分研究的L波段的1215～1300MHz部分，世界范圍內觀測到的RFI的量正不斷增加，特別是在北美、歐洲和東亞尤為嚴重（圖2）。歐空局稱，在C波段，RFI 也在增長。

3）近期，商業服務計劃在地球探測衛星分配頻譜中的擴張將威脅到具有高附加值的C波段的科學雷達測量。例如，擬議的5350～5470 MHz無線局域網（RLAN）服務將嚴重限制歐空局的Sentinel-1星座（哥白尼計劃）和加拿大的Radarsat-2和RadarSat星座任務（RCM）。RLAN發射器的寬波段、噪聲狀特性很難或無法得到減輕。

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4）雖然有多個波段被分配到地球探測衛星主動頻譜上，然而僅有部分波段正在使用，或根本不被使用。由于容納新的服務的不斷壓力，在未來可能更難在這些波段上建立新的科學任務。

5）目前，RFI 已不再是行星雷達天文學觀測的一個重要障礙。然而，隨著對近地小行星圖像高空間分辨率的需求，導致了對帶寬需求的增加，將來RFI可能會是一個大問題。為方便獲取近地小行星高空間分辨率影像，需要分配60～120MHz的帶寬。比如，NASA JPL Goldstone雷達目前擁有 200MHz的帶寬，其中心頻率為8.600GHz。

應該指出的是，例行報告通常指出了其他非科學來源傳感器對主動科學傳感器的干擾，而科學傳感器似乎很少會干擾其他服務。其原因之一是通信系統可以抵抗具有窄脈沖波形與低占空比的雷達系統的干擾，窄脈沖波形與低占空比正是科學和業務雷達的典型特征。而不同的主動科學傳感器之間可能會存在干擾，比如NASA CloudSat上的雷達可以干擾射電天文測量雷達。

當前，RFI 緩解技術可以在UHF、L和C波段上顯著地降低干擾對科學傳感器的影響，C波段以上頻率進行的科學測量基本上已經不再受到RFI問題的影響。因此，主動遙感能夠更有效地與一些服務分享頻譜，這取決于干擾信號的性質。

圖2　Aquarius L波段觀測到的射頻干擾（RFI）（來源：NASA/JPL-Caltech）

此外，表征RFI影響主動遙感空間儀器的困難之一是當前世界范圍內主動遙感信號發射器信息不夠全面，以及RFI環境的特性隨時間推移不斷演變。同時，目前尚缺乏一種好的指標，以量化各種主動遙感科學測量儀器（如散射計、高度計、SARs、干涉儀等）的退化信息。這使得準確地量化RFI對特定主動傳感器的影響、如何減輕RFI以及如何共享頻譜變得困難。

三、 保護和有效使用主動遙感所需頻譜的建議

1）科學界的行動

科學界以及相關的業務部門必須積極參與頻譜分配和部署過程，確保滿足科學界對頻譜資源的需求。科學界也應提供更多信息，使監管部門更好地意識到主動遙感的價值。這種價值包括減少自然現象對社會產生不利影響的經濟價值，以及來自科學研究的非經濟價值。

2）政府層面的行為

政府相關部門應積極支持主動遙感的發展，監督頻譜分配。例如，NASA應提高影響主動遙感的RFI環境的表征，其他機構（如NOAA、NSF等）也應積極參與其中。另外，應增加對科學界主動遙感的頻譜分配。

3）通信業可以采取的行動

短波中小型基站通信中毫米波頻率的使用,將大大增加網絡容量(達到一個數量級)，從而減少對頻譜和主動遙感用戶的壓力。無線產業應考慮利用微型基站方法，通過發展發射塔和網絡，增加毫米波頻率在6G通信和通信標準中的使用。

4）尋找頻譜共享的機會

多功能相控陣雷達為頻譜共享提供了可能。比如，NOAA的多功能相控陣雷達項目（MPAR），旨在使用單個相控陣天氣雷達，同時執行飛行器跟蹤、風廓線和天氣監測等多種任務。FAA（美國聯邦航空局）和NOAA也正在合作發展能執行這兩個機構不同任務的單個的S波段多功能雷達。此外，建議開展頻率再利用技術的調查，以減少對整個S波段的頻譜需求。

（作者單位：中國氣象局氣象干部培訓學院）