機載多維度SAR系統技術研究和應用

◎鄔伯才 沈明星

機載多維度SAR系統技術研究和應用

◎鄔伯才 沈明星

本文針對機載多維度SAR遙感系統進行應用需求分析，總結了國內外在多維度SAR系統上的實現與試驗情況，從SAR系統的工作頻段、工作體制、極化方式、工作模式等多個角度進行了SAR的多維度性概括，并對三類機載多維度SAR遙感系統進行了示例分析，最后對該系統的應用前景進行了分析和總結。

進入21世紀，隨著我國國民經濟與社會的發展，國家西部大開發、可持續性發展的能源和資源戰略的實施以及自然災害評估與監測系統的建設，越來越多的應用行業表現出對于大比例尺、高分辨力、高精度、實時獲取與處理、機動靈活的航空SAR遙感數據的迫切需求，如地形測繪、地質調查、對海觀測、農業、林業等行業。不同行業對航空SAR系統除了具有高性能需求，還因為遙感場景的不同、使用任務的不同，對具有多頻段、多極化、具有干涉能力、多模式等多維度特性也提出更高的需求。

多頻段多極化SAR系統有美國研制的AIRSAR、P3/SAR、MB-SAR、ECOSAR等，德國的E-SAR/F-SAR，俄羅斯的IMARC。美國NASA/JPL研制的AIRSAR作為各種先進SAR技術的試驗床，安裝在Douglas DC-8飛機上。AIRSAR能同時工作在三個頻段：C頻段、L頻段和P頻段。它有三種工作模式：在C頻段、L頻段和P頻段全極化模式；在C頻段和L頻段，沿航線的干涉模式；在C頻段和L頻段，垂直航線的干涉模式，這些模式均是條帶照射。三個頻段發射機交替發射水平極化和垂直極化電磁波，在全極化模式，有6個通道同時接收水平極化和垂直極化電磁波。在兩種干涉模式下，已試驗了多種發射和接收的組合方式。德國DLR研制E-SAR/F-SAR是試驗型SAR，用來試驗新技術和信號處理算法，也是地質、農業、森林研究等遙感領域的研究工具，安裝在Dornier DO 228飛機上。E-SAR具有多個工作頻率：P、L、C和X頻段，具有可選擇的垂直極化或水平極化天線。P和C頻段天線采用微帶貼片陣列，X頻段天線采用角錐喇叭，L頻段天線采用無源微帶相控陣。俄羅斯的多頻段多極化IMARC實驗室是安裝在TU-134A大型飛機上的多頻段（X，L，P，VHF）、多極化（VV，HH，HV，VH）合成孔徑雷達系統空中飛行實驗室，它可以對地球表面進行全天候的高分辨率遙感。從目前國外機載SAR系統試驗情況看，機載SAR向著多頻段、多極化、極化干涉以及多模式等即多維度方向發展。

機載多維度SAR技術研究

通過對機載多維度SAR技術研究，綜合處理各維度信息，如多頻段、多模式、多極化、多任務SAR系統等，可以大大提高SAR不同維度信息的獲取能力。如VHF、UHF、L、S、C、X、Ku、Ka全頻段多維度綜合應用，可獲取頻率、極化、空間等多維度的觀測信息，可反演新的觀測量，或提高現有觀測量的測量精度。如獲取地物的體散射特征、反演目標的多次散射特征、目標散射幅相分布的角度維譜特征、目標散射幅相特性的頻率維離散譜特性、目標頻率-極化二維譜特性、目標散射幅相特性的角度-頻率-極化三維度譜特征等。

例如，通過C頻段單頻段工作，通過與極化方式維、工作模式維等組合，該SAR系統可以有以下不同用途：

0.5m/1m分辨率交軌干涉模式，可用于地形測繪制圖；3m/5m全極化成像，可用于海冰監測、分類，農/林作物分類等方面；10m/25km寬測繪帶模式，可用于海洋艦船目標監測、島礁監測、虎苔監測等方面；順軌干涉模式，可用于海面艦船目標檢測與速度估計等方面；圓跡成像模式，可用于城市精細觀測，建筑物三維重建。

如多頻段（X，L，P，VHF）、多極化（VV，HH，HV，VH）SAR系統針對民用目的提供以下遙感信息。

地質學：地表及地表下各種巖石、褶皺及斷裂帶成像，礦物及油、氣的探察，地貌及不可見結構探察，地下水文（包括淡水和礦泉水的蓄水層和透水層）成像，水文及水利勘察，隨污染物（油、生物質、放射性物質）運動的地表水的遷移、上升、滲漏等的勘察。

海洋學：生物薄膜及其它污染的監測，冰蓋及其季節性遷移分析。

農業、林業、經濟測圖：大面積林區的成像與監視，農田測量，植被破壞監測，土壤濕度估算，污染監測，遠距離區域成像及修圖。

多維度SAR應用分析

多維度SAR遙感系統可應用于諸如測繪、地址調查、對海觀測、農業、林業等領域，如圖1所示。

在測繪行業中，由于我國地形、氣候復雜多樣，利用現有的測繪手段，至今還有許多地方無法完成高精度的測圖任務，急需增添先進的全天候、全天時SAR遙感系統，提高航空測繪能力。多維度SAR系統不受天氣影響，并能獲取測區高精度地理高程信息，將迅速占領該攝影困難地區測圖市場。

在地質調查方面，從1999年8月起，我國開始實施國家重大項目“新一輪國土資源大調查”，目前和未來10年內重大的地質調查包括：區域地球物理、礦產資源勘察、水文地質調查和1:5萬地質填圖等工作，離不開高分辨率、機動靈活的多維度航空SAR遙感應用系統的支持。

在海洋觀測方面，我國海洋和沿海地區面臨嚴重的海洋災害威脅。建設業務化的海洋環境保障體系，將進一步提升災害監測、預報警報和災害評估能力，有效減輕海洋災害造成的損失。多維度SAR可作為業務化的海洋環境保障體系重要組成部分，其典型的海洋應用包括物理海洋學、海岸帶、淺岸帶、淺海水下地形、海冰和海洋污染等。

圖1多維度SAR遙感系統應用

在農業方面，農業部每年需要高分遙感數據用于覆蓋全國的農業資源、主要農作物估產、農業自然災害遙感監測的業務化運行。目前，農業遙感監測的結果已作為主要數據源之一，正式納入農業部信息發布體系，為宏觀決策服務。多維度機載SAR遙感系統應用于農作物分類時，P頻段適合地表類型粗分，L頻段和C頻段交叉極化效果較好，L頻段的分類精度比C頻段的分類精度高（特別是對于成熟的高大農作物），L頻段還可用于農作物生長的監測，X頻段和C頻段可提供植物的上層信息和紋理，可用于禾本科農作物的細分類。總的來說，將X頻段與L頻段或C頻段同時使用時，可以提高分類精度，將X頻段（VV極化）與L頻段（HH、HV、VV極化）同時使用時，也可以提高分類精度。

在林業方面，在林業資源調查、森林健康監測、野生動植物保護、森林防護、火災監測、退耕還林監測、荒漠化治理中急需低成本快速高精度遙感監測手段，林業局下屬各林業調查規劃設計院、航空護林總站、森林資源監督辦、防治荒漠化管理中心、野生動植物保護中心等單位將成為機載多維度SAR遙感系統的用戶。 機載多維度SAR遙感系統可以利用極化干涉手段獲取樹木高度信息，并且可以利用其多波段多極化信息，對森林生物量進行定期監測。

多維度SAR系統也是相關領域應用的重要平臺，將對資源勘查與開發、災害監測與評估、生態環境保護起到積極的作用。利用高精度的遙感正射影像圖，以及土地覆蓋數據等基礎地理信資料，可以開展生態資產總量評估、建設生態環境數據庫、進行生態環境建設規劃，并以此為基礎進行每年度的生態環境變化監測，土地退化監測，尤其是退耕還林、退牧還草的效益監測與評估，以及大型工程生態環境影響、恢復、監測與評估工作。

通過上文的分析，建議大力研究與發展機載多維度SAR遙感系統，通過該系統提供多頻段、多極化、多模式、多任務、具有不同干涉能力等多維度SAR信息，以開展高精度地形測繪、森林樹高反演、精細農業、海洋遙感以及SAR圖像解譯等典型應用研究，最終實現服務于國家重大應用需求的產業化發展目標。

（作者單位：中國電子科技集團公司第三十八研究所）