空間微波遙感技術發展現狀及趨勢

張潤寧 王國良 梁健 張旭 王旭瑩

(1 中國空間技術研究院遙感衛星總體部，北京 100094)

(2 航天東方紅衛星有限公司，北京 100094)

微波是頻率范圍在300 MHz～300 GHz之間的無線電波，空間微波遙感技術是以空間飛行器作為微波遙感器的支撐平臺，對遠距離目標實施觀測、識別和分析的技術總稱，是空間技術和遙感技術的綜合。

空間微波遙感技術具有如下的獨特優勢[1-2]：①能穿透云霧、雨雪，具有全天候工作的能力；②不受光照的影響，可以全天時工作；③具有一定的地表和森林植被的穿透能力，對研究植被覆蓋和檢測隱蔽目標等具有很好的作用；④具有多極化信息獲取能力，可獲得更豐富、更全面的目標信息；⑤可以提供不同于可見光和紅外遙感所能提供的某些信息，比如主動微波遙感具有測量距離和相位信息的能力，可以用于大地水準面的測量和三維信息的獲取等，還可以用于海洋動力學特性的研究等；⑥具有大幅寬觀測、不受地域限制的優勢。

由于基于空間平臺的空間微波遙感技術的上述特點，目前已成為對地和對宇宙觀測的重要手段，受到各國的廣泛重視。在軍事成像偵察與監視、地形測繪、打擊效果評估、災害與環境監測、資源調查及海洋研究、空間科學探測等領域顯示出廣泛的應用價值和巨大的潛力[3]。

微波遙感載荷一般分為有源和無源兩類。有源微波遙感載荷工作時需要向目標發射電磁波，然后再接收從目標反射或散射回來的電磁信號。無源微波載荷無需向目標發射電磁波，僅被動地接收目標輻射的電磁波。常用的星載微波遙感載荷有合成孔徑雷達(SAR)、高度計、微波輻射計、散射計等。本文以合成孔徑雷達、雷達高度計、微波輻射計、微波散射計等典型載荷為代表對空間微波遙感技術的發展現狀及發展趨勢進行分析。

1 空間微波遙感技術發展現狀

1.1 星載合成孔徑雷達

合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)作為一種主動式微波成像遙感器，通過發射寬帶調頻信號和脈沖壓縮技術實現距離向高分辨率，通過方位合成孔徑技術獲得方位向高分辨率。

從1978年美國發射第1顆SAR衛星“海洋衛星”(Seasat)開始，星載SAR逐漸成為對地觀測領域的研究熱點，很多國家都陸續開展了星載SAR技術研究并制定了相應的星載SAR衛星系統發展規劃。進入21世紀以來，世界上多個航天強國相繼部署了各自的星載SAR衛星系統，并實現了SAR衛星的更新換代，其中美國發射了5顆“未來成像架構”(FIA)衛星，俄羅斯發射了一顆禿鷹-E(Kondor-E)衛星，以色列發射了1顆地平線-10(Ofeq-10)衛星，韓國發射了阿里郎-5(kompsat-5)衛星，歐洲航天局發射了2顆“哨兵-1(Sentinel-1)”衛星，印度發射了雷達成像衛星-1(RISAT-1)。同時，美國、德國、意大利、加拿大等國家都對其現有的SAR衛星進行更新換代。英國、阿根廷、西班牙等國家也已發射自己的首顆SAR衛星[4-5]。

美國在其第一代“長曲棍球”(Lacrosse)雷達偵察衛星系列之后，相繼發射5顆“未來成像架構”(Future Image Architecture，FIA)雷達衛星，其軌道高度為1100 km，成像最高分辨率優于0.3 m，整星質量約3300 kg，采用了大型傘狀反射面天線。

德國在其陸地觀測系列衛星中發射了2顆雷達衛星，第1顆陸地雷達-X頻段衛星(TerraSAR-X)于2007年發射，第2顆于2010年發射。2顆星載SAR組成X頻段陸地合成孔徑雷達-附加數字高程測量(TanDEM-X)編隊(如圖1所示)，并能夠協同工作實現干涉測繪功能，TerraSAR-X除了能夠實現條帶、掃描、滑動聚束等功能外還在軌驗證了能夠去除星載波束掃描合成孔徑雷達(ScanSAR)模式中扇貝效應的TOPS模式、能夠進行高分辨率成像及識別的凝視聚束模式以及可以進行海洋寬幅監測的超寬幅ScanSAR模式，其凝視聚束模式分辨率最高可達0.8 m(距離向)×0.16 m(方位向)。

圖1 德國TanDEM-X雙星編隊示意圖

在下一代TerraSAR系統(TSX-NG)中，距離向分辨率將由目前的0.8 m提高到0.2 m，TSX-NG還會利用3～5顆組網的形式以提高對成像需求的響應時間。

俄羅斯在2013年的發射Kondor-E衛星，質量約為1150 kg，部署在高度約500 km的太陽同步軌道，其有效載荷為S頻段合成孔徑雷達，載荷天線為口徑6 m的網狀反射面天線，其聚束模式分辨率為1 m，如圖2所示。

圖2 俄羅斯Kondor-E星載SAR整星結構示意圖

加拿大于2019年發射了“雷達衛星星座任務”(RCM)星座，RCM星座為“雷達衛星”(RadarSat)系列的后續系統，與RadarSat系列衛星相比，RCM星座仍采用C頻段SAR載荷，并新增了艦船自動識別系統(AIS)，衛星質量由RadarSat-2的2200 kg降為1400 kg，RCM星座三星運行于同一軌道面，等相位分布，三星組網后可通過干涉測量實現地表形變的監測。

近年來國內星載SAR衛星也取得了突出的成就，頻段覆蓋L、S、C、X、Ka等頻段，其技術水平整體達到國際先進水平。

2012年我國發射了由航天東方紅衛星有限公司抓總研制的首顆民用的環境一號-C(HJ-1-C)SAR衛星(圖3)，衛星采用CAST2000小衛星平臺，整星重約830 kg，有效載荷為S頻段SAR，其采用了6.0 m×2.8 m的可折疊式網狀拋物面天線，其條帶模式成像分辨率為5 m，環境一號C衛星成功發射取得了重要的技術及應用成果，填補了我國星載構架式可展開天線技術領域的空白，首次實現星載集中式SAR體制在軌檢驗和成像，并首次開展了S頻段SAR圖像數據在環境減災領域的應用研究[6]。

圖3 HJ-1-C衛星在軌示意圖

HJ-1-C衛星后續星目前正在進行工程研制，其標稱分辨率仍為5 m，通過增大天線口徑并對饋源進行優化設計，其系統靈敏度在HJ-1-C衛星的基礎上提升了約2～3 dB，相比于HJ-1-C單極化，后續星可選擇單極化、雙極化、四極化，同時通過增大觀測幅寬提升了對目標區域的重訪與覆蓋能力，星上增加了數據應急處理分系統，具備星上實現SAR圖像幾何校正、成像等功能的能力，可優先將應急數據下傳到地面，衛星預計于2022年發射。

2016年成功發射了由中國空間技術研究院抓總研制的我國首顆C頻段全極化多模式SAR衛星——高分三號(GF-3)衛星(圖4)，GF-3衛星具有高分辨率、大成像幅寬、高輻射精度、多成像模式和長時工作的特點，能夠全天候和全天時實現全球海洋和陸地信息的監視監測，GF-3衛星有20種工作模式，最高分辨率達到1 m，整星質量2779 kg。衛星發射以來已經成為資源監測、災害應急不可或缺的重要手段，廣泛應用于國民經濟的各行業[7]。

圖4 GF-3衛星在軌示意圖

此外由中國空間技術研究院遙感衛星總體部抓總研制的世界首顆高軌SAR衛星已進入正樣研制階段，高軌SAR衛星運行于地球同步軌道，具備大幅寬、快重訪的能力，可向用戶提供分辨率優于20～50 m的SAR圖像，有效滿足防災減災及應急監測需求，同時兼顧國土資源、地震、水利、氣象、海洋、環保、農業、林業等行業應用需求。

近年來隨著設計理念及星上電子器件和機電產品技術的不斷進步，微小型SAR衛星成為空間微波遙感領域的新熱點。特別是2018年以來，以芬蘭“冰眼”(ICEYE)系列衛星、美國Capella系列衛星(圖5)、日本Strix衛星和QPS衛星為代表，世界各國共研制發射了20余顆微小SAR衛星，均為百千克量級，最高分辨率可達0.5 m。與大中型SAR衛星單星或小規模星座組網應用相比，各國計劃建設的微小SAR衛星星座規模達到幾十顆至上百顆。微小型SAR衛星的批量化研制、規模化部署和網絡化運行將帶來空間微波遙感應用模式和商業模式的新變革。

圖5 美國Capella衛星在軌示意圖

1.2 星載雷達高度計

雷達高度計(Radar Altimeter)是主動式工作的微波遙感器，傳統的雷達高度計以飛行器的軌道為基準，向地面發射電磁脈沖，并接收地面反射的回波，通過測量發射信號和接收信號之間的時間延遲，來測量與其垂直的地球表面的距離[8]。

通過對雷達高度計直接測量的雷達回波波形的信息提取可以獲得海面高度、有效波高等數據產品，進一步開展數據產品的反演數據可獲得包括海洋地球物理學、海洋動力學、海洋氣候與環境、海冰監測等諸多應用領域的專題應用產品。雷達高度計測量技術目前已經成為重要的用于海洋觀測不可或缺的遙感手段。

自1973年美國的天空實驗室(Skylab)驗證了星載雷達高度計的方案以來，雷達高度計經歷了近50年的發展，測量精度也從最初的米級提高到了現在的厘米量級。目前裝載了雷達高度計的衛星絕大部分來自美國和歐洲，美國和法國合作研制的Jason系列衛星是高度計衛星最典型的代表，目前在軌的可提供高度計應用數據的衛星包括美/法的Jason系列衛星、歐洲航天局的“冷星”(CryoSat)系列衛星和我國的海洋二號系列衛星等[9]。

星載雷達高度計的發展經歷了傳統星下點高度計、星下點合成孔徑雷達高度計以及寬刈幅干涉型高度計三種體制的發展歷程，其中Jason-3衛星、CryoSat-2、Sentinel-3A/B衛星采用了合成孔徑雷達高度計，其利用衛星運動，經多普勒銳化將天線波束變成多個子波束，每個子波束在傳統圓形天線足跡內形成條帶狀的波束足跡，即采用合成孔徑技術提高了沿軌跡空間分辨率，同時在衛星飛行過程中，條帶區域內的目標被子波束依次掃視，將不同位置接收的回波信號進行延遲距離校正后疊加，實現目標的多次測量，提高了信噪比，比起傳統回波波形，合成孔徑雷達高度計的回波前沿更陡峭，信噪比更高，從而獲得更高的測距精度[10-11]。

寬刈幅雷達高度計規劃包括Jason-CS、SWOT等[12-15]，使用了干涉型成像高度計。干涉型成像高度計采用干涉技術獲取高程信息的原理，雖然理論上絕對測高精度不及傳統高度計，但其具有寬刈幅觀測能力，可以大大提高海面高度和有效波高的探測效率，同時其通過各種差分校正技術和信號處理手段，可以在寬刈幅內獲得相對高的測高精度滿足特定的應用需求，此外可以獲得海洋波浪譜信息，兼顧了海洋和陸地的成像功能，SWOT衛星的觀測刈幅可達120 km，如圖6所示。

圖6 SWOT衛星在軌效果圖

我國目前已發射的海洋二號系列衛星采用傳統雷達高度計，測高精度優于5 cm；合成孔徑雷達高度計也已進入工程研制階段；2016年9月16日，由中科院國家空間中心研制的三維成像微波高度計隨天宮二號空間實驗室發射升空開展原理驗證工作，成為國際上第一個實現寬刈幅高度測量的三維成像高度計，在400 km的軌道高度上在定軌精度20 cm的條件下實現了幅寬30～35 km，相對測高精度為8.2 cm的指標。

1.3 星載輻射計

星載微波輻射計是一種被動式微波遙感設備，通過接收被觀測場景輻射的微波能量來探測目標特性。當微波輻射計的天線主波束指向地面時，天線收到地面輻射、地面散射和大氣輻射等輻射流量，引起天線視在溫度的變化。天線接收的信號經放大、濾波、檢波和再放大后，以電壓的形式給出。對微波溫度探測輻射計的輸出電壓進行定標后，即建立起輸出電壓與天線視在溫度的關系，就可以確定所觀測目標的亮溫度，該溫度值包含了輻射體和傳播介質的一些物理信息[16]。

星載微波輻射計已發展成為觀測大氣與地球表面的重要遙感手段，具有全天候、全天時的對地觀測能力，可獲取大氣溫度、濕度、水汽、降雨含量、海冰分布等地表、海洋和大氣的重要信息，是氣象衛星和海洋衛星的重要遙感載荷。

美國的Seasat系列衛星、國防氣象衛星(DMSP)、“諾阿”(NOAA)氣象衛星、“科里奧利”(Coriolis)衛星都搭載了微波輻射計，我國的風云三號衛星、云海一號衛星、海洋二號系列衛星(圖7)也搭載了微波輻射計[17]，目前海洋二號系列衛星已成功發射4顆，海洋二號B星、C星、D星相繼于2018年、2020年、2021年成功發射并在軌穩定運行，三星組網構成我國首個海洋動力環境衛星星座。

圖7 海洋二號衛星在軌示意圖

微波輻射計目前的發展方向主要包括全極化輻射計及綜合孔徑輻射計[18]。

傳統的微波輻射計只是測量目標微波輻射的H和V極化分量的輻射亮溫。研究表明除了H和V極化分量，Stokes矢量的其它分量即兩個極化分量的復相關分量，能夠提供更多的關于目標的信息，由此星載全極化微波輻射計得到了快速的發展和應用，全極化微波輻射計可以測量海面微波輻射全部4個Stokes參數，與傳統的微波輻射計只能測量水平和垂直極化兩個Stokes參數(TV、TH，前兩個Stokes參數)相比，第3和第4個Stokes參數對于粒子分布的方向非常敏感，這是測量大氣有關粒子分布方向信息很好的兩個候選參數，通過反演獲得測量海面風場(風速、風向)信息，美國的Coriolis衛星搭載了全極化輻射計，其測溫精度達到0.75 K，并能夠提供高精度的海面風場測量數據，我國全極化微波輻射計也已進入工程研制。

星載微波輻射計要提高空間分辨率，就必須設法增大天線的物理口徑，而天線物理口徑過大對于其星載應用會帶來很大的困難，綜合孔徑微波輻射測量技術將一個大口徑天線等效分割成若干個小口徑天線的思想，通過基線設計和組合干涉測量得到所有的小口徑天線組合的測量結果，并對這些干涉測量結果進行相干處理，來得到被測目標的輻射亮溫，美國于2002年發射的HYDROSTAR輻射計為綜合孔徑輻射計，其工作在L頻段，采用一維稀疏天線陣，在交軌方向采用孔徑綜合技術，在順軌方向采用天線真實口徑進行觀測，其星下點分辨率為27 km，目前在軌運行的土壤濕度和海洋鹽度衛星(SMOS)搭載的MIRAS為全球首個二維綜合孔徑微波輻射計，其具有1000 km觀測幅寬、40 km分辨率和1 K靈敏度[19-21]。

1.4 星載散射計

星載微波散射計是專門用來從空間大范圍定量測量被觀測面(或體)散射特性即后向散射系數的有源微波遙感器，星載微波散射計對海面風矢量的測量是通過在不同方位角測量海面同一區域的歸一化雷達后向散射系數，并利用后向散射系數和海面風的幾何模型函數來推導出海面風的速度和方向，從而得到海洋表面的矢量風場。星載微波散射計的基本體制主要包括筆形波束(也稱為點波束)體制和扇形波束體制兩類。筆形波束體制的分辨能力通常靠角度測量來獲得，扇形波束體制的分辨力由距離測量來獲得，也可由速度測量來獲得[22-23]。

美國發射了海洋衛星-A(Seasat-A)，它首次證明了散射計可以對海洋上空的風矢量進行全天候測量。自Seasat-A以后，美國、歐空局、日本等先后研制并成功發射了多個散射計，其中最具代表的是NASA噴氣推進實驗室(JPL)研制的NSCAT扇形波束微波散射計和SeaWinds筆形波束微波散射計[24]。

星載散射計的兩個重要的發展方向為扇形波束圓錐掃描體制散射計以及極化散射計，扇形波束圓錐掃描體制結合了點波束圓錐掃描以及扇形波束的優勢，通過獲取掃描過程中對同一目標的不同入射角觀測值無模糊反演風場矢量，航天東方紅衛星公司研制的中法海洋衛星(CFOSAT-1)搭載了一臺扇形波束掃描散射計，風速測量精度達到2 m/s[25]，如圖8所示。

圖8 中法海洋衛星在軌效果圖

星載散射計的另一個發展方向是極化散射計，極化散射計同時測量常規的同極化后向散射系數，以及同極化和交叉極化的雷達回波的相關系數。利用同極化和極化相關信號的對稱性質的差異可以解決風向模糊問題，同時提高整個觀測帶內的風向反演性能。此外，采用極化散射計還有可能將大氣中雨的影響去掉，提高降雨情況下風的反演精度。

2 空間微波遙感技術應用需求分析

2.1 星載合成孔徑雷達

隨著星載合成孔徑雷達技術以及地面數據處理與反演技術的進步，各應用行業對星載合成孔徑雷達提出了諸多新的應用需求。

2.1.1 高分寬幅成像需求

在應用中，一方面期望SAR具有很高的分辨率以獲得更多的目標細節信息，另一方面同時期望SAR可以對場景目標進行大范圍觀測，自SAR技術應用于遙感觀測以來，高分辨率和寬測繪帶一直是牽引SAR技術發展的兩個主要引擎，傳統的星載SAR體制在空間分辨率與測繪帶之間存在制約關系，需要采用新的體制及技術手段解決高分辨與寬覆蓋之間的矛盾，在充分考慮星上資源約束的情況下實現相對高分寬幅。

2.1.2 定量化應用需求

當前各行業用戶對SAR衛星定量化應用支持能力提出了很高的要求，這就要求SAR圖像輻射精度和幾何精度等性能指標達到較高的應用水平才能反演出高精度的行業應用信息，這需要衛星設計、研制、數據處理、定標等各個環節來共同保證。

2.1.3 地理測繪及地表形變測量需求

SAR衛星通過干涉測量可獲得場景內的高度信息，進而獲得DEM信息，自然資源管理、交通運輸、應急管理對DEM信息的獲取提出了迫切的要求，此外通過差分干涉可獲得地表形變信息，這對災害預警、重要基礎設施地質環境監測具有重要意義，這些需求對衛星軌道控制、干涉基線測量與保持、干涉數據處理都提出了較高的要求。

2.1.4 穿透探測需求

低頻電磁波具有一定的穿透性，利用其對植被的穿透性可以實現對生物量的估計，利用電磁波對沙漠、冰川、凍土等介質的穿透性可以實現地下目標探測、全球氣候變化研究。

2.1.5 快速重訪的需求

傳統的星載SAR受軌道重訪周期的限制無法滿足某些特定的應用需求，衛星應急應用及戰術偵察對重訪提出了較高的要求，可通過增加衛星平臺左右側視機動能力、多星組網、高軌SAR等技術手段滿足快速重訪的需求。

2.2 星載雷達高度計

2.2.1 高的測高精度和高時空分辨率需求[26]

傳統雷達高度計為星下點的測量，對觀測物理現象的時空分辨率通過軌道星下點軌跡的合理設計來保證，中小尺度的海洋現象既需要提高空間分辨率也需要提高其時間分辨率(及縮短重訪周期)以獲取其高的時空譜信息，此外高精度的海洋重力場及海底地形反演對測高精度和空間分辨率也提出了更高的要求。

2.2.2 近岸觀測能力需求

近岸區域，雷達高度計回波受到陸地回波及較大有效波高的影響，測距精度較差，但近岸區的海洋現象對海洋生物、生態系統以及污染物的擴展都有重要影響，這就要求在近岸區域能夠實現高精度的測量。

2.3 星載輻射計

全球性的高精度海洋溫度測量對海洋動力環境與海洋生態環境的反演至關重要，海洋溫度是決定海氣界面水循環和能量循環的一個重要參數，從而決定全球的水循環和能量收支平衡。臺風的強度、頻率、發生和登陸位置很大程度都決定于其下墊面海水溫度對臺風的維持、促生和衰減過程。大尺度的氣候變化包括厄爾尼諾、南方濤動和北大西洋濤動，都具有明顯的海面溫度變化特征，高空間分辨率、高精度的海面溫度測量對海洋動力環境監測、海洋環境預報、防災減災都具有重要意義。

2.4 星載散射計

星載散射計用于對海面風場的測量，海面風場作為海洋環流的主要驅動力，調制著海洋與大氣之間的熱通量、水汽通量、氣溶膠粒子通量等，進而調節海洋與大氣之間的耦合作用，最終確定并保持著全球或區域的氣候模式。風速的分布決定著波高的分布以及海洋涌浪的傳播方向，并能預測涌浪對船只、近岸建筑以及海岸帶的影響。因此，高精度、高空間分辨率海面風場監測對于理解海洋與大氣之間的相互作用、開展海洋大氣領域、近岸船舶航行等至關重要。

3 空間微波遙感技術發展趨勢分析

3.1 星載合成孔徑雷達

3.1.1 多種成像模式

早期SAR成像基本模式包括條帶、掃描、聚束模式，在高分寬幅、三維成像、圖像質量提升等需求的牽引下，SAR成像模式向著更多樣化的趨勢發展，逐步衍生出了滑動聚束、馬賽克、TOPS、層析SAR、陣列SAR的等新型成像模式及成像體制，未來隨著信息獲取自由度的擴展及數據處理方法的技術進步，解決特定需求的新成像模式及成像體制將不斷涌現[27]。

3.1.2 頻段的擴展以及多頻段的融合

對SAR系統而言低頻段具有很好的穿透性能，可實現植被、淺層地表以及冰川、凍土的穿透，可應用于生物量估計、地質研究、次地表目標探測等領域；高頻段SAR系統具備近光學的成像能力，圖像目標細節特征清晰、棱角明顯，更有利于目標的識別確認，可應用于精細化農業分類、精確有效災害監測和評估、高效精準邊防、海防、海上救援，SAR系統在現有成像頻段的基礎上向更高頻及更低頻的方向發展。在機載多頻段SAR的基礎上，星載SAR系統也將也不斷涌現。

3.1.3 極化與干涉SAR的融合

同一目標對不同極化信號有不同的響應，每種極化可以獲得各自獨特的信息，因此多極化測量獲得的極化矩陣數據可以提高目標散射特性的獲取能力，考慮不同的應用場景及系統實現代價，SAR成像的極化方式由傳統的單極化系統向全極化、圓極化、簡縮極化SAR的方向發展。

干涉體制的相干系數的測量與多極化體制的散射矩陣的測量相結合可以同時獲得散射體的高度信息和結構信息。

3.1.4 SAR產品空間、時間維度的發展

SAR成像空間維度的發展主要為由傳統的二維成像向三維成像發展，SAR三維成像主要基于層析SAR，利用SAR衛星在層析高度維的多次飛行實現合成孔徑，在傳統二維成像的基礎上實現三維成像。傳統側視SAR衛星可通過多次航過將高度維作為層析方向，實現三維成像。下視層析雷達通過多航過層析實現跨航向的高分辨，高度向高分辨通過大帶寬信號脈壓實現，航向高分辨通過合成孔徑技術實現。

SAR成像時間維度的發展主要為通過多孔徑技術實現視頻SAR成像，視頻SAR具備更強的動態信息獲取能力，由于SAR成像的合成孔徑時間遠大于光學圖像的曝光時間，故運動目標由于長合成孔徑時間的原因會產生散焦和移位，對視頻SAR而言動目標的重聚焦與重定位是數據處理的難點問題。

在時間維度上差分干涉SAR通過長時間序列的積累，可以用于跨年度的時間尺度的毫米量級的微小地表形變的監測。

3.1.5 SAR衛星平臺多樣化發展

衛星軌道高度由傳統的低軌向超低軌、中軌、高軌方向發展，超低軌道SAR衛星相對低軌衛星而言具有發射功率低、天線尺寸小、易于小型化實現等獨特優勢，中高軌道SAR衛星以其大幅寬、快重訪成像備受青睞。

對SAR衛星平臺而言，其向超大型平臺及微小型平臺兩個方向發展，超大型平臺主要應用于地球同步軌道SAR衛星、長時間開機SAR衛星，微小型平臺主要應用于實現單一特定功能的SAR衛星。

此外SAR衛星平臺向著分布式或者編隊的方向發展，分布式SAR是將SAR載荷及其天線按照一定的要求或規律分解分置在不同衛星上，各衛星按一定的構形編隊飛行并協同工作的多天線雷達體制，能夠通過多基線、多視角、多波段、多極化等提供的互補信息，完成寬測繪帶高分辨成像、超分辨成像、高程反演、動目標檢測等多種任務。

3.2 雷達高度計

測高精度、時空分辨率是雷達高度計應用過程中的重要指標，雷達高度計目前測高精度達2～3 cm，網格產品分辨率達到10～20 km；雷達高度計的發展歷程是提升測高精度與時空分辨率的過程，在傳統星下點高度計的基礎上為提高其沿軌跡向的分辨率及測高精度，發展出了合成孔徑高度計。為了滿足高時空分辨率的需求，形成了多星編隊測高、干涉型成像高度計等技術體制，典型干涉型成像高度計系統為SWOT計劃，其測量示意圖如圖9所示，其在一定程度上實現了時空分辨率的有效提升。未來雷達高度計將向著更高測高精度、更高時空分辨率的方向發展[28]，有望實現高程精度優于1 cm，網格分辨率優于10 km的產品。

圖9 寬刈幅干涉高度計(SWOT)測量示意圖

3.3 星載輻射計

星載輻射計向著更高測溫精度、更高空間分辨率的方向發展，測溫精度由目前的0.5～1 K向優于0.5 K發展，高測量精度依靠硬件系統及數據處理技術進步保證；空間分辨率目前為50～100 km，熱流阻擋層、熱鹽環流等海洋現象的觀測目標對空間分辨率提出了更高的要求，高空間分辨率通過大口徑天線或合成孔徑實現，當前已有在軌應用的合成孔徑輻射計系統。此外，全極化輻射計也是輻射計發展的重要方向之一，通過測量全部4個Stokes參數反演得到海面風場的信息，利用全極化輻射計實現傳統輻射計與散射計的功能。

全極化輻射計可利用所有極化方式獲取多種海面物理信息，有效提高了觀測效率，合成孔徑輻射計可實現高空間分辨率輻射亮溫觀測，將二者有機結合，把全極化模式和合成孔徑技術用于同一微波輻射計天線，形成高分辨率、多功能的全極化合成孔徑輻射計(FPIR)可進一步提高微波遙感衛星的工作效率。

3.4 星載散射計

星載散射計主要通過不同方位對海面同一觀測單元進行測量，通過對后向散射系數的測量無模糊反演風速與風向信息；更高的測量精度依靠更多的測量自由度保證，目前風速測量精度優于2 m/s，通過全極化、雙頻、扇形波束圓錐掃描增加極化、頻率、入射角的自由度，多自由度信息獲取后通過數據處理及模型修正能夠進一步提升星載散射計的測量精度，未來星載散射計將圍繞多自由度信息獲取以實現高精度無模糊反演風場信息為目標繼續發展。

4 發展建議

4.1 統籌規劃，構建我國空間微波遙感體系

在梳理不同行業用戶需求的基礎上，針對不同探測要素的測量方法，結合現有空間微波遙感系統現狀及技術體制發展趨勢，進行統籌規劃，制定我國空間微波遙感體系的發展戰略，最大限度發揮體系的應用能力。

4.2 重點構建滿足特定需求的高性能衛星系統

針對不同用戶的特定需求，發展功能相對專一的空間微波遙感系統是滿足“高精尖”應用需求的最佳策略，在此基礎上，明確衛星系統體系定位的前提下，不同衛星系統擔負各自的職責，通過體系內部不同系統協同工作實現不同要素、不同維度的探測以滿足多樣化應用的需求。

4.3 關注載荷多種技術路線及技術體制融合發展

針對空間微波遙感各類載荷的發展路線，結合實際應用需求，在分析各技術體制與技術路線特點的基礎上，將各種技術體制取長補短，進行多種技術路線與體制的融合設計。以最佳的系統方案和工程代價滿足應用需求并保證相關領域的技術水平處于國際前沿。

4.4 重視空間微波器件的技術突破與工程實現

當前在微波載荷模式設計、數據處理算法研究等領域已取得諸多研究成果和工程產品，技術水平已達到同國外并跑甚至領跑的水平，但空間微波器件以及與其相關的材料、工藝等基礎學科與日益增長的需求尚有差距，未來需更加重視空間微波器件及其相關基礎學科的發展。

4.5 優化星地一體化指標體系，充分挖掘潛在應用效能

空間微波遙感載荷探測要素復雜，數據獲取和處理過程中星地一體關聯性強和耦合關系復雜，目前地面處理和產品反演能力成為制約微波遙感衛星效能充分發揮的瓶頸，單靠提升星上硬件產品的性能和精度已不能提升最終產品精度，對星地一體化指標及其匹配性必須給予充分重視，此外，后續需加大對數據處理與反演模型的研究和投入，并通過理論分析、仿真計算、試驗、定標等多種手段辨識空間微波遙感載荷探測過程中的各類誤差因素，并對反演和補償方法進行星地一體化優化，進一步提升空間遙感器的使用效能和定量化應用水平。

4.6 研究信息識別能力提升的方法

衛星獲取的數據最終是要進入信息提取和識別的環節，在衛星以及載荷系統的設計時既要關注傳統工程參數指標(比如分辨率、信噪比等)的實現，也要關注影響人工判讀甚至機器判斷的定性、定量的非工程參數性質的指標，同時要關注和研究適應未來機器智能判讀和識別的指標體系。此外，隨著遙感器性能指標的不斷提升，傳統的信號模型和處理算法已經不能完全適應和充分發揮遙感器的潛在性能，為此，必須對相關的散射模型、處理及反演方法進行深入研究，以進一步適應未來智能化處理的發展需求。

5 結束語

空間微波遙感技術發展取得了巨大的進步，探測要素測量精度不斷提升，各種滿足特定需求的新概念、新技術、新體制不斷涌現，相關技術已逐步突破，其工程化進程也在穩步推進，未來空間微波遙感將以更高的性能、更靈活的配置、更加智能化和更加面向大眾的方式在國民經濟建設、國家安全保障和人民生活領域作出更大的貢獻。