See-Earth：高頻時(shí)序多維地球環(huán)境監(jiān)測(cè)SAR星座

王櫻潔 王 宇* 禹衛(wèi)東* 趙慶超 劉開(kāi)雨 劉大成 鄧云凱歐乃銘 賈小雪 張 衡 趙鵬飛 王 偉余 偉 葛大慶 唐新明 李 濤

①(中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 北京 100190)

②(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十四研究所 南京 210019)

③(中國(guó)自然資源航空物探遙感中心 北京 100083)

④(自然資源部國(guó)土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心 北京 100048)

1 引言

2020年9月，我國(guó)在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上宣布支持落實(shí)聯(lián)合國(guó)2030年可持續(xù)發(fā)展議程。聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(Sustainable Development Goals,SDGs)為我國(guó)環(huán)境保護(hù)政策的制定提供了重要的參考，旨在從地區(qū)、國(guó)家乃至全球的層面，以綜合的手段使其轉(zhuǎn)向可持續(xù)發(fā)展道路。2021年中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議基于SDGs將“做好碳達(dá)峰、碳中和工作”列為重點(diǎn)任務(wù)。在全球氣候環(huán)境變化、碳達(dá)峰、碳中和背景下，我們必須對(duì)地球環(huán)境有一個(gè)更高精度、持續(xù)的、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)，可以為我國(guó)的環(huán)境監(jiān)測(cè)、政策制定、聯(lián)合國(guó)SDGs實(shí)現(xiàn)等提供支撐。

對(duì)地觀測(cè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)全球環(huán)境及動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)的重要途徑。星載合成孔徑雷達(dá)以衛(wèi)星等空間飛行器為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，具有全天時(shí)、全天候、全球觀測(cè)能力，已成為一種不可或缺的對(duì)地觀測(cè)手段[1]。與光學(xué)遙感衛(wèi)星以圖譜遙感測(cè)量為主要內(nèi)容不同的是，SAR等微波遙感更具三維結(jié)合要素觀測(cè)特點(diǎn)，由此構(gòu)成了地物“圖像、光譜、形態(tài)、形變”的多要素遙感觀測(cè)能力。近些年，國(guó)際知名航天機(jī)構(gòu)競(jìng)相發(fā)展全球環(huán)境觀測(cè)的SAR衛(wèi)星計(jì)劃，以實(shí)現(xiàn)廣域高效能對(duì)地監(jiān)測(cè)。歐洲委員會(huì)和歐洲太空總署于2003年正式啟動(dòng)了重大航天發(fā)展計(jì)劃“哥白尼”計(jì)劃(Copernicus Programme)，其前身為“全球環(huán)境與安全監(jiān)測(cè)”計(jì)劃(Global Monitoring for Environment and Security)，旨在通過(guò)歐洲及非歐洲國(guó)家(第三方)現(xiàn)有和未來(lái)發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)管理和集成，實(shí)現(xiàn)“全球-國(guó)家-地區(qū)-城鎮(zhèn)”尺度上環(huán)境安全的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為各級(jí)社會(huì)管理機(jī)構(gòu)提供決策依據(jù)，保證歐洲的可持續(xù)發(fā)展和提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。哨兵1號(hào)(Sentinel-1)由A,B兩顆衛(wèi)星組成，是GMES系列中的首發(fā)衛(wèi)星，為C波段SAR，分別于2014年4月3日和2016年4月25日成功發(fā)射。兩顆衛(wèi)星均勻分布在同一極軌平面，雙星回歸周期為6天，全球陸地常態(tài)化觀測(cè)，具有4種成像模式，可為陸地和海洋服務(wù)提供全天時(shí)、全天候的SAR圖像，服務(wù)領(lǐng)域包括極地海冰、海洋環(huán)境、地表形變、森林制圖、水和土壤管理及測(cè)繪，以支持人道主義援助和重大事件危機(jī)應(yīng)急管理[2]。

高分辨率、寬幅、高頻次、定量化觀測(cè)是星載SAR衛(wèi)星的主要應(yīng)用需求，從衛(wèi)星設(shè)計(jì)角度有兩種實(shí)現(xiàn)途徑：一是發(fā)展高分辨率寬幅的“大衛(wèi)星”，以新的觀測(cè)體制和成像方式提高觀測(cè)能力；二是發(fā)展多星組網(wǎng)的“小衛(wèi)星”，提高觀測(cè)效能。德國(guó)亥姆霍茨研究聯(lián)盟基于研究項(xiàng)目“遙感和地球系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化”提出建立一個(gè)新體制串聯(lián)式雷達(dá)衛(wèi)星星座任務(wù)Tandem-L的提議，預(yù)計(jì)2022年先發(fā)射一顆L波段的SAR載荷，每周可覆蓋全球陸地2次。該衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命10年，將支撐針對(duì)全球氣候變化及環(huán)境變化的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，為大氣圈、巖石圈、生物圈、冰凍圈及水圈的科學(xué)研究帶來(lái)創(chuàng)新的地理信息產(chǎn)品和服務(wù)[3]。美國(guó)國(guó)家宇航局(NASA)和印度空間研究組織(ISRO)也合作提出了NASA-ISRO SAR (NISAR)衛(wèi)星計(jì)劃[4]，計(jì)劃于2023年發(fā)射一顆雙頻(L頻段和S頻段)合成孔徑雷達(dá)成像衛(wèi)星，分辨率3～10 m，預(yù)計(jì)平均每6天完成一次全球的采樣。該衛(wèi)星計(jì)劃在全球范圍內(nèi)觀測(cè)地球的陸地和冰雪覆蓋的表面，將測(cè)量地球不斷變化的生態(tài)系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)變化和冰川或冰層等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)地球的全方位立體監(jiān)測(cè)。除此之外，還有日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)提出的ALOS-4衛(wèi)星計(jì)劃[5]，歐洲航天局(ESA)提出的Biomass(面向全球生物量探測(cè)的P波段SAR衛(wèi)星)計(jì)劃和ROSE-L(歐洲L波段SAR衛(wèi)星)計(jì)劃等，都將全球環(huán)境探測(cè)列入了SAR觀測(cè)的重點(diǎn)關(guān)注范疇。各國(guó)航天微波觀測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃以全球數(shù)據(jù)獲取與應(yīng)用研究為主要目標(biāo)，立足于大范圍、長(zhǎng)期、穩(wěn)定的環(huán)境監(jiān)測(cè)，同時(shí)，重視地球動(dòng)態(tài)變化的監(jiān)測(cè)任務(wù)，對(duì)衛(wèi)星計(jì)劃的快速重訪和全球覆蓋能力提出了較高的需求。在波段選擇方面，各國(guó)對(duì)于全球SAR觀測(cè)的波段選擇以長(zhǎng)波段為主，這主要是考慮全球生物資源的豐富性，長(zhǎng)波長(zhǎng)電磁波對(duì)于觀測(cè)對(duì)象的相干性保持更優(yōu)，更適合全球大范圍的觀測(cè)；和P波段相比，L波段天線規(guī)模和重量更小一些，繼承性更好，而且更有利于和國(guó)內(nèi)外已有的衛(wèi)星數(shù)據(jù)形成共享，協(xié)同觀測(cè)。

當(dāng)前，我國(guó)星載SAR已實(shí)現(xiàn)了分辨率從米級(jí)到亞米級(jí)、成像體制從條帶到方位掃描聚束、從單通道到多通道、極化方式從單一極化到混合極化的技術(shù)跨越[1]。但是，我國(guó)星載SAR也面臨著衛(wèi)星通用性、應(yīng)用維度與深度、廣域觀測(cè)效能等局限性，缺少面向全球并實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、穩(wěn)定、高性能環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星系統(tǒng)。在國(guó)際環(huán)境日趨復(fù)雜的當(dāng)下，我國(guó)亟需發(fā)展面向全球動(dòng)態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的SAR衛(wèi)星系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大范圍、高重訪、長(zhǎng)期、穩(wěn)定、高精度的對(duì)地觀測(cè)，占領(lǐng)國(guó)際技術(shù)前沿、增加國(guó)際話語(yǔ)權(quán)，支撐國(guó)家重大工程、自然資源監(jiān)測(cè)、災(zāi)害應(yīng)急管理、“兩新一重”監(jiān)測(cè)以及地球科學(xué)研究等多方面的需求，進(jìn)而形成全球化共享的遙感產(chǎn)品體系，實(shí)現(xiàn)全球狀態(tài)的周/月/年更新，監(jiān)測(cè)地球動(dòng)態(tài)變化、理解地表變化規(guī)律、探索人類(lèi)環(huán)境變化。

本文圍繞全球尺度廣域高頻高分辨率SAR觀測(cè)需求，提出一個(gè)高頻時(shí)序多維地球環(huán)境監(jiān)測(cè)SAR星座，英文簡(jiǎn)稱(chēng)為“See-Earth”計(jì)劃 (SAR Constellation with Dense Time-SEries for Multi-Dimensional Environmental Monitoring of the Earth)，其概念示意圖如圖1所示。該星座由4顆L波段的高性能SAR衛(wèi)星組成，以高空間分辨率、高輻射精度、高時(shí)間分辨率、大成像幅寬和多極化來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定對(duì)地觀測(cè)，利用多星組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)快速重訪和高頻次全球覆蓋，進(jìn)而長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)地球表面的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，為我國(guó)基礎(chǔ)戰(zhàn)略性地理信息資源獲取提供長(zhǎng)期、穩(wěn)定、自主可控的數(shù)據(jù)支撐。

圖1 See-Earth概念示意圖Fig.1 Schematic diagram of the See-Earth plan

以下從系統(tǒng)構(gòu)想、技術(shù)體制、性能分析、應(yīng)用潛力以及新體制擴(kuò)展幾方面來(lái)探討See-Earth計(jì)劃。

2 See-Earth系統(tǒng)構(gòu)想

面向大范圍、高重訪、長(zhǎng)期、穩(wěn)定、高精度對(duì)地觀測(cè)需求，See-Earth需提供前所未有的高分辨率寬幅成像能力，其單星系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)①品質(zhì)因數(shù)定義為測(cè)繪幅寬(km)/分辨率(m)。將達(dá)到120，且同時(shí)具備多種極化工作模式。本節(jié)將從系統(tǒng)概念出發(fā)，介紹對(duì)See-Earth系統(tǒng)能力與實(shí)現(xiàn)方案的構(gòu)想。

2.1 系統(tǒng)概念與指標(biāo)

See-Earth使用4顆L波段SAR衛(wèi)星組網(wǎng)，以提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的快重訪全球數(shù)據(jù)源，面向多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用和地球科學(xué)研究。設(shè)置信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)帶寬為最大84 MHz，可實(shí)現(xiàn)最高約3 m地距分辨率，系統(tǒng)應(yīng)急可拓展帶寬300 MHz，最高分辨率可達(dá)1 m。

See-Earth的主要系統(tǒng)指標(biāo)如表1所示。

表1 See-Earth主要系統(tǒng)指標(biāo)Tab.1 Main system indicators of the See-Earth plan

每顆See-Earth衛(wèi)星SAR系統(tǒng)使用尺寸為13.6 m(方位向)×4.4 m(距離向)的有源相控陣天線，具備8(方位向)×8(距離向)個(gè)接收通道，采用方位向多通道[6—9]和俯仰向中頻數(shù)字波束形成(Digital Beam-Forming,DBF)[10—13]技術(shù)實(shí)現(xiàn)高分辨率寬幅成像，最大品質(zhì)因數(shù)可達(dá)120，同時(shí)具備左右側(cè)視成像和多模式極化工作能力，如圖2所示。

圖2 See-Earth觀測(cè)模式示意圖Fig.2 Schematic diagram of the See-Earth observation mode

See-Earth系統(tǒng)采用本團(tuán)隊(duì)近些年提出或者實(shí)現(xiàn)的一系列新體制、新方法和新技術(shù)[9,11,13—17]。系統(tǒng)通過(guò)二維多通道技術(shù)實(shí)現(xiàn)高分辨率、大寬幅、高增益、低模糊比等高性能對(duì)地成像能力。通過(guò)繼承陸地探測(cè)一號(hào)(LT-1) SAR衛(wèi)星的混合極化體制，可以同時(shí)或者分時(shí)發(fā)射H和V極化信號(hào)，不僅可以實(shí)現(xiàn)交替線極化，還可以實(shí)現(xiàn)圓極化、橢圓極化、簡(jiǎn)縮極化和基于編碼的混合極化。2019年11月和2021年2月，中科院空天院開(kāi)展了簡(jiǎn)縮極化SAR機(jī)載飛行試驗(yàn)[18]，獲取了高質(zhì)量的簡(jiǎn)縮極化SAR分解圖像。簡(jiǎn)縮極化是一種平衡極化信息量和觀測(cè)幅寬的有效體制，它可在不提高系統(tǒng)PRF進(jìn)而損失觀測(cè)幅寬的前提下獲得豐富的地物極化信息。依托本團(tuán)隊(duì)近年來(lái)在高性能星載SAR技術(shù)方面的主要?jiǎng)?chuàng)新工作，See-Earth 將實(shí)現(xiàn)高分辨率、大幅寬、高重訪、長(zhǎng)期、穩(wěn)定、高精度對(duì)地觀測(cè)，有力支撐地球環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

2.2 系統(tǒng)方案

2.2.1 SAR系統(tǒng)方案

See-Earth雷達(dá)載荷的系統(tǒng)組成如圖3所示。系統(tǒng)由中央電子設(shè)備和天線子系統(tǒng)組成。中央電子設(shè)備由雷達(dá)配電器、監(jiān)控定時(shí)器、基準(zhǔn)頻率源、調(diào)頻信號(hào)源、預(yù)功率放大器和數(shù)據(jù)記錄器等組成。天線子系統(tǒng)由波控與電源單元、發(fā)射功分器、基準(zhǔn)頻率模塊、變頻接收模塊、定標(biāo)與發(fā)射延時(shí)模塊、中頻DBF處理單元、雙通道TR組件和饋電網(wǎng)絡(luò)等組成。整個(gè)系統(tǒng)協(xié)同工作可同時(shí)實(shí)現(xiàn)方位向多通道接收和俯仰向中頻DBF掃描接收，從而提供高性能、高精度的高分辨率寬幅成像能力。

圖3 SAR載荷系統(tǒng)組成框圖Fig.3 The composition block diagram of SAR system

2.2.2 天線子系統(tǒng)方案

由于同時(shí)使用方位向多通道和俯仰向中頻DBF技術(shù)，對(duì)See-Earth的數(shù)據(jù)處理流程必須做充分的設(shè)計(jì)，其數(shù)據(jù)處理構(gòu)想如圖4所示。由于整個(gè)系統(tǒng)接收通道數(shù)多達(dá)64個(gè)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)率面臨極大挑戰(zhàn)。為有效降低數(shù)據(jù)率，俯仰向DBF合成處理必須在星上實(shí)時(shí)完成，將數(shù)據(jù)率降低至原始數(shù)據(jù)率的1/8，之后將方位向8通道數(shù)據(jù)下傳到地面進(jìn)行后續(xù)的方位向頻譜重構(gòu)和成像處理流程，最終獲取高分辨率大幅寬圖像。

圖4 See-Earth數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 See-Earth data processing flow

有源相控陣天線具有靈活的波束賦形和掃描能力，性能優(yōu)越，可靠性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于星載SAR系統(tǒng)。See-Earth采用先進(jìn)的全極化L波段微帶有源相控陣天線，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)高效、大面積和輕量化。天線主要參數(shù)如表2所示。

表2 天線主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of the antenna

通過(guò)T/R組件稀疏化排布設(shè)計(jì)技術(shù)、高集成度輕量化單機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)以及高效率熱控技術(shù)的應(yīng)用，天線子系統(tǒng)重量可控制在510 kg(8.5 kg/m2)以?xún)?nèi)。此外，天線子系統(tǒng)支持多種極化工作模式，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)俯仰向一維大角度波束掃描，滿足超寬幅成像對(duì)俯仰向波束掃描能力的需求，從而有力支撐快重訪成像需求。

天線采用層疊式布局，自上而下分為有源組件層、有源安裝板和輻射陣面層。各層級(jí)部組件采用垂直互聯(lián)技術(shù)，所有電氣連接垂直于安裝平面，在減少電纜的同時(shí)，增強(qiáng)了裝配工藝性，提高了系統(tǒng)的集成度，如圖5所示。

圖5 天線子板構(gòu)型圖Fig.5 The configuration diagram of the antenna sub-board

天線子系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。天線在方位向由8塊子板組成，每塊子板于距離向又分為8個(gè)通道。子板內(nèi)8個(gè)通道接收到的回波信號(hào)由對(duì)應(yīng)的DBF模塊統(tǒng)一進(jìn)行處理。DBF技術(shù)的應(yīng)用，可有效提升系統(tǒng)的高分辨率寬幅成像能力。每個(gè)通道包含3個(gè)方位向子陣。每個(gè)子陣包含4×4個(gè)雙極化微帶輻射單元，方位向間距141.67 mm，距離向間距137.5 mm。方位向4個(gè)微帶輻射單元共用1個(gè)T/R通道，可有效實(shí)現(xiàn)T/R組件的稀疏化設(shè)計(jì)。

圖6 天線子系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.6 The antenna subsystem topology

天線子系統(tǒng)主要包含射頻鏈路、低頻監(jiān)控鏈路、電源鏈路、有源安裝板、結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)、熱控等組成部分。其中，射頻鏈路由天線輻射陣面、延時(shí)T/R組件、功分網(wǎng)絡(luò)、定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)、射頻電纜等單機(jī)、部件構(gòu)成；電源鏈路包含天線配電器、二次電源、電源電纜；波控鏈路包含波束控制器、波控單元、波控電纜。

2.2.3 軌道

See-Earth星座由4顆L波段高性能全極化SAR衛(wèi)星組成，它們均勻分布于同一軌道面，組成星座，以高空間分辨率、高時(shí)間分辨率和大成像幅寬來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)，如圖7所示。See-Earth星座利用多星組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)快速重訪和高頻次全球覆蓋，軌道參數(shù)如表3所示，可實(shí)現(xiàn)在每8天的軌道回歸周期中，能夠以相同的軌道方向、相同的視向、相同的入射角，4次重復(fù)獲取干涉數(shù)據(jù)，具有很強(qiáng)的干涉測(cè)量能力，進(jìn)而監(jiān)測(cè)地球表面的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，為我國(guó)基礎(chǔ)戰(zhàn)略性地理信息資源獲取提供長(zhǎng)期、穩(wěn)定、自主可控的數(shù)據(jù)支撐。

圖7 See-Earth在軌工作示意圖Fig.7 The schematic diagram of See-Earth on-orbit working

表3 See-Earth衛(wèi)星軌道參數(shù)Tab.3 Orbit parameters of the See-Earth satellite

3 技術(shù)體制

得益于先進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念和本團(tuán)隊(duì)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的充分驗(yàn)證[9,14,18]，See-Earth可以有效滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)系統(tǒng)成像能力的需求，系統(tǒng)最高品質(zhì)因數(shù)達(dá)120。其高分辨率寬幅成像能力主要依靠高性能的方位向多通道技術(shù)和俯仰向中頻DBF技術(shù)。另外，See-Earth具備多種極化工作模式，以滿足不同的應(yīng)用需求。本節(jié)將對(duì)這3項(xiàng)技術(shù)體制進(jìn)行詳細(xì)論述。

3.1 方位向多通道技術(shù)

受限于星載SAR的最小天線面積約束[19]，傳統(tǒng)體制星載SAR難以實(shí)現(xiàn)高分辨率寬幅成像。方位向多通道技術(shù)為突破這一限制提供了有效的解決方案。圖8示意了方位向多通道SAR系統(tǒng)信號(hào)發(fā)射和接收的情況。在信號(hào)發(fā)射時(shí)，系統(tǒng)在方位向使用寬波束發(fā)射信號(hào)來(lái)獲取大的多普勒帶寬，這是獲取高方位向分辨率的關(guān)鍵。在接收時(shí)，多個(gè)方位向分置的子孔徑同時(shí)接收地面回波。此時(shí)，天線每發(fā)射一個(gè)脈沖，方位向?qū)@得多個(gè)不同空間位置處的采樣點(diǎn)。

圖8 方位多通道系統(tǒng)信號(hào)收發(fā)示意圖Fig.8 Schematic diagram for the signal transmission and reception of the azimuth multi-channel system

根據(jù)等效相位中心理論，如圖9所示，對(duì)于方位向具有N個(gè)接收通道的SAR系統(tǒng)，系統(tǒng)在一個(gè)脈沖重復(fù)時(shí)間內(nèi)可以獲取方位向信號(hào)的N個(gè)采樣點(diǎn)，等效將系統(tǒng)PRF提高到實(shí)際PRF的N倍。因此，方位向多通道系統(tǒng)可以突破傳統(tǒng)星載SAR分辨率和測(cè)繪幅寬對(duì)系統(tǒng)PRF的矛盾需求，從而有力支撐高分辨率寬幅星載SAR的實(shí)現(xiàn)。

圖9 方位向多通道系統(tǒng)的等效相位中心與信號(hào)采樣情況Fig.9 The equivalent phase center and signal sampling situation of the azimuth multi-channel system

方位向多通道系統(tǒng)的一個(gè)主要問(wèn)題是多個(gè)通道對(duì)方位信號(hào)的空間采樣可能導(dǎo)致最終的方位向信號(hào)在時(shí)間上采樣不均勻，這一問(wèn)題可通過(guò)對(duì)方位信號(hào)的均勻化重建[6—9]進(jìn)行解決。另外，通道性能不均衡也會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的模糊，需要對(duì)通道誤差進(jìn)行有效的校正。目前，這些技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟并在星載SAR平臺(tái)上得到應(yīng)用。如圖10所示，通道誤差校正后進(jìn)行信號(hào)重建，模糊可被有效抑制。

圖10 方位多通道數(shù)據(jù)重建后成像結(jié)果Fig.10 The imaging results after azimuth multi-channel reconstruction

3.2 俯仰向中頻DBF技術(shù)

利用“空間換時(shí)間”的思路，方位向多通道技術(shù)可以打破星載SAR的最小天線面積約束，實(shí)現(xiàn)高分辨率寬幅成像。要獲取寬幅圖像，俯仰向必須使用寬波束進(jìn)行照射，這對(duì)應(yīng)了較低的天線增益和較差的距離模糊。因此，盡管可以使用方位向多通道技術(shù)打破星載SAR的最小天線面積約束，但系統(tǒng)性能會(huì)急劇惡化。俯仰向DBF技術(shù)是解決這些問(wèn)題的有效方法[13,21]。

俯仰向DBF系統(tǒng)使用俯仰向?qū)挷ㄊl(fā)射信號(hào)覆蓋大幅寬，在接收時(shí)使用俯仰向多個(gè)通道同時(shí)接收，依靠靈活的空域?yàn)V波技術(shù)生成實(shí)時(shí)掃描跟蹤回波的高增益窄接收波束，不僅可以大幅改善系統(tǒng)信噪比，還可以通過(guò)波束賦形技術(shù)大幅改善距離模糊性能，如圖11所示。

圖11 DBF SAR系統(tǒng)概念圖Fig.11 Conceptual diagram of the DBF SAR system

See-Earth的標(biāo)準(zhǔn)最大信號(hào)帶寬僅84 MHz，帶寬載頻比≤6.7%，DBF處理的頻率色散問(wèn)題可以忽略，此時(shí)系統(tǒng)面臨的一個(gè)重要問(wèn)題是脈沖延展損失(Pulse Extension Loss,PEL)[21]。圖12以單點(diǎn)目標(biāo)為例進(jìn)行說(shuō)明。點(diǎn)目標(biāo)回波來(lái)自固定的方位，但是在回波接收過(guò)程中俯仰向波束卻是時(shí)變的。系統(tǒng)的俯仰向波束較窄，回波幅度會(huì)明顯受到天線方向圖的調(diào)制，導(dǎo)致系統(tǒng)信噪比的下降。

圖12 單點(diǎn)目標(biāo)回波的掃描接收示意圖Fig.12 Schematic diagram for the echo scanning and receiving of a single-point target

針對(duì)DBF SAR系統(tǒng)的脈沖延展損失，德國(guó)宇航局的Suess等人[22]提出對(duì)各通道信號(hào)在加權(quán)求和前進(jìn)行固定延時(shí)處理。但是由于固定延時(shí)基于幅寬較小的假設(shè)，在See-Earth的大幅寬模式下會(huì)存在較大誤差，進(jìn)而明顯降低系統(tǒng)性能。針對(duì)此問(wèn)題，本團(tuán)隊(duì)早期提出一種數(shù)字扇形波束形成(Digital Scalloped Beam Forming,DSBF)[13]新處理方法。仍以單點(diǎn)目標(biāo)回波接收為例，如圖13所示，DSBF處理器生成一個(gè)寬度隨回波時(shí)間自適應(yīng)改變的高增益扇形寬波束(由多個(gè)不同指向的高增益窄波束組成)，可以實(shí)現(xiàn)在任意時(shí)刻點(diǎn)目標(biāo)回波都被高增益接收，從而保證在大幅寬場(chǎng)景下良好的系統(tǒng)性能。

圖13 DSBF處理器單點(diǎn)目標(biāo)回波的掃描接收示意圖Fig.13 Schematic diagram for the echo scanning and receiving of a single-point target using the DSBF processor

實(shí)際應(yīng)用中，DBF合成處理應(yīng)在星上實(shí)時(shí)完成，即將俯仰向多個(gè)通道的數(shù)據(jù)合成為一路再進(jìn)行下傳。現(xiàn)有德國(guó)宇航局DBF處理方法采用基帶信號(hào)處理策略，所需的數(shù)字處理資源正比于俯仰向通道數(shù)量，系統(tǒng)資源消耗大，不利于星上實(shí)時(shí)處理。2016年，本團(tuán)隊(duì)提出一種DBF中頻處理新架構(gòu)，在中頻即將多通道信號(hào)合成為兩路信號(hào)，再基于這兩路中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字解調(diào)，數(shù)字處理資源不再正比于俯仰向通道數(shù)量，大幅降低了DBF處理對(duì)星上數(shù)字處理資源的消耗(圖14)，非常有利于進(jìn)行星上實(shí)時(shí)處理。

圖14 DBF處理所需乘法次數(shù)隨俯仰向通道數(shù)的變化[11]Fig.14 The number of multiplications required for the DBF processing varies with the number of channels in elevation[11]

本團(tuán)隊(duì)不僅對(duì)俯仰向DBF技術(shù)進(jìn)行了大量的理論研究，提出多項(xiàng)創(chuàng)新成果，在工程應(yīng)用方面也進(jìn)行了大量試驗(yàn)驗(yàn)證。圖15為本團(tuán)隊(duì)研發(fā)的16通道機(jī)載DBF SAR系統(tǒng)所獲取的圖像，實(shí)際信噪比提升約為11.2 dB(理論值約為12 dB)。目前，包括中國(guó)在內(nèi)的多個(gè)國(guó)家對(duì)俯仰向DBF技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了比較充分的驗(yàn)證[14,15,23,24]，為俯仰向DBF技術(shù)在星載SAR的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖15 機(jī)載DBF SAR數(shù)據(jù)成像結(jié)果Fig.15 The imaging results of airborne DBF SAR data

See-Earth將同時(shí)使用方位向多通道技術(shù)和俯仰向中頻DBF技術(shù)，充分發(fā)揮這兩項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，以獲取前所未有的高分辨率寬幅成像能力，系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)將達(dá)到120。

3.3 極化體制

SAR系統(tǒng)常見(jiàn)的極化工作模式有單極化(Single Polarimetric,SP)，雙極化(Dual Polarimetric,DP)，全極化(Quad polarimetric,QP)以及簡(jiǎn)縮極化(Compact polarimetric,CP)。See-Earth可實(shí)現(xiàn)包括單極化、傳統(tǒng)全極化、混合全極化以及混合簡(jiǎn)縮極化等多種極化成像模式。

3.3.1 多極化工作模式

單極化是最基本的極化工作模式。早期的成像雷達(dá)，如Seasat,ERS-1,JERS-1,Radarsat-1等，都以該模式進(jìn)行工作。該模式下SAR具有單一極化天線，僅能發(fā)射或者接收水平(H)/垂直(V)極化電磁波，獲取HH或VV單通道信號(hào)。

全極化SAR采用“交替發(fā)射，同時(shí)接收”工作模式，系統(tǒng)交替發(fā)射H和V正交線極化脈沖，并采用H和V線極化通道同時(shí)接收回波信號(hào)，獲取HH/HV/VH/VV 4幅圖像，如圖16所示，圖中Tx與Rx表示發(fā)射和接收通道。

圖16 傳統(tǒng)線全極化SAR系統(tǒng)時(shí)序圖Fig.16 The timing diagram of conventional quadrature polarimetric SAR system

基于線極化的全極化SAR回波信號(hào)，同極化(HH/VV)和交叉極化(HV/VH)通道的最優(yōu)動(dòng)態(tài)范圍存在較大的差異，一般交叉極化信號(hào)能量較同極化信號(hào)弱6～10 dB，實(shí)際系統(tǒng)通常采取通道增益控制和復(fù)雜的內(nèi)定標(biāo)回路來(lái)彌補(bǔ)這種差異[25]。

若全極化SAR系統(tǒng)交替發(fā)射信號(hào)調(diào)整為左旋(L,H+jV)和右旋(R,H—jV)圓極化信號(hào)，則極化模式即為混合全極化模式，如圖17所示，其接收回波對(duì)應(yīng)HR/HL/VR/VL 4幅極化圖像，可通過(guò)極化變換過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)線極化數(shù)據(jù)(HH/HV/VH/VV)的轉(zhuǎn)換[26]：

圖17 混合全極化SAR系統(tǒng)時(shí)序圖(左右旋圓極化)Fig.17 The timing diagram of hybrid quadrature polarimetric SAR system (left and right circular polarization)

式中，S表示極化散射回波信號(hào)。由于混合全極化SAR系統(tǒng)接收信號(hào)為圓發(fā)線收(Circular Transmit Linear Receive,CTLR)，相鄰接收回波信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)，因而相較傳統(tǒng)基于線極化的全極化SAR模式，不再需要額外的通道增益控制[27]，可大大降低系統(tǒng)復(fù)雜度。

雖然全極化SAR圖像數(shù)據(jù)中含有完備的目標(biāo)后向散射信息，但其系統(tǒng)構(gòu)建較為復(fù)雜，降低了測(cè)繪幅寬、數(shù)據(jù)率等方面的系統(tǒng)性能。為了彌補(bǔ)這些缺陷，Souyris等人[28]提出簡(jiǎn)縮極化SAR工作模式。簡(jiǎn)縮極化SAR本質(zhì)上是一種雙極化系統(tǒng)，通過(guò)圓極化發(fā)射，雙線極化接收，回波信號(hào)包含了地物相對(duì)完備的極化信息。由于簡(jiǎn)縮極化不采用交替發(fā)射方式，不需要提高PRF，因此可以獲得與單極化SAR一致的分辨率和測(cè)繪幅寬，且在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上較全極化模式更加簡(jiǎn)單[29]。如圖18所示，混合簡(jiǎn)縮極化系統(tǒng)發(fā)射右旋(R)圓極化信號(hào)，并通過(guò)H和V極化通道接收，以獲取HR與VR極化數(shù)據(jù)。

圖18 混合簡(jiǎn)縮極化SAR系統(tǒng)時(shí)序圖(右旋圓極化發(fā)射)Fig.18 The timing diagram of hybrid compact polarimetric SAR system (right circular polarization transmission)

研究表明，對(duì)于農(nóng)田等自然場(chǎng)景，簡(jiǎn)縮極化能夠達(dá)到與全極化相近的分類(lèi)性能[16,30,31]。Raney試驗(yàn)結(jié)果也表明，相較全極化SAR，簡(jiǎn)縮極化SAR的總體分類(lèi)精度的變化在百分之幾以?xún)?nèi)[32,33]，但是測(cè)繪幅寬可提升一倍。圖19為本團(tuán)隊(duì)海南飛行試驗(yàn)全極化與簡(jiǎn)縮極化地物分類(lèi)結(jié)果對(duì)比。See-Earth將具備混合簡(jiǎn)縮極化工作模式，左旋或右旋圓極化發(fā)射，H和V線極化同時(shí)接收。

3.3.2 極化模糊性能分析

3.3.2.1 全極化與混合全極化SAR系統(tǒng)

由于傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)接收回波信號(hào)序列為同極化(HH或VV)與交叉極化(HV或VH)交替形式，其各線極化數(shù)據(jù)通道的奇數(shù)階距離模糊能量對(duì)應(yīng)極化方式發(fā)生交換。然而，一般的，交叉極化信號(hào)能量比同極化信號(hào)低6～10 dB，從而造成傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)交叉極化(HV與VH)通道受較強(qiáng)的同極化(HH與VV)距離模糊能量影響，同極化(HH與VV)通道則受較弱的交叉極化(HV與VH)距離模糊能量影響，這導(dǎo)致傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)交叉極化通道的距離模糊性能變差，而同極化通道的距離模糊性能變好，并使得全極化SAR系統(tǒng)難以提高入射角，限制了全極化SAR系統(tǒng)的可視觀測(cè)范圍，從而影響觀測(cè)效能。

對(duì)于混合全極化SAR系統(tǒng)，與傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)不同，由于采用左右旋圓極化交替發(fā)射、正交線極化同時(shí)接收模式，其接收回波信號(hào)序列為左旋和右旋圓發(fā)線收信號(hào)的交替形式(HR與HL,VR與VL)。

從式(2)可以看到，由于混合全極化SAR系統(tǒng)圓發(fā)線收回波信號(hào)中同時(shí)含有同極化(HH與VV)與交叉極化(HV與VH)能量，相鄰回波脈沖能量相當(dāng)，因此其四極化通道不會(huì)受到嚴(yán)重距離模糊的影響。

3.3.2.2 混合簡(jiǎn)縮極化SAR系統(tǒng)

對(duì)于簡(jiǎn)縮極化SAR系統(tǒng)，由于其只發(fā)射單一極化信號(hào)(圓極化或45°線極化)，且同時(shí)通過(guò)相互獨(dú)立的正交線極化通道接收。此時(shí)，由于兩組回波信號(hào)相互獨(dú)立，因此，簡(jiǎn)縮極化SAR系統(tǒng)的距離模糊與方位模糊性能與同參數(shù)單極化SAR系統(tǒng)一致，可實(shí)現(xiàn)與單極化SAR系統(tǒng)同樣的幅寬、分辨率。See-Earth系統(tǒng)采用基于圓極化發(fā)射，正交線極化同時(shí)接收的混合簡(jiǎn)縮極化SAR模式，各極化通道的模糊性能不會(huì)出現(xiàn)不平衡情況。

3.3.3 極化SAR模糊抑制

3.3.3.1 傳統(tǒng)全極化SAR系統(tǒng)距離模糊抑制方法

為了解決全極化SAR系統(tǒng)的模糊難題，本團(tuán)隊(duì)提出一種基于天線方向圖賦型優(yōu)化的方法[34]來(lái)對(duì)上述幾種多極化SAR系統(tǒng)的模糊能量進(jìn)行抑制。該方法根據(jù)距離模糊能量的分布特點(diǎn)，對(duì)天線陣列各輻射單元的幅度和相位分布進(jìn)行優(yōu)化控制，可以有效調(diào)節(jié)天線距離向方向圖的波束寬度、波束形狀、旁瓣電平等相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而改善系統(tǒng)的模糊性能，其原理如圖20所示。

圖20 天線方向圖賦型優(yōu)化原理Fig.20 Optimization principle of the antenna pattern shaping

圖21為星載SAR系統(tǒng)采用這種天線方向圖賦型優(yōu)化方法抑制距離模糊的系統(tǒng)性能仿真曲線。可見(jiàn)，基于該方法可在不影響系統(tǒng)等效噪聲后向散射系數(shù)(Noise Equivalent Sigma Zero,NESZ)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，顯著提升系統(tǒng)的距離模糊比(Range Ambiguity to Signal Ratio,RASR)性能(圖中藍(lán)色曲線為優(yōu)化后結(jié)果)。

圖21 天線方向圖賦型優(yōu)化結(jié)果Fig.21 Optimization results of the antenna pattern shaping

基于天線方向圖賦型優(yōu)化來(lái)抑制距離模糊，不要求對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行調(diào)整，不會(huì)額外增加系統(tǒng)復(fù)雜度及硬件成本，且算法執(zhí)行過(guò)程高效。此外，由于該方法只涉及俯仰向方向圖合成，因此不改變SAR系統(tǒng)方位模糊特性，從而可以從整體上優(yōu)化SAR的模糊特性，是一種極具潛力的優(yōu)化方法。目前，該方法已經(jīng)應(yīng)用在LT-1衛(wèi)星SAR系統(tǒng)[34]。如圖22所示，未進(jìn)行優(yōu)化時(shí)有效觀測(cè)范圍Δη1僅為8°左右，經(jīng)過(guò)該種方法優(yōu)化后，SAR系統(tǒng)的有效觀測(cè)范圍Δη1+Δη2接近25°，可視范圍提升3.125倍，觀測(cè)能力大幅提升。

圖22 LT-1優(yōu)化前后有效觀測(cè)范圍對(duì)比Fig.22 Comparison of the effective observation range before and after LT-1 optimization

3.3.3.2 混合全極化SAR系統(tǒng)模糊抑制方法

針對(duì)混合全極化SAR系統(tǒng)交叉極化通道方位模糊惡化問(wèn)題，本團(tuán)隊(duì)提出一種基于距離模糊與方位模糊聯(lián)合優(yōu)化的方法[17]來(lái)對(duì)混合全極化SAR系統(tǒng)的模糊能量進(jìn)行綜合抑制。

圖23為多通道混合全極化SAR系統(tǒng)等效相位中心的空間分布情況。該聯(lián)合優(yōu)化方法借助多通道混合全極化SAR系統(tǒng)中多相位中心數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)綜合考慮系統(tǒng)各通道方位模糊以及距離模糊能量，構(gòu)建基于最優(yōu)化方法的新數(shù)據(jù)重建方法，可以同時(shí)對(duì)混合全極化SAR系統(tǒng)的方位模糊和距離模糊進(jìn)行有效抑制。

圖23 方位向三通道混合全極化SAR系統(tǒng)的等效相位中心示意圖Fig.23 Schematic diagram of the equivalent phase center of the azimuth three-channel hybrid four-polarized SAR system

圖24為星載混合全極化SAR系統(tǒng)使用基于傳統(tǒng)重建方法與基于聯(lián)合優(yōu)化重建方法的系統(tǒng)性能對(duì)比。可以看到，基于聯(lián)合優(yōu)化重建方法的系統(tǒng)模糊性能強(qiáng)于傳統(tǒng)方法，可同時(shí)對(duì)系統(tǒng)RASR與方位模糊比(Azimuth Ambiguity to Signal Ratio,AASR)進(jìn)行有效抑制。See-Earth將基于上述創(chuàng)新方法提升系統(tǒng)模糊性能。

圖24 重建方法性能對(duì)比Fig.24 Performance comparison of the reconstruction methods

4 性能分析

4.1 成像性能

為有效支撐多行業(yè)應(yīng)用需求，See-Earth需具備不同分辨率和測(cè)繪幅寬的多種極化工作模式。依靠方位向8個(gè)通道，See-Earth可將系統(tǒng)工作PRF降低8倍，使得1 m分辨率模式②此模式可提供方位向1 m分辨率，但是受限于系統(tǒng)帶寬，距離向分辨率約3 m。下系統(tǒng)實(shí)際PRF可以在1100 Hz附近仍能保證良好的方位模糊性能，從而可以選出幅寬達(dá)120 km的波位，如圖25所示(See-Earth可使用DBF零陷濾波技術(shù)大幅抑制星下點(diǎn)回波，在波位選擇時(shí)可忽略星下點(diǎn)回波干擾)。此時(shí)系統(tǒng)的主要指標(biāo)如圖26所示，系統(tǒng)NESZ,AASR,RASR和數(shù)據(jù)率均滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖25 1 m/120 km模式波位圖Fig.25 Timing diagram of the 1 m/120 km mode

圖26 系統(tǒng)性能仿真結(jié)果Fig.26 Simulation results of the system performance

基于百公里幅寬量級(jí)，使用ScanSAR技術(shù)可拓展3 m和10 m分辨率的數(shù)百乃至上千公里幅寬工作模式，相關(guān)模式的系統(tǒng)性能指標(biāo)可總結(jié)如表4所示，均滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。基于以上系統(tǒng)設(shè)計(jì)，See-Earth的5種基本工作模式可有效支撐相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用需求，提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的數(shù)據(jù)源。

表4 各工作模式性能Tab.4 Performance of each operation mode

另外，L波段的圖像由于電磁波的固有特性，還會(huì)受到電離層的影響，主要包括電離層色散、閃爍與極化法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)影響。其中，電離層色散會(huì)導(dǎo)致SAR圖像定位偏差與分辨率惡化；電離層閃爍會(huì)引入誤差相位致使SAR圖像散焦；法拉第效應(yīng)會(huì)影響極化SAR信號(hào)的極化狀態(tài)并干擾地物散射特性分析[35]。可以采用多種電離層校正算法，有效校正電離層效應(yīng)影響。對(duì)于電離層色散，可采用頻譜分割算法[36]或最大對(duì)比度自聚焦算法[37]對(duì)SAR信號(hào)中電離層色散誤差相位進(jìn)行估計(jì)與校正；對(duì)于電離層閃爍，可采用相位梯度自聚焦算法對(duì)由電離層不規(guī)則體引入的高次誤差相位進(jìn)行校正[38—40]；對(duì)于法拉第效應(yīng)，可利用極化協(xié)方差矩陣反演法拉第旋轉(zhuǎn)角[41—43]，并進(jìn)行極化校正。此外，由于一定程度上可認(rèn)為電離層法拉第旋轉(zhuǎn)不改變圓極化狀態(tài)，對(duì)于See-Earth系統(tǒng)中采用圓極化發(fā)射的混合簡(jiǎn)縮極化及混合全極化模式而言，法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)影響較小，只需考慮大帶寬情況的極化色散效應(yīng)影響，此時(shí)可采用子帶處理進(jìn)行規(guī)避。

4.2 觀測(cè)性能

結(jié)合軌道與系統(tǒng)工作模式設(shè)計(jì)，對(duì)See-Earth星座的重訪和覆蓋性能進(jìn)行詳細(xì)分析，全球平均重訪時(shí)間如圖27所示，各模式的觀測(cè)能力如表5所示。See-Earth星座的最小重復(fù)觀測(cè)間隔為26 min，最大重復(fù)觀測(cè)間隔約為12 h，全球多數(shù)區(qū)域平均重訪時(shí)間小于4 h。

表5 See-Earth觀測(cè)能力Tab.5 See-Earth observation capability

圖27 See-Earth星座全球平均重訪時(shí)間Fig.27 The global average revisit time of the See-Earth plan

從上述性能分析可以看出，See-Earth衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)全球絕大多數(shù)地區(qū)的平均重訪時(shí)間小于4 h，12天可實(shí)現(xiàn)全球范圍的高分辨率覆蓋。該性能在全球衛(wèi)星觀測(cè)計(jì)劃中同樣占優(yōu)，可有力支撐我國(guó)的相關(guān)應(yīng)用需求研究。

根據(jù)我國(guó)實(shí)施“一帶一路”建設(shè)倡議規(guī)劃以及大范圍地表形變監(jiān)測(cè)等需求，See-Earth衛(wèi)星計(jì)劃可提供廣域高精度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及高精度DEM數(shù)據(jù)，為相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的地理規(guī)劃、實(shí)施狀態(tài)、后續(xù)監(jiān)測(cè)保障提供高效監(jiān)測(cè)手段。為有效支撐相關(guān)行業(yè)應(yīng)用和地球科學(xué)研究，將See-Earth的觀測(cè)性能按照其應(yīng)用潛力進(jìn)行具體分析，如表6所示。See-Earth產(chǎn)品可有效滿足動(dòng)態(tài)地球監(jiān)測(cè)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)星座SAR數(shù)據(jù)的高效、穩(wěn)定獲取，有效滿足國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、科學(xué)研究與國(guó)家重大工程需求。

表6 See-Earth產(chǎn)品觀測(cè)性能Tab.6 The observation performance of See-Earth product

5 應(yīng)用潛力

廣域監(jiān)測(cè)要求See-Earth具備高分辨率寬幅成像能力，在滿足覆蓋范圍需求的情況下，對(duì)地表狀況如形態(tài)、地物類(lèi)型等基礎(chǔ)信息進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)，兼顧對(duì)地表信息“形態(tài)-差異-變化”的多角度觀測(cè)。觀測(cè)效率要求See-Earth具備穩(wěn)定觀測(cè)、快速重訪的能力，在保障數(shù)據(jù)周期性穩(wěn)定獲取的前提下，提升目標(biāo)的快速重訪能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取的“穩(wěn)”和“快”。下面從具體的應(yīng)用領(lǐng)域出發(fā)，介紹See-Earth衛(wèi)星計(jì)劃的應(yīng)用潛力。

5.1 服務(wù)國(guó)家重大工程

國(guó)家重大工程，包括“一帶一路”、川藏鐵路、西部陸海新通道、國(guó)家水網(wǎng)、雅魯藏布江下游水電開(kāi)發(fā)、星際探測(cè)、北斗產(chǎn)業(yè)化等。其中，“一帶一路”倡議是由中國(guó)政府提出的國(guó)家級(jí)頂層合作協(xié)議[44]，在“一帶一路”沿線實(shí)現(xiàn)遙感衛(wèi)星全覆蓋是構(gòu)建“一帶一路”空間信息走廊的重要舉措。“一帶一路”沿線已規(guī)劃項(xiàng)目和在建項(xiàng)目超過(guò)3000個(gè)，其中基礎(chǔ)設(shè)施(運(yùn)輸、電力、水利)項(xiàng)目占比近一半。利用SAR遙感技術(shù)可以月或者周為單位進(jìn)行高頻次大范圍的數(shù)據(jù)獲取，對(duì)施工進(jìn)度、基礎(chǔ)設(shè)施形變或沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為工程任務(wù)的實(shí)施狀態(tài)評(píng)估和基礎(chǔ)設(shè)施安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判提供重要參考依據(jù)。此外，獲取的數(shù)據(jù)還可用于目標(biāo)識(shí)別和地物分類(lèi)，為海洋艦船識(shí)別、荒漠化程度估計(jì)和荒漠化防治效果評(píng)估提供數(shù)據(jù)保障。“一帶一路”空間信息走廊和數(shù)字絲綢之路的建設(shè)需要建立在全面、可信、完備的空間對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取與分析的基礎(chǔ)上，亟需高效穩(wěn)定的航天遙感數(shù)據(jù)獲取計(jì)劃提供支持。

目前大范圍地表形變監(jiān)測(cè)需要將大量的窄幅圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，如圖28所示的全國(guó)中東部地區(qū)InSAR監(jiān)測(cè)，共采用了11軌數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，導(dǎo)致形變監(jiān)測(cè)處理的效率很低。

圖28 全國(guó)中東部地區(qū)InSAR監(jiān)測(cè)地面沉降分布(來(lái)源：中國(guó)自然資源航空物探遙感中心)Fig.28 Land subsidence distribution monitored by InSAR in the central and eastern regions of the China (Source:Aero Geophysical Survey ＆ Remote Sensing Center,Ministry of Land and Resources)

See-Earth衛(wèi)星計(jì)劃可以提供覆蓋大范圍區(qū)域的高精度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的地理規(guī)劃、實(shí)施狀態(tài)、后續(xù)監(jiān)測(cè)保障提供高效監(jiān)測(cè)的手段，通過(guò)強(qiáng)有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，保障基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、礦業(yè)開(kāi)發(fā)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等經(jīng)濟(jì)生態(tài)活動(dòng)的安全開(kāi)展，也促進(jìn)應(yīng)急防災(zāi)減災(zāi)、海洋監(jiān)視監(jiān)測(cè)等應(yīng)用的良性發(fā)展，對(duì)科技強(qiáng)國(guó)、“一帶一路”建設(shè)具有重大意義。

5.2 自然資源監(jiān)測(cè)

有形的自然資源包括土地、水體、動(dòng)植物、礦產(chǎn)等。保護(hù)環(huán)境，合理開(kāi)發(fā)利用自然資源，成為政府社會(huì)管理的重要任務(wù)。土地資源利用情況、森林資源覆蓋率、濕地生態(tài)系統(tǒng)生物量、農(nóng)作物種類(lèi)及分布等相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)時(shí)情況可以直接反映人類(lèi)與自然環(huán)境的發(fā)展現(xiàn)狀與變化，從而推動(dòng)對(duì)自然資源的合理利用等政策的制定。

對(duì)不同時(shí)空尺度上的典型濕地生態(tài)系統(tǒng)的濕地植被生物量進(jìn)行系統(tǒng)性研究，不僅可以及時(shí)掌控濕地生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化，還可為濕地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)資產(chǎn)的定量測(cè)算提供重要參數(shù)和濕地生態(tài)系統(tǒng)基本生態(tài)功能的劃分標(biāo)準(zhǔn)，并為濕地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)、重建以及管理提供科學(xué)依據(jù)。SAR成像對(duì)地物的幾何特征和地表粗糙度、介電特性極為敏感的特性[45]，使得其在不同時(shí)空尺度上的濕地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

森林生物量是表征森林固碳能力的重要指標(biāo)，也是評(píng)估區(qū)域森林碳平衡的重要參數(shù)。SAR基于其全天時(shí)全天候的大范圍成像能力，在全球高精度森林資源監(jiān)測(cè)方面，相比于光學(xué)遙感和激光雷達(dá)技術(shù)更具有優(yōu)勢(shì)[46]。利用SAR遙感數(shù)據(jù)獲取的一系列觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行森林資源定量參數(shù)估計(jì)和大區(qū)域森林類(lèi)型快速制圖，有助于繪制地面生物量地圖，了解全球碳循環(huán)情況，并支持森林管理、減排和可持續(xù)發(fā)展政策目標(biāo)。圖29為利用ALOS-2數(shù)據(jù)處理得到的Borneo熱帶森林Pauli圖及相應(yīng)的地上生物量估計(jì)結(jié)果[47]。

圖29 Borneo森林Pauli圖(上)及生物量估計(jì)結(jié)果(下) [47]Fig.29 Pauli map of Borneo forest (top) and biomass estimation results (bottom) [47]

隨著各國(guó)對(duì)自然環(huán)境的普遍關(guān)注，自然環(huán)境的監(jiān)測(cè)與管理需求也向著精細(xì)化、智能化、全球化的方向發(fā)展。See-Earth衛(wèi)星計(jì)劃可以提供長(zhǎng)期穩(wěn)定、大范圍、高精度、高頻的星載SAR數(shù)據(jù)，為我國(guó)自然環(huán)境等相關(guān)國(guó)策的制定提供支撐。

5.3 災(zāi)害應(yīng)急管理

(1) 災(zāi)前監(jiān)測(cè)與預(yù)警

盡可能檢測(cè)出隱患點(diǎn)在哪里、什么時(shí)候可能發(fā)生是當(dāng)前自然災(zāi)害防治的核心問(wèn)題。近年來(lái)，數(shù)十起重大自然災(zāi)害呈現(xiàn)出隱蔽性、潛伏性、突發(fā)性等特點(diǎn)，且多發(fā)生于人工巡查難以接近的位置，導(dǎo)致大型地質(zhì)災(zāi)害的漏報(bào)、誤報(bào)率高。星載SAR可以滿足我國(guó)對(duì)于廣域監(jiān)測(cè)的需求，融合干涉技術(shù)開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害普查，盡可能在早期全面識(shí)別和發(fā)現(xiàn)災(zāi)害隱患，已得到自然災(zāi)害防治界的廣泛認(rèn)可。

星載SAR數(shù)據(jù)以其良好的周期性和空間密集性，為滑坡、沉降等常規(guī)災(zāi)害的時(shí)空位移模式推演提供了數(shù)據(jù)保障；有助于還原長(zhǎng)期累進(jìn)式災(zāi)變的發(fā)育過(guò)程，協(xié)助攻克現(xiàn)階段監(jiān)測(cè)預(yù)警方面存在的成災(zāi)機(jī)理不明確、致災(zāi)因子難確定、預(yù)警指標(biāo)難量化等關(guān)鍵問(wèn)題。空天院針對(duì)2018年金沙江白格滑坡災(zāi)害發(fā)生前的多幅SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空位移模式分析，滑坡前發(fā)生明顯變形，如圖30(a)所示，通過(guò)時(shí)序分析，其變形與典型滑坡發(fā)育模型高度一致[48]，如圖30(b)、圖30(c)所示。

圖30 金沙江白格滑坡監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.30 Monitoring results of Baige landslide on the Jinsha River

通過(guò)分析該例滑坡成災(zāi)前的形變規(guī)律，結(jié)合典型發(fā)育模型，可以判斷該SAR數(shù)據(jù)集的獲取時(shí)間區(qū)間涵蓋了滑坡發(fā)育的第2到第4階段：2017—2018.5處于第2階段(等速形變階段)，2018.5—2018.7進(jìn)入第3階段(加速形變階段)，2018年9月明顯進(jìn)入第4階段(臨滑階段)。這說(shuō)明在滑坡前3～5個(gè)月，已經(jīng)可以通過(guò)時(shí)序SAR監(jiān)測(cè)手段獲取該區(qū)域的變形信息，該變形區(qū)域與滑坡區(qū)域所在位置基本一直在滑坡，如果可以對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的SAR環(huán)境監(jiān)測(cè)，結(jié)合滑坡發(fā)育模型，可以有效預(yù)報(bào)潛在滑坡點(diǎn)，結(jié)合其所處的發(fā)育階段，提前發(fā)布警示信息，可有效提升災(zāi)害識(shí)別率，將預(yù)警與救援時(shí)間點(diǎn)前移。

然而，目前受限于特殊的自然環(huán)境，滿足觀測(cè)要求質(zhì)量與頻次要求的遙感數(shù)據(jù)嚴(yán)重不足，無(wú)法開(kāi)展全面的滑坡監(jiān)測(cè)與預(yù)警研究。因此需要See-Earth在保證觀測(cè)性能的前提下，提供長(zhǎng)期、穩(wěn)定、更高頻次的SAR圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)支撐。

(2) 災(zāi)后監(jiān)測(cè)與重建

星載SAR遙感在惡劣天氣和夜晚仍可以執(zhí)行對(duì)地觀測(cè)任務(wù)，有望在災(zāi)害發(fā)生后的第一時(shí)間獲取災(zāi)區(qū)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，配以有效的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，將其中的災(zāi)情信息快速直觀地挖掘出來(lái)。因此，高性能星載SAR數(shù)據(jù)的快速獲取可為政府應(yīng)急指揮和災(zāi)后修復(fù)提供重要的科學(xué)依據(jù)和決策支持。空天院利用高分三號(hào)衛(wèi)星SAR獲取的金沙江白格滑坡(2018年10月11日)災(zāi)區(qū)受災(zāi)前后高分辨率極化SAR數(shù)據(jù)，對(duì)受災(zāi)區(qū)域極化散射特征變化情況進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖31所示。

圖31 滑坡區(qū)域?yàn)?zāi)后的極化分解偽彩色合成圖(2018年10月12日)Fig.31 Pseudo-color composite image of polarization decomposition after the disaster in the landslide area (October 12,2018)

滑坡后受災(zāi)區(qū)極化分解的散射特性與周?chē)椿聟^(qū)域明顯不同，金沙江堰塞湖上游水位變高，河道明顯增寬，下游河道明顯變窄，河水幾乎枯竭。然而，由于重訪周期長(zhǎng)，滑坡發(fā)生后近36 h才獲取了國(guó)產(chǎn)的首幅民用星載SAR數(shù)據(jù)，由于時(shí)效性較差，其對(duì)于災(zāi)后的及時(shí)救助作用也十分有限。如果具備高頻次的SAR觀測(cè)結(jié)果，可掌握災(zāi)后第一手的數(shù)據(jù)信息，大大提高我國(guó)災(zāi)害救援的能力。

具備快速重訪能力的See-Earth衛(wèi)星系統(tǒng)能夠在保證高分辨率和全極化的前提下，提供目標(biāo)區(qū)域更高頻次的SAR圖像。針對(duì)我國(guó)大部分區(qū)域的平均重訪時(shí)間可達(dá)3 h (圖27)，這滿足地災(zāi)觀測(cè)中對(duì)于重點(diǎn)區(qū)域每4 h重復(fù)觀測(cè)一次的要求，勢(shì)必為災(zāi)情的快速呈現(xiàn)與災(zāi)區(qū)重建提供支撐。

5.4 “兩新一重”監(jiān)測(cè)

2020年5月22日，《2020年國(guó)務(wù)院政府工作報(bào)告》提出，重點(diǎn)支持“兩新一重”建設(shè)(新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，新型城鎮(zhèn)化建設(shè)，交通、水利等重大工程建設(shè))。到2021年，我國(guó)的城鎮(zhèn)化率已達(dá)到63.89%，隨著城市建設(shè)的不斷擴(kuò)大和完善，城區(qū)作為全市中心的地位日益突出，流動(dòng)人口數(shù)目逐年膨大，城市的生產(chǎn)和生活強(qiáng)度增加，交通、水利、住建等方面的監(jiān)測(cè)與管理壓力不斷攀升。

星載SAR具備多極化、多頻段、多視角獲取雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)的能力，可通過(guò)電磁后向散射反映地物目標(biāo)豐富的信息，同時(shí)，由于其對(duì)建筑物、道路等人工目標(biāo)敏感，以及水文特征無(wú)反射的特性，對(duì)于房屋、道路、河道、湖泊、重大基礎(chǔ)設(shè)施等典型目標(biāo)的識(shí)別有明顯優(yōu)勢(shì)，在環(huán)境分析、城鄉(xiāng)規(guī)劃等方面應(yīng)用十分廣泛，如圖32所示。

圖32 典型目標(biāo)特征提取Fig.32 The feature extraction of typical targets

遙感能力大規(guī)模應(yīng)用的重點(diǎn)在于遙感圖像中的目標(biāo)識(shí)別，深度學(xué)習(xí)作為當(dāng)前圖像處理領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)，其在目標(biāo)識(shí)別特征提取方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。其中數(shù)據(jù)源作為深度學(xué)習(xí)的驅(qū)動(dòng)力，也是目標(biāo)識(shí)別、行業(yè)應(yīng)用的核心驅(qū)動(dòng)力。See-Earth計(jì)劃可有效彌補(bǔ)當(dāng)前數(shù)據(jù)源缺口，提升典型地物目標(biāo)的識(shí)別精度，輔助完善地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，及時(shí)更新道路、河道等的狀態(tài)，聯(lián)合交通、地形、水利、人力等信息，為國(guó)家行政規(guī)劃提供更加精確的數(shù)據(jù)支撐和保障。

5.5 地球科學(xué)潛力

人類(lèi)在長(zhǎng)期的實(shí)踐中逐步加深了對(duì)地球的認(rèn)識(shí)，并且逐漸形成了一門(mén)以地球?yàn)檠芯繉?duì)象的科學(xué)—地球科學(xué)。其研究的根本任務(wù)在于認(rèn)識(shí)地球，并利用這種認(rèn)識(shí)保證人類(lèi)生存和發(fā)展所需要的自然資源，保護(hù)和改善人類(lèi)的居住環(huán)境。地球科學(xué)研究的基礎(chǔ)是對(duì)地球及其變化情況的認(rèn)識(shí)，航天遙感的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，使面向地球的大范圍、連續(xù)監(jiān)測(cè)，甚至高頻監(jiān)測(cè)成為可能。基于全球環(huán)境的高精度監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)全球狀態(tài)的周/月/年及時(shí)更新，監(jiān)測(cè)地球變化，理解地表變化規(guī)律，探索人類(lèi)環(huán)境變化。地球科學(xué)應(yīng)用主要涉及4個(gè)方面，如圖33所示。

圖33 地球科學(xué)應(yīng)用需求Fig.33 Application requirements of the Earth science

(1) 地球物理科學(xué)(Geophysics Science)

自地球誕生以來(lái)，地殼就在不停運(yùn)動(dòng)，既有水平運(yùn)動(dòng)，也有垂直運(yùn)動(dòng)。地殼運(yùn)動(dòng)造就了地表千變?nèi)f化的地貌形態(tài)，主宰著海陸的變遷。地球物理中地殼演變非常重要，是人類(lèi)生存發(fā)展環(huán)境的先決條件。獲取大尺度地殼動(dòng)態(tài)變化觀測(cè)數(shù)據(jù)，能夠推動(dòng)地球物理科學(xué)的研究，了解人類(lèi)賴(lài)以生存的地表環(huán)境。可以通過(guò)圖像散射特征及干涉技術(shù)，利用不同時(shí)期圖像的微弱變化感知地表的起伏。具體來(lái)說(shuō)，首先需要大范圍的觀測(cè)能力，尤其對(duì)于大尺度的地震來(lái)說(shuō)，幾百公里的范圍都是很常見(jiàn)的，需要百公里量級(jí)以上的遙感觀測(cè)能力；另一方面，對(duì)于自然界的微弱變形，需要高頻次觀測(cè)以提高變形的采樣頻率，提前預(yù)警地表變化。

(2) 水文科學(xué)(Hydrological Science)

水文科學(xué)是研究地球表面能量交換過(guò)程的基礎(chǔ)科學(xué)，海洋占地球表面水量的97%，是全球高低緯度地區(qū)能量交換的載體；陸地表層水是地表與大氣能量通量和水通量交換的重要參數(shù)。不管是海洋水還是陸地地表水，都與人類(lèi)生存息息相關(guān)。獲取全球大尺度水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，有利于探索全球海流的能量交換，追蹤水循環(huán)，使其更好地為人類(lèi)服務(wù)。對(duì)于水文的監(jiān)測(cè)，主要是利用水面特殊的散射特性，以及不同的極化方式下的水面特征進(jìn)行測(cè)量。目前中尺度和亞中尺度海洋渦旋是海洋能量循環(huán)的關(guān)鍵鏈路，但是由于現(xiàn)有遙感傳感器空間分辨率限制，亞中尺度海洋現(xiàn)象至今仍然是海洋遙感觀測(cè)的盲區(qū)。急切需要高分辨率大幅寬的數(shù)據(jù)推動(dòng)海洋科學(xué)的發(fā)展。

(3) 生態(tài)科學(xué)(Ecological Science)

生態(tài)系統(tǒng)是人類(lèi)與環(huán)境之間交互的聯(lián)系和紐帶，全球碳循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容。陸地植被是全球碳循環(huán)的核心監(jiān)測(cè)要素，全球植物總生物量的92%屬于森林生物量，因此森林生態(tài)系統(tǒng)受到了世界各國(guó)政府和科學(xué)家的高度重視，及時(shí)掌握森林資源的現(xiàn)狀及其變化規(guī)律，對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)生活至關(guān)重要[52]。獲取全球高精度森林生物量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有助于更好地研究生態(tài)科學(xué)，理解碳循環(huán)。針對(duì)植被的觀測(cè)主要是利用極化以及極化干涉的方法，利用微波的極化特征以及穿透特征進(jìn)行植被特征反演。實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)植被的結(jié)構(gòu)反演需要大范圍下高精度的數(shù)據(jù)來(lái)提供信息，而植被的生長(zhǎng)特性也要求其具有周期性的觀測(cè)能力，這也都是當(dāng)前遙感長(zhǎng)期觀測(cè)的難點(diǎn)。

(4) 極地科學(xué)(Polar Science)

極地包括南極、北極和青藏高原；在全球氣候變化的背景下，由于極地區(qū)域自身的脆弱性以及對(duì)氣候變化的高度敏感性和強(qiáng)反饋?zhàn)饔茫侨驓夂蜃兓念A(yù)警器。獲取極地高分辨連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)極地-全球氣候響應(yīng)模型，助力人類(lèi)生存環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。極地觀測(cè)主要是依靠冰雪特殊的散射特性，以及干涉特性進(jìn)行測(cè)量。其主要的觀測(cè)難點(diǎn)在于不同要素觀測(cè)周期差異很大，高頻次數(shù)據(jù)獲取難；高緯度、極夜嚴(yán)重限制觀測(cè)效率，數(shù)據(jù)獲取不足。因此需要從觀測(cè)的硬件條件上予以支持，也就是高分辨率大幅寬的高頻數(shù)據(jù)獲取。

高效能的See-Earth計(jì)劃，可以為地球科學(xué)的深入研究提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)支撐，監(jiān)測(cè)地球動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)全球狀態(tài)的周期更新，助力我國(guó)搭建全球化的科學(xué)產(chǎn)品體系，理解地表變化規(guī)律，探索人類(lèi)環(huán)境變化。

6 新體制拓展

See-Earth計(jì)劃以提供長(zhǎng)期、穩(wěn)定、高頻次、高性能的SAR觀測(cè)數(shù)據(jù)為目標(biāo)，可以為國(guó)家、行業(yè)、科學(xué)等多領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)幫助。在此基礎(chǔ)上，是否可以利用See-Earth計(jì)劃的衛(wèi)星系統(tǒng)，擴(kuò)展新的工作體制，延申其科學(xué)價(jià)值是值得進(jìn)一步探討的問(wèn)題，下面討論3種可能的擴(kuò)展方向。

6.1 雙多基成像

See-Earth星座以同一軌道面均勻配置的4顆高性能SAR衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)大范圍、高重訪、長(zhǎng)期、穩(wěn)定、高精度對(duì)地觀測(cè)。此時(shí)，各衛(wèi)星相對(duì)獨(dú)立工作，共同完成對(duì)全球范圍的快速觀測(cè)。如果對(duì)星座軌道進(jìn)行重新規(guī)劃或者增加伴飛小衛(wèi)星，See-Earth將具備雙基和多基成像能力。相比單基模式，雙多基SAR協(xié)同工作不僅同樣可以實(shí)現(xiàn)高分辨率寬幅成像，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)一些單基SAR無(wú)法做到的應(yīng)用。例如，圖34為T(mén)erraSAR-X與TanDEM-X組成的星座方位雙通道系統(tǒng)對(duì)海面浮冰的成像結(jié)果，由于雙星獲取同一目標(biāo)數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔長(zhǎng)達(dá)10 s，在這10 s中浮冰可能發(fā)生的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引入一個(gè)方位變化的相位項(xiàng)，這會(huì)影響方位雙通道系統(tǒng)的頻譜重建效果。圖34右圖中浮冰的假目標(biāo)仍然存在，且在真實(shí)目標(biāo)和假目標(biāo)上都出現(xiàn)橫條紋。這種現(xiàn)象一方面可視為該工作模式下的一個(gè)信號(hào)重建難題。另一方面，又為目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)指示提供了一種潛在的可能。See-Earth星座潛在的雙多基成像能力可進(jìn)一步拓展應(yīng)用方向，提供更加靈活的數(shù)據(jù)支撐。

圖34 TerraSAR-X/TanDEM-X雙基成像模式浮冰成像結(jié)果[53]Fig.34 The ice floe imaging results of TerraSAR-X/TanDEM-X dual-base imaging mode[53]

6.2 多角度二維洋流測(cè)量

傳統(tǒng)的二維洋流測(cè)速[54,55]采用兩顆衛(wèi)星的前后兩個(gè)波束分別獲取觀測(cè)區(qū)域的4幅圖像，波束分離后，單幅圖像的分辨率下降，且成像質(zhì)量大幅降低，直接影響干涉測(cè)量的精度。鑒于See-Earth星座單星出色的分辨率和幅寬組合，可以考慮增加單星多波束接收模式，相比原設(shè)計(jì)，減小觀測(cè)幅寬，提高PRF，利用單星實(shí)現(xiàn)多波束的數(shù)據(jù)獲取，而不再進(jìn)行直接的波束分離，有望大幅度提升二維洋流測(cè)速的精度。

6.3 三維形變監(jiān)測(cè)

See-Earth星座利用高重訪能力每?jī)商旒纯色@取一次目標(biāo)區(qū)域的觀測(cè)結(jié)果，為時(shí)序干涉處理提供了充足的數(shù)據(jù)源。但是，干涉處理的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)在于視線向變形，一般實(shí)際比較時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化為垂直方向的變形，由于極軌觀測(cè)中觀測(cè)角度的限制，對(duì)于東西向和南北向的形變測(cè)量精度較差。如果考慮調(diào)整See-Earth星座四顆星的布局方式，兩兩衛(wèi)星共面，形成差異化的軌道傾角組合，結(jié)合單星多波束接收模式，可從系統(tǒng)層面增加干涉數(shù)據(jù)的多樣性，將有可能為三維形變監(jiān)測(cè)帶來(lái)革命性的發(fā)展。

7 總結(jié)

在已有技術(shù)基礎(chǔ)上，See-Earth計(jì)劃持續(xù)加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)指標(biāo)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。通過(guò)發(fā)展我國(guó)自主創(chuàng)新的See-Earth衛(wèi)星系統(tǒng)，以獲取自主可控的高頻次、高性能廣域SAR圖像數(shù)據(jù)源，降低區(qū)域性風(fēng)險(xiǎn)，可極大推動(dòng)我國(guó)空間技術(shù)、空間應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，這無(wú)疑將會(huì)縮短我國(guó)在此研究領(lǐng)域與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，保障我國(guó)在基礎(chǔ)戰(zhàn)略性地理信息資源方面的優(yōu)勢(shì)地位，提高我國(guó)在空天遙感領(lǐng)域的話語(yǔ)權(quán)，為建設(shè)科技大國(guó)、擴(kuò)大影響力提供重要支撐。