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合成孔径雷达技术的发展现状与趋势


第 15卷   第 2期 2000年 6月

       REM O T E SEN SIN G T EC HN O LO GY AN D A PPLICA TION

遥  感  技  术  与  应  用

Vol . 15   N o. 2 J un . 2000

合成孔径雷达技术的发展现状

与趋势
吴一戎 , 朱敏慧
(中国科学院电子学研究所  北京   100080) 摘要: 对合成孔径雷达技术在国外的发展现状和发展趋势进行了归纳分析。 对当前合成孔径雷达技 术研究的热点 : 多参数 (多频段、多极化和多视角 ) SAR系统、 SAR干涉测量、聚束 SAR 、 SAR的干 扰和反干扰、 定标技术及其应用等方面进行了讨论。最后介绍了我国在合成孔径雷达技术研究方面 的工作进展。 关  键  词: 合成孔径雷达 ; 发展现状与趋势 中图分类号: T P 732. 1   文献标识码: A   文章编号 : 1004-0323( 2000) 02-0121-03

1  引 言
合成孔径雷达 ( Sy nthetic Aperture Radar , 简称 SAR)是一种高分辨率的二维成像雷达 ,由于其具有 全天候全天时的优点 , 特别适于大面积的地表成像。 SAR技术的产生最早可追溯到 20世纪 50 年代初 , 由于军事侦察雷达不断地提高对分辨率的需求 , 美 国 科 学家首先 提出并分 析了 “ 合成孔径 ” 的 概念。 1957 年 8 月 23日 , Michigan 大学与美国军方合作 研究的 SAR实验系统成功地获得了第一幅全聚焦 的 SAR图像 。 此后许多国家都拥有了自己的机载 SAR, SAR应用也从军事领域拓展到广阔的民用领 域 。 1978年 5月美国宇航局 ( N ASA)发射了海洋一 号卫星 ( Seasat-A) , 在卫星上 , 首次装载了合成孔径 雷达 , 对地球表面 1 亿 km 的面积进行了测绘 , 标 志着 SAR已成功地 进入了空间领域 。 此 后 , 星载 SAR技术得到迅速的发展 , 一系列星载 SAR先后 升空。 除 Seasat-A外 , N ASA还发射了“航天飞机成 像雷达 ” SIR-A、 SIR-B和 SIR-C /X-SAR 。 前苏联也 于 1991 年 3 月发射了 ALM AZ-1星 载 SAR, 欧空 局于 1991 年 7 月发射了 ERS-1, 日本于 1992 年 2 月 发 射 了 JERS-1, 加 拿 大 于 1995 年 初 发 射 了 Radarsat 等等 , 到 21 世纪的前五年 , 一些国家或国 家集团包括俄国、 日本 、加拿大、 印度 、欧共体和美国 的空间机构都有部署进一步发射 SAR遥感器 。星载 SAR系统具有数据量大 , 测绘范围广的特点 , 更适
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合对全球进行监测。

2   SAR技术发展现状与趋势
2. 1   多参数 (多频段、 多极化和多视角 ) SAR 系统 SAR 系统是利用电磁波作为载体对地物进行 测绘的 , 当 SAR系统发射不同波段、 不同极化的电 磁波和电磁波以不同入射角照射地物时 , SAR系统 会接收到不同的地物微波散射信息 。在 SAR技术迅 猛发展的今天 ,能够得到更大信息量的多参数 SAR 系统越来越受到人们的重视 , 成为 SAR系统今后发 展的方向 。 2. 2   SAR 干涉测量 20 世纪 70 年代末以来 , 国际上开展了三维成 像理论的研究 , 提出了众多的理论与实施方案 。 最先 取得实际应用效果的是 SAR干涉测量 。 利用普通 SAR 在同一区域进行两次或多次条件苛刻的飞行 可以得到地面的三维影像 , 但这种方法的成像率很 低。干涉 SAR系统是 SAR系统的一种新体制 , 它是 通过在 SAR飞行平台上装载两路相互独立的 SAR 通道 (两通道的天线之间保持一衡定距离 ) , 分别对 地面同一区域进行测绘得到两幅 SAR图像进行干 涉处理来获得第三维的信息。 根据获得这两幅 SAR 图像的天线位置不同 , 可分为两种干涉技术: 时间干 涉可获得方位、 距离 、速度三维信息 。 位置干涉可获 得地面目标的高度信息 , 即得到方位 、距离 、高度三 维信息。 近年来获得三维信息又出现了新的途径 。

收稿日期 : 2000-03-06 基金项目 : 本课题由 863-308项目资助 。 作者简介 : 吴一戎 ( 1963- ) ,男 ,研究员 ,从事合成孔径雷达信息处理研究工作。

                122 遥  感  技  术  与 应  用                第 15卷 2. 3  聚束 SAR 及 SAR 的干扰 、反干扰 聚束 SAR的天线波束在合成孔径时间内始终 凝 视着 测 绘区 域 , 实现 小 区域 成 像 , 得到 比 带状 SAR更高的分辨能力 , 当前聚束 SAR的分辨率已 达到 30 cm。 SAR是一种重要的军用侦察设备 ,因而它就必 然处于电子战的环境中 。作为 SAR的干扰和反干扰 技术 , 其基础是 SAR的信号处理 , 目前尚处于前期 研究阶段。 随着 SAR在军事用途中发挥作用的加 强 , 对 SAR的干扰和反干扰的研究会得到重视 。 2. 4   SAR星座 经过多年努力 , 已有多颗大型微波遥感卫星升 空。 为了节省经费 , 目前提倡在大型微波遥感卫星之 间和在航天飞机装载的遥感器之间的合作和协调 , 例如 ERS-1与 ERS-2的 Tandem 干涉 SAR数据和 SIR-C与 X-SAR的联合飞行。 今后还将组织 SIRC /X-SAR 与 ERS / ENVISAT 和 / 或 Radarsat SAR 的编队飞行 , 提供± 60 ° 纬度区域内的数字地形图 , 用以今后高分辨率地形研究和应用。 目前许多用户 希望卫星能缩短对某一特定地区的重复观测周期 , 获得高时间分辨率的动态遥感信息。 由于微波遥感 对地面的阳光照射无限制条件 , 轨道设计自由度大 , 增加对地观测的时间分辨。 目前小型对地观测卫星 的主要技术困难是既要保证遥感器技术性能 , 又降 低其重量和功耗 , 还要有足够的测轨与姿态控制精 度 , 以保证遥感数据的质量 , 此外对地面处理也提出 了更高的要求 。 2. 5  定标技术及其应用 遥感技术及其应用发展至今 , 定性遥感已远不 能满足民用和军用发展的需要。定量遥感应运而生 , 而且日趋成熟 ,形成新的产业。 遥感从定性发展到定 量 , 标志着遥感技术及应用发展的新阶段 。 21 世纪 的遥感是定量遥感的时代。 SAR定标的根本目标就是确定 SAR图像中的 灰度值与地物后向散射系数的精确关系。 随着 SAR 技术的发展 ,定标技术已成为新一代 SAR系统必不 可少 的 组成 部 分 , 广泛 应 用 于机 载 SAR 和 星 载 SAR以生产 SAR的精密定量产品。 SAR定标技术 是实现 SAR对地定量观测的关键技术 , 它涉及到的 “定量” 包含了遥感技术的信息获取、 信息处理和信 息应用的全部 , 是多学科 、多种技术有机组成的高技 术集成。

3  我国 SAR研究工作进展
70 年代中期 ,中国科学院电子学研究所率先开 展了 SAR技术的研究 。 1979 年取得突破 ,研制成功 了机载 SAR原理样机 , 获得我国第一批雷达图像 。 1987 年完成国家“ 六五 ”攻关项目“ 机载多条带多极 化 SAR ” , 装备在中国科学院遥感飞机上 。 1990年研 制成功 SAR机— 地实时传输系统。 1994 年完成了 “ 机载实时成像器” 863 项目 , 系统吞吐量在载机最 大飞行速度时达到 1帧 / 3 mi n, 每帧图像 35 km× 35 km。 从而机载雷达系统成为我国民用遥感的有 效工具。 近年来多次在我国洪涝监测中发挥了重要 作用 。 自 80 年代末 , 国家 863计划部署了发 展 SAR 及相关技术的一系列课题 , 其中 “星载 SAR模样机 研制 ”列为 863 计划重大项目 , 安排中科院电子所为 总体单位 , 航天总公司五院 504 所 , 501所和电子部 14 所参加 ,承担大型有源天线研制工作。 1998年夏 顺利通过了验收 , 在经过星 载 SAR关键 技术攻关 后 ,最近中国雷达卫星一号已批准列入型号任务 , 计 划下世纪初发射 。 自“八五”“ 九五” 以来 , 根据国家的迫切需要和 国际上 SAR技术发展趋势 ,我国还安排了雷达及其 SAR成像处理技术相配套的工程任务 , 其中包括机 载高分辨雷达系统 , 部署了 SAR定标技术、 SAR干 涉技术等一系列前沿课题和相关的应用研究 。 相信 在下世纪的前 5 年内 , 我国 SAR技术将飞速发展 , 在国民经济建设和国防建设中做出巨大的贡献。

The Devel oping Status and Trends of Synthetic Aperture Radar
W U Yi-rong, ZHU Min-hui
( Institute of Elect ronics , The Chinese Academ y of Sciences, Beij ing 100080) Abstract : The recent dev eloping status both in china and abroad on synthetic aperture radar is review ed in the paper. The trends of synthetic aperture radar in the early of coming century are analy zed, that include : multipa rameter ( multi-f requency , m ulti-polari za tion , multi-angle , etc. ) synthetic aperture radar; i nterferomet ric

第 2 期           吴一戎等: 合成孔径雷达技术的发展现状与趋势           123 sy nthetic apert ure radar; spo tlight SAR; i nt erf erence and anti-interference of SAR; SAR const ellation and technology of calibration. Key words : Synthetic apert ure radar( SAR) , Dev eloping stat us and trends

资料
高分辨率商用地球观测卫星传感器基本信息
公司名称 卫星名称 模式 分辨率 ( G SD ) ( m) 光谱带宽 (μm) 地球观测公司 “ QuickBird” Pa n  MS 0. 82 3. 28 轨道成像公司 “ O rbV iew -3 ” “ O rbV iew -4 ” Pa n     M S     HS “ OV - 3” 1 “ OV - 4 ” 1和 2
0. 45 ~ 0. 90

空间成像公司 “ IKO NO S 1 ” &2 Pan  M S 0. 82 3. 28

西印地安空间公司 “ ERO S-A” “ ERO S-B ” Pan 1. 5 Pan 0. 82 MS 3. 28

4

“ OV - 4” 8

0. 45 ~ 0. 90 0. 45 ~ 0. 52 0. 52 ~ 0. 60 0. 63 ~ 0. 69 0. 76 ~ 0. 89

0. 45 ~ 0. 52 200 个波段 0. 52 ~ 0. 60 0. 45 ~ 2. 50 0. 63 ~ 0. 70 0. 76 ~ 0. 90 80个波段 3. 0 ~ 5. 0

0. 45 ~ 0. 900. 45 ~ 0. 52 0. 50 ~ 0. 90 0. 52 ~ 0. 60 0. 63 ~ 0. 69 0. 76 ~ 0. 90

0. 50 ~ 0. 90

3 个波段 或更多

刈幅宽及 天底 ( km ) 最小像元尺度 ( km2 ) 视    场 立体成像 方位 : 在轨    穿轨 传感器定位 传感器姿态 精度 (δ x y ,δ z) 有地面控制点 无地面控制系统

22

8

8

5

11

13. 5

16

484+ 1. 26 ° 在轨或穿轨 ± 38 ° ± 30 ° G PS 恒星跟踪系统 水平   垂直 2m   3m 23m   17m

64 + 1 ° 在轨或穿轨 ± 45 ° ± 45 ° GP S 双星跟踪系统 水平   垂直 1 ∶ 10 000 1 ∶ 50 000

25

121 + 0. 93 ° 在轨或穿轨 ± 45 ° \ = ± 45° G PS 双星跟踪系统

182+ 1. 8° 在轨 ± 45 ° ± 45 ° GP S 无 水平   垂直 6m  4m 800m

256 + 1. 9 ° 在轨 ± 45° ± 45° G PS 恒星跟踪系统 水平   垂直 2m   3m 50m

未定

水平   垂直 2m   3m 12m   10m

  资料来源 : 《 Proceedings of the U N ISP ACE Ⅲ Regional Prepa ratory Confrence for Eastern Eur ope 》 ,由国家遥感中心提供 。


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