SAR的发展概述

wangzhuang006

1951年6月美国Goodyear宇航企业的CarlWiley首先提出用频率分析方法改善雷达角分辨率的方法。与此同时，美国伊利诺依大学控制系统实验室独立用非相参雷达进行实验，验证频率分析方法确实能改善雷达角分辨率。1978年6月27日，美国国家航空航天局喷气推进实验室(JPL)****了世界上第1颗载有SAR的海洋卫星Seasat-A。该卫星工作在L波段、HH极化，天线波束指向固定，Seasat-A的****标志着合成孔径雷达已成功进入从太空对地观测的新时代 [1] 。美国宇航局(NASA)在Seasat-A取得巨大成功的基础上，利用航天飞机分别于1981年11月、1984年10月和1994年4月将Sir-A、Sir-B和Sir-C/X-SAR3部成像雷达送入太空。Sir-A是一部HH极化L波段SAR，天线波束指向固定，以光学记录方式成像，对1000×104km2的地球表面进行了测绘，获得了大量信息，其中最著名的是发现了撒哈拉沙漠中的地下古河道，显示了SAR具有穿透地表的能力，引起了国际学术界的巨大震动。产生这种现象的原因，一方面取决于被观测地表的物质常数(导电率和介电常数)和表面粗糙度，另一方面，波长越长其穿透能力越强。Sir-B是Sir-A的改进型，仍采用HH极化L波段的工作方式，但其天线波束指向可以机械改变，提高了对重点地区的观测实效性。Sir-C/X-SAR是在Sir-A，Sir-B基础上发展起来的，并引入很多新技术，是当时最先进的航天雷达系统:具有L、C和X3个波段，采用4种极化(HH，HV，VH和VV)，其下视角和测绘带都可在大范围内改变。“长曲棍球”(Lacrosse)系列SAR卫星，是当今世界上最先进的军用雷达侦察卫星，已成为美国卫星侦察情报的主要来源。自1988年12月2日，由美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机将世界上第1颗高分辨率雷达成像卫星“长曲棍球-1(Lacrosse-1)”送入预定轨道后，又分别在1991年3月、1997年10月、2000年8月和2005年4月将Lacrosse-2、Lacrosse-3、Lacrosse-4、Lacrosse-5送入太空，目前在轨工作的有Lacrosse-2～Lacrosse-5。4颗卫星以双星组网，采用X、L2个频段和双极化的工作方式，其地面分辨率达到1m(标准模式)、3m(宽扫模式)和0.3m(精扫模式)，在宽扫模式下，其地面覆盖面积可达几百km2。欧空局(ESA)欧空局分别于1991年7月和1995年4月，****了欧洲遥感卫星(EuropeanRemoteSensingSatellite，ERS)系列民用雷达成像卫星:ERS-1和ERS-2，主要用于对陆地、海洋、冰川、海岸线等成像。卫星采用法国Spot-I和Spot-Ⅱ卫星使用的MK-1平台，装载了C波段SAR，天线波束指向固定，并采用VV极化方式，可以获得30m空间分辨率和100km观测带宽的高质量图像。Envisat是ERS计划的后续，由欧空局于2002年3月送入太空的又一颗先进的近极地太阳同步轨道雷达成像卫星。Envisat上所搭载的ASAR是基于ERS-1/2主动微波仪(AMI)建造的，继承了ERS-1/2AMI中的成像模式和波束模式，增强了在工作模式上的功能，具有多种极化、可变入射角、大幅宽等新的特性，它将继续开展对地观测和地球环境的研究。意大利2007年6月，由意大利国防部与航天局合作项目的首颗雷达成像卫星Cosmo-Skymed1卫星的****入轨标志着Cosmo-Skymed星座项目的启动。Cosmo-Skymed卫星工作在X波段(9.6GHz)，具有多极化、多入射角的特性，具备3种工作方式和5种分辨率的成像模式:ScanSAR(100m和30m)、Strip-Map(3m和1.5m)、SpotLight(1m)。其中，Cosmo-Skymed星座是意大利的SAR成像侦察卫星星座，共包括4颗SAR卫星。该星座是与法国Pleiade光学卫星星座配套使用的，两者均采用太阳同步轨道，作为全球第1个分辨率高达1m的雷达成像卫星星座，Cosmo-Skymed系统将以全天候、全天时对地观测的能力、卫星星座特有的高重访周期和1m高分辨率的成像为环境资源监测、灾害监测、海事管理及军事领域等应用开辟更为广阔的道路。德国TerraSAR-X是首颗由德国宇航中心(DLR)和民营企业EADSAstrium及Infoterra企业根据PPP模式(公-私共建)共同开发的的军民两用雷达侦察卫星。该卫星于2007年6月15日从拜科努尔航天中心****升空，运行在515km的近极地太阳同步轨道上，工作在X波段(9.65GHz)，具有多极化、多入射角的特性，具备4种工作方式和4种不同分辨率的成像模式:StripMap(单视情况下:距离上3m，方位上3m)、Scan-SAR(4视情况下:距离上15m，方位上16m)、Spot-Light(单视情况下:距离上2m，方位上1.2m)和高分辨SpotLight(单视情况下:距离上1m，方位上1.2m)。SAR-LUPE是德国第1个军用天基雷达侦察系统，服务于德国联邦部队。该卫星系统主要由5颗X波段雷达成像卫星组成星座，分布在3个高度500km的近极地太阳同步轨道面上，其中2个轨道面上将有2颗卫星运行，另一个轨道面上有1颗卫星。每颗卫星都可以穿透黑暗和云层，提供分辨率1m以内的图像。整个卫星系统，每天可以提供全球从北纬80°到南纬80°地区的30多幅图像，具有SpotLight和Strip-Map2种工作模式，并且具有星际链路能力，缩短了系统相应时间，具备对“热点”地区每天30次以上的成像能力。俄罗斯1987年7月25日，前苏联成功****第1个雷达卫星演示验证项目Cosmos-1870，在此基础上，俄罗斯分别于1991年3月31日和1998年将“钻石”(Almaz)系列雷达成像卫星———Almaz-1和Almaz-1B送入倾角73°的非太阳同步圆形近地轨道。其中，Almaz-1是一颗对地观测卫星雷达成像卫星，工作在S波段(中心频率3.125GHZ)，采用单极化(HH)、双侧视工作方式，入射角可变(30°～60°)，分辨率达到(10m～15m)。Almaz-1B是一颗用于海洋和陆地探测的雷达卫星，卫星上搭载3种SAR载荷:SAR-10(波长9.6cm，分辨率5m～40m)、SAR-70(波长7cm，分辨率15m～60m)和SAR-10(波长3.6cm、分辨率5m～7m)，这3种SAR载荷均采用HH极化方式。此外，俄罗斯还将****Arkon-2多功能雷达卫星、Kondor-E小型极地轨道雷达卫星。加拿大航天局(CAS)加拿大航天局于1989年开始进行SAR卫星———RadarSat-1的研制，并于1995年11月4日在美国范登堡空军基地****成功，1996年4月正式工作，是加拿大的第1颗商业对地观测卫星，主要监测地球环境和自然资源变化。该卫星运行在780km的近极地太阳同步轨道上，工作在C波段(5.3GHz)，采用HH极化方式，具有7种波束模式、25种成像方式。与其他SAR卫星不同，首次采用了可变视角的ScanSAR工作模式，以500km的足迹每天可以覆盖北极区一次，几乎可以覆盖整个加拿大，时间每隔3天覆盖一次美国和其他北纬地区，全球覆盖一次不超过5天。RadarSat-2是加拿大继RadarSat-1之后的新一代商用合成孔径雷达卫星，它继承了RadarSat-1所有的工作模式，并在原有的基础上增加了多极化成像，3m分辨率成像、双边(dual-channel)成像和动目标探测(MODEX)。RadarSat-2与RadarSat-1拥有相同的轨道，但是比RadarSat-1滞后30min，缩短了对同一地区的重复观测周期，提高了动态信息的获取能力。日本JERS-1卫星于1992年2月11日在Tanegashima空间中心被****升空，主要用于地质研究、农林业应用、海洋观测、地理测绘、环境灾害监测等。该卫星载有2个完全匹配的对地观测载荷:有源SAR和无源多光谱成像仪，运行在570km的近极地太阳同步轨道上，入射角固定、单一极化(HH)，工作在L波段(中心频率1.275GHz)，分辨率18m。先进陆地观测卫星(AdvancedLandObservingSatellite，ALOS)于2006年1月24日被送入690km的准太阳同步回归轨道。ALOS采用高分辨率和微波扫描，主要用于陆地测图、区域性观测、灾害监测、资源调查等方面。该卫星携带了3种传感器:全色立体测图传感器PRISM、新型可见光和近红外辐射计AVNIR-2和相控阵型L波段合成孔径雷达PALSAR。该卫星具有多入射角、多极化、多工作模式(高分辨率模式和ScanSAR模式)及多种分辨率的特性，最高分辨率能达到7m。以色列TecSAR是以色列国防部的第1颗雷达成像卫星，运行在倾角为143.3°、高度为550km的太阳同步圆形轨道上，具有多极化(HH、VV、VH、HV)、多种成像模式(StripMap、ScanSAR、SpotLight、马赛克)及多种分辨率的特性，工作在X波段，最高分辨率可达到1m(SpotLight)。此外，据不完全统计，还有其他很多国家也在大力开展星载雷达的研究，已经****或即将****星载SAR的国家及卫星包括：印度的RiSat、韩国的“KompSat-5”、阿根廷的“SAOCOM”等。中国遥感1号卫星，是中国遥感系列卫星的第一颗，****时间是2006年。“遥感卫星一号”和用于****卫星的“长征四号乙”运载火箭，由中国航天科技集团企业所属上海航天技术研究院为主，中国科学院、中国电子科技集团、中国空间技术研究院等单位参与研制。卫星质量为2700余公斤，主要用于科学试验、国土资源普查、农作物估产和防灾减灾等领域，将对中国国民经济发展发挥积极作用。遥感卫星一号在重量、体积等方面都比长四乙火箭以前****的卫星更重、更大。这要求火箭要么是具有捆绑式的四个助推小火箭；要么采用二级点火技术，让火箭在太空中滑行一段时间后再次点火，再将卫星推至所需的高度和轨道。常规情况下，长四乙火箭整流罩的直径为2.9米和3.35米两种，而这颗卫星的“块头”比较大，所需空间直径达到3.8米。因此，这枚火箭在两个方面进行了技术创新：一是使用常规推进剂的火箭三级发动机采用了二次点火技术，二是采用了直径达3.8米的大整流罩。这两项技术创新带来的相关技术状态更改多达161项。