雷达水面成像

发布时间：

2024-06-24

雷达技术中广泛应用的电磁波频段涵盖了L、C、X、Ku、Ka等，并且在特定应用场景下，雷达技术还会采用更高频的毫米波和太赫兹波段，比如在汽车雷达中使用的W波段（频率为76-81GHz）。合成孔径雷达（SAR）是一种能够提供高分辨率地面成像的技术，其通过主动发射电磁波工作，…

雷达技术中广泛应用的电磁波频段涵盖了L、C、X、Ku、Ka等，并且在特定应用场景下，雷达技术还会采用更高频的毫米波和太赫兹波段，比如在汽车雷达中使用的W波段（频率为76-81GHz）。合成孔径雷达（SAR）是一种能够提供高分辨率地面成像的技术，其通过主动发射电磁波工作，因此不会受到日晒等光照条件的影响。得益于L、C、X、Ku频段的电磁波具有穿透云层、雾气和雨水的特性，SAR技术因此具备了全天候、全天时的作业能力。目前，多种商业、民用和军事用途的SAR卫星已经成功发射并运行，在地图绘制、灾害监测、海洋勘探等领域展现了其独特的价值。

接下来，我们来探讨一下SAR技术中的入射角问题。SAR的入射角需要适中，既不能过大也不能过小。如果入射角过小，会直接影响图像的分辨率，因为SAR的地表分辨率与其工作频率以及入射角的正弦值有关，即公式 c/Bsin（θ）。此外，过小的入射角还可能导致所谓的叠掩现象。如图所示，当地面存在起伏变化时，小入射角可能会导致较高的地面特征（如山脉或建筑物）与前方较低特征重叠，这在SAR图像的解析中会造成困难。

当入射角过大时，地面的后向散射效率会下降，导致SAR图像的信噪比降低，这同样不利于成像质量。因此，传统的SAR卫星通常选择中等入射角进行观测，以获得对陆地区域的高质量成像。

对于江、河、海、湖等水体进行观测时，传统的SAR技术面临诸多挑战。其中一个主要问题是，现有的SAR卫星大多是单站配置，即发射天线和接收天线位于同一位置。对于水体而言，其后向散射系数在小入射角时较强，但随着入射角的增加，水面后向散射系数会迅速减弱。

如图像所示，当入射角小于或等于6°时，水面后向散射系数仍保持在10dB以上，而当入射角超过20°时，该系数降至2dB以下，这表明反射的能量仅为垂直入射时的十分之一。这一现象可以理解为，水面类似于一面镜子，仅在垂直入射时才能产生强烈的反射，随着入射角的增加，大部分电磁波会被反射到其他方向。因此，在观测水面时，雷达系统更适合采用较小的入射角，例如不超过10°。此外，由于水体受到地球重力的影响，其表面的高度变化相对较小，因此即使使用小入射角也不会出现叠掩问题。

至今，已经发射了两颗针对水面成像的雷达卫星，分别是中国的天宫二号三维成像微波高度计（于2016年发射）和外国的SWOT卫星（于2022年发射）。天宫二号三维成像微波高度计作为首颗采用小入射角对海洋表面进行成像的雷达卫星。

接下来，我们通过对比天宫二号三维成像微波高度计和哨兵1号SAR卫星的图像，探讨不同入射角下雷达图像的特点。

所选用的哨兵1号SAR卫星数据采集时间为2018年10月7日22:04:26，其入射角为39°。而天宫二号三维成像微波高度计的数据采集时间为2018年10月8日01:09:25，其入射角范围为1°至8°。两组数据的时间差为3小时，它们共同监测的区域是我国的莱州湾。通过GOOGLE EARTH可以观察到莱州湾地区的光学图像，包括海面、黄河入海口以及周边陆地等细节。

下图展示了哨兵SAR卫星的成像结果。观察图像可以发现，在SAR图像中，莱州湾的海水后向散射强度明显低于陆地。特别是图像左侧的黄河区域，呈现出较暗的色彩，这表明在中等入射角条件下，水面的散射系数显著减小，因此传统SAR技术在获取水面信息方面存在一定难度，尤其是在平静的水面情况下。

与此形成对比的是，天宫二号三维成像微波高度计所获取的图像中，海面的后向散射强度显著高于陆地，甚至黄河水面的散射强度也相对较高。此外，莱州湾沿岸区域有许多明亮的部分，这些区域可能存在养殖场。同样，一些水库区域也呈现出较高的亮度。总的来说，水体的散射强度普遍高于陆地，这凸显了采用小入射角观测水体的优势。

值得注意的是，天宫二号三维成像微波高度计不仅能够获取水面的后向散射系数，还具备通过干涉测量技术测定水面高度的能力。关于这一技术的详细应用，本文不再展开讨论，感兴趣的读者可以参考相关研究文献（天宫二号三维成像微波高度计在轨运行888天，取得一系列亮点成果）。

采用小入射角雷达技术对水面进行成像，能够在全天候、全天时的条件下对海洋、河流、湖泊等进行高效率的监测，这对于海洋资源管理、防洪减灾等多个领域都具有极其重要的意义。

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