合成孔径雷达：穿透云雾的观测“利器”

发布时间：

2024-07-22

SAR如何穿透云雾识别“伪装”中国的气象卫星系统由21颗气象卫星组成。‌这些卫星中，‌9颗正在轨运行，‌实现了极轨卫星和静止卫星的业务化运行。‌中国是继美国、‌俄罗斯之后第三个同时拥有极轨气象卫星和静止气象卫星的国家。‌中国的气象卫星系统包括风云一号、‌风云

SAR如何穿透云雾识别“伪装”

中国的气象卫星系统由21颗气象卫星组成。‌这些卫星中，‌9颗正在轨运行，‌实现了极轨卫星和静止卫星的业务化运行。‌中国是继美国、‌俄罗斯之后第三个同时拥有极轨气象卫星和静止气象卫星的国家。‌中国的气象卫星系统包括风云一号、‌风云二号、‌风云三号和风云四号系列卫星，它们全天候、全天时地对天气情况进行监测。风云四号A星每15分钟对国内区域进行一次天气观测，必要时甚至可以缩短至每5分钟进行局地观测。而风云三号极轨气象卫星组合则每天对我国的主要江河流域和湖泊进行六次巡查。国家卫星气象中心每天使用风云三号和高分系列卫星对关键湖泊、水库和河流进行监测，这些包括鄱阳湖、洞庭湖、丹江口水库、密云水库以及官厅水库等。星载合成孔径雷达（SAR）具备穿透云雾的能力，能够在任何时间、任何天气条件下进行监测，帮助人们迅速了解洪水灾害对目标地区的影响。

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在2020年7月，安徽淮河流域遭受强降雨袭击。在监测淮河期间，由于降雨持续不断，光学卫星观测受到云雾的遮挡，难以对地表进行全面的观测。国家卫星气象中心迅速获取了风云气象卫星和高分三号卫星SAR的数据，持续监测淮河流域蒙洼蓄洪区及周边水域的水体变化，为防灾减灾和政府决策提供了重要参考。

与传统的成像方式不同，SAR技术通过单个辐射单元沿直线在多个位置平移，并在每个位置发射脉冲信号，接收并储存相应位置的雷达回波信号，然后通过信号处理技术形成一个等效的长线性阵列天线。这种技术不同于传统的地基和空基雷达观测原理。

由于SAR工作在微波波段的低频率，雷达波束能够有效穿透云层，实现全天候的观测。SAR具有高分辨率，能够有效识别隐藏目标，并穿透云、雾等自然遮挡物。因此，采用星载SAR观测系统能够获取全天候超高分辨率的气象灾害图像信息。

实际上，SAR技术在中国的应用可以追溯到2008年汶川地震的救援工作。当时，中科院电子所的SAR技术还处于测试阶段，但由于汶川上空云层浓厚，星载和机载光学观测设备无法透过云层观测地面情况，国家紧急调动飞机搭载测试阶段的SAR设备观测震后汶川的精细地貌，对于精准救援发挥了关键作用。

SAR未来发展势头强劲

由于星载合成孔径雷达（SAR）能够穿透云、雨、雾、沙尘暴等天气现象，具备全天候的工作能力，因此可以预见，SAR技术将继续保持强劲的发展势头。

目前，用户可以方便地获取到来自欧洲航天局的哨兵一号卫星以及我国的高分三号卫星的SAR数据。高分三号卫星是我国首颗搭载空间分辨率最高可达1米的C波段多极化SAR的民用卫星，拥有世界上最多的成像模式，包括波成像等12种成像模式。在选择雷达波段时，需要考虑多个因素，包括大气传输窗口、频率和极化对信息提取的影响、图像质量与设备复杂度之间的平衡等。

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大气中的氧气、云、雾和雨等会对高频电磁能量产生明显的吸收作用，在特定频率上出现尖锐的吸收峰值。此外，雷达信号在穿透电离层和对流层时可能会遭受相位失真、极化旋转和能量损耗，导致图像出现误差，甚至无法成像。因此，星载SAR的工作频段更适合选择L、C、X波段，这些波段广泛应用于航空测量、航空遥感、卫星大气海洋观测、航天侦察、图像匹配制导等领域。

目前，SAR卫星系统在国际上已进入高速发展阶段，除了美国、加拿大、德国、日本等国，越来越多的国家和地区也加入了这一领域，例如印度与美国合作的NISAR、韩国的KOMPSAT5/6等项目。同时，新的模式和技术不断涌现，尤其是在传统强国研发下一代SAR卫星系统方面表现得尤为突出。

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在数据应用方面，除了传统的单幅图像应用，数据集应用越来越受到重视，例如多极化图像、多幅图像的时间序列分析等。应用领域也扩展到了陆地、海洋、森林和大气等多个方向，进行深入的应用与业务化探索。可以预见，SAR技术将很快成为我国风云卫星载荷的一部分，通过采用多频、多极化等先进技术，对大气和地表进行同步的全天候精密监测，成为国民经济与建设领域不可或缺的重要支撑。”