看天線識(shí)衛(wèi)星，漫談衛(wèi)星天線（四）合成孔徑雷達(dá)（下）

+ 袁冬

題圖中，在緊縮場(chǎng)靜靜躺著一個(gè)長(zhǎng)條乳白色狀物體，有細(xì)細(xì)的條紋，不知是何物？其實(shí)這就是大名鼎鼎的全天候千里眼——合成孔徑雷達(dá)（SAR）衛(wèi)星的天線！請(qǐng)看本期——帶長(zhǎng)板凳天線上天的雷達(dá)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星（下篇）。

三、技術(shù)革新、不斷迭代

“海衛(wèi)-1”不幸夭折，就像第一個(gè)吃螃蟹的——雖然味美，但難免被刺給扎著。針對(duì)傳統(tǒng)合成孔徑雷達(dá)的弱點(diǎn)，各國(guó)先后開(kāi)展了各種改進(jìn)，引發(fā)對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的巨大革新！

上世紀(jì)80年代初，航天飛機(jī)紅極一時(shí)，1981年11月12日，哥倫比亞號(hào)（STS-2）航天飛機(jī)裝載利用“海衛(wèi)-1”的備用天線制造的SIR-A雷達(dá)上天，SIR是Spaceborne Imaging Radar的首字母縮寫(xiě)，由于發(fā)現(xiàn)了撒哈拉沙漠的地下古河道，引起了國(guó)際科技界的震動(dòng)。1984年10月5日發(fā)射的挑戰(zhàn)者號(hào)（STS-41G）航天飛機(jī)搭載了SIR-B，由于增加了天線機(jī)械掃描，對(duì)地觀測(cè)入射角在15～60度可變，數(shù)據(jù)處理也由之前的膠片改為數(shù)字。但兩個(gè)項(xiàng)目均為L(zhǎng)波段HH極化。HH極化，前一個(gè)H表示發(fā)送水平極化波，后一個(gè)H表示接收為水平極化波，關(guān)于極化的知識(shí)，詳見(jiàn)《看天線，識(shí)衛(wèi)星——漫談衛(wèi)星天線（一）》。NASA感覺(jué)到，可以有更多革新可以實(shí)施。

（一）多波段，多極化——美國(guó)一馬當(dāng)先

NASA通過(guò)對(duì)“海衛(wèi)-1”的圖像研究提出，為最大限度地改進(jìn)圖像質(zhì)量，并解決電磁波與地表相互作用方面的有關(guān)問(wèn)題，需要多種頻率和多極化方式進(jìn)行比較，以找出各種不同應(yīng)用情況的最佳頻率范圍和極化。同樣入射角觀測(cè)地物時(shí)，X 波段比C和L波段更能夠精確地描述目標(biāo)的細(xì)微形狀。大量資料指出，星載SAR所觀測(cè)的后向散射波不只是來(lái)自目標(biāo)的表面，也有來(lái)自內(nèi)部，即電磁波穿透得到的回波。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，穿透力越強(qiáng)，這種作用在觀察比較稠密的作物或樹(shù)木生長(zhǎng)情況時(shí)特別明顯，而更短波長(zhǎng)C/X波段在海冰、土地沖蝕、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等方面觀測(cè)質(zhì)量較好。（參見(jiàn)圖17）

X波段特別適合對(duì)冰的觀察和分類，也特別適合對(duì)海面污染層的觀察，對(duì)于海洋咸水，小于X波段的電磁波的穿透深度幾乎是零，而對(duì)于淡水和穿透地下目標(biāo)的觀測(cè)來(lái)說(shuō)，L波段特別適用。對(duì)旱澇災(zāi)害監(jiān)視，采用L波段或C波段來(lái)觀測(cè)土壤濕度是一種有效的空間遙感手段。觀察海洋上的強(qiáng)目標(biāo)，從信號(hào)相干性和靈敏度而言，C波段是最佳的選擇。

圖17 各個(gè)波段對(duì)不同被觀測(cè)物的效果

圖19 1994年，STS59/68美國(guó)航天飛機(jī)兩次搭載SIR-C / X-SAR雷達(dá)進(jìn)入太空，進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)

圖18 同一目標(biāo)對(duì)于四種不同極化的成像

在極化方面，不同的被觀測(cè)物體對(duì)于入射的不同極化波，會(huì)后向散射不同的極化波。因此空間遙感可以使用多波段來(lái)增加信息含量，也可以用不同的極化來(lái)增強(qiáng)，提高識(shí)別目標(biāo)的準(zhǔn)確度。經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于海洋應(yīng)用，L波段的HH極化較敏感，而C波段是VV極化比較好；對(duì)于低散射率的草地和道路，水平極化使地物之間有較大的差異，所以，地形測(cè)繪用的星載SAR都使用水平極化；對(duì)粗糙度大于波長(zhǎng)的陸地，HH或VV無(wú)明顯變化。如圖18所示，同一目標(biāo)對(duì)于四種不同極化的成像，V表示垂直極化。

經(jīng)驗(yàn)表明，不同極化下同一地物的回波強(qiáng)弱不同，圖像的色調(diào)也不一樣，增加了識(shí)別地物目標(biāo)的信息。相同極化（HH，VV）和交叉極化（HV，VH）的信息比較，可以顯著地增加雷達(dá)圖像信息，而且，植被和其他不同地物的極化回波之間的信息差別比不同波段之間的差別更敏感。所以，多極化工作是SAR 衛(wèi)星發(fā)展方向之一。

1994年，STS59/68美國(guó)航天飛機(jī)兩次搭載SIR-C / X-SAR雷達(dá)，其中X-SAR由德國(guó)和意大利聯(lián)合研制，這一系列SAR載荷從單一的L波段擴(kuò)展到了L、C、X三個(gè)波段；從單純的HH極化發(fā)展到HH、VV、HV和VV四種極化方式，并具有可變?nèi)肷浣呛汀熬凼Ｊ剑暎琒POTLIGHT）”的能力，主要用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和資源勘探等方面。（參見(jiàn)圖19）

（二）干涉SAR，彌補(bǔ)斜視盲區(qū)

第一章節(jié)提到的“歪頭斜腦定遠(yuǎn)近，多普勒頻偏定前后”理論表面上無(wú)懈可擊，但在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候，其實(shí)SAR雷達(dá)側(cè)視成像也會(huì)看走眼，比如圖20這個(gè)極端的例子，B點(diǎn)為某高山頂峰，和山腳下A點(diǎn)離衛(wèi)星距離一致，幾乎同時(shí)到達(dá)SAR接收天線，信號(hào)混雜，在距離向上無(wú)法分辨，山坡坡面壓縮，這種現(xiàn)象稱為圖像折疊。

另外山背面也會(huì)讓SAR感到很困惑，如圖21，A、B兩座高山，由于峰頂遮擋，在離SAR不同距離下，隨著遮擋的產(chǎn)生，山背后一大片成像變?yōu)殛幱?，質(zhì)量糟糕。而陰影是所有遙感影像中最不希望出現(xiàn)的。

為解決這個(gè)問(wèn)題，干涉合成孔徑雷達(dá)(Interferometric Synthetic Aperture Radar，簡(jiǎn)稱InSAR)應(yīng)運(yùn)而生。它綜合了SAR成像和干涉測(cè)量技術(shù)原理，通過(guò)對(duì)同一地區(qū)的兩次觀測(cè)成像，獲取兩幅單視復(fù)數(shù)圖像，對(duì)兩圖像進(jìn)行干涉處理，提取其相位信息，它主要應(yīng)用于測(cè)地面點(diǎn)的高程及其動(dòng)態(tài)變化，形成三維地表信息。（參見(jiàn)圖22）

這一技術(shù)其實(shí)美國(guó)軍方早就秘密開(kāi)發(fā)并使用，通過(guò)機(jī)載SAR干涉測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于地形測(cè)繪，利用相位差圖像獲取高程信息，并于1971年申請(qǐng)了相關(guān)專利。1972年Zisk采用同樣的方法來(lái)測(cè)量月球的地形，NASA的Graham在1974年利用機(jī)載合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取了能滿足1:25萬(wàn)比例地形圖要求的高程數(shù)據(jù)，開(kāi)創(chuàng)了InSAR技術(shù)在對(duì)地觀測(cè)中獲取三維信息的先河。

1978年“海衛(wèi)-1”衛(wèi)星在空間飛行100天獲取地球表面雷達(dá)干涉測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)利用其重復(fù)軌道干涉模式，首次獲得了地球表面的星載SAR干涉測(cè)量數(shù)據(jù)。1986年，NASA旗下噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的Zebker和Goldstein等人在理論和實(shí)踐上對(duì)干涉SAR進(jìn)行了完善和發(fā)展，成功研制航空雷達(dá)干涉測(cè)量?jī)x，并采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)將獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行立體測(cè)圖，取得了10m以下的高程測(cè)量精度。此后，各國(guó)科研人員都加入到干涉SAR的研究行列里來(lái)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和算法處理上都取得了較顯著的科研成果。以圖23智利阿塔卡馬沙漠?dāng)?shù)字高程模型（DEM）制作為例：

圖中（a）為星載單通道SAR干涉儀TanDEM-X采集的圖像，對(duì)應(yīng)的兩幅圖像已進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，圖像的配準(zhǔn)精度至少應(yīng)為1個(gè)像素，為了得到較好的干涉圖, 一般需要1/10像素的精度，同時(shí)去除噪聲；

圖20 SAR雷達(dá)側(cè)視成像也會(huì)看走眼

圖21 由于斜視，離SAR雷達(dá)越遠(yuǎn)，圖像陰影越發(fā)嚴(yán)重

圖22 通過(guò)對(duì)同一地區(qū)的兩次觀測(cè)成像，獲取兩幅單視復(fù)數(shù)圖像，干涉處理后恢復(fù)高程信息

圖23 三步法制作阿塔卡馬沙漠（智利）數(shù)字高程模型（DEM）

圖中（b）是對(duì)干涉圖去平地相位處理。由于基線的存在，導(dǎo)致兩圖下視角存在差異，即使高度不變的平地在干涉圖中也表現(xiàn)出呈周期性變化的干涉條紋（主要為平行于方位向的條），這一現(xiàn)象稱為平地效應(yīng)。在進(jìn)行相位解纏和濾波之前，需要去除平地相位，否則干涉相位圖不能反映真實(shí)的地貌特征或者地表形變信息,并且條紋的密集化也增加了相位解纏和濾波的難度；

圖中（c）相位展開(kāi)，根據(jù)基線參數(shù)，計(jì)算出高度值。

InSAR有很多種類，按照SAR圖像的獲取方式，InSAR可分為單軌雙天線干涉測(cè)量和重復(fù)軌道干涉測(cè)量?jī)煞N。20世紀(jì)90年代是InSAR技術(shù)迅速發(fā)展的階段，以SRTM（Shuttle Radar Topography Mission，航天飛機(jī)雷達(dá)測(cè)繪任務(wù)）系統(tǒng)為例，即為典型的單軌雙天線干涉測(cè)量系統(tǒng)。

美國(guó)NASA和國(guó)家影像與測(cè)繪局合作，在“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)上裝載了一單軌雙天線系統(tǒng)用于獲取全球三維地形信息。該系統(tǒng)同時(shí)擁有C波段（5.3 GHz）和X波段（9.6 GHz），兩個(gè)波段的SAR系統(tǒng)均使用位于航天飛機(jī)敞開(kāi)貨艙中的主天線和分別安裝在可展開(kāi)的外側(cè)桅桿上的第二接收天線來(lái)獲取干涉圖像，即在航天飛機(jī)上使用雙天線實(shí)施干涉SAR（InSAR）地形測(cè)繪。主天線是目前最重的SAR天線，重達(dá)13.6噸，放在航天飛機(jī)的貨艙中，另外60米長(zhǎng)桅桿重360公斤，基線長(zhǎng)度的精度測(cè)量要求達(dá)到2毫米。（參見(jiàn)圖24、25、26）

美國(guó)“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)于2000年2月11日到22日利用SRTM的SIR-C和X-SAR對(duì)全球地形進(jìn)行測(cè)繪，耗資3.6億美元，11天內(nèi)共計(jì)進(jìn)行了222小時(shí)23分鐘的數(shù)據(jù)采集工作，獲取的雷達(dá)影像數(shù)據(jù)達(dá)9.8萬(wàn)億字節(jié)，數(shù)據(jù)覆蓋范圍在北緯60°至南緯56°之間，覆蓋面積超過(guò)1.19億平方公里（約占地表總面積的80%），數(shù)據(jù)產(chǎn)品為間距30m和90m的數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和三維地形圖，絕對(duì)測(cè)高精度為水平20m，垂直16m，相對(duì)測(cè)高精度為水平15m，垂直4m。這也是全球首次獲得如此豐富的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)了基于InSAR技術(shù)真正意義上的全球地形三維測(cè)繪，這是目前InSAR應(yīng)用最成功的例子。（參見(jiàn)圖27）

圖24 航天飛機(jī)帶了一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的桅桿上天，形成雙天線接收

圖25 60米長(zhǎng)的桅桿，僅重360公斤，而且可伸縮自如

圖26 航天飛機(jī)“四腳朝天”，肚子向地面拍攝了11天

圖27 SRTM對(duì)厄瓜多爾科托帕希山（Mt. Cotopaxi in Ecuador）的成像

（三）不甘落后，奮起直追的歐空局

與此同時(shí)，歐洲也不甘示弱，SAR星技術(shù)發(fā)展迅猛。歐空局于1991年7月利用阿里安4火箭發(fā)射了歐洲的地球資源衛(wèi)星（ERS-1），衛(wèi)星采用法國(guó)MK-1平臺(tái)，裝載了C 波段（5.3GHz）SAR ，VV極化獲得了30m空間分辨率和100km觀測(cè)帶寬的高質(zhì)量圖像。1995年，歐空局發(fā)射了性能類似的ERS-2衛(wèi)星。（參見(jiàn)圖28）

雄心勃勃的歐空局于2002年3月1日，在法屬圭亞那庫(kù)魯?shù)墓鐏喣呛教熘行睦冒⒗锇?號(hào)發(fā)射了一個(gè)大件，重達(dá)8211公斤的巨無(wú)霸SAR星---Envisat，開(kāi)發(fā)和運(yùn)營(yíng)的成本達(dá)到了23億歐元（包括5年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用3億歐元）。該衛(wèi)星在774公里的太陽(yáng)同步極軌道工作，傾角98.55度，重復(fù)周期35天。該衛(wèi)星攜帶了5年工作壽命所需的319千克推進(jìn)劑。2118千克有效載荷其實(shí)包含9臺(tái)科學(xué)儀器，包括了一臺(tái)發(fā)射峰值功率7.95千瓦的ASAR（高級(jí)合成孔徑雷達(dá)），它以多種模式在C波段工作，多種極化，入射角范圍可調(diào)，為15-45度。許多科學(xué)學(xué)科使用該衛(wèi)星上不同傳感器獲得的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行諸如大氣化學(xué)、臭氧消耗、生物海洋學(xué)、海洋溫度和顏色、風(fēng)浪等水文（濕度，洪水）、農(nóng)業(yè)和樹(shù)木栽培、自然災(zāi)害、數(shù)字高程建模（使用干涉測(cè)量）、海上交通監(jiān)測(cè)、大氣擴(kuò)散模擬（污染）、制圖、雪和冰等方面的研究。（參見(jiàn)圖29、30）

原本工作5年，實(shí)際工作了10年，在2012年4月8日與衛(wèi)星失去聯(lián)系后，歐空局于2012年5月9日正式宣布Envisat的任務(wù)結(jié)束，目前該衛(wèi)星成為了最重的太空垃圾之一。接替Envisat任務(wù)的是Sentinel，哨兵系列衛(wèi)星。其中第一顆，Sentinel 1，于2014年4月3日發(fā)射成功，本篇題圖即為其SAR天線的圖片。

這里要好好介紹一下SAR的長(zhǎng)板凳天線，SAR天線是一種星載大型天線系統(tǒng)，典型的有微帶平面陣、波導(dǎo)縫隙陣和網(wǎng)狀拋物面天線三種形式。前述Envisat為微帶貼片天線陣，具有剖面低、體積小、輕便、便于饋電的特點(diǎn)，因此在星載SAR中有廣泛應(yīng)用，早期在L波段用的比較多，后續(xù)采用方形、方環(huán)形、圓形和圓環(huán)形等多種貼片，滿足多頻、多極化、高極化純度等要求。（參見(jiàn)圖31）

圖28 歐空局第一代SAR星ERS-1/2

圖29 歐空局ERS、Envisat前后兩代對(duì)地觀測(cè)SAR衛(wèi)星

圖30 大胖子Envisat渾身上下裝滿了科學(xué)儀器

另一種波導(dǎo)縫隙天線（Slotted Waveguides），其體積、重量和帶寬都處于劣勢(shì)，但其非常低的線陣饋電損耗使之適合用于較高頻段，特別是X波段甚至更高頻段的星載SAR天線，ERS-1/2、SIR-C/D、RadarSAT-1等都采用這種技術(shù)，哨兵也一樣。哨兵-1的天線由14塊天線子陣列面板組成。（參見(jiàn)圖32）

每塊子陣列面板有20個(gè)雙極化子陣列，每個(gè)子陣列是具有兩個(gè)平行縫隙諧振波導(dǎo)的雙極化單元，垂直極化由脊形波導(dǎo)中的縱縫激發(fā)，而水平極化由橫向窄邊斜縫產(chǎn)生。（參見(jiàn)圖33、34、35、36）

歐洲其實(shí)在SAR星研發(fā)上碩果累累，還有長(zhǎng)的像萬(wàn)花筒的六邊形德國(guó)TerrSar-X衛(wèi)星，她有一個(gè)五米長(zhǎng)的主體，六邊形橫截面，其主要有效載荷是工作在X波段的雙極化有源相控陣波導(dǎo)縫隙天線（9.65GHz），雷達(dá)波束可以在垂直于飛行方向的20到60度的范圍內(nèi)電掃；另外天線陣采用了金屬化碳纖微材料加工而成，質(zhì)量輕、熱穩(wěn)定性優(yōu)越。2007年6月15日，TerrSar-X衛(wèi)星在哈薩克斯坦拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)成功發(fā)射，2008年1月7日投入使用。TerrSar-X側(cè)邊長(zhǎng)桿，并不是用來(lái)做干涉雙天線，是用來(lái)以300Mbit / s的速率向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)。其實(shí)TerraSAR-X是和TanDEM-X在做雙星干涉SAR，兩顆衛(wèi)星編隊(duì)飛行組成纏繞螺旋狀軌道，據(jù)稱生成了比SRTM數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確的全球高精度DEM，高程定位精度優(yōu)于2m，DEM網(wǎng)格間距為12m。（參見(jiàn)圖37）

（四）多視角，另辟蹊徑，出道最早的加拿大商業(yè)SAR星

談到SAR星技術(shù)，不得不提加拿大。楓葉國(guó)在SAR星研發(fā)方面，另辟蹊徑，1995年11月4日, 加拿大RadarSAT-1衛(wèi)星的成功發(fā)射與運(yùn)行，是星載合成孔徑雷達(dá)技術(shù)開(kāi)始商業(yè)化運(yùn)行的一個(gè)重要標(biāo)志。（參見(jiàn)圖38）

圖31 大胖子Envisat的C波段微帶貼片天線陣列，滿足交叉極化。

圖32 哨兵-1的SAR天線由14塊天線子陣列面板組成

圖33 帶有H / V極化的波導(dǎo)縫隙天線子陣列面板

圖34 在緊縮場(chǎng)測(cè)試的長(zhǎng)板凳（部分折疊）

圖35 哨兵-1由聯(lián)盟火箭發(fā)射上天，天線呈折疊狀態(tài)。

圖36 不過(guò)哨兵-1在天上好像挺“招人喜歡”，他的太陽(yáng)能板曾遭飛來(lái)橫禍，被不明物體撞擊。

圖37 TerrSar-X側(cè)邊長(zhǎng)桿，并不是用來(lái)做干涉雙天線，而是以300Mbit / s的速率向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)。

RadarSAT-1的軌道高度為798km，為了給2100瓦的工作于5.3 GHz 的C波段大功率雷達(dá)供電，它運(yùn)行在晨昏線上！晨昏線，也就是圖39中黑白交界的軌道平面附近，衛(wèi)星一側(cè)（圖中右側(cè)）24小時(shí)始終受到穩(wěn)定的太陽(yáng)光直射，這就完美契合了雷達(dá)觀測(cè)衛(wèi)星的工作需要，因此RadarSAT-1配置了雙側(cè)太陽(yáng)能帆板，日以繼夜、夜以繼日地工作，透過(guò)云層、雨雪、沙塵獲取獨(dú)特地球?qū)懻妫罡叻直媛蔬_(dá)到10m，其晨昏線軌道以及衛(wèi)星熱控等方面分析，具體可見(jiàn)《太陽(yáng)同步軌道，傾角總在98度處》一文。（參見(jiàn)圖39）

RadarSAT-1工作模式多達(dá)7類25種，是目前工作模式最多的SAR衛(wèi)星。其利用相控陣陣列實(shí)現(xiàn)可變視角的ScanSAR工作模式，提供最小105公里、最大520公里觀測(cè)帶寬度，滿足不同商業(yè)需求，其最高分辨率達(dá)到10m。（參見(jiàn)圖40）

RadarSAT-1目前已退役，其繼任者RadarSAT-2繼承了RadarSAT-1的主要性能，并且采用了更為先進(jìn)的微帶固態(tài)有源相控陣天線，波束掃描能力更強(qiáng)，下視角在20°～50°范圍內(nèi)可變，其分辨率最高可以達(dá)到3m，另外RadarSAT-2還支持全極化工作方式。RadarSAT系列最主要的應(yīng)用是觀測(cè)海冰、海洋現(xiàn)象等，是目前適用于海洋應(yīng)用的性能最好的星載SAR系統(tǒng)。

未來(lái)，加拿大還計(jì)劃構(gòu)建Radarsat星座系統(tǒng)（Radarsat Constellation Mission，RCM），利用多顆小衛(wèi)星形成星座，每顆衛(wèi)星都搭載C波段SAR和船只自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automated Identification System，AIS）。這個(gè)星座將具備近乎實(shí)時(shí)的海冰監(jiān)測(cè)、溢油檢測(cè)、艦船監(jiān)視和災(zāi)害控制等方面的能力。（參見(jiàn)圖41）

四、一些“難以啟齒”的SAR星

在本文臨近尾聲時(shí)，把焦點(diǎn)轉(zhuǎn)回到美國(guó)，美國(guó)把SAR技術(shù)用在了太空探索，比如用合成孔徑雷達(dá)探測(cè)月球、金星的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。1989年NASA開(kāi)展了“麥哲倫”（Magellan）SAR觀測(cè)金星計(jì)劃，在1989年5月4日由“亞特蘭蒂斯”號(hào)發(fā)射升空，1990年9月15日開(kāi)始測(cè)繪任務(wù)，1991年5月15日終止，期間測(cè)繪了金星的70%地表，分辨率不低于300米。Magellan的雷達(dá)工作于S波段，天線為其頂上的高增益拋物面天線，HH極化，距離向分辨率為120～360m，方位向分辨率為120～150m，入射角大于30°。（參見(jiàn)圖42）

圖38 工作在晨昏線上的RadarSAT-1，天線正裝，衛(wèi)星斜飛，帆板偏轉(zhuǎn)正對(duì)太陽(yáng)

圖39 晨昏線軌道一面始終朝陽(yáng)，特別適合SAR星

圖40 可變視角的ScanSAR工作模式，提供最小105公里、最大520公里觀測(cè)帶寬度

但美國(guó)更多地把SAR技術(shù)用在了軍事上。1988年-2005年，美國(guó)陸續(xù)發(fā)射了5顆“長(zhǎng)曲棍球（Lacrosse）”SAR衛(wèi)星組成軍用對(duì)地雷達(dá)圖像偵察衛(wèi)星星座，第一和第二顆于1997年、2011年3月26日失效，現(xiàn)有三顆在軌，其最高分辨率據(jù)稱達(dá)到了0.3m左右，在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)等局部沖突中發(fā)揮了巨大的作用。而美國(guó)國(guó)家偵察局（NRO）對(duì)于這些衛(wèi)星的存在一直遮遮掩掩。

長(zhǎng)曲棍球系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)于1983年獲得批準(zhǔn)，首星在1988年12月3日用阿特蘭斯號(hào)航天飛機(jī)發(fā)射，其分辨率為1m，用于全天候全球偵察；1991年3月用“大力神4”火箭從范登堡發(fā)射場(chǎng)發(fā)射了“長(zhǎng)曲棍球2 ”SAR衛(wèi)星，1997年10月23日用“大力神4”發(fā)射第三顆，據(jù)稱前三顆屬于BLOCK 1，衛(wèi)星部署在57°和68°兩個(gè)不同的軌道傾角中，高度約為650km，但衛(wèi)星偶爾會(huì)機(jī)動(dòng)到不同的高度。從外泄的照片來(lái)看，體積驚人。（參見(jiàn)圖43）

根據(jù)觀察人士的說(shuō)法，該衛(wèi)星設(shè)計(jì)的顯著特征包括一個(gè)非常大的雷達(dá)天線和太陽(yáng)能電池板。據(jù)報(bào)道，太陽(yáng)能電池陣的翼展長(zhǎng)度為42.5米左右，這表明雷達(dá)的可用功率可能在10到20千瓦的范圍之間，比民用SAR雷達(dá)的功率高出10倍。而天線類型，采用了前述第三種SAR天線形態(tài)——網(wǎng)狀拋物面天線，這種天線解決了剛性拋物面不便折疊、收藏的問(wèn)題，一般要求網(wǎng)孔的直徑小于幾十分之一波長(zhǎng)，如果工作在C波段，要求網(wǎng)孔大小在毫米量級(jí)，結(jié)合相控陣饋源，電掃能力更強(qiáng)。美國(guó)著名的航空航天研究員Charles P. Vick曾經(jīng)畫(huà)過(guò)長(zhǎng)曲棍球1～3號(hào)的猜測(cè)圖，碩大的網(wǎng)狀拋物面天線著實(shí)讓人吃驚。（參見(jiàn)圖44）

2000年、2005年發(fā)射了“長(zhǎng)曲棍球”系列第4和第5顆衛(wèi)星，據(jù)稱分辨率達(dá)到了0.3m。從Charles P. Vick畫(huà)的猜測(cè)圖來(lái)看，采用了兩幅SAR天線，雙側(cè)視，一次成像的范圍更大，供電的太陽(yáng)能帆板面積也明顯增加。（參見(jiàn)圖45）

不過(guò)也有分析稱，長(zhǎng)曲棍球偵察衛(wèi)星采用了平板聚焦反射面天線，也稱平板拋物型天線（FLAPS，F(xiàn)lat Parabolic Surface），配合微帶貼片相控陣饋源工作。長(zhǎng)曲棍球偵察衛(wèi)星的繼任者被稱為未來(lái)圖像架構(gòu)（Future Imagery Architecture，F(xiàn)IA)。

圖41 未來(lái)，加拿大還劃計(jì)構(gòu)建Radarsat星座系統(tǒng)

圖42 由航天飛機(jī)發(fā)射的“麥哲倫”（Magellan）金星探測(cè)器

圖43 在地面車間制造的長(zhǎng)曲棍球衛(wèi)星

圖44 長(zhǎng)曲棍球1～3號(hào)的猜測(cè)圖

圖45 長(zhǎng)曲棍球4～5號(hào)的猜測(cè)圖

圖46 SARLupe衛(wèi)星星座

圖47 右側(cè)二圖為Capella Space公司定于今年發(fā)射的兩顆超小型X波段SAR衛(wèi)星

五、結(jié)束語(yǔ)

目前星載合成孔徑成像雷達(dá)已經(jīng)在民用、軍用方面得到了廣泛的應(yīng)用。在民用方面，主要用于災(zāi)害評(píng)估，如地震引起的山體、道路、橋梁的斷裂程度評(píng)估，水災(zāi)、雪災(zāi)的面積評(píng)估，海洋受污染程度評(píng)估等; 海洋特性研究，如根據(jù)雷達(dá)圖像分析海流、內(nèi)波特性等。在軍事方面，主要用于偵察重要軍事目標(biāo)，如港口、機(jī)場(chǎng)等; 也可以對(duì)打擊效果進(jìn)行評(píng)估。

從星載SAR未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，一是向著星座化方向發(fā)展，縮短SAR星重訪周期并實(shí)現(xiàn)干涉SAR處理。比如2006年-2008年間，德國(guó)成功發(fā)射了5顆X波段拋物面天線SAR衛(wèi)星，組成了SARLupe衛(wèi)星星座。這5顆衛(wèi)星運(yùn)行在3個(gè)軌道平面上，它們的軌道高度為500km，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)南緯80度到北緯80度的覆蓋，并且圖像地距分辨率優(yōu)于1m。（參見(jiàn)圖46）

第二個(gè)趨勢(shì)是向著小型化方向發(fā)展。2018年3月，美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局授予Capella Space公司許可證，同意其將兩顆X波段SAR衛(wèi)星送入450至600公里的極地軌道，傾角為97.5度。Capella Space公司計(jì)劃在2019年，往兩個(gè)軌道平面上發(fā)射其他六顆衛(wèi)星。

這種小型SAR衛(wèi)星，重量不到40公斤，柔性材料制成的天線展開(kāi)后面積可以達(dá)到8平方米，提供分辨率為1米或更高的圖像。美國(guó)國(guó)防創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)（DIUX）在2017年向Capella額外撥款1000萬(wàn)美元，支持商業(yè)SAR遙感項(xiàng)目，美國(guó)軍方和情報(bào)機(jī)構(gòu)渴望獲得可靠且廉價(jià)的商業(yè)雷達(dá)衛(wèi)星星座提供的全球觀測(cè)資料。（參見(jiàn)圖47）

中國(guó)商業(yè)航天衛(wèi)星計(jì)劃中，也有SAR星規(guī)劃。中科遙感SAR衛(wèi)星8星星座首發(fā)星“深圳一號(hào)”已經(jīng)啟動(dòng)。“深圳一號(hào)”是一顆X波段微小型SAR衛(wèi)星，據(jù)稱具備國(guó)內(nèi)重點(diǎn)城市2天的重訪周期、具備單星干涉測(cè)量等能力、最高分辨率0.5米。希望全天候雷達(dá)星，在地表形變測(cè)量、地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、交通設(shè)施養(yǎng)護(hù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、多云多云地區(qū)的高分辨率數(shù)據(jù)采集和海洋應(yīng)用上，早日造福民眾！SATNET