SAR如何穿透云霧識(shí)別“偽裝”

中國的氣象衛(wèi)星系統(tǒng)由21顆氣象衛(wèi)星組成。?這些衛(wèi)星中，?9顆正在軌運(yùn)行，?實(shí)現(xiàn)了極軌衛(wèi)星和靜止衛(wèi)星的業(yè)務(wù)化運(yùn)行。?中國是繼美國、?俄羅斯之后第三個(gè)同時(shí)擁有極軌氣象衛(wèi)星和靜止氣象衛(wèi)星的國家。?中國的氣象衛(wèi)星系統(tǒng)包括風(fēng)云一號(hào)、?風(fēng)云二號(hào)、?風(fēng)云三號(hào)和風(fēng)云四號(hào)系列衛(wèi)星，它們?nèi)旌颉⑷鞎r(shí)地對天氣情況進(jìn)行監(jiān)測。風(fēng)云四號(hào)A星每15分鐘對國內(nèi)區(qū)域進(jìn)行一次天氣觀測，必要時(shí)甚至可以縮短至每5分鐘進(jìn)行局地觀測。而風(fēng)云三號(hào)極軌氣象衛(wèi)星組合則每天對我國的主要江河流域和湖泊進(jìn)行六次巡查。國家衛(wèi)星氣象中心每天使用風(fēng)云三號(hào)和高分系列衛(wèi)星對關(guān)鍵湖泊、水庫和河流進(jìn)行監(jiān)測，這些包括鄱陽湖、洞庭湖、丹江口水庫、密云水庫以及官廳水庫等。星載合成孔徑雷達(dá)（SAR）具備穿透云霧的能力，能夠在任何時(shí)間、任何天氣條件下進(jìn)行監(jiān)測，幫助人們迅速了解洪水災(zāi)害對目標(biāo)地區(qū)的影響。

在2020年7月，安徽淮河流域遭受強(qiáng)降雨襲擊。在監(jiān)測淮河期間，由于降雨持續(xù)不斷，光學(xué)衛(wèi)星觀測受到云霧的遮擋，難以對地表進(jìn)行全面的觀測。國家衛(wèi)星氣象中心迅速獲取了風(fēng)云氣象衛(wèi)星和高分三號(hào)衛(wèi)星SAR的數(shù)據(jù)，持續(xù)監(jiān)測淮河流域蒙洼蓄洪區(qū)及周邊水域的水體變化，為防災(zāi)減災(zāi)和政府決策提供了重要參考。

與傳統(tǒng)的成像方式不同，SAR技術(shù)通過單個(gè)輻射單元沿直線在多個(gè)位置平移，并在每個(gè)位置發(fā)射脈沖信號(hào)，接收并儲(chǔ)存相應(yīng)位置的雷達(dá)回波信號(hào)，然后通過信號(hào)處理技術(shù)形成一個(gè)等效的長線性陣列天線。這種技術(shù)不同于傳統(tǒng)的地基和空基雷達(dá)觀測原理。

由于SAR工作在微波波段的低頻率，雷達(dá)波束能夠有效穿透云層，實(shí)現(xiàn)全天候的觀測。SAR具有高分辨率，能夠有效識(shí)別隱藏目標(biāo)，并穿透云、霧等自然遮擋物。因此，采用星載SAR觀測系統(tǒng)能夠獲取全天候超高分辨率的氣象災(zāi)害圖像信息。

實(shí)際上，SAR技術(shù)在中國的應(yīng)用可以追溯到2008年汶川地震的救援工作。當(dāng)時(shí)，中科院電子所的SAR技術(shù)還處于測試階段，但由于汶川上空云層濃厚，星載和機(jī)載光學(xué)觀測設(shè)備無法透過云層觀測地面情況，國家緊急調(diào)動(dòng)飛機(jī)搭載測試階段的SAR設(shè)備觀測震后汶川的精細(xì)地貌，對于精準(zhǔn)救援發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

SAR未來發(fā)展勢頭強(qiáng)勁

由于星載合成孔徑雷達(dá)（SAR）能夠穿透云、雨、霧、沙塵暴等天氣現(xiàn)象，具備全天候的工作能力，因此可以預(yù)見，SAR技術(shù)將繼續(xù)保持強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。

目前，用戶可以方便地獲取到來自歐洲航天局的哨兵一號(hào)衛(wèi)星以及我國的高分三號(hào)衛(wèi)星的SAR數(shù)據(jù)。高分三號(hào)衛(wèi)星是我國首顆搭載空間分辨率最高可達(dá)1米的C波段多極化SAR的民用衛(wèi)星，擁有世界上最多的成像模式，包括波成像等12種成像模式。在選擇雷達(dá)波段時(shí)，需要考慮多個(gè)因素，包括大氣傳輸窗口、頻率和極化對信息提取的影響、圖像質(zhì)量與設(shè)備復(fù)雜度之間的平衡等。

大氣中的氧氣、云、霧和雨等會(huì)對高頻電磁能量產(chǎn)生明顯的吸收作用，在特定頻率上出現(xiàn)尖銳的吸收峰值。此外，雷達(dá)信號(hào)在穿透電離層和對流層時(shí)可能會(huì)遭受相位失真、極化旋轉(zhuǎn)和能量損耗，導(dǎo)致圖像出現(xiàn)誤差，甚至無法成像。因此，星載SAR的工作頻段更適合選擇L、C、X波段，這些波段廣泛應(yīng)用于航空測量、航空遙感、衛(wèi)星大氣海洋觀測、航天偵察、圖像匹配制導(dǎo)等領(lǐng)域。

目前，SAR衛(wèi)星系統(tǒng)在國際上已進(jìn)入高速發(fā)展階段，除了美國、加拿大、德國、日本等國，越來越多的國家和地區(qū)也加入了這一領(lǐng)域，例如印度與美國合作的NISAR、韓國的KOMPSAT5/6等項(xiàng)目。同時(shí)，新的模式和技術(shù)不斷涌現(xiàn)，尤其是在傳統(tǒng)強(qiáng)國研發(fā)下一代SAR衛(wèi)星系統(tǒng)方面表現(xiàn)得尤為突出。

在數(shù)據(jù)應(yīng)用方面，除了傳統(tǒng)的單幅圖像應(yīng)用，數(shù)據(jù)集應(yīng)用越來越受到重視，例如多極化圖像、多幅圖像的時(shí)間序列分析等。應(yīng)用領(lǐng)域也擴(kuò)展到了陸地、海洋、森林和大氣等多個(gè)方向，進(jìn)行深入的應(yīng)用與業(yè)務(wù)化探索。可以預(yù)見，SAR技術(shù)將很快成為我國風(fēng)云衛(wèi)星載荷的一部分，通過采用多頻、多極化等先進(jìn)技術(shù)，對大氣和地表進(jìn)行同步的全天候精密監(jiān)測，成為國民經(jīng)濟(jì)與建設(shè)領(lǐng)域不可或缺的重要支撐。”