关于合成孔径雷达的问题（合成孔径雷达卫星研究发展现状及市场分析）
关于合成孔径雷达的问题（合成孔径雷达卫星研究发展现状及市场分析）未来全世界可实现“一星发射多星接收”的分布式多基SAR系统，可同时实现高分辨率与超宽幅成像、 三维成像、高分辨率高精度DEM和运动目标检测等。多个航天大国相继提出了各自的多基SAR系统任务规划，并开展了相关理论研究，其中中国的LT-1包括两颗先进的L波段全极化SAR卫星；另外，欧洲HRWS SESAME两个多基SAR计划均采用1颗主星结合多颗只接收小卫星构型多星SAR构型，用于实现高分宽幅、三维成像、GMTI、干涉地形测绘等任务[1]。在分布式星载SAR 系统的研究方面，我国目前还处于理论设计、分析论证以及实验样机研制阶段。国内电子科技大学、北京理工大学和北京航空航天大学基于分布式卫星系统的概念[8，9]，在工作模式、轨道设计、基线测量、回波信号分析、成像方式等方面做了很多工作；西安电子科技大学[10]对机载或星载 SAR 空时自适处理技术作了大量工作[11]；哈尔滨工业大学在编队构型优
本文内容转载自慧天地，版权归原作者及刊载媒体所有，所刊载内容仅供交流参考使用，不代表本刊立场。
雷达遥感卫星主要包括星载合成孔径雷达 (Spaceborne SAR) ，星载雷达高度计，星载雷达辐射计，星载雷达散射计，天基情报侦察监视（ISR）雷达，星载穿透性探地雷达，星载气象雷达等。其中星载合成孔径雷达是一种成像雷达，其把SAR载荷装载在卫星平台上，利用雷达与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径合成一较大的等效天线孔径获得高的方位向高分辨率（多普勒带宽）；同时通过发射大时间带宽积信号，如线性调频信号，通过脉冲压缩，获得距离向高分辨率。由于其具有全天侯、全天时工作、大幅宽大面积成像和穿透能力，已成为对地观测的重要手段，受到各国的广泛重视。目前，星载SAR在军事侦察、监视和目标搜索跟踪引导瞄准、测绘、灾害监测、资源调查和海洋研究等领域显示出广阔的应用价值和巨大的潜力。
国内外研究现状
近十几年来，星载SAR在系统体制、成像理论、系统性能、应用领域等方面均取得了巨大发展[1 2]。SAR图像的几何分辨率从初期的百米提升至亚米级；从早期单一的工作模式，发展到现在的多模式；从固定波束扫描角 (条带模式) 到波束扫描 (聚束模式，滑动聚束模式)，再发展到二维波束扫描模式 (Sentinel的TOPS模式，TecSAR的马赛克模式等)；从传统单通道接收到新体制下多通道接收，同时实现高分辨率与宽测绘带；从单一频段、单一极化方式发展到多频多极化；从单星观测发展到多星编队或多星组网协同观测，实现多基地成像与快速重访。未来星载SAR都朝着高几何分辨率、高分辨率宽测绘带成像、高精度高分辨率三维成像、全息成像、多维度成像、轻小型化、高时间分辨率、多基地、智能化等方面发展。
Figure 1 国内外常用星载SAR卫星
目前，由于时钟、通信、导航等相关技术的进步，双/多基SAR凭借其独特优势，日益获得全球研究者的重视。由于多基SAR收发分置的特性，和单基SAR相比，多基SAR具备多项独特优势：收发分置，视角可变；基线配置机动灵活；静默接收，隐蔽性强；系统构型多样，收发系统可搭载于星、机、舰、弹、地面装置等。双基SAR作为多机SAR的一个特例，由于其相对实现简单，德国率先成功研制了在轨运行的星载TanDEM-X[3 4]。
分布式星载 SAR有美国空军实验室 (AFRL) 的 TechSat-21 计划[5]和加拿大的 RadarSat-2/3 计划等；另一种是单发多收体制，即主星既发射又有接收信号，其他小卫星只接收信号，代表性的有法国宇航局(CNES)的“干涉车轮”(Interferometric Cartwheel)、意大利的BISSAT 计划和德国的干涉钟摆(Interferometric Pendulum)构型[6 7]等。
在分布式星载SAR 系统的研究方面，我国目前还处于理论设计、分析论证以及实验样机研制阶段。国内电子科技大学、北京理工大学和北京航空航天大学基于分布式卫星系统的概念[8，9]，在工作模式、轨道设计、基线测量、回波信号分析、成像方式等方面做了很多工作；西安电子科技大学[10]对机载或星载 SAR 空时自适处理技术作了大量工作[11]；哈尔滨工业大学在编队构型优化设计、轨道控制、三维成像和三维层析成像、分布式 InSAR 信号处理方面做了大量的研究；中科院电子所在分布式小卫星微波成像雷达系统方面做了大量的研究和工作；近十年来，国防科技大学牵头对分布式 SAR 系统理论进行了系统的论证和仿真验证。在星载双或多基地 SAR 方面的研究比较深入，经过数年的攻关，已经取得很大成果，进入了基于大于100公斤的卫星平台做实验样机的阶段。
未来全世界可实现“一星发射多星接收”的分布式多基SAR系统，可同时实现高分辨率与超宽幅成像、 三维成像、高分辨率高精度DEM和运动目标检测等。多个航天大国相继提出了各自的多基SAR系统任务规划，并开展了相关理论研究，其中中国的LT-1包括两颗先进的L波段全极化SAR卫星；另外，欧洲HRWS SESAME两个多基SAR计划均采用1颗主星结合多颗只接收小卫星构型多星SAR构型，用于实现高分宽幅、三维成像、GMTI、干涉地形测绘等任务[1]。
随着SAR系统技术和应用需求的发展，SAR卫星在从高成本、长周期的研制基础上，走向低成本、低功耗、易部署的微小型SAR卫星，以弥补大型SAR卫星系统的不足。大型SAR卫星重量一般在1000 kg以上，小型SAR卫星重量一般在100 kg-1000 kg之间，微纳卫星重量在100 kg以下。国内外在轨成功运行的小型SAR卫星系统主要有：美国的月球探测器LRO中的Mini-RF/ Mini-SAR载荷（见Figure 2） 我国HJ-1-C SAR卫星， 海思卫星C-SAR，英国的NovaSAR-S卫星，德国的SAR-Lupe卫星系统，以色列的TecSAR卫星，印度的RISAT-2卫星，日本的MicroSAR卫星，Synspective SAR卫星（见Figure 6），美国Capella Space公司的X-SAR（见Figure 4） Umbra 公司的Umbra-X SAR（见Figure 5）。在微纳卫星方面，目前在轨道运行的小于100 kg的卫星有芬兰的ICEYE系列卫星（平均85 kg，见Figure 3），轨道高度在500 km到595 km之间，其分辨率可达到0.25米。美国FCC授予Umbra公司Umbra-X SAR卫星使用以9.8 GHz为中心的1200 MHz频段的高带宽SAR实验许可和以9.6 GHz为中心的600 MHz频段的低带宽SAR的运行许可，使其可获得不同分辨率的SAR影像（见Figure 7，Figure 8，Figure 9，Figure 10），其最高分辨率可达0.15米（见Figure 10），图中角反射器的图像非常形象的展现了图像的质量。
Figure 2 美国的月球探测器LRO中的Mini-RF/ Mini-SAR载荷
Figure 3 芬兰的ICEYE X-SAR卫星
Figure 4 美国Capella Space公司的X-SAR卫星
Figure 5 美国 Umbra 公司的Umbra-X SAR卫星
Figure 6 日本的Synspective SAR卫星
Figure 7 美国 Umbra 公司的Umbra-X SAR卫星1米影像
Figure 8 美国 Umbra 公司的Umbra-X SAR卫星0.5米影像
Figure 9 美国 Umbra 公司的Umbra-X SAR卫星0.25米影像
Figure 10 美国 Umbra 公司的Umbra-X SAR卫星0.15米影像
典型应用
2.1
军事典型应用
高分光学卫星（可见光和多光谱）成像时容易受到云层和恶劣天气的影响，但是高分SAR卫星由于使用电磁波的微波波段对目标进行成像，能够穿透云层和一般的雨雪天气，并且可以在夜间工作，因此广泛应用于军事战略、战术甚至战役战斗中。如美国的商业SAR雷达卫星公司Cepella（卡佩拉），该公司在2022年俄乌战争期间提供了大量反映俄军部署情况的SAR卫星图像[12]（见Figure 11）。德国的TerraSAR-X卫星图像能实时进行舰船动目标指示（见Figure 12）。
Figure 11美国卡佩拉公司的SAR雷达成像卫星拍摄到的切尔诺贝利附近的俄军车队
Figure 12 TerraSAR-X卫星SAR影像的舰船动目标指示能力
2.2
民商典型应用
(1) 应急减灾
SAR遥感卫星宏观、动态、综合监测优势与灾害大范围、高频次和多灾种影响特点高度契合 形成覆盖灾前-灾中-灾后的涵盖灾害风险监测、灾害发生位置/区域/要素/发展态势监测、重建恢复监测的SAR遥感技术应用体系，已成为我国防灾减灾救灾工作重要支撑。SAR卫星的干涉成像功能，可以在人员罕至的地区获得毫米级的形变高精度信息，对受灾地区的状况进行监测，方便指导救灾，也可以帮助进行灾后的分析和研究。如对于地震灾害，InSAR可以监测活跃地震带及滑坡的微小形变信息，对地震的同震和震后形变进行反演，帮助了解地震、分析地震的过程和机制。除此之外，SAR还可以帮助对城市地表沉降、矿区沉降、滑坡、雪灾、火山和台风等灾害进行监测，监测地表沉降的动态和滑坡形成过程，获取台风时的海面风速信息等，帮助相关单位及部门及时作出灾情预警及评估等决策。SAR卫星全天候工作的特点使其在水灾洪涝发生的第一时间抓取受灾区域卫星图像，并分析洪水的演进变化，对风险进行评估与量化分析，为相关企业或部门提供持续的最新的灾区影像，帮助其在全局层面掌握灾情动态，为其应急处理及决策提供依据。洪灾过后，可对淹没农田面积，淹没房屋面积进行量化评估，也可调取历史洪灾大数据，确保相关企业或部门准确进行洪灾定损及精算[13]。
(2) 地质勘探应用
在地质勘探方面，SAR卫星的大范围探测优势得到体现，利用SAR数据可以分析地貌特征和构造现象， 甚至可以对岩体岩性和浅部埋藏地质体进行初步解译。在地物分类方面，多频率、多极化的SAR，可以帮助分析目标的多种属性，提高分类精度，在一定程度上避免了噪声干扰。多时相干涉SAR得到的分类结果更加精确，也可以更好地分辨随时间变化的土地覆盖情况。
(3) 海洋应用
SAR卫星在海洋领域应用非常广泛，包括船舶识别、溢油监测、海底地形反演、海浪监测、内波反演等。在船舶识别监测方面，由于海洋水面呈现暗色调，船只呈现明亮光斑，不同类型船只在雷达图像上的有典型的特征，通过算法可以进行分类识别，并匹配AIS信息快速判定并定位非法船只。在海上溢油监测方面，被油膜覆盖时的海水表面更加平滑，SAR卫星信号在其上发生镜面反射，表现为暗黑色斑块或条带特征，与清洁海面相区分，SAR 可利用油膜对海面波动的抑制造成的后向散射差异进行溢油区域探测。在海底地形反演方面，SAR卫星可以作为海洋调查船的补充，结合先验地形特征、水动力模型，对近岸浅海区域的水下地形进行探测。SAR 还可以进行海洋动力要素反演，帮助管理海洋交通运输、海上生产、渔业港口建设，海洋减震防灾等。
(4) 农林业应用
不同农作物在SAR卫星影像中表现出不同特征，可以作为农作物的分类依据。将光学遥感、地面监测以及SAR卫星数据结合可显著地提高农作物的分类精度，对不同季节、不同环境的水稻种植进行规划和管理，监测农作物发育状况。此外，SAR卫星影像还可以对土壤湿度和植被含水量进行评估。林业方面，SAR卫星数据在大范围森林覆盖变化监测中有巨大应用价值。利用SAR卫星数据不仅可以监测森林面积，而且可以获取垂向信息，进而反演森林高度、森林蓄积量等指标，为有效地管理和保护森林、预防灾害发生提供科学依据。
(5) 测绘行业应用
测绘行业对SAR卫星特别是干涉SAR卫星的需求特别强烈，干涉SAR 不仅可以监测形变，还可以生成数字高层模型（DEM），DEM是智慧城市、数字孪生等领域的基础数据之一。SAR 数据在建立地DEM方面具有监测精度高、范围广、全天时全天候等优势，可满足对于生成高精度DEM的需求。利用SAR卫星获取的DEM数据具有更高的时效性，与研究区的真实地面状况更加相似。也可以结合其他数据开展智慧城市应用，监测城市建筑形变，对建筑物进行精细结构成像等。
(6) 冰川应用
冰川和积雪是重要的水资源，非常易受气候变化的影响。SAR技术可以对其进行监测，反演气候水文循环的变化过程。利用SAR数据可以进行海冰分类，对冰川地貌进行识别和绘图，还可以对冰川的变化进行动态监测，研究冰川流速与温度、季节、地理位置和地貌条件等多种因素的关系，并识别出冰雪融化中的融雪阶段，进行融雪前后的比较，监测冰雪融化过程。这对于掌握积雪变化规律，避免雪崩和融雪洪灾等具有重要意义。
(7) 商业高价值应用
将SAR影像与人工智能技术相结合，以最佳频率使用高分辨率SAR卫星图像为商业领域中能源与基础设施、金融保险、林产品经销、精准农业等商业典型应用提供实时警报、数据和信息，监控商业运营现状与变化，掌握远程资产，降低运营成本并提高运营效率，帮助客户实现运营现代化。
(8) 城市社会治理
随着城镇化的快速发展，城市可利用资源日益减少、城市盲目扩张、城市环境污染、城市私搭乱建等发展问题频发，严重阻碍城市的可持续发展，因此SAR卫星将在城市违法图斑监测、城市体检评估分析、城市高速动态监管等方面发挥优势，将促进城市整体运行的动态智能感知，满足城市治理中科学管控、国土规划、执法监管、安全建设、环境保护等数字化高效管理需求。
SAR卫星市场分析
3.1
市场份额
2020年全球航天经济规模达3783亿美元，2030年全球市场规模将达5996亿美元，产业发展形势较好。2020年据初步测算，中国遥感卫星上游市场规模达到了15.3亿美元，相比2016年增长了61.90%。预计2021-2026年我国遥感卫星市场将进入稳定成长期，行业保持15%左右的增速，2026市场规模达到约34.3亿美元。2019年全球遥感应用（中下游）市场规模为52.19亿美元，约合人民币360亿元，较2018年同期增长23.81%，预计到2030年将达到1118亿美元，复合增长率约为32.24%。在全球中游遥感影像数据市场方面，根据Mordor Intelligence的报告，2018年，SAR卫星市场价值为24.5亿美元，预计到2024年达到51.8亿美元。预测期间（2019年至2024年）的复合年增长率为11.6％。美国北方天空研究机构（NSR）的报告指出，未来数年高分辨率雷达数据的客户将大幅度增加，预计到2025年SAR影像的累计收入将达到62亿美元，85%的地球观测业务将集中于北美、欧洲和亚洲。亚米级超高分辨率（<0.5m）将是增长最快的市场，主要面向国防和情报部门以及民营行业（农业、海洋、能源等）的垂直客户，这些行业客户对高质量雷达图像资源需求正在日益增长。而亚米级分辨率（0.5-1m）的SAR影像将成为市场占比最大的产品。下游应用端的市场预计在百亿美元量级，包含国土资源、交通能源安全、海洋环境、船舶识别等应急监测市场，到市政基础设施、安全风险灾害监测等市场，SAR卫星应用将会参与其中。其中，干涉雷达应用（InSAR）的商业化正在迅速崛起，每年我国在软件、数据和应用服务方面的市场规模已超过2亿美元[13]。
3.2
市场占比
在客户类型方面，主要包括全球的国防和情报机构、研究机构和高校、政府部门、民商用户以及个人商业用户等。全球的国防和情报机构目前仍然是SAR图像和数据的主要购买方。据国外研究机构分析预计到 2025 年， 国防与情报市场将占据高分辨率SAR卫星数据收入的70%。 从国际的发展趋势来看，短期仍以国防市场为主，但增量有限；新的增量需求会更多来自国防以外的应用，但需要更长的时间；但总的来说，国防应用对数据源的需求很大，当SAR民商等应用的体系建设完整后，民商等应用对数据应用的需求会更大。
3.3
我国市场前景
在我国，SAR卫星市场正在快速增长。下游应用需要大量数据支撑，带动上游卫星制造业快速增长。例如在四川汶川大地震和河南省降雨灾情中，需要大量卫星数据进行快速分析。由于国产卫星数据太少，只能紧急求助于欧洲卫星进行数据补充。这种跨区域的紧急协调，无论时间还是成本，都是一个巨大的挑战。对比于欧洲的SAR卫星数量，我国的SAR卫星数量仍有差距。无论是国有的大卫星还是民营机构的小卫星，都有较大的增长空间。除此之外，国家相关政策也在促进下游应用的发展。例如第一次全国自然灾害综合风险普查，计划投入超过2000亿元，将促进下游干涉雷达应用（InSAR）的快速发展。全球的SAR卫星影像市场年增长率在8%-11%左右，中国市场如果能发展起来，整体的增长率会更高。当前国内的整体产业链条发展并不充分，在SAR卫星、SAR数据源、SAR数据处理、SAR行业应用都处于萌芽阶段。预计在2-3年的时间里，通过产业链条的不断完善，后期市场增长率会大幅提升，特别是数据源上，预计未来3年会有超过10颗商业SAR卫星上天，这些卫星提供的SAR数据将至少将中国的SAR数据容量提升5~8倍。
总结
发展我国的星载SAR将显著地提高我国的军民商航天实力、卫星侦察能力、对地观测、深空探测和遥感水平，对我国航天事业的发展及提高国防现代化水平具有非常重要的意义。目前我国的SAR卫星多基于大卫星平台，在SAR微小卫星和SAR微小卫星系统研究和研制以及在轨验证以及业务化运行方面还存在很多不足，急需在以往的研制基础上对微小型SAR载荷、微小卫星以及SAR微小卫星系统进行研制以及在轨部署和业务化测运控和运维以及应用。
参考文献
1. 邓云凯 禹卫东 张衡 王伟 刘大成 王宇. 未来星载SAR技术发展趋势. 雷达学报 2020 9(01): 1-33.
2. 邓云凯 赵凤军 王宇. 星载SAR技术的发展趋势及应用浅析. 雷达学报 2012 1(01): 1-10.
3. Gonzalez JH Bachmann M Böer J Fiedler H Krieger G Zink M. TanDEM-X mission and DEM accuracy. Proceedings of wave propagation in communication microwaves systems and navigation WFMN 2009.
4. Krieger G Moreira A Fiedler H Hajnsek I Werner M Younis M Zink M. TanDEM-X: A satellite formation for high-resolution SAR interferometry. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 2007 45(11): 3317-3341.
5. Nies H Loffeld O Gebhardt U Peters V. Orbit estimation of the interferometric cartwheel using an extended linearized Kalman filter. IGARSS 2003. 2003 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Proceedings (IEEE Cat. No. 03CH37477); 2003: IEEE; 2003. p. 3616-3619.
6. Gebhardt U Loffeld O Nies H Peters V. Orbit modeling related to cartwheel geometry. IGARSS 2003. 2003 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Proceedings (IEEE Cat. No. 03CH37477); 2003: IEEE; 2003. p. 3604-3606.
7. Gebhardt U Loffeld O Kalkuhl M Nies H Knedlik S. Orbit tracking and interpolation using a realistic gravitation model. IGARSS 2004. 2004 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium; 2004: IEEE; 2004. p. 3767-3769.
8. Younis M Metzig R Krieger G. Performance prediction of a phase synchronization link for bistatic SAR. Ieee Geosci Remote S 2006 3(3): 429-433.
9. 陈艳. 机载单通道SAR地面动目标检测技术研究. 南京航空航天大学 2007.
10. 李锦伟. 高分辨星载SAR干涉/极化处理关键技术研究. 西安电子科技大学 2015.
11. 孙泓波 顾红 苏卫民 刘国岁. 基于互Wigner-Ville分布的SAR运动目标检测. 电子学报 2002(03): 347-350.
12. 魏兴. 俄乌战争启示：西方商业遥感卫星能力已足以匹敌军用侦察卫星. 太空与网络 2022-04-08 21:30.
13. 刘年华，石亚琼. 商业小卫星蓝海：穿云透雨的雷达卫星，中美商业航天竞争新焦. 36氪研究 2021-11-27 12:00.
14. 中国航天科工三院航天海鹰卫星运营事业部. 航天星云即时遥感星座深化论证报告. 2022-05-01.
初审：张艳玲
复审：宋启凡
终审：金 君
资讯
