世界星载SAR发展综述
2006年12月
说明
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李飞
目录
1、各国星载SAR发展概况 (4)
2、美国 (6)
2.1 SEASAT （海洋星） (6)
2.2 SIR-A (Shuttle Imaging Radar-A) (8)
2.3 SIR-B (Shuttle Imaging Radar-B) (9)
2.4 SIR-C/X-SAR (Shuttle Imaging Radar-C/X-SAR) (10)
2.5 SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) (12)
2.6 Lacrosse (长曲棍球系列) (17)
2.7 Discover II (发现者2) (20)
2.8 LightSAR (22)
2.9 RADAR1 (23)
2.10 Magellan (24)
2.11 Cassini (24)
3、欧空局 (25)
3.1 ERS-1/ ERS-2 (25)
3.2 Envisat（ASAR） (26)
3.3 Cosmo-Skymed（宇宙－地中海） (29)
3.4 TerraSAR-X (32)
3.5 SAR-Lupe (34)
4、俄罗斯 (36)
4.1 Almaz（钻石系列） (36)
4.2 Arkon-2 (39)
4.3 Kondor-E (39)
5、加拿大 (40)
5.1 RadarSAT-1 (40)
5.2 RadarSAT-II (42)
6、日本 (44)
6.1 JERS-1（Japan Earth Resources Satellite） (44)
6.2 ALOS（PALSAR） (46)
7、以色列 (48)
7.1 TECSAR (48)
8、印度 (49)
8.1 RiSAT (49)
9、阿根廷 (51)
9.1 SAOCOM (51)
10、韩国 (53)
10.1 ROK-SAR（Arirang V/ Kompsat-5） (53)
11、中国 (55)
12、总结................................................................................................................. 错误！未定义书签。
1、各国星载SAR发展概况
SAR是20世纪50年代提出并研制成功的一种微波遥感设备，也是微波遥感设备中发展最迅速和最有成效的传感器之一。作为一种主动式传感器，它能不受光照和气候条件的限制实现全天时、全天候对地观测。还可以透过地表和植被获取地表下信息。这些特点使它在农业、林业、地址、环境、水文、海洋、灾害、测绘与军事领域的应用具有独特的优势。使得SAR收到世界各国政府的高度重视与支持。在短短的50年间，从构思—实验室—机载—星载，其各个时期的发展都相当迅速，各方面技术也不断发展与完善。
1951年6月美国Goodyear宇航公司的Carl Wiley首先提出频率分析方法改善雷达角分辨率的方法。与此同时美国伊利诺依大学控制系统实验室独立地用非相参雷达进行实验，验证频率分析方法确实能改善雷达角分辨率。
1952年第一个SAR系统研制成功。
1953年获得第一幅SAR图像。
1957年美国密歇根大学雷达和光学实验室研制的SAR系统获得第一张全聚焦的SAR图像。
20世纪70年代美国密歇根环境研究所（ERMI）和国家航空航天局喷气推进实验室（JPL）研制出1.25GHz和9GHz多极化合成孔径雷达。
1972年JPL进行了L波段星载SAR的机载校飞。
1978年6月27日JPL发射了载有SAR的海洋卫星SEASAT，标志着合成孔径雷达已成功进入从太空对地观测的新时代，标志着星载SAR由实验室研究向应用研究的关键转变。
1981年11月12日美国“哥伦比亚”号航天飞机搭载SIR-A顺利升空。雷达影像上成功观测到撒哈拉沙漠的地下古河道，显示了SAR具有穿透地表的能力，引起国际科技界的震动。
1984年10月5日美国进行了“挑战者”号航天飞机搭载SIR-B的实验。
1987年7月原苏联发射的“COSMOS-1870”卫星上配备了一部分辨率为25米的S波段SAR 系统。主要对人类无法进入的地区进行雷达成像测绘，监测海洋表面污染，鉴别海冰和对厚冰区的舰船进行导航等。
1988年12月2日，美国航天飞机“亚特兰蒂斯”号将“长曲棍球（Lacrosse）”军事侦察卫星送入预定轨道，这是世界上第一颗高分辨率雷达成像卫星。
1989年NASA开展了一项星球雷达任务——Magellan雷达观测金星计划，将SAR拓展到研究其他星球的重要工具之一。
1991年3月8日，NASA发射长曲棍球-2。
1991年3月31日COSMOS-1870的改进型ALMAZ-1由前苏联发射上天，搭载S波段SAR。
1991年7月1日ESA发射了其第一颗地球资源卫星ERS-1，可提供全球气候变化情况，并对近海水域和陆地进行观测。
1992年2月11日，日本发射地球资源卫星JERS-1，携带L波段SAR系统。
1994年NASA、DLR（德国空间局）和ASI（意大利空间局）共同进行了航天飞机成像雷达飞行任务SIR-C/X-SAR，分别在1994年4月9日到20日和9月30日到10月11日进行了两次飞行。SIR-C由NASA负责完成，是一部双频（L波段、C波段）全极化雷达。X-SAR由DLR 和ASI共同建造，为单频X波段，单极化VV雷达。SIR-C/X-SAR首次实现了利用多频、多极化雷达信号从空中对地球进行观测，SIR-C图像数据有助于人们深入理解现象背后的物理机理，深入开展植被、土壤湿度、海洋动力学、火山活动、土壤侵蚀和沙化等多项科学研究工作。
1995年4月21日年ERS-2发射升空。
1995年11月4日加拿大成功发射了其第一颗资源调查卫星RADARSAT-1，该星为商业应用和科学研究提供全球冰情、海洋和地球资源数据。
1996年NASA开展了第二项星球雷达任务——观测土星的Cassini任务，用于开展观测Titan 表面的物理状态、地形和组成成分等多项任务，进而推测其内部构造。
1997年10月24日，NASA发射长曲棍球-3。
2000年2月11日NASA和NIMA（美国国家测绘局）联合进行了为期11天的航天飞机地形测绘任务（SRTM）。采用60米长的可展开天线杆进行干涉测量。
2000年8月17日，NASA发射长曲棍球-4。
2002年3月1日ESA发射Envisat卫星，搭载ASAR。
2005年4月30日，NASA发射长曲棍球-5。
2006年1月24日，日本发射ALOS，搭载PALSAR。
可见，从1978年美国发射第一颗合成孔径雷达卫星SEASAT开始，很多国家都陆续大力开展星载雷达的研究。根据不完全统计，已经发射或即将发射星载SAR的国家包括：美国、欧空局、俄罗斯、日本、加拿大、中国、印度、以色列、韩国、阿根廷等。
星载SAR从低分辨率、单极化、单一工作模式向高分辨率、多极化、多种工作模式发展，从2D向3D发展，下面分别予以介绍：
2、美国
2.1 SEASAT （海洋星）
1978年6月27日，美国NASA从范登堡基地发射了Seasat-A卫星，其上首次装载了合成孔径雷达，工作在约800公里的高度上。入轨10天后星载SAR系统才首次启用，卫星飞行105天后，由于电源系统故障，于1978年10月10日终止飞行使命。其间，SEASAT系统共工作500次，每次5～10分钟，以25米的分辨率对地球表面1亿两千万平方公里的面积进行了测绘，实现了全天时、全天候工作。Seasat-A标志着SAR技术已进入空间领域，开创了星载合成孔径雷达的历史，其任务是论证海洋动力学测量的可靠性，在其短短的3个月工作时间内向地面传回了大量有关陆地、海洋和冰面的图像。利用Seasat-A的雷达图象，获得了大量从未得到的地表信息。
SEASAT-1卫星系统参数
SEASAT雷达图像
2.2 SIR-A (Shuttle Imaging Radar-A)
1981年11月12日，美国NASA在肯尼迪航天中心利用哥伦比亚号航天飞机将SIR-A送上太空，该任务为期3天，于1981年11月14日降落在位于加州的爱德华兹空军基地。SIR-A是一部HH极化L波段合成孔径雷达（SAR），以光学记录方式成像。SIR－A共录取了7个半小时的数据，对1000万平方公里的地球表面进行了测绘，获得了大量信息，其中最著名的是发现了撒哈拉沙漠中的地下古河道，引起了国际学术界的巨大震动。它是构成NASA（OSTA-1）的一个组成部分，主要目的是让人们更多地获取地表信息，并作为地球观测的科学平台。
SIR-A系统参数
2.3 SIR-B (Shuttle Imaging Radar-B)
1984年10月5日，美国NASA利用挑战者号航天飞机将SIR-B送上太空，该任务代号为STS-41G，到1984年10月13日，为期一周。SIR-B也是一部HH极化L波段合成孔径雷达（SAR），它是构成NASA（OSTA-3）的一个组成部分。
SIR-B系统参数
2.4 SIR-C/X-SAR (Shuttle Imaging Radar-C/X-SAR)
SIR-C/X-SAR是在SIR-A，SIR-B基础上发展起来的SIR-C/X-SAR，于1994年4月由美国NASA利用航天飞机将其送上太空，引入了很多新技术，是当时最先进的航天雷达系统，表现在：(1) 运行在地球轨道高度上的第一部多波段同时成像雷达，它共有3个波段，由美国研制L和C 波段SAR，德国、意大利研制X波段SAR；(2) 运行在地球轨道高度上的第一部高分辨率4种极化（HH ，HV，VH和VV）同时成像的雷达（X-SAR只有VV极化）。(3)由于采用相控阵天线，其下视角和测绘带都可在大范围内改变。该系统今后将随航天飞机作多次飞行，主要应用于环境监视和资源勘探等商业目的。
SIR-C天线设计如下：C波段和L波段采用微带天线，C波段采用缝隙波导天线。天线总尺寸为：12.0m 3 3.7m。C波段天线由18个面板组成，每个面板有28个T/R组件，共504个T/R 组件；L波段由18个面板组成，每个面板有14个T/R组件，共252个T/R组件
天线结构图如下：
SIR-C工作状态图：
SIR-C/X-SAR系统参数
2.5 SRTM (Shuttle Radar Topography Mission)
项目开始时间: August 1996
项目完成时间: March 2001
项目周期: 60 months (42 months start to launch; 18 months data processing)
1 SRTM的任务
SRTM的主要目标是收集干涉雷达数据，生成几乎可以覆盖全球的全球数字高程模(DEM)(此模型覆盖-56度至+60度纬度的地球表面)。
SRTM 数据的应用领域十分广泛，尤其在测绘、地壳形变及军事等领域具有十分重要的应用，具体而言．主要包括如下几个方面：
1）地质学、地球物理学、地震研究、火山监控及遥感图像数据的配准等。
2）土木工程、土地理捌及通信线路的确定等。
3）飞行模拟器、任务悬姑、导弹与武器制导、演习及战场管理等。
2 SRTM的背景
SRTM是航天成像雷达——C/X波段合成孔径雷达(SIR－C／X－SAR)改进型的任务，它已分别于1994年4月和10月两次成功完成。SRTM的SIR－C和X－SAR雷达设备各增加了第二个接收机通道和只用于接收的第二根天线，这两根天线装在长6O米可伸缩的天线杆一端，这是第一部装载在航天器上环绕地球轨道进行单次通过测量的干涉仪。SRTM是NASA(美国宇航局)、NIMA(国防部国家测绘局)和DLR(德国宇航中心)的一个合作项目。NASA的喷气推进实验室(JPL)负责C波段雷达系统、天线杆、姿态与轨道测定仪(AODA)以及C波段数据处理。DLR负责X 波段雷达系统(X－SAR)的系统工程、理论、操作、校准和数据处理。ASTRIUM是X－SAR飞机硬件部分的研发、集成和测试的主要承包商。意大利空间局(ASI)与DLR于1994年合作完成了飞机硬件部分的飞行实验和数据处理。
3 SRTM的硬件组成
SRTM由两个雷达系统组成，NASA的JPL雷达在c波段(波长5、6厘米)工作，DLR系统在x波段(波长3厘米)工作。基线由60米长的可伸缩天线杆结构构成，此结构伸出轨道飞行器的货舱，伸出端带有c波段与x波段雷达的第二根天线。由地面点反射回的雷达信号被内外侧的两根天线接收，它们路径相同但时间稍微不同，相位差是由于很小的距离差所导致。由于精确知道对于任何时间的地面点航天飞机在太空的位置和姿态，就能算出目标高度。这种首次在太空的单次通过SAR干涉仪不会受不稳气压的影响，也不会受到由于遇到多次通过干涉测量而造成目标反向散射的短时抗相关干扰。
3.1 主雷达天线
主雷达天线结构图
主雷达天线由2条天线和1台计算天线位置数据的姿态与轨道测定电子仪(AODA)组成。每条天线由能发射和接收雷达信号的特殊面板制作。第一条天线称作C波段天线，可接收和发射波长为5.6 cm的雷达信号；第二条天线称为X波段天线，该天线可接收和发射波长为3cm的雷达信号。所有这两种波长都曾在1994年的SIR－C/X－SAR试验中用于测绘和其他学科的研究。AODA的主要功能是测量天线杆长度、测姿与测轨。AODA 由电子测距仪、觇标跟踪仪、惯性导航仪、恒星跟踪仪及GPS接收机等5部分组成。电子测距仪利用舱外天线上的角反射器能非常精确地量测天线杆的长度，精度达到土3mm。觇标跟踪仪利用舱外天线上的3根发光二极管(LED)觇标来量测舱外天线相对于主雷达天线的位置。恒星跟踪仪由高性能的相机、计算机和含有大量恒星目录的数据库组成，用于确定SRTM 相对于恒星的姿态及舱外雷达天线的相对运动。惯性导航仪可非常精确地量测姿态变化，所得数据与恒星跟踪仪得到的数据相结合，则可得到SRTM相对于恒星的绝对方位。惯导数据可用于推求随时问变化的姿态航天飞机上装有的2台与舱外GPS天线相连的GPS接收机，主要用于测定轨道。
AODO结构图
3.2 舱外天线
舱外天线与天线杆的另一端相连，它由2条雷达天线(即C 波段和X 波段)、2条GPS天线、3根发光二极管(LED)觇标及角反射器组成。2条雷达天线仅接收雷达信号,雷达信号的发射由主天线来完成。
仓外天线结构图
3.3 SRTM 可伸缩天线杆
用于SRTM 使命的天线是一种可伸缩铰接式天线杆。该天线杆由87个立方形框式部件组成，直径为1.12m，重量为290kg，天线杆展开达60m。在航天飞机起飞和着陆期间，天线杆装在一金属罐内。天线杆由装在金属罐内的马达驱动，以展开天线杆。航天飞机上的一名宇航员还可以利用手持马达人工展开天线。
天线杆在太空的展开图
4 SRTM 的主要产品
SRTM 的数字产品主要包括如下几种：
1）LEVEL－2地形高程数据集。绝对水平和高程精度分别为士20 m 和士16 m；范围为5度×5度；高程数据间隔为1弧/秒，约30m。
2）带状正射纠正图像数据集。采样间距为15 m×15 m；单个文件的覆盖区域为60 km×450～60 km×4500 km。最后移交给NIMA进行镶嵌。
3）随机高误差数据集。
4）系统高程误差模型。
5）最终检核报告及全球高程误差模型。
6）数字高程图像产品：有以颜色表示高程的雷达图像；带彩色干涉条纹的雷达图像；晕渲地貌；互补色立体像对；叠置有雷达图像并以颜色表示高程的透视图；晕渲地貌透视图；叠置有陆地卫星或其他图像的透视图；等高线图；立体像对。
SRTM系统参数
2.6 Lacrosse (长曲棍球系列)
长曲棍球总体图
1、概述
美国于1977年开始研制“深蓝”(INDIGO)雷达卫星，并于1982年1月21日发射成功，这是1颗试验型卫星，但只运行了122天。“长曲棍球”(LACROSSE)卫星于1983年批准立项，直至1986年才由当时担任美国中央情报局局长的乔奇.布什批准启动，至今已发射5颗。
“长曲棍球”卫星由美国前麦道公司(现合并到波音公司)和洛2马公司研制。“长曲棍球”卫星已成为美国卫星侦察情报的主要来源，美国军方计划再订购6台“长曲棍球”卫星上的SAR，每台SAR价格约5亿美元。
（1）星体构造：主体呈八棱体，长8～12m，直径4m，
（2）卫星重约14 500kg。天线展开直径约20m，太阳能
（3）典型轨道：近地点670km，远地点780km，倾角57°和68°
（4）系统配置：双星组网
（5）由于采用大型抛物面天线，所以提高了SAR的分辨率和信噪比。它采用X、L两个频段和双极化方式。其地面分辨率达到1 m（标准模式）、3 m（宽扫模式）和0.3 m（精扫模式），在宽扫模式下，其地面覆盖面积可达几百平方千米。
（6）它采用大型太阳电池翼，展开长度为50 m，可以为庞大的卫星(12 t)提供足够的功率。
（7）星上装有GPS接收机和雷达高度计，故能进行精密测量。
（8）采用TDRSS实现大容量高速率数据的实时传送，可以在全球范围内执行侦察任务。
美国的Lacrosse系统即为极化系统。“长曲棍球”卫星是当今世界上技术先进的雷达侦察卫星，它能够穿透云雨层向地面传输清晰的卫星图片美国在南斯拉夫战争，伊拉克战争以及阿富汗战争中用其进行了卫星电子战（The Satellite Wars），取得了很好的作战效果。
“长曲棍球”雷达成像卫星
五颗“长曲棍球”卫星发射时间表
2、技术指标
（1）Lacrosse 1
（3）Lacrosse 3
（4）Lacrosse 4
注：Lacrosse 4在初始轨道运行后做了自适应调整，括号内为调整后的相应参数
2.7 Discover II (发现者2)
1、开发单位：
U.S. Air Force（美国空军）
Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)
National Reconnaissance Office (NRO) （国家情报局）
计划开始时间：1998年2月
预计完成时间：2010年
2、用途：Discoverer II希望能够提高对战场的监测和侦察能力，通过多星协作实现对全球地面目标的精确监控：
1）高距离分辨率地面动目标检测(HRR-GMTI)
2）合成孔径雷达成像
3）获得高分辨率数字地形高程数据（DTED）
最初，Discoverer II计划包含24颗近地轨道卫星，入射角约为54度，组成Walker星座，轨道高度为770km。现在的Discoverer II计划先会研制并发射两颗HRR-GMTI/SAR卫星用于实验，这两颗卫星集成TES（Tactical Exploitation System：战术拓展系统）系统，将对其进行一年的在轨观测论证。这些论证将未将来的多星星座系统在技术可行性，耗资，任务完成能力等方面提供可靠的参考。
3、特点：
1）跟踪并检测地面运动目标
2）高分辨率成像
3）收集高精度的数字地面高程信息
4）战场数据的实时传送
5）证明类似计划在资金消耗方面是可以接受的（单星制作费用：小于$100million；20年的生命周期内的费用：小于$10billion）
6）战争时期与和平时期都可以应用（在和平时期可以用于监测是否存在运送大规模杀伤性武器的船只等）
4、Discoverer II处理结构：
关键在于提高雷达出处理的实时性能。如果要实现GMTI功能，在线处理器的运算速度必须达到1 TOPS（Tera-operation per second ）以上的吞吐量，而且整个处理器的设计不能超过卫星的重量和功率限制。因此，VLSI（超大规模集成电路）和并行处理技术成为整个处理器的技术关键。其中STAP技术是实现GMTI功能的关键。考虑天线尺寸为2.5m316m，卫星速度为7km/s，在这种参数下，运动目标与杂波主瓣往往是混叠的，也就是说运动目标淹没在杂波主瓣中。STAP（Sapce－Time Adaptive Processing）技术就用于抑止地杂波，从而将被杂波掩盖了的运动目标检测出来。