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深度｜高分辨率宽幅星载SAR海洋监视与信息反演

海洋的有效探索和合理利用，对国家的发展和国防建设具有重要意义。在人类对海洋的漫长认知过程中，对海探测方式主要有常规探测和遥感探测。常规探测是以浮标、潜标、沿海自动站和测量船等为平台，对海洋环境进行直接测量，但由于其探测范围小，在时间和空间上均受到限制，因此人们逐渐发展了遥感探测方式。

相对于其他遥感方法，星载合成孔径雷达（SAR）具有全天时、全天候、大范围和高分辨的特点，可以利用不同波段、不同极化、不同视角、不同分辨率的优势，更加适合海面特征观测和信息反演。利用星载合成孔径雷达图像，结合海洋动力学理论，可以确定那些直接或间接影响海面粗糙度的动态结构，包括：内波、夕流、漩涡、洋流、工业排污、自然和人为海上灾害、航行中的舰船、海冰、溢油等。此外，还可以借助星载SAR系统进行水下地形探测研究。

经过几十年的发展，星载SAR系统对海监视取得了一系列成果。美国于1978发射了SEASAT-A（海洋星）卫星，首次装载了合成孔径雷达。SEASAT是美国也是世界第1颗以海洋探测为主的卫星，其任务是论证海洋动力学测量的可靠性，具体目标是收集有关海面风、海面温度、波高、海洋内波、气态水、海冰特征和海洋地貌的数据。此后，美国宇航局（NASA/JPL）实施了轻型SAR技术研究计划（LightSAR）。其主要任务包括：监测自然灾害，监测土壤、雪水，测量冰川/冰原平衡，测量海岸线，监测海洋对大气的影响。俄罗斯于1991年发射了Almaz-1卫星，利用SAR图像进行了海洋学的研究，包括：洋流运动、内波成像、大陆架不规则性、海洋表面污染、潮汐边界估计、浮冰监视等。ERS-1/2是欧洲航天局（ESA）发射的欧洲遥感卫星系列，主要任务是海洋观测，包括对海浪、风场、海洋环流、海温和海冰结构的观测。在ERS系列卫星之后，欧洲航天局于2002年又发射了Envisat遥感卫星，搭载了先进的合成孔径雷达ASAR。Envisat是1颗多用途卫星，它以海洋和大气的全球探测为主，除能用于海洋和冰盖探测以外，也可用于陆地遥感，如植被、土地、地质、水灾及水文参数测量。此外，加拿大的RADARSAT-1/2卫星、德国的TerraSAR-X卫星及中国高分三号卫星均具有对海洋监视的用途。

对于星载SAR系统，几何分辨率和测绘带宽是2项重要的成像指标。通过调研发现，受系统脉冲重复频率（PRF）限制，上述星载SAR系统的分辨率和测绘带宽并没有得到较好兼顾。而对于对海监视而言，高分辨率能提供目标更为精细的特征信息，有利于目标的观测和信息提取；宽测绘带能够提供更为广阔的场景信息，以获取全局判读能力。这就要求未来的对海监视星载SAR系统应具备高分宽幅的能力。

一、高分宽幅成像

星载SAR的高分辨率宽测绘带成像一直以来都是人们追求的目标。一方面，高分辨率能够提供关于目标更为精细的特征信息，便于目标识别和特征提取，这在军事侦察、城市绘图及灾害评估等方面有着重要的意义。另一方面，宽测绘带可提供更为广阔的场景信息，并提高对特定区域的重访频率，这有利于对土地、森林、海洋等大面积区域的观测。

通常用品质因数Q定义分辨率和测绘带宽的综合性能，可表示为：

＝W_g/ρ_az

其中，W_g和ρ_az分别为距离向测绘带宽和方位分辨率。

在传统星载SAR系统中，这2个指标是一对矛盾，无法同时提高，其品质因数一般≤10。围绕距离向测绘带宽和方位分辨率之间的矛盾，近几十年来一直是国际星载SAR领域的研究热点。当星载SAR品质因数大于10时，一般认为该系统具备高分宽幅成像能力。

二、高分宽幅星载SAR海洋应用

⒈高分宽幅星载SAR 海上目标监测

相对于传统的星载SAR系统，利用高分宽幅星载SAR系统对海上运动目标进行监视具有明显的优势，根据监测运动目标的不同可以分为：舰船监测、溢油监测和海冰监测。

⑴舰船监测

舰船目标检测与监视是世界各海岸地带国家的传统任务，在舰船寻找与救助、捕鱼船监视、非法移民、反毒品、保卫领土等方面有着广泛应用。对舰船进行监测，根据需要可以采用不同方式，如大范围海域普查、重点海域监视、特定船只跟踪等。

利用高分宽幅星载SAR系统进行舰船目标监测时，高分辨特性使得更小尺寸的舰船目标得到有效检测，甚至可以实现舰船目标分类识别；而宽幅特性可以提供较大的观测范围，从而分析区域内的舰船目标分布情况和观测完整的舰船编队。

图1为利用国产C波段1m分辨率全极化机载SAR系统获取的海面舰船图像，从图1中可以清晰地观测到不同类型的船只及其细部结构信息。

图1 C波段全极化机载SAR获取的舰船图像

⑵溢油监测

随着海上物流运输业的迅速发展，港口和沿海的船舶数量急剧增加。超大型油轮的出现使海上通航环境更加复杂，导致船舶溢油污染，特别是重特大船舶溢油污染的风险随之增大。溢油事故对海洋环境和经济是一个巨大的威胁。溢油的监测十分重要，如果溢油能够在事故发生早期被监测，那么溢油的清理等处理工作将能够尽早展开，溢油造成的损失也可以被降低到最低点。

借助高分宽幅星载SAR系统，不仅能够在较广的范围内监测海洋溢油的发生及其扩散的动态特征，及时引导海事船舶和海监飞机进行跟进调查，还可以作为执法索赔证据。此外，利用多颗卫星可以连续观测和计算溢油范围，估计溢油漂移和扩散的方向，为海洋环保部门提供最佳油污清除和治理溢油灾害方案。

图2所示为国产C波段1m机载SAR（VV极化）获取的海面固定石油开采平台及其溢油轨迹图像。

图2 C波段VV极化机载SAR获取的溢油图像

⑶海冰监测

海冰每年的冻结及漂移对海上航运、油气勘探及海上生产等均有不同程度的影响，甚至造成严重的灾害。因此，对海冰漂移进行近实时、全天候跟踪具有重要意义。利用星载高分宽幅SAR系统获取到不同轨道周期的SAR图像序列可以对海冰漂移进行有效跟踪。

图3 南极浮冰SAR图像（黑色竖线为位置标记）

图3为Almaz-1对海面浮冰进行监测的结果，图3（a）为该卫星在南极得到的一幅SAR图像，图3（b）为该卫星在运行了143圈后对该地区的重新成像，可以看出浮冰向右侧产生了移动，其中黑色竖线为位置标记。

⒉高分宽幅星载SAR海洋动力要素监测及反演

利用高分宽幅星载SAR系统具有的全天时、全天候、高分辨率对海探测特点，可提供海洋及沿岸地区的海面风场、海表流场、海浪、海洋内波和中尺度涡等海洋物理信息，具有广阔的应用前景和重要的研究价值。

⑴洋流监测

洋流又称海流，表示海洋中除了由引潮力引起的潮汐运动外，海水沿一定途径的大规模流动。利用高分宽幅星载SAR的沿航迹基线可以对洋流的速度进行测量，实现海表流场速度的反演，对海洋灾害预警、海洋经济监视、海洋战场环境测绘、航海安全以及维护国家海洋权益等具有重要意义。图4、图5给出TerraSAR系统对洋流速度反演结果。

图4 TerraSAR雷达沿航迹干涉相位

图5 基于TerraSAR的洋流速度反演

⑵内波监测

利用高分宽幅星载SAR系统对海洋内波进行监测具有重要意义。在民用领域，大幅度内波在传播过程中产生的扰动可导致海水强烈幅聚和突发性的强流，有可能对海洋工程、石油钻井平台和海底石油管道造成严重危胁；在军用领域，大振幅的内波会对水下潜艇航行产生灾难性后果。此外，内波会改变声信号在海水中传播路线，直接影响水声信道，内波产生的强烈流场会影响水下武器的发射及水下声呐的通信和探测。图6为国产C波段1m机载SAR（VV极化）获取的中国南海地区内波图像。最重要的特征为较亮的周期波群，明显是从洋底辐射形成。

图6 C波段VV极化机载SAR获取的南海内波图像

⑶风场监测

海面风场是海洋的主要动力来源，海面风是影响海浪、海流、水团等要素的活跃因子，也是海浪、海洋环流、海气边界层气象学以及海气相互作用研究中非常重要的参数，海洋学和气象学领域绝大部分研究都需要海面风场的资料。基于星载SAR的风速反演原理与微波散射计一样，都是根据风速与雷达后向散射截面的定量关系反推而得。图7为国产C波段1m机载SAR（VV极化）获取的中国南海地区风场图像，通过SAR图像可以反演出风向和风速。

图7 C波段VV极化机载SAR获取的南海风场图像

⑷海浪监测

SAR是目前唯一可以提供海浪方向谱的星载微波遥感器，可以计算得到有效波高、平均波周期、主波波长、主波波向等海浪参数。利用星载SAR图像，结合海洋动力学理论，可以进行海浪监测及信息反演。

图8为SEASAT SAR对加拿大温哥华岛（Vancouver Is⁃land）西北方400km处的成像结果，图像清楚地反映了风对于表面波检测的影响。一个向西传播的波长为220m的表面波可以在较亮的区域被观测到，这是因为风的缘故使洋面不平坦。

图8 SEASAT SAR对空间不同风速的表面波成像

⑸中尺度涡旋和海洋锋面监测

海洋中尺度涡旋是叠加在海洋平均流场上的，尺度从几十至几百km的水平涡旋。而海洋锋面是指特征显著不同的两种或几种水体之间的狭窄过渡区域，代表了性质不同的水团之间的边界，是地球物理湍流的重要特征，在海洋动力学中有着重要的作用。

目前，对中尺度涡旋和海洋锋面的研究成果相关报道较少。在国内，中国科学院电子学研究所率先开展了海洋中尺度涡旋和海洋锋面探测方面的研究，并进行了机载飞行试验，首次获取了中尺度海洋涡旋的SAR图像。试验结果表明，从SAR图像中分离出中尺度涡旋和海洋锋面的信息完全可行（图9）。

图9 海洋中尺度涡旋和锋面SAR图像

（a）海洋中尺度涡旋（b）海洋锋面

（机载L波段VV极化、1m分辨率）

三、星载SAR海洋监视与信息反演关键技术

未来的星载SAR系统为了实现海上目标监测和海洋动力学要素监测及反演，需要借助的关键技术有：高分宽幅SAR 成像技术、多基沿航迹干涉技术及多极化SAR技术等。其中，高分宽幅SAR成像技术是基础，而多基沿航迹干涉技术和多极化SAR技术用于信息反演。

⒈高分辨率宽测绘带SAR 成像技术

一方面，由于海洋面积大、范围广，需要星载SAR具有宽幅成像能力，从而快速了解宏观信息。另一方面，上述的海洋应用需要星载SAR具有高分辨率成像能力。因此，未来的星载SAR对海监视系统必须具有高分宽幅能力。

高分宽幅SAR体制在2001年IEEE地球科学与遥感大会（IGARSS）会议上首次被提出，其工作原理如图10（a）所示。该体制下发射端采用一个小孔径天线实现距离向与方位向的宽幅覆盖。接收端利用方位向的多通道和距离向的多通道接收回波。方位向通过多通道重构处理消除由于脉冲重复频率欠采样而导致的方位频谱混叠；距离向上利用多通道扫描接收（SCORE）处理，如图10（b）所示，形成一个由近及远实时追踪回波脉冲的高增益笔形波束，以此来弥补由于发射孔径面积较小而导致的增益损失，有效抑制距离模糊。在进行距离向SCORE扫描时，需要借助数字波束形成技术（DBF）。

图10 高分宽幅成像技术

（a）HRWS系统工作原理示意（b）距离向SCORE接收原理示意

图11为中国科学院电子学研究所航天微波遥感部利用研制的某星载高分宽幅SAR系统对海成像的结果图，其中白点为海面上的舰船。

图11 星载高分宽幅SAR对海监视成像结果

⒉多基沿航迹干涉技术

星载沿航迹干涉SAR（ATI SAR）技术是通过沿航迹方向放置两路或多路相位中心，然后利用两通道数据的干涉相位来对消杂波，并获得运动目标的径向速度信息。该技术能检测到杂波谱内的慢速运动目标，已成功地应用于海流速度测量和海面运动目标检测等领域。

目前星载SAR系统形成沿航迹基线主要有3种方式。第一，单颗卫星通过孔径切换的方式形成多个距离较近的等效相位中心，如TerraSAR-X（图12）、Radarsat-2等卫星；第二，单颗卫星通过伸展臂形成距离较远的等效相位中心，如SRTM双天线干涉SAR系统（图13）；第三，通过卫星星座的形式形成分布式星载SAR系统，如TerraSAR-X 和TanDEM-X形成的HELIX编队方式（图14）。

图12 TerraSAR-X的2种工作模式（AS模式和DRA模式）

图13 SRTM天线位置

图14 TerraSAR-X与TanDEM-X的HELIX编队方式

相对于单颗卫星形成的多相位中心，分布式卫星可以获得灵活调整的沿航向长基线以满足不同需求，突破单星雷达几何尺寸的限制，大大提高了对海面弱小、慢速运动目标的探测能力。此外，对监视缓慢变化的洋流、冰川、海上漂浮物也有突出的优势。多颗卫星编队可在单次航过获得不同基线长度，灵活配置的卫星数量和基线组合，增大了系统自由度，提高了杂波抑制和动目标检测、定位能力。通过星间长-短基线结合，可有效解决最小可检测速度和盲速之间的矛盾，增大了动目标可测速范围。

因此，分布式星载SAR系统是未来星载SAR对海洋监视的发展方向。

图15 星载高分宽幅SAR沿航迹杂波对消结果

（a）对消前（b）对消后

图15为中国科学院电子学研究所航天微波遥感部利用研制的某星载高分宽幅沿航迹干涉SAR系统杂波对消的结果图。图15（a）为杂波对消前的SAR图像（对陆地成像），图15（b）为利用沿航迹的两个通道进行杂波对消后的结果（其中亮线为行驶中的火车）。

⒊多极化SAR 技术

与普通星载SAR使用单一极化的天线发射和接收信号的方式不同，星载极化SAR（PolSAR）系统利用多极化的两个天线发射和接收雷达信号在相互垂直的2个方向上的分量，获得海洋目标的极化散射矩阵，可以得到除了目标散射回波的幅度和相位特征之外的极化信息，极大地增强了星载SAR对海洋目标特性的获取能力。

对于舰船、溢油、海冰等海洋目标监测而言，星载极化SAR系统丰富的散射信息和极化特征有助于海上目标的几何细节刻画和散射特性分析，从而实现海上目标的检测、分类和识别。对于海洋动力环境要素，星载极化SAR系统对不同海况条件下的不同尺度的海浪、海流、海面风场的敏感程度不同，可以提供更加丰富的信息。因此，星载极化SAR系统通过对极化信息的使用，更有利于海上目标的有效探测和识别以及海洋动力要素的准确提取。