81民用SAR的应用与直升机机载SAR(郑圣虎).doc

第二十四届（2008）全国直升机年会论文民用sar的应用与直升机机载sar郑圣虎1 宋军杰2 张之光2（1.陆航研究所 2.陆航学院）摘 要：合成孔径雷达 (sar) 在军事和民用方面都发挥着广泛的作用。本文介绍了sar在民用方面的应用，凸现了sar作为微波遥感器的优越性；介绍了国外已装备直升机的sar，说明了直升机机载sar的可行性和必要性。汶川地震是国人心中的痛，汶川的抗震救灾给国人留下了刻骨铭心的记忆，其中包括震后恶劣天气对救援的影响，同时也从另一个侧面显现了微波遥感的重要。据中央电视台报道，汶川地震后的恶劣天气影响了救援行动，为查明灾情，5月14日国家调用了遥感飞机；另据5月18日参考消息报道，“路透社5月16日电，美国国务院今天表示，美国已为中国提供地震受灾地区的卫星图片，”，这两则消息都显示了微波遥感的作用。1 微波遥感与合成孔径雷达(sar)微波遥感是20世纪60年代开始、90年代迅速发展起来的遥感技术，微波遥感的优越性在于：能穿透云雾、雨雪，全天候工作，即任何恶劣的天气条件都无碍于微波遥感；对地物有一定穿透能力，如可以穿透几十米的干沙、100米的冰层、几厘米到几米的潮湿土壤；能提供不同于可见光和红外遥感所能提供的某些信息，如可以测量距离、海面的风力场等；主动式微波遥感即雷达遥感，不仅可以记录电磁波的振幅信号，而且可以记录电磁波的相位信息，并可由数次观测计算出地面上某一点的相位差，获得该点的高程，其精度可达几米，其结果可用于地形变化，如地震、地壳运动的监测。微波遥感也有不足，如空间分辨力比可见光和红外传感器低，但合成孔径侧视雷达的图像除外；此外还有数据处理相对困难，不能做到同步获取同一地物的信息等。常用的微波遥感器主要有四种，微波高度计、微波散射计、成像雷达和微波辐射计。前三种为有源主动微波遥感器，后一种为无源被动微波遥感器。sar是一种高分辨力成像雷达，具有全天候、全天时成像特性，几何分辨率与传感器高度及波长无关，微波波段独有的信号数据特征使它成为遥感方面的独特设备，很多航天遥感平台都搭载有sar，如海洋卫星1号、日本地球资源卫星1号、金刚石卫星almaz（俄）、雷达卫星radarsat（加）、航天飞机成像雷达sir-a/b（美）等。由于在110ghz的频率上，大气透射率接近100%，大气分子造成的吸收衰减很少，因此，不管有没有云雨，工作在这一频域上的sar都能对地面成像。实际上，在110ghz外，大气吸收带中存在几个窗口，大多数有源实孔径雷达（如散射计和高度计）工作在1020ghz频段，但它们不是成像设备；在30300ghz频段，仅有35ghz、90ghz、135ghz大气窗口用于地表特征观测，而工作设备多为无源系统（微波辐射计），但它们的分辨率与sar系统相差几个数量级。尽管sar对测量地表特征具有独特的能力，但其工作频段仅占电磁频谱的一小部分，实际上每段电磁频谱都在遥感的某一方面起重要作用，除微波频段外，最有用的是红外、可见光/近红外，但它们不具备全天候、全天时的探测能力。对于军事而言，机载sar的优越性体现在：金属对电磁波反射强烈，所以战略目标、战术目标在图像上很容易与其它背景分开；由于载机可以不进入敌方上空，在其一侧飞行就可以获得敌占区情报，所以，提高了情报获取的隐蔽性和安全性。海湾战争和北约对南联盟空袭中，美国就是利用机载、星载sar对伊拉克和南斯拉夫进行了全天候监视的。2 民用sar的应用与其它遥感器一样，不论是机载sar，还是星载sar，都是先用于军事，后移植民用。1978年美国发射了世界上第一颗载有民用sar的卫星seasat-a，工作在l波段，任务是论证海洋动力学测量的可靠性。1995年11月加拿大发射的radarsat-1是世界上第一颗商用雷达卫星，工作在c波段，单极化(hh)，电扫描天线，并具有多种工作模式，主要任务是提供海冰和海况信息，勘探农林业和地质资源。从此之后，民用sar的应用越来越广泛。2.1 应用趋势sar的应用趋势是军用和民用的界线越来越不明显。星载sar在民用和军事侦察上都具有比较大的应用价值，如ers-12和radarsat-1等都是以民用为主的星载sar，但也具有较大的军事应用价值。又如加拿大的radarsat-2卫星，其精细模式的分辨力为3 m，所以具有一定的军事侦察能力。另外，一些国家发展军民两用sar卫星项目，如德国的terrasar-x商用雷达卫星、意大利的cosmo-skymed星载sar成像卫星，其分辨率可达到1m。美国ieee在提交给政府的一份报告中建议重视现有军用sar资源在民用领域的应用，其理由是： sar和干涉合成孔径雷达（insar）在监测地壳板块运动、冰川萎缩、追踪地下水枯竭、测量建筑结构（如水坝和堤岸）的数据方面有很重要的用途。2002年美国航空航天局的srtm计划开展后实现了sar卫星的民用，但srtm是短期任务，仅是用insar技术生成覆盖地球表面90%的三维图像。对于科研人员来说，insar技术很重要的应用是监测地球表面的运动，包括监测板块的运动，其精度接近厘米级，如帮助地球物理学家估计圣安第斯山脉断层的滑动速率，进而估计最南端的断层在未来三十年内断裂的概率为70。另外，通过sar对某些地区进行的测绘，证实亚利桑那州凤凰城由于地下水枯竭当地住宅区在沉陷，全球气候变暖导致的极地冰川和冰盖萎缩。此外，天基sar图像可以监测热带飓风和龙卷风，产生高空间分辨力的海面风地图，监察冰原和冰川威胁；也可用于监测大型建筑物（如堤坝等）的健康度。但科研人员不易获得insar的数据，所以建议美国政府采取政策促进和推动insar遥感技术的发展，建议美国航空航天局大力支持并致力于发展民用sar与insar空间遥感技术。2.2 在地理测绘中的应用空间测量技术的进步使机载sar（airsar）成像和干涉测量系统的实用化取得了突破性的进展，惯性导航技术使airsar 载机的飞行能近于理想的状态，使得sar和insar成像的空间分辨力迅速向cm量级提高。随着成像聚焦、辐射校正技术的改进, 雷达影像的辐射质量得以提高, 同时干涉测量及多波段、多极化成像技术的应用, 显著提高了sar影像的地物判读能力。sar 技术发达的国家, 已将机载高分辨力sar 用于地形测绘。巴西orbisat公司的orbisar是一种比较成熟的机载sar干涉测量系统，系统有三副x波段和一副p波段天线, 空间分辨力达50cm , 新研制的传感器分辨力高达25cm，用于150000 到15000比例尺的地形制图, 产生数字高程模型(dem) 、数字表面模型(dsm) 、数字正射影像图(dom) 及等高线。最近十多年来, 用于目标三维测量的insar是sar的一个发展方向。获得insar 数据的方式有两种, 或在一架飞机上使用两副天线, 或用一副天线进行重复轨迹飞行, 利用sar 相位测量来推断同一平面的两个或更多sar图像间的距离差和距离变化, 从而产生非常精确的地表剖面图。美国国家图像和测绘局使用insar 生成的高分辨力高度数据, 已覆盖了大约80 %的地球表面。2.3 在监测地表变形中的应用地下工程、筑堤作业、地下水钻探等造成的地表变形对建筑物的基础构架存在潜在的危害，如高速公路立交桥会受地表变型的影响，使立交桥的结构发生变化而危及高速公路的使用安全。因此，应对地表变形的速率和分布情况进行监测。同时，地表变形会在地质学和水文学方面对生产生活造成影响，所以，为了提高应对地表变形的承受能力，对地表运动趋势的预报也势在必行。insar在确定地表变形方面的应用已进入实用阶段，并已成功运用于火山、地下板块移动、矿井塌陷造成的地表变形评估。早在90年代中期，insar就在确定和监测由于矿产勘探造成的地表变形方面得到了广泛应用，如利用insar对欧洲、北美和澳大利亚等地不同气候环境（亚北极、潮湿、干旱/沙漠环境）下林地、耕地和矿区等进行成像，发现了耕作、土方作业等所造成的植被变化。虽然insar监测系统具有独特的优点，但反射物位置变化的不连续性会对insar成像产生影响。实际应用中如果对精度要求不是很高，l波段的数据在确定植被覆盖地区地表变形方面就可以满足要求。随着技术进步，insar在监测地表变形方面将成为一种更加有用的工具。2.4 在监测海上浮冰中的应用全球气候变暖所导致的后果就是海平面上升，其主要原因是两级冰川的融化，所以，必须了解冰川的状态。美国堪萨斯大学的雷达和遥感实验室进行了一项利用多波段收发分置sar对冰原状况进行监测的试验，包括监测冰川的边界、冰川上液态水储量和表面光洁度。试验中使用的是多基sar，工作于三个波段，7585 mhz、140160 mhz、330370 mhz，雷达的闭环灵敏度可达203db，利用了脉冲压缩和相干积分技术，克服了冰层造成的损耗。2004年，该试验在格陵兰地区(7234 n、3829 w) 完成。用于两极冰原基本状况监视的多波段多基sar有一个发射机和两个接收机。其中一个接收机与发射机配置为一组（收发共置），获取来自冰块背后的散射信号进行侧视成像，而另一组用来获取同一位置正面的散射信号。两者的结合使雷达系统的监测范围可以覆盖整个冰块。而且，同步测量正面和背面的散射信号可以加深对冰块内部状态的了解。2.5 在监测海上石油泄漏中的应用星载sar用于监测海上石油泄漏的应用有很多优点，视野广阔、昼夜监视等等。但也存在很多不可避免的问题。早期星载sar的缺点有：空间分辨力低、监测间隔时间长、目标识别准确性较低等。但新一代sar传感器即将投产，可以解决相应的问题。新一代sar卫星（包括先进着陆监测卫星alos、环境卫星envsat）增加了偏振测定模式，分辨力达到了119m，在协同偏振模式下可精确到33m。更高的分辨力和偏振测定数据信息有助于更准确的辨别沿海地区的石油泄漏情况，降低误判率。3 直升机机载合成孔径雷达早在20世纪80年代，国外sar就开始装备直升机，用于地形测绘、目标成像、小目标探测、远距离监视、武器制导等。表1列出了国外几种已装备直升机和无人机的sar、isar。3.1 saffire合成孔经全聚焦成像雷达saffire合成孔经全聚焦成像雷达是加拿大生产的，装备在u-60黑鹰直升机上。据报道，2000年末，美国提议向哥伦比亚国家警署援助1亿美元，用于购买装备saffire的u-60黑鹰直升机。saffire能测绘航路两侧25km、50km、100km范围的地形，并能在地形图上叠加经、纬度信息和字符注释；可以对航路一侧或两侧成像，具有可变的观察次数和扫描时常数。该系统采用双极化微带天线，固定安装在机身下侧，在最大作用距离上能检测到2m2的目标。雷达数据记录在经过干燥处理的纸上、照片上或8 m m格式高密度数字式磁带记录器里，而后送至视频监视器或实时数据链。saffire与载机惯导系统、gps接收机或雷达高度表等航电设备铰链。3.2 el/m-2057轻型侦察雷达el/m-2057轻型侦察雷达是以色列生产的、装备轻型机和直升机的一种高性能合成孔径雷达与动目标显示机载侦察系统，包括一个雷达探测器、空中工作站、地面工作站和一个双向数据链。该系统产生的雷达图像接近照片质量，能全天候、全天时工作，能穿云透雾并穿透人工伪装。机上采集的数据和sar图像通过数据链实时传送至地面工作站进行进一步处理。该系统采用模块化设计，重量轻，功耗低，适于装多种轻型飞机和直升机。其主要特点为：实时产生sar图像，作用距离远，覆盖范围广，分辨力高，具有前斜视能力，能进行地面运动目标探测和显示，进行灵活的任务计划、管理和分配，具有先进的图像处理、图像信息提取与报告能力，安装简便。el/m-2057的工作状态包括：条带测绘状态可以实现快速的远距离、大范围覆盖，进行目标探测，并对整个区域评估；聚束照射状态可以对感兴趣区域重点探测，进行高分辨力目标分类；运动目标显示状态可以探测大范围内的运动目标，进行区域监视。性能数据工作频率（mhz）探测距离 (km)载机速度分辨力(m)装备机种saffire925025、50、100150300 (kn)375uh-60直升机el/m-20574013轻型机、直升机an/aps-137(v)i波段4620.9、1.8、3、9、30加拿大直升机an/apy-8520018200730（条带）/425（聚束等）0.33（条带）/0.13（聚束）无人机stacsartm17000120.550(可编程)无人机、轻型载人机swordj波段11093231 km/h1.8（地图测绘）无人机表1 国外几种已装备直升机和无人机的sar3.3 an/aps-137(v)海上逆合成孔径多模式雷达美国生产的an/aps-137(v)海上逆合成孔径搜索与跟踪多模式雷达是频率跳变模式，20世纪八九十年代列装，包括装备加拿大的直升机，其主要特征是，远距离探测与目标成像；高高度海上监视；软件模式控制；可在任意方位角形成图像；直接与武器计算机接口；视频记录；图像形状与距离无关，可实时得到战场损失评估结果，等等。3.4 an/aps-147海上逆合成孔径雷达an/aps-147是美国生产、1999年装备sh-60r直升机的海上逆合成孔径雷达。雷达的工作状态包括目标成像、小目标探测、远距离监视、气象探测与回避、全天候导航、近距搜索营救等。an/aps-147采用最新的大吞吐量信号和数据处理技术，先进的处理技术使得雷达能够采用多种波形，比传统的同类雷达输出功率低很多，而具有低截获概率。此外，雷达设计简单，可靠性高，可维护性强，而且可以增加敌我识别功能。4 结束语直升机在汶川抗震救灾中发挥了不可替代的作用，但也凸现了我军直升机机载电子设备任务能力的不足，其中无法在恶劣天气条件下获取灾区情报就是缺憾之一。汶川抗震救灾的实践提醒我们，在和平年代，充分发挥直升机在应对自然灾害中