
合成孔径雷达(SAR)是上世纪50年代研制成功的一种主动式微波传感器,其应用系统是微波传感器中发展最为迅速、最有成效的一种对地观测系统。合成孔径雷达干涉测量(InSAR)是合成孔径雷达应用中较晚出现的技术,它是以合成孔径雷达复数据提取的干涉相位信息为信息源获取地表三维信息和变化信息的技术。干涉雷达在1969年被用于火星观测,1972年被用于观测月球的地形。1974年,有专家提出用合成孔径雷达干涉测量进行地形测绘。1986年,美国喷气推进实验室发表了用机载双天线SAR进行地形测绘的结果,拉开了干涉合成孔径雷达研究的序幕。
从20世纪90年代中后期以后,合成孔径雷达干涉测量技术逐渐成熟,应用领域不断扩展,成为SAR应用研究的热点之一。该技术具有测绘带宽、全天候、全天时的特点,可以获取地表高精度的三维信息,特别是对传统光学传感器成像困难地区的测绘具有重要意义。
星载合成孔径雷达干涉测量系统是以卫星或航天飞机为遥感平台,可广泛应用于地形测量(高精度的数字高程模型的获取)、地壳形变(地震位移的测量)、海洋现象和舰船的监测、军事应用(运动目标的发现与监视)、森林调查、火山监测、地面沉降和土地利用等。
发展现状
目前可提供干涉测量数据源的星载InSAR系统有日本的地球资源卫星JERS-1、美国的“航天飞机成像雷达飞行任务”SIR-C/X-SAR、加拿大的资源调查卫星RADARSAT-1和欧洲空间局的环境卫星ENVISAT等,其中以欧空局和美国的系统影响最大。
欧洲空间局于1991年和1995年分别发射了系统参数基本一致的地球资源卫星ERS-1和ERS-2。两颗卫星构成对同一地面访问时间相差一天的星对,使得两次取得的SAR数据之间的相干性得到一定的保障,为InSAR的研究提供了重要的数据源。ERS-1卫星于2000年3月停止工作。2002年3月,欧洲空间局发射了ENVISAT环境卫星。ERS-2/ENVISAT星对的串接飞行,有力地确保了ERS-1/2卫星对地观测任务的延续,保持了对地观测数据的持续性和稳定性,对InSAR重复轨道干涉测量的研究也具有重大的意义。
2000年2月,美国“奋进”号航天飞机发射升空,执行耗资3.64亿美元、被称为“航天飞机雷达地形测绘使命”的空间飞行任务,是真正意义上的第一个航天InSAR测量系统。完成此项任务历经11天,共计进行了222小时23分钟的数据采集工作,获取的雷达影像数据达9.8万亿字节,存满了332盒高密度磁带,覆盖了全球80%以上的陆地表面,覆盖范围在北纬60度至南纬56度之间,覆盖面积超过1.19亿平方公里,数据产品种类为高分辨率的数字高程模型数据。
发展趋势
用常规的InSAR获取数据会受到一定的限制,因此,在20世纪90年代后期,随着小卫星技术的发展,利用编队卫星技术进行干涉测量成为星载合成孔径雷达干涉测量发展的趋势。这种测量手段不仅可以获取全球陆地和冰面的数字高程模型数据,在海洋洋流监测以及在超分辨率测试等方面的应用前景也非常令人期待。目前,欧洲在这方面开展了深入研究,典型的方案有法国的干涉车轮(Cartwheel)和德国的Tandem-X任务。
法国的干涉车轮方案由3颗SAR接收小卫星和一个主卫星组成,主卫星为常规SAR卫星,小卫星跟随主卫星飞行。主卫星发射雷达脉冲信号,3颗具有接收功能的小卫星编队飞行的同时进行接收。3颗小卫星飞行在主卫星之前或之后约100公里,并且在整个轨道上通过编队构型来保证进行干涉测量。这一方案能克服当前获取干涉雷达数据的限制(欧空局ERS-1/2星对,获取的SAR数据会受到大气干扰,时效性和获取影像的相干性会受到影响;美国的SRTM任务,其干涉基线的长度会受到限制,并且系统研制耗资巨大),可以获取全球高精度的数字高程模型数据,可以充分利用现有的SAR卫星资源,同时发射小卫星成本低,发展空间大。
德国的Tandem-X任务是利用卫星进行编队飞行的一个高精度雷达干涉测量系统。TerraSAR-X卫星是德国下一代高分辨率雷达侦察卫星,计划2006年发射。Tandem-X卫星计划于2008年发射。Tandem-X卫星将不仅可独立于TerraSAR-X卫星工作,还可以与TerraSAR-X卫星同步工作。两颗卫星将构成串行星对,来获取全球高精度数字高程模型数据,设计高程定位精度优于2米,平面定位精度优于12米。