看天線，識衛星——漫談衛星天線（三）
轉載說
題圖中，在緊縮場靜靜躺著一個長條乳白色狀物體，有細細的條紋，不知是何物？其實這就是大名鼎鼎的全天候千里眼——合成孔徑雷達（SAR）衛星的天線！請看本期——帶長板凳天線上天的雷達對地觀測衛星。
本文作者：超級Loveovergold，本文原載公眾號《衛星與網路》，轉載已獲授權。
前段時間，一位名叫伊恩·威爾遜（Ian Wilson）的英國人宣稱他在谷歌地圖上找到了失蹤四年半的MH370客機，具體坐標為北緯12.089059，東經104.151882！這個消息頓時在全球互聯網上一石激起千層浪。我國的長光衛星技術有限公司立刻調動自己全部10顆衛星，陸續前往觀察，不過在2018年9月5日11時31分第一次拍攝的照片卻令人大失所望，疑似MH370墜毀地點被雲層遮擋，所以無法確認。
圖1.光學衛星在雲雨、雪霧、沙塵面前一籌莫展
後續長光衛星在天晴後發回的照片澄清了傳聞真偽，但這不得不令人想起了合成孔徑雷達，SAR(Synthetic Aperture Radar)，因為這種雷達彌補了光學對地觀測的短板——能夠穿透雲雨、雪霧、沙塵等各種障礙，全天候，風雨無阻！
圖2.合成孔徑雷達拍攝的國會山照片,好比是X光透視,體無完膚,毫無保留，撕去偽裝、穿透掩蓋物！
一、雷達成像不簡單
——合成孔徑雷達的發明
經常會在電台或者電視聽到：「根據雷達回波分析……」最初的雷達，很像她英文名的對稱型字母順序，RADAR（
RA
dioD
etectionA
ndR
anging）嵌入了一個「反射」的內涵，即發送一個電波，被照射的物體反射電波，雷達接收回波，一來一去記錄時間，根據無線電波傳播的速度，一乘就知道被測物體的遠近。為了知曉方位，雷達也是很拚命，初期的機械掃描雷達7×24小時旋轉工作，得到下圖，大家在戰爭片看到過很多類似的圖像：「方位幺叄拐，距離拐洞拐……」
圖3.和紅色警戒遊戲類似雷達圖，簡單粗糙，滿足一定需求
此類提供方位和距離信息的雷達叫做二坐標雷達，一些場景，如艦載警戒引導雷達，還需要知道被測物體（如導彈、飛機）的高低信息，因此在垂直方向（高低角）上增加了電掃描，從而可獲得目標的距離、方向和高度信息，這種雷達被稱為三坐標雷達。不過要讓此類雷達照出高解析度的照片，這顯然還遠遠不夠。
在合成孔徑雷達的發展歷史上，
合成
孔徑雷達之父
Carl Wiley以其專註的精神、銳意的創新
，
譜寫
了
雷達成像嶄新篇章
。
圖4. Carl Wiley,1918.11.30～1985.4.21,美國數學家兼工程師,太陽帆概念及SAR發明者
Wiley老爺子年輕時多才多藝，1942年發現了鈦酸鋇的壓電性獲專利，後續他想出了map matching——地形匹配導航概念。1949年他加入了美國固特異飛機公司(Goodyear aircraft Co. )，想把這個概念變為現實。他的課題，其實很暴力，極具軍事價值！在導彈飛行的過程中，使用預先記錄的地形等高線圖，依靠小尺寸天線對地測量結果進行比較，讓導彈長眼睛，然後精確命中目標。這種洲際導彈的導航系統，即為後續固特異飛機公司的拳頭產品——ATRAN（Automatic Terrain Recognition And Navigation map-matching radar system），自動地形識別和導航地圖匹配雷達系統。
圖5.裝備ATRAN 的TM-76A導彈
但事實上，這要求雷達成像達到3維標準，難度非常大，以下圖為例，一束電波照射到地面，反射回來，慢動作回放，
但你會發現，
你接受
到的僅僅是一段
起伏
的
電平
，如何才能將當中的信息
解讀
出來
並
繪製
高清圖像
？
圖6.根據雷達回波，收到的僅僅是一段起伏波形，如何能夠解讀並繪製高清圖像？
而且雷達系統的解析度由其天線的尺寸決定。在波長固定時，天線越長則解析度越好，但在飛機上、衛星上卻很難裝載下一支非常長的天線。
Carl Wiley仔細研究飛行雷達收集到的信息，在1951年6月他觀察到，在方位向上（這個專有名詞後續有專門介紹），
被測物體的坐標，與該物體反射到雷達的信號的瞬時多普勒頻移之間存在一一對應關係。Carl Wiley腦子
裡面的構思逐漸清晰起來……
（一）移動改變雷達成像
——深度學習多普勒效應
當一輛警車迎面駛來的時候，聽到聲音尖刻，而車離去的時候聲音變得低沉，這就是「多普勒效應」。在
《看天線，識衛星——漫談衛星天線（二）》
一文中我們講到了利用多普勒效應測量衛星速度，進而推算衛星軌道的案例。
圖7.產生多普勒頻移是波源和測量者之間的相對速度。
但要強調的是，產生多普勒頻移，
核心
是
波源
和測量
者之間
的相對速度
，產生的頻偏是相對速度/波長。警車以固定速度行駛，迎面和背離兩側，警笛的跑調也就兩個調子。但如果相對
速度是在變動，
這個
頻偏就
不
一定了
，
比如裝在飛機上的雷達探測地面目標，與地面目標的相對速度就一直在變動，如下圖，可以根據高中物理，把相對速度按照L BAD、L ABD、L CBD進行分解，可以發現在B點，雷達和被測目標垂直，相對速度為0，頻偏為0；而在A、C點，由於相對速度
不一樣
，
不僅
出現正負，而且幅度不一的頻偏
。
圖8.根據頻偏可以測算出相對速度，進而確定方位。
事實上，給定雷達移動的速度、飛行的高度以及雷達照射的角度，是可以根據頻偏算出被測試目標的方位。在立體幾何中，這些方位，是以雙曲線族形式呈現的。
接下去
，就要切入
提升
解析度
的核心章節
，這部分我將使出渾身解數，化繁為簡。（二）歪頭斜腦定遠近，
多普勒頻偏定前後
Carl Wiley課題的難點是要從一段雜亂無章的回波電平中讀取數據，建立坐標，並能讀取高度信息。
建立
坐標，
沿著
雷達飛行的方向，叫做方位向
（A
zimuth）
；垂直
於雷達飛行的方向，被稱為距離向
（Range
）
。
通過三步法可以建立起這個坐標系：S
TEP
1.
雷達
斜
視實現「
距離
向」
坐標
所謂「
距離
向」，
就是離開雷達的
遠近
坐標
，這個很容易實現，其實就是靠雷達回波的時延來確定被測物體的遠近，根據時延可以畫出一圈一圈代表遠近的等時線。其實如果你看了後面關於各種衛星的天線，或者各種機載SAR在一側的安裝位置，可以發現，他們都是歪頭斜腦來確保「斜視」！為什麼？因為正朝地面發射電波，兩面反射，搞不清雷達左右誰回的波！只有斜視才能保證收到的回波，唯一反映了一側的距離，見下圖的等時線。
圖9.如何才能把格子畫的更小，將解析度提高？
STEP
2
.
多普勒
頻偏定
前後
等時線確定了一維，
第二維就是
圖上
等多普勒線
，
他確定了
「
方位向
」
的坐標
。其實Carl Wiley最突出的貢獻是提出了多普勒波束銳化（DBS, Doppler Beam Sharpening）概念並付諸以工程實現。在1951年6月的報告中，他的結論是，對反射信號的頻率分析可以實現比物理波束本身的長度軌道寬度所允許的更精細的沿軌道解析度，這當中的核心思想，是設計一個濾波器，能夠將細小的頻偏區分。她
把
回波
中的
平淡乏味
的電平
變動
，
解讀
出
頻偏並歸類
，
在
圖9的坐標上，
畫出
一道道等多普勒線，這
實現
了
對雷達
回波信息的對號入座
。
顯然多普勒濾波器是雷達解析度的重要指標，Carl Wiley測算，解析度為天線孔徑長度的一半，要獲得高分辨力，僅需要天線小點，這個結論非常驚人！傳統真實孔徑雷達天線與之恰恰相反，要求大孔徑，而且希望波長越長越好、距離越遠越好。
STEP
3.
做比對
，火眼金睛識
高低
假設拍攝的對象廣袤無垠，沒有凹凸，那麼接收到的雷達回波信號按照時延和頻偏可以對號入座，灑在相應的格子上，作為標準模板；但如果地形有起伏，那麼這些細微的高程變動，就會在這個格子的反射波（專業術語為後向散射波）的時延和相位上體現，通過和標準模板做比對，解讀出比普通雷達更為細緻豐富的數據。
在1952年，Carl Wiley利用超聲波模擬了系統的工作過程，結果非常滿意，6月4日公司副總阿恩斯坦博士發來祝賀信（事實上，合成孔徑雷達成為固特異飛機公司航空公司後續30年的雷達主營業務）。
圖10.合成孔徑雷達成為固特異飛機公司航空公司後續30年的雷達主營業務
1953年7月8日在DC3飛機上的機載合成孔徑雷達啟動，地物的反射波接收後與發射載波作相干解調濾波，並按不同距離單元記錄在錄像帶上，圖像後續在地面上完成製作。但剛才STEP 3中提到的比對工作，事實上成為限制合成孔徑雷達發展的瓶頸。一幅SAR圖像的原始數據量通常是上億位元組，而且SAR成像的演算法複雜，每個像素(pixel)需要1,000次左右的浮點運算。在數字處理器成熟之前，其實是用傅立葉光學系統來完成。
1957年7月，美國密西根大學使用光學類比處理器處理出了X波段雷達的第一幅完全聚焦的正側視條帶(Stripmap)工作模式的合成孔徑雷達圖像，該系統用膠片記錄，原始底片類似光學全息圖像，通過光學系統處理後能成為雷達圖像，但這是合成孔徑雷達開天闢地的一件大事。
合成
孔徑雷達是非常複雜的，可以用不同的方法來介紹，上述用
Carl Wiley提出
的
多普勒波束銳化（DBS）概念
其實
是合成孔徑雷達（SAR）在
頻域的
另
一種
解讀，
相對比較直觀些
，但
結論是一致的。
你也可以認為合成孔徑雷達是「移行幻影大法」：SAR雷達在不同的點進行連拍，每次輻射相干信號並接收回波，將各次接收信號進行相位校正並作相干處理，得到了聚焦合成孔徑天線信號，其效果等效於一個大天線各單元同時輻射和接收的長線陣。
圖11.合成孔徑雷達「移行幻影大法」
而作為本章節的主人公，1953年Carl Wiley從固特異跳槽，在亞利桑那州鳳凰城成立了自己的公司Wiley Electronics；1954年8月13日，由於他比伊利諾斯大學和密西根大學這些學院派早幾個月發現了SAR工作原理，他提交了SAR雷達專利申請，題為「脈衝多普勒雷達方法和裝置」。不過，由於這個發明是為軍方研製，
1955年6月1日保密令禁止他為技術期刊撰寫關於SAR的論文，
禁令直至
1964年11月18日才被廢除。
1985年IEEE（電氣和電子工程師協會）授予他先驅獎（Pioneer Award）。
二、短命的初代SAR星「海衛-1」，開啟新篇章
但隨著電子計算機技術在70年代的迅速發展，為SAR的影像處理提供了硬體基礎，SAR的信號處理由類比式轉向數字式處理，SAR雷達獲得了飛速發展。其實SAR雷達可以裝在飛機、衛星等各種平台，1972年4月，美國NASA的噴氣推進實驗室（JPL）進行了機載L波段SAR的試驗，獲得了成功。但機載干涉SAR 的主要問題是由於空氣擾動和飛機運動引起的平台的不規則運動，需要大數據量的運動補償以提高準確性，
而且
飛機的飛
行
範圍也非常有限（
不懷好意
的用途）
。因此對地觀測，星載SAR技術獲得了一些專業領域更多的青睞，首先是海洋學術界的興趣，合成孔徑雷達被列入NASA海洋觀測衛星——「海衛-1」（Seasat-1）計劃，其目的是用微波雷達研究全球的海洋狀態。1978年6月28日，「海衛-1」衛星從范登堡空軍基地發射，入軌10天後SAR系統啟用。
圖12. 「海衛-
1」衛星系統圖
Seasat-1的軌道高度為795km，每秒鐘大約發送1500次脈衝，每次脈衝時間為33.4微秒，脈衝間隔約為666微秒。1500次脈衝每秒，按照衛星在軌道上7公里/秒的速度，
其實衛星也就隔了5米
就
拍攝一次照片，
行話
叫做
stop and go模式，踐行
了移行幻影大法，
長寬也就10.74米×2.16米的「長板凳」雷達天線，效果相當於約幾公里孔徑的大天線，實現了25×25米的解析度，測繪帶寬度為100千米。終於到了讀者關心的焦點了，
也就是為什麼合成孔徑雷達的天線要長
這麼
大個？
而且
都是長板凳形狀
？
這重量、摺疊，可都是個問題啊！對於星載SAR來說，測試目標在近千公里之外，收發天線要達到系統工作要求，發射功率要大，接收天線靈敏度要高。但這何嘗容易！
星載SAR是一台大功率的脈衝雷達，工作時，峰值發射功率2-5千瓦，高解析度星載SAR的功耗會更大些，而近地軌道的太陽能電池帆板不能太大，不然阻力大、高度掉得快，一般大小只能在30平方米左右，所以很多早期的SAR星是依靠太陽能和星載蓄電池聯合供電，彌補太陽能帆板單一供電的不足。而這樣一來，SAR天線也只能幹一會歇一會，歇的時候太陽能給蓄電池充電。衛星在非晨昏線的太陽同步軌道一圈1百多分鐘，除去半個小時左右的地影，剔除充電時間，一般只有10～25分鐘可以用來工作，蓄電池反覆充放也限制了SAR星的工作壽命，近來鋰離子電池技術的革新倒是很大程度緩解了這個問題。
電力有限的情況下，SAR星必須把天線的增益做得足夠高，一般採用相控陣陣列天線技術，Seasat-1長達10.74米的天線將波束賦型，方位角的波束寬度僅為1.73°，同時控制副瓣電平，再次為波束掃描的要求打下基礎。在接收方面，大型陣列天線的接收靈敏度也高。
圖13.孔徑較大的天線更易於實現高增益，具體體現在波束窄，能量集中
在天線距離波束設計上，其實更為複雜、難度更大，因為除了考慮波束寬頻、形狀、副瓣電平和增益外，還需要考慮距離向模糊度的要求。之前說了，必須歪頭斜腦保證雷達斜視，依靠回波反射時間長短來畫出等時線。而如果有距離向波束副瓣越界到了星下點的另一面，反射回干擾，導致成像模糊，就很麻煩。因此像Seasat-1的 2.16高米的天線，把距離向波束寬度控制在6.2°並盡量減少副瓣干擾。
天線大是必須的，那麼問題又來了，怎麼帶上天？整流罩最大也就4～5米直徑，這就要求天線必須可以摺疊！Seasat-1天線由八塊可摺疊子陣列面板組成，相互鉸鏈，依靠高可靠性的伸展機構實現在發射時的摺疊和在空間的展開（由於空間溫差大，鉸鏈等伸展機構的活動間隙不能太小，後續日本的JERS-1就出現過機構抱死展不開的情況）。
圖14. Seasat-1的天線伸展設計
工程師同時在減重上下功夫，面積20多平方米的天線被控制在100公斤，主要是採用了環氧樹脂玻璃纖維做基板，Nomex（間位芳香族聚酞胺纖維，國內叫芳綸1313）製成的輕巧蜂巢結構，剛度好，實現了天線結構的輕量化，且耐溫變（溫變會導致天線變形，造成聚焦等問題，非常麻煩）。
圖15. Seasat-1的天線輕薄但高強度，採用了微帶天線
不過需要提醒的是，地球是球形！星載SAR會遇到了比機載SAR更為嚴重的現實，下圖可以較為誇張的表示，需要對地球曲率引起的距離向時延進行補償計算，早期的星載SAR，如Seasat-1是把星載SAR的時間靈敏度控制設計放在雷達系統中，後續的設計分工明確，天上就管發送和接收，數據處理集中放在了地面，給天上的設備減負。
圖16.星載SAR系統工作的空間幾何關係
作為第一顆SAR星，Seasat-1萬事俱備，考慮充分，但由於電源系統短路，僅在天上運行了100天就掛了，英雄為之扼腕！不過，短短的這段時間，她對地球表面多達1億平方千米的面積進行了全天候測繪，距離和方位解析度達到25米，從Seasat-1獲取的圖像資料表明，SAR 衛星也可以用于海洋科研之外其他用途，例如農業、森林等等觀測項目。
三、技術革新、不斷迭代
Seasat-1不幸夭折，像是第一個吃螃蟹的——好吃，但肉難剝！針對傳統合成孔徑雷達的弱點，各國先後開展了各種改進，引發對地觀測技術的巨大革新！
80年代初，太空梭紅極一時，1981年11月12日，哥倫比亞號(STS-2)太空梭裝載利用Seasat的備用天線製造的SIR-A 雷達上天，SIR是Spaceborne Imaging Radar的首字母縮寫，由於發現了撒哈拉沙漠的地下古河道，引起了國際科技界的震動。1984年10月5日發射的挑戰者號（STS-41G）太空梭搭載了SIR-B，由於增加了天線機械掃描，對地觀測入射角在15～60度可變，數據處理也由之前的膠片改為數字。但兩個項目均為L波段HH極化。HH極化，前一個H表示發送水平極化波，後一個H表示接收為水平極化波，關於極化的知識，詳見
《看天線，識衛星——漫談衛星天線（一）》
。NASA感覺到，可以有更多革新可以實施。
（一）多波段，多極化
——美國一馬當先
NASA通過對「海衛１」的圖像研究提出，為最大限度地改進圖像質量，並解決電磁波與地表相互作用方面的有關問題，需要多種頻率和多極化方式進行比較，以找出各種不同應用情況的最佳頻率範圍和極化。同樣入射角觀測地物時，X 波段比C和L波段更能夠精確地描述目標的細微形狀。大量資料指出，星載SAR所觀測的後向散射波不只是來自目標的表面，也有來自內部，即電磁波穿透得到的回波。波長越長，穿透力越強，這種作用在觀察比較稠密的作物或樹木生長情況時特別明顯，而更短波長C/X波段在海冰、土地沖蝕、地質結構和構造等方面觀測質量較好。
圖17.各個波段對不同被觀測物的效果
X波段特別適合於對冰的觀察和分類，也特別適合對海面污染層的觀察，對於海洋鹹水，小於X波段的電磁波的穿透深度幾乎是零，而對於淡水和穿透地下目標的觀測來說，L波段特別適用。對旱澇災害監視，採用L波段或C波段來觀測土壤濕度是一種有效的空間遙感手段。觀察海洋上的強目標，從信號相干性和靈敏度而言，C波段是最佳的選擇。
在極化方面，不同的被觀測物體對於入射的不同極化波，後向散射不同的極化波。因此空間遙感可以使用多波段來增加信息含量，也可以用不同的極化來增強，提高識別目標的準確度。經驗表明，對於海洋應用，L波段的HH 極化較敏感，而C波段是VV 極化比較好；對於低散射率的草地和道路，水平極化使地物之間有較大的差異，所以，地形測繪用的星載SAR 都使用水平極化；對粗糙度大于波長的陸地，HH或VV無明顯變化。下圖所示，同一目標對於四種不同極化的成像，V表示垂直極化。
圖18.同一目標對於四種不同極化的成像
經驗表明，不同極化下同一地物的回波強弱不同，圖像的色調也不一樣，增加了識別地物目標的信息。相同極化（HH ，VV）和交叉極化（HV ，VH）的信息比較，可以顯著地增加雷達圖像信息，而且，植被和其他不同地物的極化回波之間的信息差別比不同波段之間的差別更敏感。所以，多極化工作是SAR 衛星發展方向之一。
1994年，STS59/68美國太空梭兩次搭載SIR-C / X-SAR雷達，其中X-SAR 由德國和義大利聯合研製，這一系列SAR載荷從單一的L波段擴展到了L、C、X三個波段；從單純的HH極化發展到HH、VV、HV和VV四種極化方式，並具有可變入射角和「聚束模式（凝視，SPOTLIGHT）」的能力，主要用於環境監測和資源勘探等方面。
圖19. 1994年，STS59/68美國太空梭兩次搭載SIR-C / X-SAR雷達上天對地觀測
（二）干涉SAR，彌補斜視盲區
第一章節提到的「歪頭斜腦定遠近，多普勒頻偏定前後」理論表面上無懈可擊，但在實際應用的時候，其實SAR雷達側視成像也會看走眼，比如下圖這個極端的例子，如下圖B點為某高山頂峰，和山腳下A點離衛星距離一致，幾乎同時到達SAR接收天線，信號混雜，在距離向上無法分辨，山坡坡面壓縮，這種現象稱為圖像摺疊。
圖20. SAR雷達側視成像也會看走眼
另外山背面也會讓SAR感到很困惑，如下圖， A、B兩座高山，由於峰頂遮擋，在離SAR不同距離下，隨著遮擋的產生，山背後一大片成像變為陰影，質量糟糕。而陰影是所有遙感影像中最不希望出現的。
圖21.由於斜視，離SAR雷達越遠，圖像陰影越發嚴重
解決這個問題，干涉合成孔徑雷達(Interferometric Synthetic Aperture Radar，簡稱InSAR)應運而生。他綜合了SAR成像和干涉測量技術原理，通過對同一地區的兩次觀測成像，獲取兩幅單視複數圖像，對兩圖像進行干涉處理，提取其相位信息，它主要應用於測地面點的高程及其動態變化，形成三維地表信息。
圖22.通過對同一地區的兩次觀測成像，獲取兩幅單視複數圖像干涉處理後恢復高程信息
這一技術其實美國軍方早就秘密開發並使用，通過機載SAR干涉測量技術應用於地形測繪，利用相位差圖像獲取高程信息，並於1971年申請了相關專利。1972 年Zisk採用同樣的方法來測量月球的地形，NASA的Graham在1974年利用機載合成孔徑雷達數據獲取了能滿足1:25萬比例地形圖要求的高程數據，開創了InSAR 技術在對地觀測中獲取三維信息的先河。
1978年Seasat-1衛星在空間飛行100天獲取地球表面雷達干涉測量數據，通過利用其重複軌道干涉模式，首次獲得了地球表面的星載SAR干涉測量數據。1986年,NASA旗下噴氣推進實驗室(JPL)的Zebker和Goldstein等人在理論和實踐上對干涉SAR進行了完善和發展，成功研製航空雷達干涉測量儀，並採用數字信號處理技術將獲得的數據進行立體測圖，取得了10m以下的高程測量精度。此後，各國科研人員都加入到干涉SAR的研究行列里來，在系統設計和
演算法處理
上都取得了較顯著的科研成果。以下圖智利阿塔卡馬沙漠數字高程模型（DEM）製作為例：圖（a）為星載單通道SAR干涉儀TanDEM-X採集的圖，對應的兩幅圖像已進行圖像配准，圖像的配准精度至少應為1個像素，為了得到較好的干涉圖, 一般需要1/10像素的精度，同時去除雜訊；
圖（b）是對干涉圖去平地相位處理。由於基線的存在，導致兩圖下視角存在差異，即使高度不變的平地在干涉圖中也表現出呈周期性變化的干涉條紋（主要為平行於方位向的條），這一現象稱為平地效應。在進行相位解纏和濾波之前，需要去除平地相位，否則干涉相點陣圖不能反映真實的地貌特徵或者地表形變信息,並且條紋的密集化也增加了相位解纏和濾波的難度；
圖（c）相位展開，根據基線參數，計算出高度值。
圖23.三步法製作阿塔卡馬沙漠（智利）數字高程模型（DEM）
InSAR有很多種類，按照SAR圖像的獲取方式，InSAR可分為單軌雙天線干涉測量和重複軌道干涉測量兩種。20世紀90年代是InSAR技術迅速發展的階段，以SRTM(shuttle radar topography mission，太空梭雷達測繪任務)系統為例，即為典型的單軌雙天線干涉測量系統。
美國NASA和國家影像與測繪局合作，在「奮進號」太空梭上裝載了一單軌雙天線系統用於獲取全球三維地形信息。該系統同時擁有C波段（5.3 GHz）和X波段（9.6 GHz），兩個波段的SAR系統均使用位於太空梭敞開貨艙中的主天線和分別安裝在可展開的外側桅杆上的第二接收天線來獲取干涉圖像，即在太空梭上使用雙天線實施干涉SAR（InSAR）地形測繪。主天線是目前最重的SAR天線，重達13.6噸，放在太空梭的貨艙中，另外60米長桅杆重360公斤，基線長度的精度測量要求達到2毫米。
圖24.太空梭帶了一個長長的桅杆上天，形成雙天線接收
圖25.60米長的桅杆，僅重360公斤，而且可伸縮自如
圖26.太空梭「四腳朝天」，肚子向地面拍攝了11天
美國「奮進號」太空梭於2000年2月11日到22日利用SRTM的SIR-C和X-SAR對全球地形進行測繪，耗資3.6億美元，11天共計進行了222小時23分鐘的數據採集工作，獲取的雷達影像數據達9.8萬億位元組，數據覆蓋範圍在北緯60°至南緯56°之間，覆蓋面積超過1.19億平方公里（約佔地表總面積的80%），數據產品為間距30m和90m的數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和三維地形圖，絕對測高精度為水平20m，垂直16m，相對測高精度為水平15m，垂直4m。這也是全球首次獲得如此豐富的數字高程模型數據。實現了基於InSAR技術真正意義上的全球地形三維測繪，這是目前InSAR應用最成功的例子。關於這個神奇的SRTM後續再開專題講，包括60米長桅杆的伸縮。
圖27. SRTM對厄瓜多科托帕希山（Mt. Cotopaxi in Ecuador）的成像
（三）不甘落後，奮起直追的歐空局
於此同時，歐洲也不甘示弱，SAR星技術發展迅猛。歐空局於1991年7月利用阿里亞娜4火箭發射了歐洲的地球資源衛星（ERS-1），衛星採用法國MK-1平台，裝載了C 波段（5.3GHz）SAR ，VV極化獲得了30m空間解析度和100km 觀測帶寬的高質量圖像。1995年，歐空局發射了性能類似的ERS-２衛星。
圖28.歐空局第一代SAR星ERS-1/2
雄心勃勃的歐空局於2002年3月1日，在法屬蓋亞那庫魯的蓋亞那航天中心利用阿麗亞娜5號發射了一個大件,重達8211公斤的巨無霸SAR星---Envisat，開發和運營的成本達到了23億歐元（包括5年運營費用3億歐元）。該衛星在774公里的太陽同步極軌道工作，傾角98.55度，重複周期35天。該衛星攜帶了5年工作壽命所需的319千克推進劑。2118千克有效載荷其實包含9台科學儀器，包括了一台發射峰值功率7.95千瓦的ASAR（高級合成孔徑雷達），她以多種模式在C波段工作，多種極化，入射角範圍可調，為15-45度。許多科學學科使用該衛星上不同感測器獲得的數據來研究諸如大氣化學、臭氧消耗、生物海洋學、海洋溫度和顏色、風浪等水文（濕度，洪水）、農業和樹木栽培、自然災害、數字高程建模（使用干涉測量）、海上交通監測、大氣擴散模擬（污染）、製圖、雪研究和冰研究等。
圖29.歐空局ERS、Envisat前後兩代對地觀測SAR衛星
圖30.大胖子Envisat渾身上下裝滿了科學儀器
原本工作5年，實際工作了10年，在2012年4月8日與衛星失去聯繫後，歐空局於2012年5月9日正式宣布Envisat的任務結束，目前該衛星成為了最重的太空垃圾之一。
接替
Envisat任務的是Sentinel，哨兵
系列衛星。其中第一個，
Sentinel 1，自2014年4月3日
發射
成功
，
本篇開頭的
圖
片
即為其SAR天線。
這裡要好好介紹一下SAR的長板凳天線，SAR天線是一種星載大型天線系統，典型的有微帶平面陣、波導縫隙陣和網狀拋物面天線三種形式。前述Seasat-1為微帶貼片天線陣，具有剖面低、體積小、輕便、便於饋電的特點，因此在星載SAR中有廣泛應用，早期在L波段用的比較多，後續採用方形、方環形、圓形和圓環形等多種貼片，滿足多頻、多極化、高極化純度等要求。
圖31.大胖子Envisat的C波段微帶貼片天線陣列，滿足交叉極化。
另一種波導縫隙天線（Slotted Waveguides），其體積、重量和帶寬都處於劣勢，但其非常低的線陣饋電損耗使之適合用於較高頻段，特別是X波段甚至更高頻段的星載SAR天線，ERS-1/2、SIR-C/D、RadarSAT-1等都採用這種技術，哨兵也一樣。哨兵1的天線由14塊天線子陣列面板組成。
圖32.哨兵-1的SAR天線由14塊天線子陣列面板組成
每塊子陣列面板有20個雙極化子陣列，每個子陣列是具有兩個平行縫隙諧振波導的雙極化單元，垂直極化由脊形波導中的縱縫激發，而水平極化由橫向窄邊斜縫產生（講的超綱了）。
圖33. 帶有H / V極化的波導縫隙天線子陣列面板
圖34.在緊縮場測試的長板凳（部分摺疊）
圖35.哨兵1由聯盟火箭發射上天，天線呈摺疊狀態。
圖36.不過哨兵1在天上好像挺招人喜歡，他的太陽能板曾遭飛來橫禍，被不明物體撞擊
歐洲其實在SAR星研發上碩果累累，還有長的像萬花筒的六邊形德國TerrSar-X衛星，她有一個五米長的主體，六邊形橫截面，其主要有效載荷是工作在X波段的雙極化有源相控陣波導縫隙天線（9.65GHz），雷達波束可以在垂直於飛行方向的20到60度的範圍內電掃；另外天線陣採用了金屬化碳纖微材料加工而成，質量輕、熱穩定性優越。2007年6月15日，TerrSar-X衛星在哈薩克拜科努爾航天發射場成功發射，2008年1月7日投入使用。TerrSar-X側邊長桿，並不是用來做干涉雙天線，是用來以300Mbit / s的速率向地面傳輸數據。其實TerraSAR-X是和TanDEM-X在做雙星干涉SAR，兩顆衛星編隊飛行組成纏繞螺旋狀軌道，據稱生成了比SRTM數據更為準確的全球高精度DEM，高程定位精度優於2m，DEM網格間距為12m。
圖37. TerrSar-X側邊長桿，並不是用來做干涉雙天線，而是以300Mbit / s的速率回傳數據
（四）多視角，另闢蹊徑，
出道最早的加拿大商業SAR星
談到SAR星技術，不得不提加拿大！楓葉國在SAR星研發方面，另闢蹊徑，1995年11月4日, 加拿大RadarSAT-1衛星的成功發射與運行，是星載合成孔徑雷達技術開始商業化運行的一個重要標誌。
圖38.工作在晨昏線上的RadarSAT-1，天線正裝，衛星斜飛，帆板偏轉正對太陽
RadarSAT-1的軌道高度為798km，為了給2100瓦的工作於5.3 GHz 的C波段大功率雷達供電，她運行在晨昏線上！晨昏線，也就是下圖中黑白交界的軌道平面附近，衛星一側（圖中右側）24小時始終受到穩定的太陽光直射，這就完美契合雷達觀測衛星的工作需要，因此RadarSAT-1配置了雙側太陽能帆板，日以繼夜、夜以繼日地工作，透過雲層、雨雪、沙塵獲取獨特地球寫真！最高解析度達到10m，其晨昏線軌道以及衛星熱控等方面分析，具體可見
《太陽同步軌道，傾角總在98度處》
。
圖39.晨昏線軌道一面始終朝陽，特別適合SAR星
RadarSAT-1工作模式多達7類25種，是目前工作模式最多的SAR衛星。其利用相控陣陣列實現可變視角的ScanSAR工作模式，提供最小105公里、最大520公里觀測帶寬度，滿足不同商業需求，其最高解析度達到10m。
圖40.可變視角的ScanSAR工作模式，提供最小105公里、最大520公里觀測帶寬度
RadarSAT-1目前已退役，其繼任者RadarSAT-2繼承了RadarSAT-1的主要性能，並且採用了更為先進的微帶固態有源相控陣天線，波束掃描能力更強，下視角在 20°～50°範圍內可變，其解析度最高可以達到3m，另外RadarSAT-2還支持全極化工作方式。RadarSAT系列最主要的應用是觀測海冰、海洋現象等，是目前適用于海洋應用的性能最好的星載SAR系統。
未來，加拿大還計劃構建Radarsat星座系統（Radarsat Constellation Mission，RCM），利用多顆小衛星形成星座，每顆衛星都搭載C波段SAR和船隻自動識別系統（Automated Identification System，AIS）。這個星座將具備近乎實時的海冰監測、溢油檢測、艦船監視和災害控制等方面的能力。
圖41.未來，加拿大還劃計構建Radarsat星座系統
四、一些「難以啟齒」的SAR星
在本文臨近尾聲時，把焦點轉回到美國，美國把SAR技術用在了太空探索，比如用合成孔徑雷達探測月球、金星的地質結構。1989年NASA開展了「麥哲倫」（Magellan）SAR觀測金星計劃，她在1989年5月4日由「亞特蘭蒂斯」號發射升空，1990年9月15日開始測繪任務，1991年5月15日終止，期間測繪了金星的70%地表，解析度不低於300米。Magellan的雷達工作於S波段，天線為其頂上的高增益拋物面天線，HH極化，距離向解析度為120～360m，方位向解析度為120～150m，入射角大於30°。
圖42.由太空梭發射的「麥哲倫」（Magellan）金星探測器
但美國更多地把SAR技術用在了軍事上。1988年~2005年，美國陸續發射了5顆「長曲棍球（Lacrosse）」SAR衛星組成軍用對地雷達圖像偵查衛星星座，第一和第二顆於1997年、2011年3月26日失效，現有三顆在軌，其最高解析度估計達到了0.3m左右，在海灣戰爭等局部衝突中發揮了巨大的作用。而美國國家偵查辦公室NRO對於這些衛星的存在一直遮遮掩掩。
長曲棍球系統的開發於1983年獲得批准，首星是在1988年12月3日用阿特蘭斯號太空梭發射，其解析度為1m，用於全天候全球偵察；1991年3月用「大力神4」火箭從范登堡發射場發射了「長曲棍球2 」SAR衛星，1997年10月23日用「大力神4」發射第三顆，據稱前三顆屬於BLOCK 1，衛星部署在57°和68°兩個不同的軌道傾角中，高度約為650 km，但衛星偶爾會機動到不同的高度。從外泄的照片來看，體積驚人。
圖43.在地面車間製造的長曲棍球衛星
根據觀察人士的說法，該衛星設計的顯著特徵包括一個非常大的雷達天線和太陽能電池板。據報道，太陽能電池陣的翼展長度為42.5米左右，這表明雷達的可用功率可能在10到20千瓦的範圍，比民用SAR雷達的功率高出10倍。而天線類型，採用了前述第三種SAR天線形態——網狀拋物面天線，這種天線解決了剛性拋物面不便摺疊、收藏的問題，一般要求網孔的直徑小於幾十分之一波長，如果工作在C波段，要求網孔大小在毫米量級，結合相控陣饋源，電掃能力更強。美國著名的航空航天研究員Charles P. Vick曾經畫過長曲棍球1～3號的猜測圖，碩大的網狀拋物面天線著實讓人吃驚。
圖44. 長曲棍球1～3號的猜測圖
2000年、2005年發射了「長曲棍球」系列第4和第5顆衛星，據稱解析度達到了0.3m。從Charles P. Vick畫的猜測圖來看，採用了兩幅SAR天線，雙側視，一次成像的範圍更大，供電的太陽能帆板面積也明顯增加。
圖45. 長曲棍球4～5號的猜測圖
不過也有分析稱，長曲棍球偵查衛星採用了平板聚焦反射面天線，也稱平板拋物型天線（FLAPS，Flat Parabolic Surface）,配合微帶貼片相控陣饋源工作。長曲棍球偵查衛星的繼任者被稱為未來圖像架構（Future Imagery Architecture，FIA)。
五、結束語
目前星載合成孔徑成像雷達已經在民用、軍用方面得到了廣泛的應用。在民用方面，主要用於災害評估，如地震引起的山體、道路、橋樑的斷裂程度評估，水災、雪災的面積評估， 海洋受污染程度評估等; 海洋特性研究，如根據雷達圖像分析海流、內波特性等。在軍事方面，主要用於偵察重要軍事目標，如港口、機場等; 也可以對打擊效果進行評估。
從星載SAR未來發展趨勢來看，一是向著星座化方向發展，降低SAR星重訪周期並實現干涉SAR處理。比如2006年~2008年間，德國成功發射了5顆X波段拋物面天線SAR衛星，組成了SARLupe衛星星座。這5顆衛星運行在3個軌道平面上，它們的軌道高度為500km，能夠實現對南緯80度到北緯80度的覆蓋，並且圖像地距解析度優於1m。
圖46.SARLupe衛星星座
第二個趨勢是向著小型化方向發展。2018年3月，美國國家海洋和大氣管理局授予Capella Space公司許可證，同意其將兩顆X波段SAR衛星送入450至600公里的極地軌道，傾角為97.5度。Capella Space公司計劃在2019年，往兩個軌道平面上發射其他六顆衛星。
這種小型SAR衛星，重量不到40公斤，柔性材料製成的天線展開後面積可以達到8平方米，提供解析度為1米或更高的圖像。美國國防部創新部實驗室（DIUX）在2017年向Capella額外撥款1000萬美元，支持商業SAR遙感項目，美國軍方和情報機構渴望獲得可靠且廉價的商業雷達衛星星座提供的全球觀測資料。
圖47.右側二圖為Capella Space公司定於今年發射的兩顆超小型X波段SAR衛星
中國商業航天衛星計劃中，也有SAR星規劃！中科遙感SAR衛星8星星座首發星「深圳一號」也已啟動。「深圳一號」是一顆X波段微小型SAR衛星，據稱具備國內重點城市2天的的重訪周期、具備單星干涉測量等能力、最高解析度0.5米。希望全天候雷達星，在地表形變測量、地質災害動態監測、交通設施養護動態監測、多雲多雲地區的高解析度數據採集和海洋應用上，早日造福民眾！
（未完待續，敬請期待……）
本文參考：
1、魏鍾銓等著《合成孔徑雷達衛星》
2、曾琪明、焦健著《合成孔徑雷達遙感原理及應用簡介》
3、M. Sabbadini著《Antenna design for Space Applications》
4、CARL A. WILEY著《Synthetic Aperture Radar-A PARADIGM FOR TECHNOLOGY EVOLUTION》
猜 猜 看
這是衛星嗎？猜猜看，這是什麼衛星？
（上期答案：歐空局CryoSat2衛星，Cyro是希臘語低溫的詞根，顧名思義，該衛星就是和冷的東西打交道，她研究極地冰蓋，主要靠X波段SIRAL（ SAR/Interferometric Radar Altimeters）雷達，即合成孔徑干涉測量雷達測量冰蓋厚度）
（未完待續）
我，一個孤獨的行者（ 新浪微博ID:超超級Loveovergold），原創不易！轉載請註明出處！
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