摘要：合成孔径雷达(SAR)遥感不同于光学遥感的特点使得其在特定场合的应用有着独特的优势和应用潜力。该文系统介绍了中国测绘科学研究院近10年来在雷达测图数据获取、处理系统建设和雷达测图关键技术研究等方面的代表性成果，包括机载多波段多极化SAR测图系统、X波段双天线极化干涉SAR系统、微小型全极化MiniSAR系统等。针对机载SAR硬件系统的集成和测图软件系统开发中的难点问题和关键技术问题以及创新成果进行了重点阐述，对成果的主要应用进行了简要介绍。该文是对SAR测图课题组多年来研究成果的一个系统总结，也是对SAR遥感测图技术今后的研发重点的展望。
关键词：机载SAR系统;SAR测图系统;立体SAR;干涉SAR
0引言
微波遥感因其具有全天候、全天时的工作能力，能够实现实时动态监测，对一些物体及地表具有一定的穿透能力，这些优点使它在军事和民用上都发挥了重要作用，微波遥感已成为当今世界上遥感界研究开发应用的重点。我国幅员辽阔，存在大范围的多云雾测图困难地区，同时，我国又是灾害频发的国家，迫切需要适应云雾天气、能全天时工作的测图与快速应急响应装备。相比光学航空遥感系统受天气、光照影响较大，机载合成孔径雷达(syntheticapertureradar，SAR)测图系统以其反应迅速、能全天时全天候工作的特点，成为多云雾测绘困难地区测图和应急响应不可或缺的手段。如雅安地震灾害发生时，震后获取的光学影像虽为决策部门提供了重要的信息支持，但部分数据受到云的影响，不能实现地面灾情遥感数据的全覆盖，势必影响到地面的受灾信息反映，而SAR系统不受云雾覆盖的影响，可以弥补光学影像欠缺的重要灾情信息。
SAR具有几个明显的特征：全天候工作性能;分辨率高，所摄照片清晰;覆盖面积大，提供信息快;不易受干扰;具有分辨地面固定和活动目标的能力。针对SAR测图能够穿云透雾不受天气影响的优势以及我国光学影像测图困难地区大比例尺测图需求，课题组在SAR测图领域进行了长期的探索和研究，取得了一些有特点的成果，开发集成到软件和硬件中，研发了机载多波段多极化干涉SAR测图系统、X波段双天线极化干涉SAR系统、无人机载miniSAR测图系统，在我国云雾光学测图困难地区发挥了积极的作用。
1机载多波段多极化干涉SAR测图系统(CASMSAR)
1996—2011年，正值我国西部1∶50000空白区测图工程执行期间，光学立体卫星影像成为该项工程的主要数据源，但一些区域因常年云雾、积雪原因，光学影像难以胜任。研发机载SAR测图系统是当时面临的一项重要任务，经过4年的努力，课题组研发了国内首套机载多波段多极化干涉SAR测图系统(CASMSAR)。该系统由3大部分组成(图1)：机载多波段多极化干涉SAR数据获取系统、SAR测图工作站和机载SAR数据预处理与分发系统。
1.1CASMSAR数据获取系统
具有我国自主知识产权的机载多波段多极化干涉SAR测图数据获取系统的成功研制，填补了国内空白，整体性能达到国际同类先进水平，打破了发达国家对我国的技术壁垒。该系统具有从万米高空穿透云雾、全天时全天候获取0.5～5m分辨率的多波段(X和P波段)、多极化(HH、HV、VH和VV)干涉与立体SAR数据的能力，解决了我国云雾、冰雪覆盖区域的测图数据获取难题，实现1∶5000～1∶50000比例尺测绘[1]。主要技术优势表现在：
1)高精度运动补偿和大偏流角成像与干涉技术。解决了X波段无稳定平台长干涉基线处理、保相的双通道运动补偿及P波段高精度大孔径运动补偿等关键技术，确保了高质量成像;突破了大偏流角条件下成像和干涉的难题，使偏流角容许值由常规的3°提高至10°[2]，航线偏离从200m降低至80m，实现了飞控导航系统与两部SAR传感器、定位定向系统(positionandorientationsystem，POS)系统的高效集成。与国内类似系统相比，干涉天线从需稳定平台发展至无需稳定平台，基线长度从0.5m提高至2.2m，高程精度提高4倍。
2)多传感器时空同步高效集成技术。基于秒脉冲和事件触发技术解决双波段雷达与POS的时空同步问题，实现了飞控导航系统与X波段干涉SAR传感器、P波段极化SAR传感器、POS系统的高效集成，保障了在单次飞行中同步、可靠地获取高精度的干涉和极化SAR数据[3]。
3)智能导航飞行控制技术。研制了一体化的智能导航和控制系统，实现了灵活机动的航线管理、平稳的航线控制和精确的雷达操作，在载机没有铰链惯导系统的条件下，使航线偏离误差由以往200m降低至80m，保证了SAR传感器高精度的成像质量[3]。
机载多波段多极化干涉SAR数据获取系统以其多波段、多极化、干涉+立体、高精度、宽测绘带和业务化的技术特点成为SAR遥感数据快速获取的高端装备，是国内首个满足1∶5000～1∶50000比例尺测图精度的机载SAR业务化运行系统，达到了同期机载SAR测图系统的国际先进水平。
1.2CASMSAR测图工作站
攻克了复杂地形区域高精度测图等系列核心技术，研发了针对地理信息产品生产的SAR测图工作站，实现了SAR干涉和立体测图、极化分类、信息提取和解译及SAR定量参数反演等功能，实现了立体环境下基于网络化分布式协同的全要素矢量采编一体化的工作模式，可生产1∶5000～1∶50000比例尺的数字线划图(digitallinegraph，DLG)、数字高程模型(digitalelevationmodel，DEM)、数字正射影像(digitalorthophotomap，DOM)、地表覆盖图(landcovermap，LC)等测绘产品[1]，是国内外唯一能够综合利用极化、干涉、立体SAR技术实现测图与解译的SAR数据处理与分析系统，性能达到了国际领先水平。技术优势表现在：
1)复杂地形区域高精度DEM提取技术。提出了外部DEM辅助的精化干涉处理、视差编辑辅助的立体SAR提取DEM、多源数据融合的DEM制作等技术，有效解决了复杂地形引起的失相干和误匹配问题[3-5]。
2)无遮挡、无叠掩的SAR正射影像图制作技术。提出了基于差分全球定位系统(globalpositioningsystem，GPS)和姿态测量数据及稀少控制点的正射纠正方法，以及应用多方向、多种极化方式的SAR影像融合制作彩色DOM的技术，有效地解决了叠掩阴影导致的信息缺失问题[6-7]。
3)多侧视模型互补的SAR立体测图与解译技术。提出了基于几何变换、影像模拟和影像坐标映射3种SAR立体模型制作方法，实现多侧视模型互补的SAR立体测图，解决SAR多立体模型的快速加载与切换等系列快速测图问题[8]。
4)稀少控制点SAR影像目标定位技术。以严密构像模型为基础，构建了SAR影像观测值的误差方程，并与机载POS、卫星轨道、姿态等多源数据联合平差，实现稀少控制点SAR影像的区域网平差与目标对地定位[9-10]。
SAR测图工作站综合利用极化、干涉、立体SAR技术实现测图的软件系统，与GAMMA、Earthview和InSAR等国外知名软件相比，整体达到国际领先水平。首次提出了外部DEM辅助下精化干涉处理、视差编辑辅助的立体SAR提取DEM、多侧视模型互补的SAR立体测图、无遮挡无叠掩的SAR正射影像图制作、多源数据融合的DEM制作、网络协同SAR立体智能解译、多波段/多极化SAR图像分类等多项创新性的核心技术。与国内外知名SAR遥感软件相比，SAR测图工作站功能全面，并增加了雷达干涉/立体提取DEM、DEM精化、多方向的DOM/DEM融合和SAR立体环境下矢量采集与编辑等高效、实用的特色功能。实现了网络化分布式协同工作模式，作业效率提高了30%以上;支持机载和星载SAR数据联合处理[3]。
1.3CASMSAR系统的应用
提出了复杂地形区域SAR测图的技术方案、工艺流程，首次制定了我国的SAR测图工艺流程和行业标准，形成了SAR测图技术体系，为利用SAR技术制作DEM、DOM、DLG、LC等系列测图产品提供了整体解决方案，促进了SAR规模化测图的发展，指导完成了西部测图工程横断山脉区域测图任务，为西部测图工程的顺利完成提供了有力的技术支撑保障。通过大量生产实践，首次详细地设计了各工序的技术和方法，设置了各环节质量控制标准，保障了产业化运行。
1)技术方案与工艺流程。综合考虑测区地形条件、植被分布、云雾和冰雪覆盖情况，设计了SAR影像控制测量方案、SAR影像调绘方案、SAR内业测图方案、SAR地表覆盖数据制作方案等。形成了SAR影像调绘、SAR区域网加密、DEM/DOM/DLG/LC制作等工艺流程，解决了因我国西部地区自然地理环境艰难、气候条件复杂带来的系列测图难题。
2)行业标准。制定了1∶50000地形图合成孔径雷达航空摄影技术规定、1∶50000地形图合成孔径雷达航空摄影测量技术规定、1∶50000地形图合成孔径雷达航天摄影测量技术规定，提出了SAR测图生产各个环节的质量控制措施，促进了产业化应用。
3)在国内建立了SAR测图产业化运行体系。本项目联合建立了企业化运行的机载SAR数据获取队伍与机制，构建了高性能集群化的快速预处理与灵活的数据分发系统，形成了产学研用相结合的SAR遥感测图与应急响应产业链。在陕西、黑龙江、四川和重庆分别建立了SAR数据生产作业基地，装备SAR测图工作站100余套，形成了SAR测图的规模化、产业化生产能力，纳入到国家基础测绘体系。
CASMSAR在陕西、黑龙江、四川、重庆、云南和解放军某部等测绘部门使用，完成了横断山脉22万km2SAR测图生产任务和土地调查工作。在海岛礁测绘工程中，作为唯一中标的SAR测图平台装备使用。具体包括2010年SAR航摄数据获取横断山脉区域约11万km2;西安秦岭区域SAR数据约1200km2;获取玉树地震区域SAR数据约2000km2;2011年西部测图工程横断山脉区域约20万km2，合计502幅图，包括1∶50000DOM、DEM、DLG制作。西安秦岭区域SAR测图约1200km2。2012年若尔盖湿地SAR航摄数据获取：约1.26万km2;若尔盖湿地SAR测图，合计504幅图，包括1∶10000DOM、DEM、DLG制作;927海岛礁测绘SAR测图软件系统。CASMSAR先后为汶川地震灾情信息评估、玉树地震灾情信息获取及评估、海南灾情信息评估等提供了应急保障服务[11-12]。同时，CASMSAR已经在马来西亚理工大学、国防科技大学、中南大学、首都师范大学等国内外多家科研与教育机构得到了广泛应用。CASMSAR自投入应用以来，已直接应用于西部测图工程、“927”工程、重大自然灾害快速应急响应以及教学与科研之中。
2X波段双天线极化干涉SAR系统
该项目的执行期为2011—2016年。当时国内已研发成功多套极化/干涉/极化干涉SAR传感器，并成功实现了SAR传感器载荷与飞行平台的集成，已基本掌握航空航天SAR遥感数据获取关键技术。但是，由于缺乏对SAR成像机理的深刻认识，缺乏高效的SAR影像精确处理模型、定量化的处理手段和通用化快速处理软件系统，SAR处理与解译存在精度低、可判别类别少、处理效率低等难题，导致SAR影像数据的应用受到极大限制[13]，迫切需要定量化、精准化、高性能SAR处理与解译技术和系统来支撑SAR技术的快速发展和应用需求。在国家“863”计划项目支持下，经过4年的联合攻关，突破了SAR影像精准处理、高精度三维信息提取、基于知识库的高可信解译、SAR影像核心处理功能加速等系列核心技术，首次研发了能处理国内外航空航天SAR数据、功能齐全、具有PB级影像数据管理和并行处理解译能力的国家级SAR影像处理解译系统，并在地形测绘、土地利用分类与植被覆盖监测等多个领域开展了应用推广。X波段双天线极化干涉SAR系统是其中的一项代表性成果。
2.1X波段双天线极化干涉SAR硬件系统
X-波段极化干涉合成孔径雷达(polarimetricinterferometricSAR，PolInSAR)系统能够在高程精度、极化测量精度、辐射定标精度以及几何测量精度等方面取得突破，对X-波段雷达系统的发射功率容量、接收通道幅相一致性、系统增益稳定度、内定标精度、激励信号带内外杂散抑制有了明显提升。构建的X波段双天线极化干涉SAR获取技术及系统，具备高低空快速数据获取能力，可同时获取0.3～2.5mX波段全极化干涉数据，具有高分辨率、宽测绘带干涉合成孔径雷达系统，高程精度达到0.28m，是国际上干涉精度较高的几个雷达系统之一。
1)工作模式设计。在单发双收模式下，两幅X-波段双线极化天线安装在天线吊舱内，以达到2.2m最长基线，提高干涉精度。在此模式下，微波组合开时钟指向H极化天线，微波组合配置为仅选通两路接收回波到低功率射频的接收机，信号经过低噪声放大、混频、滤波后输出中频信号给数据形成单元，数据形成单元中只有两块AD卡工作，同时采集两路接收机输出的信号，AD量化后的数字信号通过高速总线传输到数据记录系统进行记录，并可根据指令能够同时传输到实时数据处理器进行处理。乒乓模式下，两幅X-波段双线极化天线安装在天线吊舱内，以达到2.2m最长基线，提高干涉精度。在此模式下，微波组合通过乒乓开关切换发射通路，提高有效干涉基线的长度，选通四路回波到低功率射频的接收机。低功率射频分别经放大、混频、滤波后输出信号经AD量化后通过高速总线传输到数据记录系统进行记录。极化干涉模式下，两幅X-波段双线极化天线安装在天线吊舱内，以达到2.2m最长基线，提高干涉精度。在此模式下，H通道与V通道交替乒乓发射，H通道与V通道乒乓接收。低功率射频内分别经放大、混频、滤波后输出信号经AD量化后通过高速总线传输到数据记录系统进行记录。高分辨率模式：此模式为应急测绘使用，在飞行高度较高情况下，使用宽脉宽，低PRF降低系统数据率，增加采样点数，选择使用单通道接收增加应急模式下的测绘幅宽。
2)高分辨率极化干涉SAR硬件系统。系统测绘带宽与距离向波束范围等因素有关，设计了不同工作模式下的测绘带与波束范围，保证在不同分辨率模式下均可满足测绘带宽要求。根据不同分辨率下斜距分辨率与信号带宽之间的关系并考虑设计余量，将分辨率分别为0.3、1和2.5m的极化干涉SAR信号带宽分别设计为670MHz、250MHz和125MHz。在条带工作模式下，方位向波束宽度在3.5°以上。系统记录数据率为320(MB·s-1)，记录器峰值记录速度可以为320(MB·s-1)，存储容量为2.2TB。基于双程回波方向图计算得到的最大距离模糊比应小于-35dB;而方位向模糊比应小于-21dB。输入动态范围在0.3m分辨率，2000m作业高度时，其等效后向散射系数在-37～-44dB。在1m分辨率4000m作业高度时，其等效后向散射系数在-32～-37dB。在2.5m分辨率，8000m作业高度时，其等效后向散射系数在-28～-34dB。作业高度分别在2000、4000、10000m时，可以满足0.5、1.0、2.5m的高程精度要求。
3)高精度极化定标技术。X-波段极化天线拟采用波导缝隙阵列天线，极化隔离度可以达到30dB以上的隔离度。经过极化定标后，极化隔离度可以进一步提高至35dB以上。SAR系统极化通道间幅度不平衡和相位不平衡变化误差依靠内定标技术监测校正，内定标采用脉间连续定标方案，并只进行通道间的相对变化测量，可以获得较高的测量精度，幅度不平衡优于0.2dB。使用3个无源反射器(1个三面角反射器、1个0°二面角反射器、1个45°二面角反射器)进行极化外定标。对于X-波段，当信杂比优于25dB时，幅度不平衡误差为0.06dB，相位不平衡误差为3°。当定标器极化隔离度优于35dB，幅度不平衡优于0.2dB，相位不平衡优于2°时，外定标极化隔离度优于35dB，幅度不平衡优于0.3dB，相位不平衡优于5°。——论文作者：黄国满，程春泉，赵争，卢丽君，杨书成
相关期刊推荐：《测绘科学》杂志级别：北大核心，主办单位：中国航天科工防御技术研究院中国宇航学会中国系统工程学会，周期：双月，主要刊登以下内容：大地测量学同其他相关学科的综合研究、卫星导航定位研究、数字摄影测量、遥感图像处理的智能化研究、遥感器原理和技术、激光扫描技术与应用、地图和地理的理论和技术、地图数据的符号化和可视化研究、GPS、RS、GIS集成的理论和技术、基础地理信息的综合分析与集成应用、地图印刷的新技术和新方法等。
