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看天线,识卫星——漫谈卫星天线(三-1)


题图中,在紧缩场静静躺着一个长条乳白色状物体,有细细的条纹,不知是何物?其实这就是大名鼎鼎的全天候千里眼——合成孔径雷达(SAR)卫星的天线!请看本期——带长板凳天线上天的雷达对地观测卫星。

前段时间,一位名叫伊恩·威尔逊(Ian Wilson)的英国人宣称他在谷歌地图上找到了失踪四年半的MH370客机,具体坐标为北纬12.089059,东经104.151882!这个消息顿时在全球互联网上一石激起千层浪。我国的长光卫星技术有限公司立刻调动自己全部10颗卫星,陆续前往观察,不过在2018年9月5日11时31分第一次拍摄的照片却令人大失所望,疑似MH370坠毁地点被云层遮挡,所以无法确认。



图1.光学卫星在云雨、雪雾、沙尘面前一筹莫展

后续长光卫星在天晴后发回的照片澄清了传闻真伪,但这不得不令人想起了合成孔径雷达,SAR(Synthetic Aperture Radar),因为这种雷达弥补了光学对地观测的短板——能够穿透云雨、雪雾、沙尘等各种障碍,全天候,风雨无阻!



图2.合成孔径雷达拍摄的国会山照片,好比是X光透视,体无完肤,毫无保留,撕去伪装、穿透掩盖物!

一、雷达成像不简单——合成孔径雷达的发明 

经常会在电台或者电视听到:“根据雷达回波分析……”最初的雷达,很像她英文名的对称型字母顺序,RADAR(RAdio Detection And Ranging)嵌入了一个“反射”的内涵,即发送一个电波,被照射的物体反射电波,雷达接收回波,一来一去记录时间,根据无线电波传播的速度,一乘就知道被测物体的远近。

为了知晓方位,雷达也是很拼命,初期的机械扫描雷达7×24小时旋转工作,得到下图,大家在战争片看到过很多类似的图像:“方位幺叁拐,距离拐洞拐……”



 图3.和红色警戒游戏类似雷达图,简单粗糙,满足一定需求


此类提供方位和距离信息的雷达叫做二坐标雷达,一些场景,如舰载警戒引导雷达,还需要知道被测物体(如导弹、飞机)的高低信息,因此在垂直方向(高低角)上增加了电扫描,从而可获得目标的距离、方向和高度信息,这种雷达被称为三坐标雷达。不过要让此类雷达照出高分辨率的照片,这显然还远远不够。在合成孔径雷达的发展历史上,合成孔径雷达之父Carl Wiley以其专注的精神、锐意的创新谱写雷达成像崭新篇章


图4. Carl Wiley,1918.11.30~1985.4.21,美国数学家兼工程师,太阳帆概念及SAR发明者


Wiley老爷子年轻时多才多艺,1942年发现了钛酸钡的压电性获专利,后续他想出了map matching——地形匹配导航概念。1949年他加入了美国固特异飞机公司(Goodyear  aircraft Co. ),想把这个概念变为现实。他的课题,其实很暴力,极具军事价值!在导弹飞行的过程中,使用预先记录的地形等高线图,依靠小尺寸天线对地测量结果进行比较,让导弹长眼睛,然后精确命中目标。这种洲际导弹的导航系统,即为后续固特异飞机公司的拳头产品——ATRAN(Automatic Terrain Recognition And Navigation map-matching radar system),自动地形识别和导航地图匹配雷达系统。

 图5.装备ATRAN 的TM-76A导弹


但事实上,这要求雷达成像达到3维标准,难度非常大,以下图为例,一束电波照射到地面,反射回来,慢动作回放,但你会发现,你接受到的仅仅是一段起伏电平,如何才能将当中的信息解读出来绘制高清图像


 图6.根据雷达回波,收到的仅仅是一段起伏波形,如何能够解读并绘制高清图像?


而且雷达系统的分辨率由其天线的尺寸决定。在波长固定时,天线越长则分辨率越好,但在飞机上、卫星上却很难装载下一支非常长的天线。

Carl Wiley仔细研究飞行雷达收集到的信息,在1951年6月他观察到,在方位向上(这个专有名词后续有专门介绍),被测物体的坐标,与该物体反射到雷达的信号的瞬时多普勒频移之间存在一一对应关系。Carl Wiley脑子里面的构思逐渐清晰起来……

(一)移动改变雷达成像——深度学习多普勒效应


当一辆警车迎面驶来的时候,听到声音尖刻,而车离去的时候声音变得低沉,这就是“多普勒效应”。在《看天线,识卫星——漫谈卫星天线(二)》一文中我们讲到了利用多普勒效应测量卫星速度,进而推算卫星轨道的案例。


图7.产生多普勒频移是波源和测量者之间的相对速度。


但要强调的是,产生多普勒频移,核心波源和测量者之间的相对速度,产生的频偏是相对速度/波长。警车以固定速度行驶,迎面和背离两侧,警笛的跑调也就两个调子。 


但如果相对速度是在变动,这个频偏就一定了比如装在飞机上的雷达探测地面目标,与地面目标的相对速度就一直在变动,如下图,可以根据高中物理,把相对速度按照L BAD、L ABD、L CBD进行分解,可以发现在B点,雷达和被测目标垂直,相对速度为0,频偏为0;而在A、C点,由于相对速度不一样不仅出现正负,而且幅度不一的频偏


图8.根据频偏可以测算出相对速度,进而确定方位。


事实上,给定雷达移动的速度、飞行的高度以及雷达照射的角度,是可以根据频偏算出被测试目标的方位。在立体几何中,这些方位,是以双曲线族形式呈现的。

接下去,就要切入提升分辨率的核心章节,这部分我将使出浑身解数,化繁为简。


(二)歪头斜脑定远近,多普勒频偏定前后


Carl Wiley课题的难点是要从一段杂乱无章的回波电平中读取数据,建立坐标,并能读取高度信息。建立坐标,沿着雷达飞行的方向,叫做方位向(Azimuth);垂直于雷达飞行的方向,被称为距离向(Range通过三步法可以建立起这个坐标系:


STEP 1.雷达视实现“距离向”坐标


所谓“距离向”,就是离开雷达的远近坐标,这个很容易实现,其实就是靠雷达回波的时延来确定被测物体的远近,根据时延可以画出一圈一圈代表远近的等时线。其实如果你看了后面关于各种卫星的天线,或者各种机载SAR在一侧的安装位置,可以发现,他们都是歪头斜脑来确保“斜视”!为什么?因为正朝地面发射电波,两面反射,搞不清雷达左右谁回的波!只有斜视才能保证收到的回波,唯一反映了一侧的距离,见下图的等时线。



 图9.如何才能把格子画的更小,将分辨率提高?


STEP 2.多普勒频偏定前后


等时线确定了一维,第二维就是图上等多普勒线他确定了方位向的坐标。其实Carl Wiley最突出的贡献是提出了多普勒波束锐化(DBS, Doppler Beam Sharpening)概念并付诸以工程实现。在1951年6月的报告中,他的结论是,对反射信号的频率分析可以实现比物理波束本身的长度轨道宽度所允许的更精细的沿轨道分辨率,这当中的核心思想,是设计一个滤波器,能够将细小的频偏区分。回波中的平淡乏味的电平变动解读频偏并归类图9的坐标上,画出一道道等多普勒线,这实现对雷达回波信息的对号入座


显然多普勒滤波器是雷达分辨率的重要指标,Carl Wiley测算,分辨率为天线孔径长度的一半,要获得高分辨力,仅需要天线小点,这个结论非常惊人!传统真实孔径雷达天线与之恰恰相反,要求大孔径,而且希望波长越长越好、距离越远越好。


STEP 3.做比对,火眼金睛识高低


假设拍摄的对象广袤无垠,没有凹凸,那么接收到的雷达回波信号按照时延和频偏可以对号入座,洒在相应的格子上,作为标准模板;但如果地形有起伏,那么这些细微的高程变动,就会在这个格子的反射波(专业术语为后向散射波)的时延和相位上体现,通过和标准模板做比对,解读出比普通雷达更为细致丰富的数据。


在1952年,Carl Wiley利用超声波模拟了系统的工作过程,结果非常满意,6月4日公司副总阿恩斯坦博士发来祝贺信(事实上,合成孔径雷达成为固特异飞机公司航空公司后续30年的雷达主营业务)。


图10.合成孔径雷达成为固特异飞机公司航空公司后续30年的雷达主营业务


1953年7月8日在DC3飞机上的机载合成孔径雷达启动,地物的反射波接收后与发射载波作相干解调滤波,并按不同距离单元记录在录像带上,图像后续在地面上完成制作。但刚才STEP 3中提到的比对工作,事实上成为限制合成孔径雷达发展的瓶颈。一幅SAR图像的原始数据量通常是上亿位元组,而且SAR成像的算法复杂,每个像素(pixel)需要1,000次左右的浮点运算。在数字处理器成熟之前,其实是用傅立叶光学系统来完成。


1957年7月,美国密西根大学使用光学类比处理器处理出了X波段雷达的第一幅完全聚焦的正侧视条带(Stripmap)工作模式的合成孔径雷达图像,该系统用胶片记录,原始底片类似光学全息图像,通过光学系统处理后能成为雷达图像,但这是合成孔径雷达开天辟地的一件大事。


合成孔径雷达是非常复杂的,可以用不同的方法来介绍,上述用Carl Wiley提出多普勒波束锐化(DBS)概念其实是合成孔径雷达(SAR)在频域的一种解读,相对比较直观些,但结论是一致的。你也可以认为合成孔径雷达是“移行幻影大法”:SAR雷达在不同的点进行连拍,每次辐射相干信号并接收回波,将各次接收信号进行相位校正并作相干处理,得到了聚焦合成孔径天线信号,其效果等效于一个大天线各单元同时辐射和接收的长线阵。



 图11.合成孔径雷达“移行幻影大法”


而作为本章节的主人公,1953年Carl Wiley从固特异跳槽,在亚利桑那州凤凰城成立了自己的公司Wiley Electronics;1954年8月13日,由于他比伊利诺斯大学和密西根大学这些学院派早几个月发现了SAR工作原理,他提交了SAR雷达专利申请,题为“脉冲多普勒雷达方法和装置”。不过,由于这个发明是为军方研制,1955年6月1日保密令禁止他为技术期刊撰写关于SAR的论文,禁令直至1964年11月18日才被废除。1985年IEEE(电气和电子工程师协会)授予他先驱奖(Pioneer Award)。


二、短命的初代SAR星“海卫-1”,开启新篇章


但随着电子计算机技术在70年代的迅速发展,为SAR的影像处理提供了硬件基础,SAR的信号处理由类比式转向数字式处理,SAR雷达获得了飞速发展。其实SAR雷达可以装在飞机、卫星等各种平台,1972年4月,美国NASA的喷气推进实验室(JPL)进行了机载L波段SAR的试验,获得了成功。但机载干涉SAR 的主要问题是由于空气扰动和飞机运动引起的平台的不规则运动,需要大数据量的运动补偿以提高准确性,而且飞机的飞范围也非常有限(不怀好意的用途)


因此对地观测,星载SAR技术获得了一些专业领域更多的青睐,首先是海洋学术界的兴趣,合成孔径雷达被列入NASA海洋观测卫星——“海卫-1”(Seasat-1)计划,其目的是用微波雷达研究全球的海洋状态。1978年6月28日,“海卫-1”卫星从范登堡空军基地发射,入轨10天后SAR系统启用。


图12. “海卫-1”卫星系统图


Seasat-1的轨道高度为795km,每秒钟大约发送1500次脉冲,每次脉冲时间为33.4微秒,脉冲间隔约为666微秒。1500次脉冲每秒,按照卫星在轨道上7公里/秒的速度,其实卫星也就隔了5米拍摄一次照片,行话叫做stop and go模式,践行了移行幻影大法,长宽也就10.74米×2.16米的“长板凳”雷达天线,效果相当于约几公里孔径的大天线,实现了25×25米的分辨率,测绘带宽度为100千米。


终于到了读者关心的焦点了,也就是为什么合成孔径雷达的天线要长这么大个?而且都是长板凳形状这重量、折叠,可都是个问题啊!


对于星载SAR来说,测试目标在近千公里之外,收发天线要达到系统工作要求,发射功率要大,接收天线灵敏度要高。但这何尝容易!


星载SAR是一台大功率的脉冲雷达,工作时,峰值发射功率2-5千瓦,高分辨率星载SAR的功耗会更大些,而近地轨道的太阳能电池帆板不能太大,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星是依靠太阳能和星载蓄电池联合供电,弥补太阳能帆板单一供电的不足。而这样一来,SAR天线也只能干一会歇一会,歇的时候太阳能给蓄电池充电。卫星在非晨昏线的太阳同步轨道一圈1百多分钟,除去半个小时左右的地影,剔除充电时间,一般只有10~25分钟可以用来工作,蓄电池反复充放也限制了SAR星的工作寿命,近来锂离子电池技术的革新倒是很大程度缓解了这个问题。


电力有限的情况下,SAR星必须把天线的增益做得足够高,一般采用相控阵阵列天线技术,Seasat-1长达10.74米的天线将波束赋型,方位角的波束宽度仅为1.73°,同时控制副瓣电平,再次为波束扫描的要求打下基础。在接收方面,大型阵列天线的接收灵敏度也高。



 图13.孔径较大的天线更易于实现高增益,具体体现在波束窄,能量集中


在天线距离波束设计上,其实更为复杂、难度更大,因为除了考虑波束宽带、形状、副瓣电平和增益外,还需要考虑距离向模糊度的要求。之前说了,必须歪头斜脑保证雷达斜视,依靠回波反射时间长短来画出等时线。而如果有距离向波束副瓣越界到了星下点的另一面,反射回干扰,导致成像模糊,就很麻烦。因此像Seasat-1的 2.16高米的天线,把距离向波束宽度控制在6.2°并尽量减少副瓣干扰。


天线大是必须的,那么问题又来了,怎么带上天?整流罩最大也就4~5米直径,这就要求天线必须可以折叠!Seasat-1天线由八块可折叠子阵列面板组成,相互铰链,依靠高可靠性的伸展机构实现在发射时的折叠和在空间的展开(由于空间温差大,铰链等伸展机构的活动间隙不能太小,后续日本的JERS-1就出现过机构抱死展不开的情况)。


图14. Seasat-1的天线伸展设计


工程师同时在减重上下功夫,面积20多平方米的天线被控制在100公斤,主要是采用了环氧树脂玻璃纤维做基板,Nomex(间位芳香族聚酞胺纤维,国内叫芳纶1313)制成的轻巧蜂巢结构,刚度好,实现了天线结构的轻量化,且耐温变(温变会导致天线变形,造成聚焦等问题,非常麻烦)。


图15. Seasat-1的天线轻薄但高强度,采用了微带天线


不过需要提醒的是,地球是球形!星载SAR会遇到了比机载SAR更为严重的现实,下图可以较为夸张的表示,需要对地球曲率引起的距离向时延进行补偿计算,早期的星载SAR,如Seasat-1是把星载SAR的时间灵敏度控制设计放在雷达系统中,后续的设计分工明确,天上就管发送和接收,数据处理集中放在了地面,给天上的设备减负。


图16.星载SAR系统工作的空间几何关系


作为第一颗SAR星,Seasat-1万事俱备,考虑充分,但由于电源系统短路,仅在天上运行了100天就挂了,英雄为之扼腕!不过,短短的这段时间,她对地球表面多达1亿平方千米的面积进行了全天候测绘,距离和方位分辨率达到25米,从Seasat-1获取的图像资料表明,SAR 卫星也可以用于海洋科研之外其他用途,例如农业、森林等等观测项目。


三、技术革新、不断迭代


Seasat-1不幸夭折,像是第一个吃螃蟹的——好吃,但肉难剥!针对传统合成孔径雷达的弱点,各国先后开展了各种改进,引发对地观测技术的巨大革新!


80年代初,航天飞机红极一时,1981年11月12日,哥伦比亚号(STS-2)航天飞机装载利用Seasat的备用天线制造的SIR-A 雷达上天,SIR是Spaceborne Imaging Radar的首字母缩写,由于发现了撒哈拉沙漠的地下古河道,引起了国际科技界的震动。1984年10月5日发射的挑战者号(STS-41G)航天飞机搭载了SIR-B,由于增加了天线机械扫描,对地观测入射角在15~60度可变,数据处理也由之前的胶片改为数字。但两个项目均为L波段HH极化。HH极化,前一个H表示发送水平极化波,后一个H表示接收为水平极化波,关于极化的知识,详见《看天线,识卫星——漫谈卫星天线(一)》。NASA感觉到,可以有更多革新可以实施。


(一)多波段,多极化——美国一马当先


NASA通过对“海卫1”的图像研究提出,为最大限度地改进图像质量,并解决电磁波与地表相互作用方面的有关问题,需要多种频率和多极化方式进行比较,以找出各种不同应用情况的最佳频率范围和极化。同样入射角观测地物时,X 波段比C和L波段更能够精确地描述目标的细微形状。大量资料指出,星载SAR所观测的后向散射波不只是来自目标的表面,也有来自内部,即电磁波穿透得到的回波。波长越长,穿透力越强,这种作用在观察比较稠密的作物或树木生长情况时特别明显,而更短波长C/X波段在海冰、土地冲蚀、地质结构和构造等方面观测质量较好。


图17.各个波段对不同被观测物的效果


X波段特别适合于对冰的观察和分类,也特别适合对海面污染层的观察,对于海洋咸水,小于X波段的电磁波的穿透深度几乎是零,而对于淡水和穿透地下目标的观测来说,L波段特别适用。对旱涝灾害监视,采用L波段或C波段来观测土壤湿度是一种有效的空间遥感手段。观察海洋上的强目标,从信号相干性和灵敏度而言,C波段是最佳的选择。


在极化方面,不同的被观测物体对于入射的不同极化波,后向散射不同的极化波。因此空间遥感可以使用多波段来增加信息含量,也可以用不同的极化来增强,提高识别目标的准确度。经验表明,对于海洋应用,L波段的HH 极化较敏感,而C波段是VV 极化比较好;对于低散射率的草地和道路,水平极化使地物之间有较大的差异,所以,地形测绘用的星载SAR 都使用水平极化;对粗糙度大于波长的陆地,HH或VV无明显变化。下图所示,同一目标对于四种不同极化的成像,V表示垂直极化。


图18.同一目标对于四种不同极化的成像


经验表明,不同极化下同一地物的回波强弱不同,图像的色调也不一样,增加了识别地物目标的信息。相同极化(HH ,VV)和交叉极化(HV ,VH)的信息比较,可以显著地增加雷达图像信息,而且,植被和其他不同地物的极化回波之间的信息差别比不同波段之间的差别更敏感。所以,多极化工作是SAR 卫星发展方向之一。


1994年,STS59/68美国航天飞机两次搭载SIR-C / X-SAR雷达,其中X-SAR 由德国和意大利联合研制,这一系列SAR载荷从单一的L波段扩展到了L、C、X三个波段;从单纯的HH极化发展到HH、VV、HV和VV四种极化方式,并具有可变入射角和“聚束模式(凝视,SPOTLIGHT)”的能力,主要用于环境监测和资源勘探等方面。


图19. 1994年,STS59/68美国航天飞机两次搭载SIR-C / X-SAR雷达上天对地观测


(二)干涉SAR,弥补斜视盲区


第一章节提到的“歪头斜脑定远近,多普勒频偏定前后”理论表面上无懈可击,但在实际应用的时候,其实SAR雷达侧视成像也会看走眼,比如下图这个极端的例子,如下图B点为某高山顶峰,和山脚下A点离卫星距离一致,几乎同时到达SAR接收天线,信号混杂,在距离向上无法分辨,山坡坡面压缩,这种现象称为图像折叠。


图20. SAR雷达侧视成像也会看走眼


另外山背面也会让SAR感到很困惑,如下图, A、B两座高山,由于峰顶遮挡,在离SAR不同距离下,随着遮挡的产生,山背后一大片成像变为阴影,质量糟糕。而阴影是所有遥感影像中最不希望出现的。



 图21.由于斜视,离SAR雷达越远,图像阴影越发严重


解决这个问题,干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar,简称InSAR)应运而生。他综合了SAR成像和干涉测量技术原理,通过对同一地区的两次观测成像,获取两幅单视复数图像,对两图像进行干涉处理,提取其相位信息,它主要应用于测地面点的高程及其动态变化,形成三维地表信息。


图22.通过对同一地区的两次观测成像,获取两幅单视复数图像干涉处理后恢复高程信息


这一技术其实美国军方早就秘密开发并使用,通过机载SAR干涉测量技术应用于地形测绘,利用相位差图像获取高程信息,并于1971年申请了相关专利。1972 年Zisk采用同样的方法来测量月球的地形,NASA的Graham在1974年利用机载合成孔径雷达数据获取了能满足1:25万比例地形图要求的高程数据,开创了InSAR 技术在对地观测中获取三维信息的先河。


1978年Seasat-1卫星在空间飞行100天获取地球表面雷达干涉测量数据,通过利用其重复轨道干涉模式,首次获得了地球表面的星载SAR干涉测量数据。1986年,NASA旗下喷气推进实验室(JPL)的Zebker和Goldstein等人在理论和实践上对干涉SAR进行了完善和发展,成功研制航空雷达干涉测量仪,并采用数字信号处理技术将获得的数据进行立体测图,取得了10m以下的高程测量精度。此后,各国科研人员都加入到干涉SAR的研究行列里来,在系统设计和算法处理上都取得了较显著的科研成果。以下图智利阿塔卡马沙漠数字高程模型(DEM)制作为例:


图(a)为星载单通道SAR干涉仪TanDEM-X采集的图,对应的两幅图像已进行图像配准,图像的配准精度至少应为1个像素,为了得到较好的干涉图, 一般需要1/10像素的精度,同时去除噪声;


图(b)是对干涉图去平地相位处理。由于基线的存在,导致两图下视角存在差异,即使高度不变的平地在干涉图中也表现出呈周期性变化的干涉条纹(主要为平行于方位向的条),这一现象称为平地效应。在进行相位解缠和滤波之前,需要去除平地相位,否则干涉相位图不能反映真实的地貌特征或者地表形变信息,并且条纹的密集化也增加了相位解缠和滤波的难度;

图(c)相位展开,根据基线参数,计算出高度值。


图23.三步法制作阿塔卡马沙漠(智利)数字高程模型(DEM)


InSAR有很多种类,按照SAR图像的获取方式,InSAR可分为单轨双天线干涉测量和重复轨道干涉测量两种。20世纪90年代是InSAR技术迅速发展的阶段,以SRTM(shuttle radar topography mission,航天飞机雷达测绘任务)系统为例,即为典型的单轨双天线干涉测量系统。


美国NASA和国家影像与测绘局合作,在“奋进号”航天飞机上装载了一单轨双天线系统用于获取全球三维地形信息。该系统同时拥有C波段(5.3 GHz)和X波段(9.6 GHz),两个波段的SAR系统均使用位于航天飞机敞开货舱中的主天线和分别安装在可展开的外侧桅杆上的第二接收天线来获取干涉图像,即在航天飞机上使用双天线实施干涉SAR(InSAR)地形测绘。主天线是目前最重的SAR天线,重达13.6吨,放在航天飞机的货舱中,另外60米长桅杆重360公斤,基线长度的精度测量要求达到2毫米。


图24.航天飞机带了一个长长的桅杆上天,形成双天线接收


图25.60米长的桅杆,仅重360公斤,而且可伸缩自如


图26.航天飞机“四脚朝天”,肚子向地面拍摄了11天


美国“奋进号”航天飞机于2000年2月11日到22日利用SRTM的SIR-C和X-SAR对全球地形进行测绘,耗资3.6亿美元,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,数据覆盖范围在北纬60°至南纬56°之间,覆盖面积超过1.19亿平方公里(约占地表总面积的80%),数据产品为间距30m和90m的数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)和三维地形图,绝对测高精度为水平20m,垂直16m,相对测高精度为水平15m,垂直4m。这也是全球首次获得如此丰富的数字高程模型数据。实现了基于InSAR技术真正意义上的全球地形三维测绘,这是目前InSAR应用最成功的例子。关于这个神奇的SRTM后续再开专题讲,包括60米长桅杆的伸缩。


图27. SRTM对厄瓜多尔科托帕希山(Mt. Cotopaxi in Ecuador)的成像


(未完待续。。。。。)