星載SAR及InSAR衛星系統參數

    本報告主要調研了國際上到目前為止所存在的一些星載InSAR系統的發展情況，總結了各系統的一些技術名額及參數選擇。

    以下調研系統中，除了TanDEM-X幹涉系統之外，其他的星載SAR系統都不是用來專門進行幹涉測量使用的，它們基本的任務還是實作二維高分辨成像，是以大多采用的是重複軌道幹涉測量模式。在進行幹涉測量之前，首先要估算此次測量的基線數值，如果不滿足要求，此次測量數值就不會采用，是以，對于重複軌道幹涉測量的基線實際上是針對需要的測高精度篩選出來的。

1、美國Seasat系統

    1978年6月，美國國家航空航天局發射了海洋衛星（SeaSat），在衛星上首次裝在了合成孔徑雷達，對地球表面1億的面積進行了測繪，該衛星在空間飛行100天，采用的是重複軌道幹涉模式，首次從空間獲得地球表面雷達幹涉測量資料。

表1   SeaSat衛星的技術名額及相關參數

SeaSat衛星
研究機關	美國國家航空航天局	天線尺寸(長*寬,m)
發射時間	1978年6月	極化方式	HH
工作模式	重複軌道幹涉模式	飛行高度(km)	795
軌道傾角(度)	108	幅寬(km)	100
重訪周期(天)	3	方位向分辨率(m)	25
工作波段	L	距離向分辨率(m)	25
工作波長(cm)	23.5	衛星編隊模式	無
入射角(度)	23—26	基線長度(m)	2000(波動很大)
脈沖寬度(s)	絕對測高精度(m)	20—50
信号帶寬(Hz)	相對測高精度(m)
PRF(Hz)	1646

2、歐洲空間局ERS系統

ERS-1和ERS-2雷達衛星為歐洲空間局分别于1991年和1995年發射，攜帶有多種有效載荷，包括側視合成孔徑雷達和風向散射計等裝置。

ERS-1和ERS-2雷達衛星構成對同一地面通路時間相差一天的星對，使得兩次取得的SAR資料之間的相幹性得到了一定保障，采用太陽同步晨昏軌道，該系統采用的是重複軌道幹涉模式，衛星編隊形式為跟飛。

表2   ERS-1和ERS-2雷達衛星星對的技術名額及相關參數

ERS-1和ERS-2星對
研究機關	歐洲空間局	天線尺寸(長*寬,m)
發射時間	1991年、1995年	極化方式	VV
工作模式	重複軌道幹涉模式	飛行高度(km)	782—785
軌道傾角(度)	98.52	幅寬(km)	80—100
工作波段	C	方位向分辨率(m)	30/100
工作波長(cm)	5.7	距離向分辨率(m)	30/100
入射角(度)	23—26	衛星編隊模式	跟飛或無
脈沖寬度(s)	基線長度(m)	75—175
信号帶寬(Hz)	絕對測高精度(m)
PRF(Hz)	1679	相對測高精度(m)	11—14
臨界基線長度（km）	1.1

    ERS-1/2基線的測量方法：軌道資料（星曆資料）加上精密的軌道動力及引力模型計算獲得。

3、日本JERS-1系統

JERS-1雷達系統是日本于1992年發射升空的，采用太陽同步晨昏軌道，該衛星采用了重複軌道幹涉模式，但其軌道控制方式不太理想，在交軌方向的基線分量不如日本之後發射的ALOS衛星。表3中的基線長度是對JERS-1持續觀測四年（1993年—1994年）期間的基線變化範圍。

表3   JERS-1雷達衛星的技術名額及相關參數

JERS-1衛星
研究機關	日本	極化方式	HH
發射時間	1992年	飛行高度(km)	568
工作模式	重複軌道幹涉模式	幅寬(km)	75
軌道傾角(度)	97.9	方位向分辨率(m)	18
工作波段	L	距離向分辨率(m)	18
工作波長(cm)	23.5	基線長度(m)	87—707
入射角(度)	35	絕對測高精度(m)
衛星編隊模式	無	相對測高精度(m)	10—25

4、加拿大Radarsat雷達衛星

雷達衛星Radarsat除了有一個地面衛星資料接收站外，衛星上還載有錄音帶記錄器，可覆寫全球。該衛星除陸地及海洋應用外，其還肩負兩個方面的重要任務：一是對南極大陸提供第一個完全的高分辨率衛星覆寫，二是對全球産生多次衛星覆寫。

Radarsat雷達衛星由加拿大于1995年11月4日發射，具有7種模式、25種波束及不同入射角，因而具有多種分辨率、不同幅寬和多種資訊特征，使用于全球環境、土地利用和自然資源監測等。

表4   Radarsat雷達衛星的技術名額及相關參數

Radarsat衛星
研究機關	加拿大	極化方式	HH
發射時間	1995年11月4日	飛行高度(km)	793—821
工作模式	重複軌道幹涉模式	幅寬(km)	45—500
軌道傾角(度)	98.58	方位向分辨率(m)	9—100
工作波段	C	距離向分辨率(m)	6—100
工作波長(cm)	5.7	基線長度(m)	286—1978
入射角(度)	10—60	絕對測高精度(m)
衛星編隊模式	無	相對測高精度(m)	15—50

5、美國SRTM任務

2002年2月美國“奮進”号航天飛機發射升空，執行耗資3.64億美元，稱為“航天飛機雷達測繪使命（SRTM）”的空間飛行任務。它采用的方式為單航過雙天線幹涉測量，即在航天飛機上建構雙天線實施InSAR地形測繪。該任務曆經11天順利完成任務，共計進行了222小時23分鐘的資料采集工作，擷取的雷達影像資料達9.8萬億位元組，資料覆寫範圍在北緯60°至南緯56°之間，覆寫面積超過1.19億，資料産品為間距30m和90m的數字高程模型資料，相對測高精度為6m。（天線直徑1.12m，交軌基線長度60m，順軌基線長度7m，采用頻段C/X，絕對測高精度：水準20m，垂直16m,相對測高精度：水準15m，垂直4m）。

6、歐洲ENVISAT雷達系統

ENVISAT雷達衛星屬極軌對地觀測衛星系列之一，于2002年3月升空。星上載有10種探測裝置，其中4中是ERS-1/2所載裝置的改進型。作為ERS-1/2雷達衛星的延續，ENVISAT雷達衛星資料主要用于檢測環境，即對地球表面和大氣層進行連續的觀測，供制圖、資源勘查、氣象及災害判斷之用。

表5   ENVISAT雷達系統的技術名額及相關參數

ENVISAT衛星
研究機關	歐洲	極化方式	HH,VV HH/VV HH/HV,VV/VH
發射時間	2002年2月	飛行高度(km)	786—813
工作模式	重複軌道幹涉模式	幅寬(km)	56—405
軌道傾角(度)	98.54	方位向分辨率(m)	6—1000
工作波段	C	距離向分辨率(m)	9—1000
工作波長(cm)	5.6	基線長度(m)	213—2230
入射角(度)	15—45	絕對測高精度(m)
衛星編隊模式	無	相對測高精度(m)	10—40

7、日本ALOS觀測衛星

2006年1月日本發射了先進陸地觀測衛星(ALOS),它攜帶有L波段相控陣合成孔徑雷達(PALSAR)，該衛星主要用于對全球陸地資源和環境實施全天候監測，在高分辨率模式下距離向分辨率優于2m，軌道定位精度10m。PALSAR有較高的距離向分辨率和較高的信噪比，并且在交軌方向對軌道有較好的控制。

表6   ALOS觀測衛星的技術名額及相幹參數

ALOS衛星
觀測模式	高分辨率模式	掃描模式	多極化模式
極化	HH/HV或VV/VH	HH或VV	HH/VV/HV/VH
側視角(度)	10—60	18—43	8—30
距離向分辨率(m)	10(2視)/20(4視)	100(多視)	24—89
掃描幅寬(km)	40—70	250—350	20—65
資料率(M)	240
天線尺寸	9.8*2.9
工作模式	重複軌道幹涉模式
基線長度(m)	交軌大于50m，順軌小于2公裡
絕對測高精度(m)
相對測高精度(m)	10—20

8、加拿大Radarsat-2雷達系統

Radarsat-2是加拿大第二代地球觀測衛星，于2006年12月發射升空，它幾乎保留了Radarsat-1的所有優點，雷達采用C波段，HH極化，資料分辨率3—100m，幅寬10—500km,設計使用壽命為7年，采用多極化工作模式，軌道定位精度15m。能夠大大增加可識别地物或目标的類别，能夠左視和右視，并且可以實作互相轉換，主要用于測繪以及環境和自然資源的檢測等方面。

表7   Radarsat-2衛星的主要性能名額及相關參數

Radarsat-2衛星
軌道參數
傾角(度)	重訪周期(天)	使用壽命(年)	軌道高度(km)	軌道
98.6°	24	7	798	極軌，太陽同步軌道
可選極化方式	部分波束模式	标稱分辨率 距離*方位(m)	标稱幅寬(km)
HH,HV,VH,VV	标準	35*28	100
寬幅	38*28	150
精細	10*8	50
HV或VH	精細(1/4景)	11*9	25
HH或VV	超精細寬	3*3	20
超精細窄	3*3	10
相對測高精度(m)	2—20	基線長度(m)	順軌小于2公裡
編隊形式	前後跟飛	标稱間距(m)	10

9、德國TanDEM-X任務

德國TanDEM-X任務是利用兩顆TerraSAR-X衛星進行編隊飛行的一個高精度的雷達幹涉測量系統，第一顆TerraSAR-X衛星于2007年發射升空，計劃使用壽命為5年，第二顆TerraSAR-X衛星于2009年發射升空，計劃使用壽命為5年，兩顆衛星有三年的工作交疊期，德國預計在這三年中生成全球的高精度DEM數字高程模型，高程定位精度優于2m，DEM網格間距為12m。

表8   TanDEM-X幹涉系統的性能名額及相關參數

TanDEM-X幹涉任務
交軌基線	順軌基線	基線測量	軌道	系統壽命
300m—2km	小于2km(一發雙收) 200m—2km(雙發雙收)	2mm—4mm	太陽同步軌道	大于5年
SAR基本參數
SAR模式	波段	入射角	分辨率	像素定位精度
條帶，少量掃描	X	25°—50°	6m（4視）	小于5m
數字高程模型(HRTI-3)
垂直精度	水準精度	DEM間距
2m—4m（相對），10m（絕對）	10m	12m
衛星編隊模式	前後跟飛、并列繞飛

表9給出了以上幾種星載幹涉系統在不同基線的情況下高程模糊度的具體數值

表9   不同垂直基線下的高程模糊度(機關：m)

垂直基線長度	衛星
SEASAT	JERS-1	ALOS	ERS-1/2	ENVISAT/ASAR	RADARSAT	TerraSAR-x
125	294	323	91~563	69	58~81	31~155	21~56
200	184	206	57~352	43	37~51	20~97	14~35
500	74	83	23~141	17	15~21	8~39	6~14

不同波段下系統幹涉的性能比較

表10   上述幾種星載幹涉系統的相對測高精度對比

系統名稱	相對測高精度(m)
SeaSat海洋衛星（L波段）	20—50
ERS-1和ERS-2星對(C波段)	11—14
JERS-1衛星(L波段)	10—25
Radarsat-1衛星(C波段)	15—50
ENVISAT系統(C波段)	10—40
ALOS衛星(L波段)	10—20
Radarsat-1和Radarsat-2星對(C波段)	2—20
TanDEM-X幹涉系統(X波段)	2—4

L、X、C波段所生成的SAR圖像有其各自的特點，高程資訊的精度主要取決于雷達波長和相幹系數。對于同一區域的SAR圖像幹涉處理，L波段的圖像相幹性高于X、C波段的圖像，但是就高程資訊的敏感度，X、C波段優于L波段。