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德国星载SAR技术发展情况

发布者::高端装备产业研究   发布时间: :2019-11-06 14:28 浏览次数: :
   导读:星载SAR具有高分辨率、全天候、全天时对地观测能力,已经成为信息实时获取的关键手段。随着世界各国对多元空间信息的日益重视,星载SAR越来越成为对地观测领域的研究热点,美国、俄罗斯、欧洲、加拿大、以色列、日本等国先后发射了本国的星载SAR卫星。本文介绍德国宇航中心(DLR)的星载SAR发展情况。

 

  德国宇航中心(DLR)的微波和雷达研究所是世界领先的星载合成孔径雷达(SAR)技术和应用机构之一。1998~2008年,德国发射了主要用于军事侦察的SAR卫星星座SAR-Lupe,标志着欧洲SAR军事侦察卫星完成组网,是欧洲天基侦察能力发展的一个重要里程碑,也标志着欧洲从此具备独立、全天时、全天候、高分辨率的军事侦察能力

 

5颗SAR-Lupe卫星

  

   此后,DLR又发射了两颗多用途高分辨率雷达成像卫星,分别是2007年发射的“X频段陆地合成孔径雷达”(TerraSAR-X)卫星和2010年发射的“陆地合成孔径雷达-数字高程模型-X”(TanDEM-X)卫星。这两颗卫星有效载荷相同,最高分辨率均为1m×1.2m(方位向×距离向),共同组成高分辨率干涉测量X频段合成孔径雷达卫星星座。2013年经过技术升级和在轨测试完成了任务扩展,能力大幅提升,最高分辨率已达到0.25m。

 

 

 

TerraSAR-X和TanDEM-X雷达遥感卫星

 

   “X频段陆地合成孔径雷达卫星”TerraSAR-X是德国早期研制的一颗高分辨率雷达卫星,也是德国在建的TerraSAR-X频段卫星星座中的第一颗卫星。该卫星于2007年6月从拜克努尔发射场发射,2008年1月投入正常运行,标志着德国地球测绘技术达到新的高度。TerraSAR-X卫星由公私合作方式开发,又是一套军民两用卫星系统,为全球数字地形模型提供支持。可以聚束式、条带式和推扫式3种模式成像,并拥有多种极化方式。可全天时、全天候地获取用户要求的任一成像区域的高分辨率影像。

 

   TerraSAR-X的姊妹星“陆地合成孔雷达附加数字高程测量”(TanDEM-X)卫星在2010年发射,升空后与TerraSAR-X编队飞行。使用这个雷达成像系统后,能够获取新一代世界范围内的地形模型——全球高精度数字地形模型数据。两颗卫星质量状态保持良好,均已超过设计寿命期限,处于超期服役状态。

 

   2013年10月,阿斯特留姆(Astrium)公司宣布完成对其已在轨运行6年的TerraSAR-X卫星的升级工作,新增的两种成像模式分别是宽扫描(Wide ScanSAR)模式和凝视聚束(Staring SpotLight)模式,分别相应地提高了TerraSAR-X卫星的地面覆盖范围和成像分辨率。

   2018年2月22日,空客公司制造的西班牙雷达卫星“帕斯”(PAZ)在位于美国加利福尼亚的范登堡空军基地发射成功。加入TerraSAR-X和TanDEM-X卫星,共同形成更短重访时间、更强获取能力的极高分辨率SAR星座。

 

   这个三颗卫星的极高分辨率SAR星座具备:每日重访能力,为影像情报或监测提供12个小时的重访时间;4/7天重访能力,服务于干涉应用,如地表变化监测,相干变化监测等;双倍的获取能力,为大范围监测及制图应用提供更快的覆盖能力。

 

   TerraSAR-X卫星在发射时并未设计宽扫描和凝视聚束两种成像模式,但随着卫星成像技术的发展和成熟,通过地面指令控制和在轨测试,最终实现了在轨卫星的能力升级。在超期服役的卫星上测试并正式运行新的成像机制具有重要意义。一方面,这种模式大幅提升了德国在轨雷达成像卫星的技术优势;另一方面,利用超期服役的卫星测试并验证新的成像机制,可以降低新研卫星应用新技术机制的风险。下一步,德国将发射TerraSAR-X NG卫星星座,实现世界范围内的天基SAR侦察。


 

                   图表 1:TerraSAR-X部分参数

参数

性能

运营商

德国宇航中心(DLR

轨道高度

514.8km  

轨道重复循环

11

倾角

97.44°

雷达载波频率

9.65 GHz

极化

HH, VH, HV, VV

天线长度

4.8m

天线宽度

0.7m

范围带宽

150 MHz / 300 MHz

 

    TerraSAR-X卫星原来的聚束模式为滑动聚束(Sliding Spotlight)成像,其方位向波束转向角范围是±0.75°。在新的凝视聚束模式下,通过将TerraSAR-X卫星方位向波束转向角范围扩展至±2.2°,使方位向波束在对地成像过程中始终指向成像区域中心,延长了雷达波束驻留时间,相当于变相地增加了雷达孔径,从而大幅提升方位向分辨率,最高可达0.25m。优于目前在轨的绝大部分商业卫星雷达成像系统。这种超高分辨率配合多次成像改进辐射测量质量,使遥感图像纹理细节更清晰,信噪比更高,推动TerraSAR-X卫星对小尺寸目标的探测能力从“识别”跃升至“确认”,在防务安全和海洋监视领域发挥更大效能。

 

                                        图表 2:TerraSAR-X卫星成像能力

工作模式

分辨率(方位向×距离向)

标准覆盖(方位向×距离向)

高分聚束模式

1m×1.2m

5km×10km

聚束模式

2m×1.2m

10km×10km

条带模式

3m×3m

50km×30km

扫描模式

16m×16m

150km×100km

凝视聚束模式

0.25m×0.8m

3.7km×4km

宽扫描模式

40m×10m

200km×200270km

 

    如图所示的是利用光学遥感、TerraSAR-X和SatAIS(由LuxSpace 提供)信息融合对索马里海域 Sirius Star货轮跟踪结果。

 

(左)基于TerraSAR-X与AIS综合的舰船监视结果 (右)光学、TerraSAR-X与星载AIS融合舰船监视

 

   德国宇航局十分重视基于TerraSAR-X合成孔径雷达卫星与星载 AIS综合的舰船目标监视技术研究。2008~2011年,德国宇航局与OHB系统公司、GAUSS公司以及德国气象机构合作启动了关于海洋安全与海上交通应用的DeMarine Safety和DeMarine Secturity项目,其中ShipDetec子项目专门研究基于星载SAR与AIS综合的舰船目标监视应用问题。

 

   DLR在DeMarine Secturity项目中开展了海上人造目标检测(Detection of Artificial Objects in Sea Area,DEKO)子项目。该项目的其主要目标有三个,1)根据处理结果定义GMES下游应用的概念;2)开发新型的检测和分类算法对舰船和其他海上人工目标进行分析;3)对SAR系统工作参数进行实验验证。DEKO系统基于商业化的遥感影像处理平台,对公开海域及海岸线/港口两类区域的舰船目标进行监视其主要处理步骤包括:相干斑去噪和基于海岸线数据库的陆地掩膜等预处理、舰船ROI区域分割和聚类、舰船区域参数提取、初步分类识别等。

 

 

   德国宇航中心开展了欧洲最早机载X波段双基地合成孔径雷达(BiSAR)实验。其主要目的是探讨BiSAR系统在干涉处理中的潜力,例如降低时间去相干和大气相位的影响以提高DEM精度。

TerraSAR-X/F-SAR星载机载SAR实验中的双基地配置

 

   此外,德国宇航中心(DLR)还开发了SAINT(SAR AIS INtegrated Toolbox)来实现基于TerraSAR-X、岸基AIS与星载AIS综合的舰船监视。多种DLR研究人员开发的算法被集成到该软件中。

使用SAR AIS集成工具箱(SAINT)的不同处理器的结果

 

 

小结

  由于技术研究开展较早,德国是目前欧洲国家中星载合成孔径雷达技术较为先进的国家之一,其所开展的干涉成像技术和多源遥感信息综合识别技术在欧洲乃至世界也处于领先。其发展动态值得关注。

 

主要参考资料

   [1] Brusch S ,  Lehner S ,  Fritz T , et al. Ship Surveillance With TerraSAR-X[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2011, 49(3):1092-1103.

    [2] Rodriguez-Cassola M ,  Baumgartner S V ,  Krieger G , et al. Bistatic TerraSAR-X/F-SAR Spaceborne–Airborne SAR Experiment: Description, Data Processing, and Results[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2010, 48(2):781-794.

 

    [3] Dikanskis D . Dual Operation of TerraSAR-X and TanDEM-X with One Ground Antenna[C]// Spaceops. 2013.

 

 

 

 
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