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星载遥感雷达组成概述

来源:遥感 时间:2022/5/11

星载雷达(SBR)就是安装在人造卫星上的雷达系统。星载雷达能有效提高空中监视能力,一部星载雷达的覆盖范围相当于几十部相同规模的地面雷达。下图是NASA于年发射的Seasat卫星。

图源自网络

就像其名字那样,它是为海洋观察而设计的。它有三个SBR传感器:一部合成孔径雷达、一个高度计和一个散射计。Seasat的这三种仪器为后来各种类型的雷达建立了最初的范例。

合成孔径雷达(SAR)

SAR是被设计用来提供被照射区域的距离和方位二维雷达后向散射图像的设备,是成像雷达最普遍的形式。星载微波成像器是合成孔径雷达。和其他所有的成像系统一样,SAR图像按照其的分辨率划分等级,分辨率越高越好。SAR成像原理如下图所示。

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较高的分辨率总意味着距离向和方位向都有较宽的带宽。方位向带宽来自于因雷达相对于被照射区域运动而产生的多普勒特性。

SAR图像还受到被称为斑点的乘性自噪声的污染,这是相干性的直接后果;这种相干性是雷达处理器组合来形成合成孔径并由此提高分辨率所造成的。斑点噪声只能通过额外的非相干处理(使用SAR术语即是“多视”)来降低。额外的多视要求成比例加宽的带宽。

高度计

高度计是一种用来测量载体和地面垂直距离的雷达。虽然一部星载高度计的主要目标也是测量雷达和地表面之间的距离,但其更普通的用途是确定当地海平面相对于地球的大地水准面高度,而不是卫星的高度。

测量的参考是卫星的轨道高度——必须通过其他的方法精确测量。海表面高度是很多地球物理学参数,如当前流速、厄尔尼诺现象和海洋深度的变化的函数。平均海面高度的相对小的变化(在厘米量级)可能在相应的地球物理学参数中对应于重要的差别。

由此对于这类雷达来说,距离测量的准确性和精度是对它的关键的要求。一个高度计高度测量的准确性主要依赖于卫星在轨高度的准确性和雷达回波的传播延迟的修正。

海洋观测高度计的精度和雷达的距离分辨率成正比,和每一个数据点的组合的统计独立的测量(视数)数的平方根成反比。一般来说,海洋观测高度计有很大的SNR。因此,带宽和视数成为系统设计的决定性要求。

星载高度计有系统的绕地球转动,沿着它的运动轨迹生成地表的高度测量。这些测量数据积累起来后,改变了我们理解全球和局部现象认识。

散射计

星载遥感散射计以足够的精度和准确度测量归一化散射,并推导出有重要地球物理意义的一个或几个参数的值。例如,雷达收到的海面回波的功率强度是雷达波长尺度上的海面粗糙度的函数,而海面粗糙度又是雷达照射区域风的函数。海面风速和风向的估计是散射计一个最普遍的应用。

在21世纪初,欧洲气象卫星EUMETSAT(如下图所示)就采用了风速散射计作为其主要功能之一,其风速精度为±2m/s,风向精度±20°。

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除了对宽阔海洋的观察外,这类SBR的校准的数据还已经应用到多种大面积地面特征的调查方面,例如,确定海洋冰覆盖情况,对格陵兰岛主要冰覆盖区的边界制图或者热带森林砍伐情况的全球估计等。在所有这些应用中,重点是对大区域平均反射率的测量,而不是画出精细的空间细节。这类仪器分辨率一般在几十千米的量级上,具有大约km的幅宽或更大。

在海洋应用中,后向散射的相对细微变化都可以对应着检测到的风信息巨大变化。因此对这类雷达的主要要求是所接收回波功率的精确性和准确性。然而,测出矢量风场,即将雷达后向散射功率转化成精确的风速和风向估计,决非容易。除此之外,这种技术不能测出非常低的风速(其不能产生波长量级的表面粗糙度),极限情况下,斜视雷达如散射计,对没有风驱动的波浪的海面几乎不能产生后向散射,即使在这一区域有浪涛。

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