L波段SAR雷达(DAICHI-2)的多种应用 留言

脚下的地面正不断变化，这是由包括自然现象在内的很多原因引起的，如地震、洪水、火山活动、滑坡和人为的破坏。希望在这不断变化的地球之上安全地生活。鉴于此，需要掌握地球当前的状态。

作为“DAICHI”的后续型，日本宇航局已经研发了高级陆地观测卫星-2“DAICHI-2”，“DAICHI”于2006年至2011年间执行对地观测任务，装备L波段全色合成孔径雷达(PALSAR-2)作为观测设备。

合成孔径雷达的特点在于不受昼夜和天气的限制。有了L波段雷达，PALSAR-2在观测地形、森林和植被方面具有优势。日本一直以来都在L波段合成孔径雷达领域积累技术，并在此领域领先全球。

“DAICHI”卫星上有三个传感器(两个光学设备和一个微波设备)，与之相比，“DAICHI-2”仅安装了L波段全色合成孔径雷达，使用微波使其能力最优化。

“DAICHI-2”可以在太空对不同地面目标执行“健康检查”任务。它可以掌握灾害地区的情况，也可以检查森林的健康情况。“DAICHI-2”还可以通过密切监视并为船只导航，以及为农业发展提供保障。其应用领域正不断拓展，位于上空628千米的新全球之眼，将为开创新的未来。

L波段合成孔径雷达

合成孔径雷达安装在载体上，如飞机或卫星，通过向观测目标发射无线电波(微波)，接收反射波并经过处理实现观测。数码相机和其他光学传感器一般感知目标反射的太阳光线，但合成孔径雷达接收的反射无线电波由雷达自身发射。这正是它可以不分昼夜执行观测任务的原因。

此外，无线电波可以穿透雨水和云层从而使观测可以不受天气影响。L波段电磁波的波长在24cm左右。国外的合成孔径雷达使用X波段(波长3cm)和C波段(波长6cm)，在观测森林会被树叶(森林树冠)反射。

L波段独特的优势在于可以部分穿透植被并到达地面，从而可以同时获取植被和地面信息。此外，L波段不受植被生长的影响，从而可以使用干涉技术(合成孔径雷达干涉分析)，可以用于研究地形变化，因此L波段在地震高发的日本有很多优势，日本有三分之二的地面被植被覆盖，这正是很早应用L波段从而领先全球的原因。

L波段合成孔径雷达最早应用于资源卫星“芙蓉-1(FUYO-1)”(JERS-1)，同样也应用于2006年发射的陆地观测卫星“DAICHI”以及随后的“DAICHI-2”，期间雷达技术也在不断发展。

利用“DAICHI-2”将会获取最新的数据。这些数据的积累对于掌握森林的变化及预测其未来至关重要，因为这是掌握地球环境的关键。随着全球变暖的到来，掌握L波段合成孔径雷达的日本将会发挥更大的作用。

如何利用“DAICHI-2”的观测数据？本文将会介绍“DAICHI-2”的任务和数据应用的例子。“DAICHI”上的L波段合成孔径雷达已经验证的多种可能应用，将在“DAICHI-2”进一步发展和利用。

掌握地震引起的地形变化

“DAICHI”上的L波段全色合成孔径雷达清晰地观测到了由东日本大地震引起的地形变化。图像的变化和运动通过干涉技术处理，即通过对某一位置多次观测并对比找出差异。

基于GPS的控制站提供的数据用于测量地形变化，这些控制站由日本地理空间信息管理局(GSI)建立，但GPS只能测量“点”的变化和运用。相比而言，卫星数据则是掌握“区域”的变化。通过日本宇航局和地理空间信息管理局的合作，可以综合GPS数据和卫星数据从而更精确地掌握地形变化和运动。

此外，“DAICHI-2”提高了轨道和位置精度，从而可以进行更精确干涉测量。“DAICHI-2”将有助于绘制日本和国外的干涉测量标准基础地图。在日本的一次地震中，干涉数据会在三天内获得，从而在较早阶段掌握地形变化信息。

通过选择聚束模式或其他手段，获得高分辨率图像，掌握灾害地区的详细信息，如一栋大楼、桥梁或其他大型建筑物是否倒塌，从而确定救援路线。

国际合作向全球提供灾害信息

在灾害时迅速获取灾害地区的观测图像至关重要，但灾害发生国的卫星并不一定能够及时过顶。因此，现在已有一些国际合作框架，互相提供合适的观测数据。因大范围灾害需要紧急的救助行动每年多达300次左右，这些灾害包括地震、洪水、台风等。

例如，国际宪章在2010年因330次此类灾害部署了51次。包括美国、欧洲国家、中国、韩国、俄罗斯等20多个国家均是国际宪章的成员国，日本发射“DAICHI”卫星后加了该组织。

通过全球森林图监控森林减少

L波段合成孔径雷达的观测特点，是能够穿透植被且受云层影响较小，这样的特点使其可以高效地观测森林，如通常被云层覆盖的热带雨林。因此，日本宇航局从“芙蓉-1”和“DAICHI”卫星就开始持续监视森林，已经获取了从1992年至2010年间超过11的数据，中间有部分空白期。

“DAICHI-2”具有HV极化通道(在扫描合成孔径模式发射水平极化波[H]照射地面，接收垂直极化反射波[V])，能够获取更多森林信息。通过不同极化(四种不同的极化波)的观测模式，或者通过处理除去差异干扰，“DAICHI-2”甚至可能观测树木的高度和类型。

如果能够掌握这样详细的森林信息，就可以更精确地评估森林总碳量和二氧化碳吸收量。这些详细数据对于解决全球变暖有很大帮助。因此日本宇航局致力于通过“DAICHI-2”项目来确定L波段合成孔径雷达作为监视森林的全球标准。

监视森林采伐

非法森林采伐在巴西时有发生，“DAICHI”的合成孔径雷达图像在处理此问题时发挥了重要作用。在巴西，使用光学传感器的卫星用来监视森林，如陆地卫星Landsat、中巴地球资源卫星CBERS，但长达半年的雨季严重影响了观测任务，因为光学传感器无法透过云层进行观测。

森林采伐事件因而增加。日本宇航局在2007年开始向巴西环境局(IBAMA)提供可以透视云雨的“DAICHI”SAR图像，森林采伐事件才开始减少。在日本宇航局的帮助下，巴西森林采伐(含合法采伐)面积从2008年的12000平方千米下降到2009年的7000平方千米。

“DAICHI-2”上的L波段全色合成孔径雷达性能更优，预期可以更精确地观测采伐面积。此外，为了逮捕正在作案的非法采伐者，警方必须在卫星发现此类事件时就开始行动。

据称非法采伐者不会在一个地点停留超过两周，“DAICHI”的重访时间为46天，因此很少能够发现非法采伐事件，重访时间14天的“DAICHI-2”将发挥更大作用。除了巴西环境局，许多国家与环境相关的组织都对“DAICHI-2”寄予厚望。

极地冰层减少

作为全球变暖的迹象，两极地区极易受全球变暖影响并会导致气候变化，对两极地区的长期观测至关重要。因为极地经常被云层覆盖，而合成孔径雷达观测不受云层影响，在观测极地时十分高效。

随着海冰的减少，连接欧洲和亚洲的北冰洋海上通道未来很有可能得以发展。“DAICHI-2”的精确海冰观测数据将在航道的可行性探索和研究方面发挥重要作用。通过干涉测量方法，可以掌握冰盖和冰川的运动，这对极地科学而言是非常强有力的工具。

安全的食物供应

对亚洲国家而言，由于人口的增长，食物短缺成为严重的问题，掌握各自国家的农业状况十分重要。稻米的农业统计数据对亚洲国家而言尤为重要，因为亚洲占有全球90%的稻米种植和消费规模。当前对稻米的调查可靠性不高。

而且水稻在雨季种植，难以从太空观测。但合成孔径雷达透视云层的能力非常有用。许多人都在期盼“DAICHI-2”发挥作用。

合成孔径雷达图像中，水面看起来是暗淡的。当水稻种植时，稻田里的水使图像看起来是暗的。随着水稻的生长，水面上的绿色作物使图像看起来变亮。换句话说，合成孔径雷达图像亮度随着时间变化，不断变亮的区域就是水稻。从合成孔径雷达图像中，可以掌握水稻种植的区域。

在泰国的某些地区，利用上述方法，已经使用“DAICHI”数据核实了水稻种植区域。还将继续使用“DAICHI-2”数据，在泰国的其他地区和其他国家逐步将这种方法推广应用。

除了泰国，当前正在与越南、印度尼西亚、老挝、菲律宾合作洽谈其效力。“DAICHI”的应用区域相对有限，“DAICHI-2”预期将应用到从地区到全国的广阔区域，为每个国家提供食品安全基础数据。合成孔径雷达图像也应用到玉米和甘蔗等大宗作物，正对这种应用进行研究。

探测地下资源和掌握地面沉降

沙特阿拉伯的石油储量曾一度领先全球，但在2010年，委内瑞拉的石油探明储量突然增加40.4%从而变成全球最大储油国，这要归功于资源开采技术的巨大进步。在日本，近年来海床资源开采技术取得进步，挖掘近海资源吸引着人们的注意力。

合成孔径雷达在这一领域显示了其能力。海床中的油田泄露的石油，会漂浮在海面形成浮油。在浮油区域，海面会比一般情况下更加光滑，在合成孔径雷达图像上看起来更暗。如果能在某一区域不同时期的SAR照片中发现浮油，就意味着石油正从该区域泄露，这是海床油田的迹象之一。

“DAICHI-2”可以在新资源开发中体现其获取高精度数据的能力，与能源相关的公共机构和私人企业有望使用其数据。“DAICHI-2”可以利用干涉测量方法测量地面沉降，石油开采会使地面沉降几厘米，因此其数据可用于环境评估中监视地面沉降。

 

原文始发于微信公众号（雷达通信电子战）