国外相关星载SAR及InSAR卫星的系统参数

本报告主要调研了国际上到目前为止所存在的一些星载InSAR系统的发展情况，总结了各系统的一些技术指标及参数选择。以下调研系统中，除了TanDEM-X干涉系统之外，其他的星载SAR系统都不是用来专门进行干涉测量使用的，它们基本的任务还是实现二维高分辨成像，因此大多采用的是重复轨道干涉测量模式。在进行干涉测量之前，首先要估算此次测量的基线数值，如果不满足要求，此次测量数值就不会采用，因此，对于重复轨道干涉测量的基线实际上是针对需要的测高精度筛选出来的。1、美国Seasat系统1978年6月，美国国家航空航天局发射了海洋卫星（SeaSat），在卫星上首次装在了合成孔径雷达，对地球表面1亿2km的面积进行了测绘，该卫星在空间飞行100天，采用的是重复轨道干涉模式，首次从空间获得地球表面雷达干涉测量数据。表1SeaSat卫星的技术指标及相关参数SeaSat卫星研究单位美国国家航空航天局天线尺寸(长*宽,m)10.72.2发射时间1978年6月极化方式HH工作模式重复轨道干涉模式飞行高度(km)795轨道倾角(度)108幅宽(km)100重访周期(天)3方位向分辨率(m)25工作波段L距离向分辨率(m)25工作波长(cm)卫星编队模式无入射角(度)23—26基线长度(m)2000(波动很大)脉冲宽度(s)63310绝对测高精度(m)20—50信号带宽(Hz)7210相对测高精度(m)PRF(Hz)16462、欧洲空间局ERS系统ERS-1和ERS-2雷达卫星为欧洲空间局分别于1991年和1995年发射，携带有多种有效载荷，包括侧视合成孔径雷达和风向散射计等装置。ERS-1和ERS-2雷达卫星构成对同一地面访问时间相差一天的星对，使得两次取得的SAR数据之间的相干性得到了一定保障，采用太阳同步晨昏轨道，该系统采用的是重复轨道干涉模式，卫星编队形式为跟飞。表2ERS-1和ERS-2雷达卫星星对的技术指标及相关参数ERS-1和ERS-2星对研究单位欧洲空间局天线尺寸(长*宽,m)101发射时间1991年、1995年极化方式VV工作模式重复轨道干涉模式飞行高度(km)782—785轨道倾角(度)幅宽(km)80—100工作波段C方位向分辨率(m)30/100工作波长(cm)距离向分辨率(m)30/100入射角(度)23—26卫星编队模式跟飞或无脉冲宽度(s)63710基线长度(m)75—175信号带宽(Hz)71.5510绝对测高精度(m)PRF(Hz)1679相对测高精度(m)11—14临界基线长度（km）ERS-1/2基线的测量方法：轨道数据（星历数据）加上精密的轨道动力及引力模型计算获得。3、日本JERS-1系统JERS-1雷达系统是日本于1992年发射升空的，采用太阳同步晨昏轨道，该卫星采用了重复轨道干涉模式，但其轨道控制方式不太理想，在交轨方向的基线分量不如日本之后发射的ALOS卫星。表3中的基线长度是对JERS-1持续观测四年（1993年—1994年）期间的基线变化范围。表3JERS-1雷达卫星的技术指标及相关参数JERS-1卫星研究单位日本极化方式HH发射时间1992年飞行高度(km)568工作模式重复轨道干涉模式幅宽(km)75轨道倾角(度)方位向分辨率(m)18工作波段L距离向分辨率(m)18工作波长(cm)基线长度(m)87—707入射角(度)35绝对测高精度(m)卫星编队模式无相对测高精度(m)10—254、加拿大Radarsat雷达卫星雷达卫星Radarsat除了有一个地面卫星数据接收站外，卫星上还载有磁带记录器，可覆盖全球。该卫星除陆地及海洋应用外，其还肩负两个方面的重要任务：一是对南极大陆提供第一个完全的高分辨率卫星覆盖，二是对全球产生多次卫星覆盖。Radarsat雷达卫星由加拿大于1995年11月4日发射，具有7种模式、25种波束及不同入射角，因而具有多种分辨率、不同幅宽和多种信息特征，使用于全球环境、土地利用和自然资源监测等。表4Radarsat雷达卫星的技术指标及相关参数Radarsat卫星研究单位加拿大极化方式HH发射时间1995年11月4日飞行高度(km)793—821工作模式重复轨道干涉模式幅宽(km)45—500轨道倾角(度)方位向分辨率(m)9—100工作波段C距离向分辨率(m)6—100工作波长(cm)基线长度(m)286—1978入射角(度)10—60绝对测高精度(m)卫星编队模式无相对测高精度(m)15—505、美国SRTM任务2002年2月美国“奋进”号航天飞机发射升空，执行耗资亿美元，称为“航天飞机雷达测绘使命（SRTM）”的空间飞行任务。它采用的方式为单航过双天线干涉测量，即在航天飞机上构建双天线实施InSAR地形测绘。该任务历经11天顺利完成任务，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，覆盖面积超过亿2km，数据产品为间距30m和90m的数字高程模型数据，相对测高精度为6m。（天线直径，交轨基线长度60m，顺轨基线长度7m，采用频段C/X，绝对测高精度：水平20m，垂直16m,相对测高精度：水平15m，垂直4m）。6、欧洲ENVISAT雷达系统ENVISAT雷达卫星属极轨对地观测卫星系列之一，于2002年3月升空。星上载有10种探测设备，其中4中是ERS-1/2所载设备的改进型。作为ERS-1/2雷达卫星的延续，ENVISAT雷达卫星数据主要用于检测环境，即对地球表面和大气层进行连续的观测，供制图、资源勘查、气象及灾害判断之用。表5ENVISAT雷达系统的技术指标及相关参数ENVISAT卫星研究单位欧洲极化方式HH,VVHH/VVHH/HV,VV/VH发射时间2002年2月飞行高度(km)786—813工作模式重复轨道干涉模式幅宽(km)56—405轨道倾角(度)方位向分辨率(m)6—1000工作波段C距离向分辨率(m)9—1000工作波长(cm)基线长度(m)213—2230入射角(度)15—45绝对测高精度(m)卫星编队模式无相对测高精度(m)10—407、日本ALOS观测卫星2006年1月日本发射了先进陆地观测卫星(ALOS),它携带有L波段相控阵合成孔径雷达(PALSAR)，该卫星主要用于对全球陆地资源和环境实施全天候监测，在高分辨率模式下距离向分辨率优于2m，轨道定位精度10m。PALSAR有较高的距离向分辨率和较高的信噪比，并且在交轨方向对轨道有较好的控制。表6ALOS观测卫星的技术指标及相干参数ALOS卫星观测模式高分辨率模式扫描模式多极化模式极化HH/HV或VV/VHHH或VVHH/VV/HV/VH侧视角(度)10—6018—438—30距离向分辨率(m)10(2视)/20(4视)100(多视)24—89扫描幅宽(km)40—70250—35020—65数据率(M)240天线尺寸*工作模式重复轨道干涉模式基线长度(m)交轨大于50m，顺轨小于2公里绝对测高精度(m)相对测高精度(m)10—208、加拿大Radarsat-2雷达系统Radarsat-2是加拿大第二代地球观测卫星，于2006年12月发射升空，它几乎保留了Radarsat-1的所有优点，雷达采用C波段，HH极化，数据分辨率3—100m，幅宽10—500km,设计使用寿命为7年，采用多极化工作模式，轨道定位精度15m。能够大大增加可识别地物或目标的类别，能够左视和右视，并且可以实现相互转换，主要用于测绘以及环境和自然资源的检测等方面。表7Radarsat-2卫星的主要性能指标及相关参数Radarsat-2卫星轨道参数倾角(度)重访周期(天)使用寿命(年)轨道高度(km)轨道°247798极轨，太阳同步轨道可选极化方式部分波束模式标称分辨率距离*方位(m)标称幅宽(km)HH,HV,VH,VV标准35*28100宽幅38*28150精细10*850HV或VH精细(1/4景)11*925HH或VV超精细宽3*320超精细窄3*310相对测高精度(m)2—20基线长度(m)顺轨小于2公里编队形式前后跟飞标称间距(m)109、德国TanDEM-X任务德国TanDEM-X任务是利用两颗TerraSAR-X卫星进行编队飞行的一个高精度的雷达干涉测量系统，第一颗TerraSAR-X卫星于2007年发射升空，计划使用寿命为5年，第二颗TerraSAR-X卫星于2009年发射升空，计划使用寿命为5年，两颗卫星有三年的工作交叠期，德国预计在这三年中生成全球的高精度DEM数字高程模型，高程定位精度优于2m，DEM网格间距为12m。表8TanDEM-X干涉系统的性能指标及相关参数TanDEM-X干涉任务交轨基线顺轨基线基线测量轨道系统寿命300m—2km小于2km(一发双收)200m—2km(双发双收)2mm—4mm太阳同步轨道大于5年SAR基本参数SAR模式波段入射角分辨率像素定位精度条带，少量扫描X25°—50°6m（4视）小于5m数字高程模型(HRTI-3)垂直精度水平精度DEM间距2m—4m（相对），10m（绝对）10m12m卫星编队模式前后跟飞、并列绕飞表9给出了以上几种星载干涉系统在不同基线的情况下高程模糊度的具体数值表9不同垂直基线下的高程模糊度(单位：m)垂直基线长度卫星SEASATJERS-1ALOSERS-1/2ENVISAT/ASARRADARSATTerraSAR-x12529432391~5636958~8131~15521~5620018420657~3524337~5120~9714~35500748323~1411715~218~396~14不同波段下系统干涉的性能比较表10上述几种星载干涉系统的相对测高精度对比系统名称相对测高精度(m)SeaSat海洋卫星（L波段）20—50ERS-1和ERS-2星对(C波段)11—14JERS-1卫星(L波段)10—25Radarsat-1卫星(C波段)15—50ENVISAT系统(C波段)10—40ALOS卫星(L波段)10—20Radarsat-1和Radarsat-2星对(C波段)2—20TanDEM-X干涉系统(X波段)2—4L、X、C波段所生成的SAR图像有其各自的特点，高程信息的精度主要取决于雷达波长和相干系数。对于同一区域的SAR图像干涉处理，L波段的图像相干性高于X、C波段的图像，但是就高程信息的敏感度，X、C波段优于L波段。