近日，美國(guó)氣象數(shù)據(jù)公司宣布，該公司計(jì)劃發(fā)射數(shù)十顆雷達(dá)衛(wèi)星，為全球各地的天氣預(yù)報(bào)提供實(shí)時(shí)的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，以提升天氣預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)能力。眾所周知，如今大家熟悉的氣象衛(wèi)星都是被動(dòng)探測(cè)的可見(jiàn)光和紅外遙感衛(wèi)星，在光學(xué)氣象衛(wèi)星已經(jīng)大顯身手的時(shí)代，為什么還要專門(mén)研制雷達(dá)衛(wèi)星呢？

光學(xué)遙感有缺陷

(資料圖片僅供參考)

目前在世界各國(guó)研制的對(duì)地遙感衛(wèi)星中，光學(xué)遙感衛(wèi)星是主要分支，且氣象衛(wèi)星全都采用光學(xué)遙感技術(shù)，這種衛(wèi)星發(fā)展到今天，最高分辨率可達(dá)到0.1米。

世界各國(guó)部署在天上的這些“眼睛”，讓人們可以從太空對(duì)地面一覽無(wú)余。航天遙感具有觀測(cè)范圍廣、觀測(cè)成本低和觀測(cè)數(shù)據(jù)多等優(yōu)勢(shì)，極大地?cái)U(kuò)展了人類對(duì)地球的了解。但是，光學(xué)遙感衛(wèi)星也有很多顯而易見(jiàn)的劣勢(shì)，所有的光學(xué)遙感衛(wèi)星都是被動(dòng)工作方式，成像嚴(yán)重受光線條件影響。

以常見(jiàn)的對(duì)地遙感成像衛(wèi)星為例，無(wú)論是云、霧、霾、雨、雪等不良?xì)庀?，還是黑夜環(huán)境下，它都心有余而力不足。換句話說(shuō)，光學(xué)遙感衛(wèi)星即使性能很先進(jìn)，也容易受到大氣尤其是氣象條件的影響，無(wú)法做到全天候、全時(shí)段工作。

面對(duì)光學(xué)遙感衛(wèi)星的不足，科研人員早有應(yīng)對(duì)之策。雷達(dá)在第二次世界大戰(zhàn)前就已經(jīng)出現(xiàn)，并在二戰(zhàn)中得到了快速發(fā)展。上世紀(jì)50年代，合成孔徑雷達(dá)技術(shù)（SAR）被提出并研制成功。簡(jiǎn)單地說(shuō)，它是主動(dòng)發(fā)送雷達(dá)波來(lái)探測(cè)目標(biāo)，同時(shí)通過(guò)小孔徑天線的不斷移動(dòng)，再疊加處理接收信號(hào)的振幅和相位，將這個(gè)小孔徑天線虛擬為一個(gè)很大孔徑的天線，從而實(shí)現(xiàn)高精度的對(duì)地遙感。

合成孔徑雷達(dá)在航空遙感方面得到了應(yīng)用，不久后就上天成為航天遙感的新秀。這種雷達(dá)衛(wèi)星具有全天候、全天時(shí)的遙感數(shù)據(jù)獲取能力，有效地彌補(bǔ)了光學(xué)遙感衛(wèi)星的不足，并在航天和國(guó)防領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

雷達(dá)衛(wèi)星可全天候工作

雷達(dá)衛(wèi)星具有很多光學(xué)衛(wèi)星不具備的優(yōu)越能力，突出表現(xiàn)在無(wú)論云、霧、雨、雪等天氣，它都能穿透大氣穩(wěn)定成像，保持全天時(shí)和全天候的遙感能力，而且夜間成像同樣是拿手好戲，這些優(yōu)勢(shì)讓它很快成為航天遙感領(lǐng)域的頂梁柱之一。

雷達(dá)衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)不止于全天候作戰(zhàn)，相比光學(xué)遙感衛(wèi)星，雷達(dá)衛(wèi)星的雷達(dá)波能穿透土壤和植被，換句話說(shuō)，就是可以探測(cè)地下目標(biāo)。雷達(dá)遙感在不同的波段下，對(duì)土壤穿透的深度不一樣，通過(guò)不同波段的SAR雷達(dá)衛(wèi)星遙感，還可以反演地表土壤特征。

另外，雷達(dá)衛(wèi)星的雷達(dá)波波段和光學(xué)衛(wèi)星的可見(jiàn)光或紅外相去甚遠(yuǎn)，可以反映不同層面的遙感信息。同時(shí)，雷達(dá)圖像可以更好地反映出地面的含水量、含鹽量，以及地面物體的外形和紋理特征，結(jié)合光學(xué)遙感的數(shù)據(jù)，能更好地描述被遙感探測(cè)的目標(biāo)。

此外，SAR雷達(dá)成像的分辨率取決于合成孔徑大小，衛(wèi)星成像分辨率和軌道高度無(wú)關(guān)，而光學(xué)遙感的分辨率和軌道高度成反比，高度越大分辨率越低。雷達(dá)衛(wèi)星還有不同波束的工作模式，成像更為靈活，提供了更豐富的分辨能力。

因此，相比可見(jiàn)光和紅外波段的傳統(tǒng)光學(xué)遙感衛(wèi)星，雷達(dá)遙感衛(wèi)星具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)，在航天遙感中發(fā)揮著重要作用。當(dāng)然，雷達(dá)遙感衛(wèi)星的工作波段長(zhǎng)，X波段SAR衛(wèi)星的分辨率只有0.3米左右，其他常用波段分辨率更低，兩種衛(wèi)星結(jié)合使用效果更佳。

雷達(dá)遙感衛(wèi)星在氣象領(lǐng)域也開(kāi)始得到應(yīng)用。傳統(tǒng)氣象觀測(cè)是光學(xué)氣象衛(wèi)星和地面氣象雷達(dá)結(jié)合使用。雖然衛(wèi)星提供了大范圍的光學(xué)觀測(cè)能力，但分辨率太低且無(wú)法探測(cè)內(nèi)部情況；地面氣象雷達(dá)的覆蓋面積有限，但可以穿透云層對(duì)各種天氣系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別。例如，美國(guó)GPM衛(wèi)星攜帶了雙頻降雨雷達(dá)，能在觀測(cè)降雨量的同時(shí)，對(duì)臺(tái)風(fēng)和暴雨進(jìn)行可靠監(jiān)測(cè)。

雷達(dá)衛(wèi)星前途廣闊

雖然雷達(dá)衛(wèi)星已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但它的發(fā)展方興未艾，在未來(lái)將得到更加廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。

雷達(dá)衛(wèi)星在技術(shù)上也在不斷進(jìn)步，基于雷達(dá)波波段極為寬廣的特征，SAR雷達(dá)技術(shù)的重要趨勢(shì)是充分利用地面物體的電磁特征和雷達(dá)波頻率的關(guān)系，利用不同頻率的電磁波對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，以便得到更加豐富的信息，這可以形象地稱為雷達(dá)遙感高光譜技術(shù)。

另外，雷達(dá)遙感的不同極化方式同樣會(huì)帶來(lái)不同的遙感影像，有利于更充分地完成目標(biāo)探測(cè)。如今，SAR雷達(dá)技術(shù)還發(fā)展出干涉技術(shù)，各種不同的干涉方式都可以進(jìn)一步探測(cè)地面目標(biāo)的高程或速度信息，解決傳統(tǒng)SAR雷達(dá)衛(wèi)星的不足。同時(shí)，SAR雷達(dá)技術(shù)的波束成像模式也在進(jìn)一步發(fā)展，為用戶提供更豐富的遙感目標(biāo)信息。

光學(xué)遙感衛(wèi)星在向微小衛(wèi)星、衛(wèi)星編隊(duì)和遙感星座方向發(fā)展，雷達(dá)衛(wèi)星同樣如此。為縮短對(duì)特定區(qū)域的重訪周期，也就是提高時(shí)間分辨率，使用多顆雷達(dá)衛(wèi)星星座組網(wǎng)，可以顯著提高覆蓋密度和縮短重訪周期。

此外，多顆衛(wèi)星編隊(duì)協(xié)同工作，也是雷達(dá)衛(wèi)星發(fā)展的重要方向。SAR雷達(dá)技術(shù)是單顆衛(wèi)星雷達(dá)天線虛擬為大天線，而多顆衛(wèi)星在軌道上組成特定形狀，構(gòu)成一顆虛擬衛(wèi)星和虛擬大天線，能以更低的成本提供同等功能和性能，替代大型雷達(dá)遙感衛(wèi)星。

美國(guó)氣象數(shù)據(jù)公司的新一代雷達(dá)衛(wèi)星，就是雷達(dá)衛(wèi)星發(fā)展的代表。他們計(jì)劃在2022年下半年發(fā)射首顆衛(wèi)星，隨后發(fā)射數(shù)十顆小型雷達(dá)衛(wèi)星組成的氣象衛(wèi)星星座。

該公司表示，雖然地面氣象雷達(dá)為各國(guó)提供降雨和云層結(jié)構(gòu)的信息，但覆蓋范圍限制了它的預(yù)報(bào)能力，天基雷達(dá)衛(wèi)星重訪周期較長(zhǎng)，同樣限制了它的作用，而該公司的小型雷達(dá)氣象衛(wèi)星星座，有望提供1小時(shí)重防一次的能力，將為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)全世界各地的天氣提供準(zhǔn)確和及時(shí)的氣象信息。（作者：張帆）

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