近日，美國氣象數(shù)據(jù)公司宣布，該公司計劃發(fā)射數(shù)十顆雷達衛(wèi)星，為全球各地的天氣預報提供實時的氣象觀測數(shù)據(jù)，以提升天氣預測和預報能力。眾所周知，如今大家熟悉的氣象衛(wèi)星都是被動探測的可見光和紅外遙感衛(wèi)星，在光學氣象衛(wèi)星已經大顯身手的時代，為什么還要專門研制雷達衛(wèi)星呢？

光學遙感有缺陷

(資料圖片僅供參考)

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

世界各國部署在天上的這些“眼睛”，讓人們可以從太空對地面一覽無余。航天遙感具有觀測范圍廣、觀測成本低和觀測數(shù)據(jù)多等優(yōu)勢，極大地擴展了人類對地球的了解。但是，光學遙感衛(wèi)星也有很多顯而易見的劣勢，所有的光學遙感衛(wèi)星都是被動工作方式，成像嚴重受光線條件影響。

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

面對光學遙感衛(wèi)星的不足，科研人員早有應對之策。雷達在第二次世界大戰(zhàn)前就已經出現(xiàn)，并在二戰(zhàn)中得到了快速發(fā)展。上世紀50年代，合成孔徑雷達技術（SAR）被提出并研制成功。簡單地說，它是主動發(fā)送雷達波來探測目標，同時通過小孔徑天線的不斷移動，再疊加處理接收信號的振幅和相位，將這個小孔徑天線虛擬為一個很大孔徑的天線，從而實現(xiàn)高精度的對地遙感。

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

雷達衛(wèi)星可全天候工作

雷達衛(wèi)星具有很多光學衛(wèi)星不具備的優(yōu)越能力，突出表現(xiàn)在無論云、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)勢讓它很快成為航天遙感領域的頂梁柱之一。

雷達衛(wèi)星的優(yōu)勢不止于全天候作戰(zhàn)，相比光學遙感衛(wèi)星，雷達衛(wèi)星的雷達波能穿透土壤和植被，換句話說，就是可以探測地下目標。雷達遙感在不同的波段下，對土壤穿透的深度不一樣，通過不同波段的SAR雷達衛(wèi)星遙感，還可以反演地表土壤特征。

另外，雷達衛(wèi)星的雷達波波段和光學衛(wèi)星的可見光或紅外相去甚遠，可以反映不同層面的遙感信息。同時，雷達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，結合光學遙感的數(shù)據(jù)，能更好地描述被遙感探測的目標。

此外，SAR雷達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關，而光學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，相比可見光和紅外波段的傳統(tǒng)光學遙感衛(wèi)星，雷達遙感衛(wèi)星具有無可替代的優(yōu)勢，在航天遙感中發(fā)揮著重要作用。當然，雷達遙感衛(wèi)星的工作波段長，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)星結合使用效果更佳。

雷達遙感衛(wèi)星在氣象領域也開始得到應用。傳統(tǒng)氣象觀測是光學氣象衛(wèi)星和地面氣象雷達結合使用。雖然衛(wèi)星提供了大范圍的光學觀測能力，但分辨率太低且無法探測內部情況；地面氣象雷達的覆蓋面積有限，但可以穿透云層對各種天氣系統(tǒng)的內部結構進行探測和識別。例如，美國GPM衛(wèi)星攜帶了雙頻降雨雷達，能在觀測降雨量的同時，對臺風和暴雨進行可靠監(jiān)測。

雷達衛(wèi)星前途廣闊

雖然雷達衛(wèi)星已經得到廣泛應用，但它的發(fā)展方興未艾，在未來將得到更加廣泛的發(fā)展和應用。

雷達衛(wèi)星在技術上也在不斷進步，基于雷達波波段極為寬廣的特征，SAR雷達技術的重要趨勢是充分利用地面物體的電磁特征和雷達波頻率的關系，利用不同頻率的電磁波對目標進行探測，以便得到更加豐富的信息，這可以形象地稱為雷達遙感高光譜技術。

另外，雷達遙感的不同極化方式同樣會帶來不同的遙感影像，有利于更充分地完成目標探測。如今，SAR雷達技術還發(fā)展出干涉技術，各種不同的干涉方式都可以進一步探測地面目標的高程或速度信息，解決傳統(tǒng)SAR雷達衛(wèi)星的不足。同時，SAR雷達技術的波束成像模式也在進一步發(fā)展，為用戶提供更豐富的遙感目標信息。

光學遙感衛(wèi)星在向微小衛(wèi)星、衛(wèi)星編隊和遙感星座方向發(fā)展，雷達衛(wèi)星同樣如此。為縮短對特定區(qū)域的重訪周期，也就是提高時間分辨率，使用多顆雷達衛(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)星編隊協(xié)同工作，也是雷達衛(wèi)星發(fā)展的重要方向。SAR雷達技術是單顆衛(wèi)星雷達天線虛擬為大天線，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，替代大型雷達遙感衛(wèi)星。

美國氣象數(shù)據(jù)公司的新一代雷達衛(wèi)星，就是雷達衛(wèi)星發(fā)展的代表。他們計劃在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，雖然地面氣象雷達為各國提供降雨和云層結構的信息，但覆蓋范圍限制了它的預報能力，天基雷達衛(wèi)星重訪周期較長，同樣限制了它的作用，而該公司的小型雷達氣象衛(wèi)星星座，有望提供1小時重防一次的能力，將為準確預測全世界各地的天氣提供準確和及時的氣象信息。（作者：張帆）

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