近日，美國氣象數(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)時的氣象觀測數(shù)據(jù)，以提升天氣預(yù)測和預(yù)報(bào)能力。眾所周知，如今大家熟悉的氣象衛(wèi)星都是被動探測的可見光和紅外遙感衛(wèi)星，在光學(xué)氣象衛(wèi)星已經(jīng)大顯身手的時代，為什么還要專門研制雷達(dá)衛(wèi)星呢？

光學(xué)遙感有缺陷

(資料圖片僅供參考)

目前在世界各國研制的對地遙感衛(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?cái)U(kuò)展了人類對地球的了解。但是，光學(xué)遙感衛(wèi)星也有很多顯而易見的劣勢，所有的光學(xué)遙感衛(wèi)星都是被動工作方式，成像嚴(yán)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?xì)庀螅€是黑夜環(huán)境下，它都心有余而力不足。換句話說，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，無法做到全天候、全時段工作。

面對光學(xué)遙感衛(wèi)星的不足，科研人員早有應(yīng)對之策。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。簡單地說，它是主動發(fā)送雷達(dá)波來探測目標(biāo)，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(shí)現(xiàn)高精度的對地遙感。

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(lǐng)域的頂梁柱之一。

雷達(dá)衛(wèi)星的優(yōu)勢不止于全天候作戰(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，就是可以探測地下目標(biāo)。雷達(dá)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(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)星的可見光或紅外相去甚遠(yuǎn)，可以反映不同層面的遙感信息。同時，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)星具有無可替代的優(yōu)勢，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，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)域也開始得到應(yīng)用。傳統(tǒng)氣象觀測是光學(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)觀測能力，但分辨率太低且無法探測內(nèi)部情況；地面氣象雷達(dá)的覆蓋面積有限，但可以穿透云層對各種天氣系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測和識別。例如，美國GPM衛(wèi)星攜帶了雙頻降雨雷達(dá)，能在觀測降雨量的同時，對臺風(fēng)和暴雨進(jìn)行可靠監(jiān)測。

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目標(biāo)進(jìn)行探測，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帶來不同的遙感影像，有利于更充分地完成目標(biāo)探測。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，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(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，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小時重防一次的能力，將為準(zhǔn)確預(yù)測全世界各地的天氣提供準(zhǔn)確和及時的氣象信息。（作者：張帆）

關(guān)鍵詞：