雷达卫星：全天候观测“大显身手”

近日，美国气象数据公司宣布，该公司计划发射数十颗雷达卫星，为全球各地的天气预报提供实时的气象观测数据，以提升天气预测和预报能力。众所周知，如今大家熟悉的气象卫星都是被动探测的可见光和红外遥感卫星，在光学气象卫星已经大显身手的时代，为什么还要专门研制雷达卫星呢？

光学遥感有缺陷

目前在世界各国研制的对地遥感卫星中，光学遥感卫星是主要分支，且气象卫星全都采用光学遥感技术，这种卫星发展到今天，最高分辨率可达到0.1米。

世界各国部署在天上的这些“眼睛”，让人们可以从太空对地面一览无余。航天遥感具有观测范围广、观测成本低和观测数据多等优势，极大地扩展了人类对地球的了解。但是，光学遥感卫星也有很多显而易见的劣势，所有的光学遥感卫星都是被动工作方式，成像严重受光线条件影响。

以常见的对地遥感成像卫星为例，无论是云、雾、霾、雨、雪等不良气象，还是黑夜环境下，它都心有余而力不足。换句话说，光学遥感卫星即使性能很先进，也容易受到大气尤其是气象条件的影响，无法做到全天候、全时段工作。

面对光学遥感卫星的不足，科研人员早有应对之策。雷达在第二次世界大战前就已经出现，并在二战中得到了快速发展。上世纪50年代，合成孔径雷达技术（SAR）被提出并研制成功。简单地说，它是主动发送雷达波来探测目标，同时通过小孔径天线的不断移动，再叠加处理接收信号的振幅和相位，将这个小孔径天线虚拟为一个很大孔径的天线，从而实现高精度的对地遥感。

合成孔径雷达在航空遥感方面得到了应用，不久后就上天成为航天遥感的新秀。这种雷达卫星具有全天候、全天时的遥感数据获取能力，有效地弥补了光学遥感卫星的不足，并在航天和国防领域得到了广泛应用。

雷达卫星可全天候工作

雷达卫星具有很多光学卫星不具备的优越能力，突出表现在无论云、雾、雨、雪等天气，它都能穿透大气稳定成像，保持全天时和全天候的遥感能力，而且夜间成像同样是拿手好戏，这些优势让它很快成为航天遥感领域的顶梁柱之一。

雷达卫星的优势不止于全天候作战，相比光学遥感卫星，雷达卫星的雷达波能穿透土壤和植被，换句话说，就是可以探测地下目标。雷达遥感在不同的波段下，对土壤穿透的深度不一样，通过不同波段的SAR雷达卫星遥感，还可以反演地表土壤特征。

另外，雷达卫星的雷达波波段和光学卫星的可见光或红外相去甚远，可以反映不同层面的遥感信息。同时，雷达图像可以更好地反映出地面的含水量、含盐量，以及地面物体的外形和纹理特征，结合光学遥感的数据，能更好地描述被遥感探测的目标。

此外，SAR雷达成像的分辨率取决于合成孔径大小，卫星成像分辨率和轨道高度无关，而光学遥感的分辨率和轨道高度成反比，高度越大分辨率越低。雷达卫星还有不同波束的工作模式，成像更为灵活，提供了更丰富的分辨能力。

因此，相比可见光和红外波段的传统光学遥感卫星，雷达遥感卫星具有无可替代的优势，在航天遥感中发挥着重要作用。当然，雷达遥感卫星的工作波段长，X波段SAR卫星的分辨率只有0.3米左右，其他常用波段分辨率更低，两种卫星结合使用效果更佳。

雷达遥感卫星在气象领域也开始得到应用。传统气象观测是光学气象卫星和地面气象雷达结合使用。虽然卫星提供了大范围的光学观测能力，但分辨率太低且无法探测内部情况；地面气象雷达的覆盖面积有限，但可以穿透云层对各种天气系统的内部结构进行探测和识别。例如，美国GPM卫星携带了双频降雨雷达，能在观测降雨量的同时，对台风和暴雨进行可靠监测。

雷达卫星前途广阔

虽然雷达卫星已经得到广泛应用，但它的发展方兴未艾，在未来将得到更加广泛的发展和应用。

雷达卫星在技术上也在不断进步，基于雷达波波段极为宽广的特征，SAR雷达技术的重要趋势是充分利用地面物体的电磁特征和雷达波频率的关系，利用不同频率的电磁波对目标进行探测，以便得到更加丰富的信息，这可以形象地称为雷达遥感高光谱技术。

另外，雷达遥感的不同极化方式同样会带来不同的遥感影像，有利于更充分地完成目标探测。如今，SAR雷达技术还发展出干涉技术，各种不同的干涉方式都可以进一步探测地面目标的高程或速度信息，解决传统SAR雷达卫星的不足。同时，SAR雷达技术的波束成像模式也在进一步发展，为用户提供更丰富的遥感目标信息。

光学遥感卫星在向微小卫星、卫星编队和遥感星座方向发展，雷达卫星同样如此。为缩短对特定区域的重访周期，也就是提高时间分辨率，使用多颗雷达卫星星座组网，可以显著提高覆盖密度和缩短重访周期。

此外，多颗卫星编队协同工作，也是雷达卫星发展的重要方向。SAR雷达技术是单颗卫星雷达天线虚拟为大天线，而多颗卫星在轨道上组成特定形状，构成一颗虚拟卫星和虚拟大天线，能以更低的成本提供同等功能和性能，替代大型雷达遥感卫星。

美国气象数据公司的新一代雷达卫星，就是雷达卫星发展的代表。他们计划在2022年下半年发射首颗卫星，随后发射数十颗小型雷达卫星组成的气象卫星星座。

该公司表示，虽然地面气象雷达为各国提供降雨和云层结构的信息，但覆盖范围限制了它的预报能力，天基雷达卫星重访周期较长，同样限制了它的作用，而该公司的小型雷达气象卫星星座，有望提供1小时重防一次的能力，将为准确预测全世界各地的天气提供准确和及时的气象信息。（作者：张帆）