北京時間2022年4月7日07：47，搭載“高分三號”03星（GF-3C）的“長征四號丙”遙三十八運載火箭，在酒泉發(fā)射場9401工位發(fā)射升空，衛(wèi)星順利進入預定軌道。

此次發(fā)射的“高分三號”03星可不是一般的衛(wèi)星，它屬于“高分辨率對地觀測系統(tǒng)”國家重大科技專項民用領(lǐng)域項目，“高分三號”系列衛(wèi)星是我國首型C頻段、多極化、高分辨率合成孔徑雷達（SAR）衛(wèi)星，具有全天時全天候監(jiān)測、高精度測量、多模式成像等突出優(yōu)勢，主要技術(shù)指標達到或超過國際同類衛(wèi)星水平。簡單看來，以03星為代表的“高三”系列是一型很厲害的衛(wèi)星，但究竟厲害在哪里又好像很難說清楚，不妨通過幾個關(guān)鍵知識點來進一步了解這型“不明覺厲”的衛(wèi)星。

什么是合成孔徑雷達衛(wèi)星？

按照成像原理，遙感衛(wèi)星主要分為光學遙感衛(wèi)星、雷達遙感衛(wèi)星、紅外遙感衛(wèi)星等3種類型，其中雷達遙感衛(wèi)星以合成孔徑雷達（SAR）衛(wèi)星為主。什么是合成孔徑雷達？

合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一種高分辨率微波成像雷達，它通過利用合成孔徑原理、脈沖壓縮技術(shù)和信號處理方法，以真實的小孔徑天線獲得距離向和方位向雙向高分辨率遙感成像的雷達系統(tǒng)。

合成孔徑雷達利用目標與雷達的相對運動，通過單陣元來完成空間采樣，以單陣元在不同相對空間位置上所接收到的回波時間采樣序列去取代由陣列天線所獲取的波前空間采樣集合。只要目標被雷達波束照射到或位于波束寬度之內(nèi)，此目標就會被采樣并成像。利用目標與雷達相對運動形成的軌跡來構(gòu)成一個合成孔徑以取代龐大的真實陣列孔徑。

簡單來說，通過合成孔徑雷達成像，探測對象由開始被雷達波束照射到離開雷達波束照射范圍，這期間一直處于成像過程中，通過一個持續(xù)的成像過程達到等同一個超大口徑雷達的成像效果。

“高分三號”衛(wèi)星就是配備了C波段SAR的雷達遙感衛(wèi)星。電磁波按照波長由長到短排列，依次是無線電波、紅外線、可見光、紫外線、倫琴射線（X射線）、伽瑪射線（γ射線），能量則由低到高。在無線電波當中，微波被稱為“超高頻電磁波”，頻率在300MHz-300GHz之間，波長在1毫米到1米之間，在雷達或衛(wèi)星通信領(lǐng)域?qū)o線電頻段進行了劃分，其中C波段屬于微波的范疇，頻率4.0- 8.0GHz，波長75-37.5mm（厘米波）。作為微波，C波段具有易于集聚成束、高度定向性以及直線傳播的特性，基本性質(zhì)表現(xiàn)為穿透、反射、吸收，對于玻璃、塑料和瓷器，幾乎是穿越而不被吸收，對于水和食物等就會被吸收發(fā)熱，而對于金屬而言則會被反射。C波段通常用于通信衛(wèi)星，低頻率的C波段在陰雨天氣不會出現(xiàn)類似KU波段的雨衰現(xiàn)像。

“高分三號”衛(wèi)星配備了長達15米的大天線，其分辨率可達1米，是世界上分辨率最高的C波段、多極化衛(wèi)星。

什么是多模式成像？

通常而言，SAR衛(wèi)星具有多種成像模式，包括條帶成像、掃描成像、聚束成像、雙站成像、逆合成孔徑雷達成像、干涉成像等多個類型，這類衛(wèi)星具備多模式成像能力。在這些成像模式當中，條帶成像、掃描成像以及聚束成像屬于傳統(tǒng)成像模式。

條帶成像（Stripmap）指的是隨著衛(wèi)星的移動，雷達天線的指向保持不變，通過勻速掃過地面得到連續(xù)的圖像，該模式對地面的一個條帶進行成像，條帶的長度取決于雷達移動的距離，方位向的分辨率取決于天線的長度。掃描成像（Scan ）指的是在一個合成孔徑時間內(nèi)，天線會沿著距離方向進行多次掃描，獲得了寬的測繪帶寬而犧牲了方位向分辨率，該模式的最佳方位分辨率等于條帶模式下的方位向分辨率與掃描條帶數(shù)的乘積。聚束成像（Spotlight）指的是衛(wèi)星在飛越目標區(qū)域上空附近時，雷達天線通過不斷調(diào)整波束指向使其始終瞄準該區(qū)域進行照射，可以在短時間內(nèi)模擬出一個較寬的天線波束，相較于條帶成像可以大幅提高分辨率，但是探測范圍僅為有限的聚焦區(qū)域。

在條帶成像、掃描成像等傳統(tǒng)成像模式的基礎(chǔ)上，“高分三號”01星具備波成像、全球觀測成像等12種成像模式，并在后續(xù)運行過程中針對具體應用又拓展了10多種試驗模式，是當時世界上成像模式最多的合成孔徑雷達衛(wèi)星。[1]03星則將成像模式增至20種，新增了高分寬幅成像、動目標檢測和洋流測量成像等3種試驗模式，進一步擴展了衛(wèi)星的應用能力。[2]

什么是多極化？

極化是電磁波的本質(zhì)屬性之一，是除頻率、幅度、相位之外的又一維重要信息。電磁波的傳播和散射都是矢量現(xiàn)象，而極化正是用來研究電磁波的這種矢量特征的。雷達發(fā)射的能量脈沖的電場矢量，可以在垂直或水平面內(nèi)被偏振。無論哪個波長，雷達信號可以傳送水平(H)或者垂直(V)電場矢量，接收水平(horizontal,H)或者垂直(vertical,V)或者兩者的返回信號。單極化是指水平發(fā)射水平接收（HH)或者垂直發(fā)射垂直接收(VV)。雙極化是指在一種極化模式的同時，加上了另一種極化模式，如HH加HV。全極化（多極化）難度最高，包含HH、HV、VV、VH等四種方式。

電磁波的極化對目標的介電常數(shù)、物理特性、幾何形狀和取向等比較敏感，因而極化測量可以大大提高成像雷達對目標各種信息的獲取能力。簡單說來，在SAR對地觀測成像的過程中，極化技術(shù)可以大大增強衛(wèi)星區(qū)分事物種類、變化、特征的能力，可以分辨不同的農(nóng)作物耕地，可以用于植被高度、衰減系數(shù)等生物量的估計和物種識別，可以用于土壤表面粗糙度和濕度、雪濕度的估計等等。

目前，雷達極化已經(jīng)成為一項成熟的技術(shù)，而“高分三號”系列衛(wèi)星則已經(jīng)應用了其中難度最高的多極化技術(shù)，是其具備橫跨海陸、多領(lǐng)域多目標多模式探測能力的關(guān)鍵支撐之一。

3星編隊飛行，每天過頭頂5次

“高分三號”01星于2016年8月10日發(fā)射升空，是我國首顆C波段全極化合成孔徑雷達衛(wèi)星；2021年11月23日02星發(fā)射升空；如今03星入軌后，標志著我國首個高分微波遙感衛(wèi)星星座初步建成，全天時、全天候?qū)Φ匚⒉ǔ上衲芰Τ蹙咭?guī)模。

“高分三號”系列衛(wèi)星采用編隊飛行，均勻分布在同一軌道面上，三星繞地球一圈的時間均為99分鐘。全球觀測的最大重訪周期從單星84小時縮短至三星的12小時，平均重訪周期從單星的12小時縮短至三星的4.8小時，同一區(qū)域最低每天可以重訪2次，平均每天可以重訪5次，可以在全球區(qū)域進行高動態(tài)成像。

連續(xù)成像時長持續(xù)刷新世界紀錄！

2016年，“高分三號” 01星一經(jīng)發(fā)射就創(chuàng)造了大功率遙感衛(wèi)星單次連續(xù)成像近小時量級的世界紀錄，02、03星海洋連續(xù)探測的全球觀測模式單次連續(xù)成像時間延長了一倍，03星的SAR載荷單圈工作時長由30分鐘增加到100分鐘，再次刷新了世界紀錄，可實現(xiàn)全球海域長時間連續(xù)監(jiān)測。[2]

“高分三號”首先是一型合成孔徑雷達遙感衛(wèi)星，采用C波段、具備多極化技術(shù)、分辨率達到1米，具備全天時全天候監(jiān)測、高精度測量、多模式成像等優(yōu)勢，最大成像幅寬650千米，成像工作模式可以擴展到20種，為國際上綜合性能最高的C波段SAR衛(wèi)星！

作者：大白高國

本文為作者原創(chuàng)，@輕舟一號是文章唯一發(fā)表賬號，如需轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者，并注明出處與作者

參考資料

[1] 引自中國空間技術(shù)研究院發(fā)布
https://mp.weixin.qq.com/s/FBaplZFHOmM2180yGhEk2g

[2]部分引自空天信息研究院發(fā)布

https://m.toutiao.com/is/NGCaXB5/?