商業小衛星藍海:穿雲透雨的雷達衛星,中美商業航太競爭新焦點 | 36氪研究

來源:36氪
發佈時間:2021-12-04
SAR衛星的全天時全天候特性,決定了其在遙感衛星産業中不可或缺的地位

**

作者:劉年華

編輯:石亞瓊(syq@36kr.com)

**

“國産SAR(衛星)還是少了。”

“不僅是少了,是太太太太少了。”

在今年7月的河南特大暴雨災情期間,由於國産SAR衛星數量較少,無法在第一時間提供受災區域的影像,千域空天的創始人藍天翼和天儀研究院的CEO楊峰在朋友圈發出這樣的感慨。

他們感慨的SAR,專業名字為合成孔徑雷達,英文名字為Synthetic Aperture radar。這種衛星是唯一能在黑夜以及雲霧條件下對地球表面進行觀測的遙感衛星。這種穿越雲霧和不分晝夜的能力,決定了其在國防、金融、保險、農業、應急等領域的重要地位,也很可能是影響國際格局的重要變數。

隨著商業航太時代到來,SAR衛星開始往小型化、商業化的方向發展。從2015年至今,國內外有大量的小型商業SAR衛星企業相繼成立,紛紛獲得資本支援。歐洲代表企業ICEYE迄今為止共籌集了1.52億美元的資金,在2020年9月完成了8700萬美元的C輪融資;美國代表企業Capella Space總共獲得了8000萬美元的融資;我國代表企業天儀研究院也在近期完成了C輪融資。

小型SAR衛星快速發展的同時,傳統SAR衛星的營收也在提升。過往SAR衛星以影像銷售為主,營收來源主要為國防情報部門。但隨著下游商業應用端的增長,應急、金融、農業等領域的SAR衛星應用正在快速增長,SAR衛星影像的長尾效應開始逐漸體現出來。

相比于全球市場,中國的SAR衛星市場無論是上游製造業,還是下游應用端,都處於早期藍海階段。上游製造業的核心玩家入場券是實現衛星的在軌驗證,我國目前已實現SAR衛星在軌驗證的小衛星企業只有天儀研究院一家。下游應用端對SAR衛星數據非常渴求,但處理門檻較高、專業人員較少等問題,也困擾著下游應用的發展。

SAR衛星為什麼遙感衛星産業的未來支柱?SAR衛星影像有哪些應用?中國有哪些商業SAR衛星初創企業?

以下是本文研究提綱。

一、SAR衛星是遙感衛星行業未來支柱:

  1. SAR衛星運作原理

  2. SAR衛星成為支柱

二、SAR衛星市場

  1. 市場份額

  2. 市場佔比

  3. 我國市場前景

  4. 需求分析;

三、SAR衛星的發展過程

  1. 早期:技術受到限制,服務於國家用途

  2. 中期:技術快速發展,商業化拉開序幕

  3. 近期:哨兵一號公益開放,中低解析度商業市場萎縮

  4. 未來:小衛星逐漸發力,實現快速迭代升級

四、SAR衛星的優缺點

  1. 優點:全天時全天候

  2. 缺點:成像複雜

五、SAR主要工作模式

  1. 成像與強度應用(條帶、掃描、聚束)

  2. 干涉

  3. 極化

  4. 其他

六、SAR衛星應用方向

七、中外大型SAR衛星盤點

  1. 加拿大

  2. 歐洲(德國、西班牙、義大利、俄羅斯)

  3. 阿根廷

  4. 日本

  5. 中國(電子所、38所、其他)

八、全球民營SAR衛星玩家盤點

九、中國民營SAR衛星玩家盤點

十、SAR衛星行業未來發展趨勢

以下是本文正文。

一、SAR衛星是遙感衛星産業的未來支柱

1.1 SAR衛星運作原理

主流的遙感衛星分為兩種:光學衛星和微波成像雷達衛星。光學衛星的原理和人眼類似,依靠太陽光照射在地球表面物體的反射,被動地獲取影像。局限性也和人眼一模一樣,雲霧天氣看不到物體,黑夜中沒法使用。微波成像雷達衛星則是一種主動的遙感成像方式,需要主動多次發送電磁波到地面,利用回波來成像,來間接測量被測物體的資訊。微波的波長較長,具有一定的穿透特性,可以在一定程度穿越雲霧和地表。

與光學衛星相比,SAR衛星成熟較晚,但具有全天候、全天時的優點與一定的地表穿透能力。作為一種主動微波遙感成像雷達,SAR穿雲透雨和穿透地表的能力,彌補了光學和紅外遙感的缺陷。但傳統的SAR衛星重軌週期一般以周為單位,數據更新頻率較低,因此更適用於長時間的普查,例如高鐵、公路的長期形變監測,和石油管道、城市沉降等的勘察工作。衛星在太空運轉,不需要人員到現場施工,因此對於大範圍和邊遠地區的監測,SAR衛星非常具有優勢。

1.2 SAR衛星成為支柱

2021年7月,鄭州市遭遇有記錄以來最強降雨過程。為了第一時間分析統計災情,河南省衛星中心緊急聯繫了相關衛星遙感服務企業,協調高分三號、COSMO-SkyMed及哨兵一號等國內外衛星數據,提取洪澇淹沒區,分析道路淹沒範圍,為應急救援搶險救災提供決策支撐。這些數據有一個共同點,都來自於SAR衛星。

隨著應急、海事、金融等領域對於時效性和連續性的要求越來越高,光學衛星無法確保在黑夜或陰雨霧霾天氣提供圖像的弊端成為行業發展的阻力,SAR衛星的應用價值逐漸凸顯。雖然雷達影像無法像光學圖像那麼直觀,但遙感産業的最終産品不是圖像本身,而是符合特定場景、滿足客戶需求的資訊。近年來,全球有大量緊急事件都在調用SAR衛星數據進行分析,例如沙特阿美煉油廠遇襲事件、長賜號蘇伊士運河擱淺事件等。

可以想像,在國防、金融期貨、應急賑災等場景,如果因為天氣原因而無法即時獲取影像,對於客戶來説是不可容忍的。因此,SAR衛星的全天時全天候特性,使其成為遙感衛星産業的未來支柱之一,許多國內外重要玩家也都在陸續公佈自己的SAR衛星星座計劃。

單一的衛星數據源都存在或多或少的缺點。在不同場景應用中,通過SAR衛星影像與全色、多光譜、高光譜圖像的融合,綜合利用了光學和雷達成像的優勢,將是遙感服務業未來的核心競爭領域。

二、SAR衛星市場

2.1 市場份額

上游遙感影像市場方面,根據Mordor Intelligence的報告,2018年,SAR衛星市場價值為24.5億美元,預計到2024年達到51.8億美元。預測期間(2019年至2024年)的複合年增長率為11.6%。NSR的報告指出,未來數年高解析度雷達數據的客戶將大幅度增加,預計到2025年SAR影像的累計收入將達到62億美元,85%的地球觀測業務將集中于北美、歐洲和亞洲。亞米級超高解析度(<0.5m)將是增長最快的市場,主要面向國防和情報部門以及民營行業(農業、海洋等)的垂直客戶,這些行業客戶對高品質雷達圖像資源需求正在日益增長。而亞米級解析度(0.5-1m)的SAR影像將成為市場佔比最大的産品。

然而,並非所有的SAR衛星都能享受到時代發展的紅利。根據NSR的測算,中等解析度(1m-5m)的SAR衛星影像銷售額在2017年之後就下降,低解析度的SAR衛星數據更是進入了免費的時代。因此,中低解析度的SAR衛星供應商將逐漸被淘汰。

下游應用端的市場預計在百億元量級。從國土資源、海洋環境、船舶識別等應急監測市場,到市政基礎設施、交通能源安全等安全風險災害監測市場,SAR衛星應用均可參與到其中。其中,干涉雷達應用(InSAR)的商業化正在迅速崛起,每年我國在軟體、數據和應用服務方面的市場規模已超過10億元。

美國國家地理空間情報機構(NGA)是商業SAR圖像最大的買家。2000年-2009年,NGA每年向MDA購買1000萬美元的SAR圖像。2009年以後,NGA的潛在商業SAR數據提供者多了義大利航太局和Telespazio合資公司e-Geos提供的Cosmos Skymed雷達衛星、法國Astrium和德國合作的TanDEM-X雷達衛星,該衛星數據由美國21st Century Systems Inc.作為分銷商,以及以色列國防部的TecSar,格魯曼公司作為該衛星數據的分銷商。NGA自2009年開始決定選擇四家商業公司授予固定價格、無限期交貨、無限期數量的合同,每家合同價值高達8500萬美元。

SAR衛星圖像有其優越性,在這些像老舊黑白照相機拍攝出來的圖片下隱藏著大量資訊,世界上最優秀的雷達衛星生産商和圖像銷售商如空客和MDA等企業,正在準備開發更強大的雷達衛星星座,從而提供毫米級別的高度變化測量,美國Maxar所屬MDA總裁邁克·格林利(Mike Greenley)説,“用SAR建立的全球地表數字高程模型可以顯示土地正在下沉,或者建築物移動了,或者有人挖隧道使他們上方的地面移動,它對海拔高度非常敏感,這對很多客戶來説很重要。”

2.2 市場佔比

在客戶類型方面,全球的國防和情報機構目前仍然是SAR圖像和數據的主要購買方。國防和情報機構對於資訊時效性和連續性的需求非常高,比如在某些關注度較高的海峽區域,如果能做到單日重訪獲取影像,對於國防機構獲取穩定的情報資訊有較大的幫助。而由於海面天氣條件不穩定,光學衛星發揮受到限制,因此SAR衛星一直是國防和情報機構的必備選項之一。預計到 2025 年, 國防與情報市場將佔據高解析度SAR衛星數據收入的70%。 

美國國家地理空間情報機構(NGA)是商業SAR圖像最大的買家。在2009年以前,NGA為加拿大衛星企業MDA提供了每年1000萬美元的SAR影像購買合同。從2009年開始,NGA確定了四家商業SAR衛星影像供應商,給予每年8500萬美元,通過固定價格、無限期交貨、無限數量的形式供給SAR衛星影像。

在市場佔比方面,歐洲航太局(ESA)的SAR影像業務佔據了全球最大的份額。歐洲是全球商業雷達衛星推進力度最大、發展速度最快的區域。無論是在數據開放、産業扶持等方面,歐洲都領先於全球。以德國、義大利為代表的兩個歐洲國家,是當前在SAR衛星技術、應用等方面最領先的第一梯隊。

對於應用類型而言,國防應用和民營應用有一個顯著的區別:國防應用對數據源的需求更大,而民營應用對數據應用的需求更大。在體系建設的過程中,國防應用的體系建設很完整,擁有數據存儲,數據處理,數據分發,數據應用各個鏈條的能力。民營應用往往集中在不同行業,對於新興的衛星遙感數據需求單位,不太可能短時間內建立起來全鏈條的能力,因而更需要數據應用。

從國際的發展趨勢來看,短期仍以國防市場為主,但增量有限。新的增量需求會更多來自國防以外的應用,但需要更長的時間。

2.3 我國市場前景

在我國,SAR衛星市場正在快速增長。下游應用需要大量數據支撐,帶動上游衛星製造業快速增長。例如在河南省降雨災情中,需要大量衛星數據進行快速分析。由於國産衛星數據太少,只能緊急求助於歐洲衛星進行數據補充。這種跨區域的緊急協調,無論時間還是成本,都是一個巨大的挑戰。對比于歐洲的SAR衛星數量,我國的SAR衛星數量仍有差距。無論是國有的大衛星還是民營機構的小衛星,都有較大的增長空間。

除此之外,國家相關政策也在促進下游應用的發展。例如第一次全國自然災害綜合風險普查,計劃投入超過2000億元,將促進下游干涉雷達應用(InSAR)的快速發展。

全球的SAR衛星影像市場年增長率在8%-11%左右,中國市場如果能發展起來,整體的增長率會更高。當前國內的整體産業鏈條發展並不充分,在數據源、數據處理、行業應用都處於萌芽階段。預計在2-3年的時間裏,通過産業鏈條的不斷完善,後期市場增長率會大幅提升,特別是數據源上,預計未來3年會有超過10顆民營的SAR衛星上天,這些衛星提供的SAR數據將至少將中國的SAR數據容量提升5~8倍。

2.4 需求分析

對於我國SAR衛星的需求數量,當前從業者有兩派意見。

光學衛星的從業者認為,SAR衛星的應用範圍沒有可見光廣,主要市場目前一直局限于微變形監測,包括地震,石油管網等。應急市場雖然有一定的需求,但由於事件發生頻次較低,能否支撐起更大的市場,需要更深入的探討。因此,我國SAR衛星需求不超過10顆,做到月度或者季度級的數據即可。大型SAR衛星的研製成本一直較高,單顆衛星研製成本超過10億元,超過民營企業所能承擔的範圍。因此,部分從業者認為,應該由國家來承擔SAR衛星的上游製造業務,將衛星數據作為公益産品分發,例如歐盟的哨兵一號任務,由民營企業做數據應用端的開發工作。

商業SAR衛星的從業者認為,當前SAR衛星市場不如光學衛星市場,主要是SAR衛星的處理複雜度較高,從業門檻較高。未來隨著航太工業的不斷發展,從業人才不斷增加,SAR衛星的處理將逐漸流程化普及化,在更多應用領域向光學衛星看齊。

同時,商業SAR衛星必須開發更多的下游應用,尋找更多商業客戶。從美國目前的發展來看,當民營SAR企業的數據服務與應用能力提升後,國防部門正在逐漸付費開展使用計劃,並不排除未來批量採購的可能性。我國的國防應用需求雖然較大,但目前依然傾向於採購國營單位的衛星數據。因此,商業SAR衛星製造商必須擁有自我造血能力,不能指望國家部委、國防和情報機構負擔整星的製造成本,下游應用商也不能指望政策紅利能持續帶來業務增長。

橫向對比于歐美國家,我國的上下游廠商,無論是在數量、融資額度與輪次上,都有明顯的差距。在上游製造領域,以ICEYE為代表的歐洲商業SAR小廠商,受到資本的熱捧,C輪已總計融資1.52億美元。而下游的干涉雷達應用(InSAR)行業,SkyGeo、TRE ALTAMIRA等InSAR服務商也已經獲得了過億美元的融資。中國作為基建大國,對於InSAR技術的需求處於全球前三的狀態。因此,下游應用廠商仍有較大的發展空間。

三、SAR衛星發展過程

3.1 早期:技術受到限制,服務於國家用途

高解析度微波雷達,是在外太空觀測地表小物體的必要條件。為了能夠看清房屋、船隻等地表物體,微波雷達的真實孔徑必須在千米級別。但是由於成本和發射技術的限制,超過千米孔徑的雷達無法被送上太空。如何解決這個矛盾?

1951年,美國Goodyear宇航公司的卡爾•威利(Carl Wiley)提出,利用多普勒頻移處理來改善雷達的角解析度。在觀測時,雷達與被觀測目標之間存在相對運動。合成孔徑雷達就是在目標的移動路徑上間隔取樣,相干累加,獲得與大孔徑真實雷達相同的觀測效果。在不增大雷達體積的情況下,實現高解析度雷達成像,這是合成孔徑雷達技術(Synthetic Aperture Radar,SAR)的開端。1960年4月,世界上第一部SAR在美國華盛頓機場取得實驗成功。1978年,美國國家航空航太局噴氣推進實驗室發射了全球第一顆SAR衛星(SEASAT-1)。在1990年以前,SAR衛星技術的研究幾乎集中在美國,但許多技術依然不成熟,仍處於實驗階段。

1990到2000 年間, SAR衛星技術逐漸成熟完善,火箭運載能力也大幅提高。美國、歐洲、加拿大、俄羅斯、日本等國家和地區都開始了 SAR 衛星的研製和應用。2000年以後,中國、南韓、印度等國家也先後發射了SAR 衛星。然而由於研製成本較高,應用範圍有限,高解析度SAR一直局限于國防和情報領域,僅少數國家有能力研製。

3.2 中期:技術快速發展,商業化拉開序幕

雖然美國在早期SAR衛星研究方面發展領先,但商業化發展卻非常緩慢,對SAR衛星技術和影像實施了比光學影像更為嚴格的管控。SAR衛星商業化運作最早的國家卻是加拿大。1995年,加拿大的RadarSAT-1衛星發射,通過7類25種工作模式,來滿足不同領域的商業化需求。然而RadarSAT-1衛星的解析度並不高,其精度無法滿足許多商業客戶的需求。向市場提供亞米級高解析度雷達影像,最早開始於2007年的德國與義大利,他們分別推出民用的X波段SAR衛星TerraSAR-X和X波段Cosmo Skymed。

這一時期的SAR衛星仍然是大型衛星,由少數幾顆衛星組成星座。整體衛星數量較少,並且數據價格過於高昂,可達同等解析度光學衛星影像的三倍。

3.3 近期:哨兵一號公益開放,中低解析度商業市場萎縮

就在SAR衛星開始緩慢發展商業化時,一個劃時代意義的事件出現了。

歐洲航太局(ESA)于2014年和2016年先後發射了兩顆哨兵一號衛星,6天的重訪週期,空間解析度達5米。為了促進歐盟哥白尼計劃的下游應用,ESA決定將哨兵一號衛星向全球所有使用者免費開放。同時,ESA在全歐洲境內17個國家合作成立了20個商業孵化中心(ESA BIC),培育了700多家初創企業。在免費數據和配套措施的鼓勵下,以InSAR業務為主的大量雷達應用開始增長。經過五年時間的發展,幾乎全球所有的InSAR應用企業都在使用哨兵一號的數據,並且超過一半的雷達應用業務都需要哨兵一號數據的支援。

哨兵一號免費開放了數據,在促進下游應用端快速發展的同時,也給其他上游SAR衛星製造商帶來了巨大的壓力。在商業SAR衛星領域,中等解析度(1m-5m)衛星正在逐漸下降,低解析度的SAR衛星已基本失去市場。因此,中低解析度的SAR衛星製造商將逐漸被淘汰,必須向高解析度SAR衛星逐漸轉型。

與哨兵一號的免費數據形成差異化,是其他SAR衛星繼續商業化的必然選項,主要有四種方式:

  1. 更改波段:主流的雷達衛星有C/X/L三個波段,哨兵一號是C波段雷達。C波段雷達是觀察海洋上強目標的最佳選擇,對環境、農業和森林監測也是有效的觀測手段。形變測量精度可達毫米級的X波段,則是重大設施、工程結構以及工礦企業等特定目標的日常監測的最佳選擇。雷達衛星在同樣入射角觀測地物時,X 波段比C/L波段更能夠精確地描述目標的細微形狀。L波段獨特優勢在於可以部分穿透植被並到達地面,從而可以同時獲取植被和地面資訊。此外,L波段不受植被生長的影響,從而可以使用InSAR技術研究地表形變。

  2. 更換關注區域:受限于衛星的能量和數據傳輸速率,衛星既不能24小時開機,也無法將所有拍攝到的數據進行下傳。哨兵一號作為歐洲的衛星,主要關注歐洲和北冰洋區域。因此,切換關注區域,增加特定區域的數據,也是其他商業SAR衛星的可選項之一。

  3. 提高解析度:空間解析度對任何遙感系統而言都是極為關鍵的參數。哨兵一號的解析度為5米*20米,精細測量能力有所欠缺,完全避開了亞米級別的商業數據區間。來自高解析度應用的需求,使得亞米級高解析度的SAR衛星影像依然有巨大的市場容量,不受哨兵一號公益數據的影響。例如哨兵一號數據在三個方向上(東、北方向和垂直方向)地理編碼的精度很難優於4米,而TerraSAR-X和COSMO-SkyMed的精度普遍優於1米,TerraSAR-X雷達數據的測量點密度在一定條件下可達哨兵一號的10倍。

  4. 降低重訪週期:近幾年,隨著輕型天線、積體電路、固態電子器件和高效太陽電池技術的發展,衛星的體積和重量可在保證性能的同時大大降低,百公斤級的小型SAR衛星成為可能。ICEYE、Capella Space、天儀研究院等小型SAR衛星廠商開始迅猛發展,紛紛宣佈小衛星組網計劃。小衛星組網的優勢在於大大降低了重訪週期,例如ICEYE的重訪週期已經降低至20小時。需要注意的是,哨兵一號最快將於2022年發射第三顆和第四顆衛星。如前兩顆衛星依然能服役,那麼哨兵一號的重訪週期也將縮短。

3.4 未來:小衛星逐漸發力,實現快速迭代升級

2015年,商業航太的序幕拉開,全球的商業小衛星企業開始陸續成立,包括諸多SAR衛星企業。

商業小衛星行業開始發展,有幾個基礎因素:

一、發射成本下降:隨著SpaceX領銜的商業火箭公司在近幾年突飛猛進,衛星的發射成本開始大幅下降。預計在可回收技術更成熟後,衛星發射成本還有進一步下降的空間。

二、航太工業逐漸成熟:傳統的航太元器件非常昂貴,大衛星為了保證元器件穩定性,研製費用通常達到上億元,並且會使用研製非常成熟的組建,進行多組件備份。商業航太時代,COTS級元器件開始逐漸成熟,商業小衛星企業可以通過工業級元器件控製成本,實現快速迭代升級。

三、政策放開:在SpaceX通過大量發射小衛星佔據軌道資源的情況下,全球政府與航太機構普遍感到壓力,因此均選擇在一定程度下放寬小衛星行業,或進行相應的政策支援。

得益於以上行業背景,小型商業SAR衛星也開始迅速發展。預計在未來10年間,小型商業SAR衛星發射數量將保持逐年增長的趨勢。

四、SAR衛星的優缺點

4.1 優點

  • 具有全天時的數據獲取能力,成像不受光線限制,白天或黑夜均可工作,無陽光照射要求。

  • 具有全天候工作能力,射頻輻射不受雲,降水或其他大氣條件的明顯影響,因此不受氣候和雲霧限制,可以在任何天氣條件下工作。

  • 成圖解析度與飛行高度無關,可選衛星軌道更加充裕。

  • 相比于可見光和紅外,可以更深地穿透植被和土壤。穿透能力具體取決於微波波長,為反演地表植被以及土壤特性提供可能。

  • 可收集不同波長和偏振的數據,以獲得不同類型的資訊,例如有關表面結構和水分含量的資訊。

  • 可以以較低解析度在大範圍內收集資訊,或者在較小區域內收集詳細的高解析度圖像。

4.2 缺點

  • 某些非線性調頻連續脈衝信號的SAR衛星影像信噪比較低。

  • 由於側視相干成像方式,圖像噪聲污染較嚴重。

  • 系統設計複雜、處理的數據量大,難以獲得有效特徵資訊。

  • 對比于光學遙感影像,SAR數據空間解析度偏低,目視效果不佳。

  • 對比于光學遙感影像,SAR成像技術比較繁瑣,數據後處理難度稍大。技術人員培訓週期較長,從業門檻較高,需具備充分的物理基礎知識。

  • 在干涉形變識別應用領域,由於形變梯度大,山區解纏效果不理想。

五、SAR主要工作模式

5.1 成像與強度應用

影像成像與強度應用是SAR影像的基本工作模式,單幅SAR影像數據主要是應用於地物分類以及目標識別,強度特徵則是SAR影像最主要的特徵之一,基於SAR強度影像可以提取地物資訊。SAR可以根據物體的物理化學性質差異,辨別各種地形、地貌特徵,對於地質領域的填圖以及地震帶的確認工作有較大幫助。在目標識別上,SAR 可進行海上的船舶監測和識別、溢油探測、陸地車輛等移動目標監測。地面慢速運動目標的檢測與成像也是SAR衛星影像的國防之一。通過建築物的疊掩和陰影,SAR可以對建築物的三維資訊進行提取,並在一些突發地災後對建築損毀狀況、滑坡、堰塞湖等進行受災前後的對比評估。SAR還可以結合高程數據進行精確的坐標定位。

  1. 條帶成像(StripMap SAR):條帶成像工作模式是指隨著SAR衛星的移動,天線保持相對固定的方向與位置。天線通過相對均勻的速度掃過地面,信號傳輸速率等於脈衝重復頻率(PRF),以此得到不間斷的圖像和較高的方位角解析度。該模式的成像結果會呈現條帶狀,條帶的長度取決於雷達移動的距離,方位向解析度由天線長度決定。

  2. 掃描成像(Scan SAR):掃描模式與條帶模式的不同在於,在一個工作週期內,天線波束會沿著距離向進行多次掃描。這種方式犧牲了方位向解析度,但覆蓋區域比聚束和條帶模式要大得多。然而,由於方位向的頻寬降低,方位角解析度遠低於條帶成像模式。

  3. 聚束成像(SpotLight SAR):聚束模式主要針對特定用戶較感興趣的範圍,通過擴大天線照射波束角寬,使目標在波束內保持更長時間,從而提高條帶模式的解析度。實現原理是在SAR衛星飛行過程中,將天線波束指向向後調整,在短時間內模擬出一個較寬的天線波束。但衛星在太空軌道中一直保持相對運動,天線波束向後的調整範圍有限,因此只能在有限區域成像。同時,由於天線波束在結束特定區域觀察後需要回調向前,因此聚束模式無法做到連續採集影像,無法保證影響到連續性。聚束模式犧牲了影像的覆蓋範圍,但針對特定興趣目標可以提供更高方位角解析度的影像。聚束模式的産品也是幾種工作模式中最貴的一種。

5.2 干涉(InSAR)

如果只有單幅SAR衛星影像,那麼用戶沒辦法知道地面物體到SAR衛星之間的距離。為了獲取更多的資訊,干涉測量(InSAR)成為了SAR技術最重要的分支之一。其原理在於對同一目標進行兩次以上的觀測,並進行相干處理,利用干涉相位反演,測量出地表的微小移動或地面高程資訊。InSAR初期主要利用相位高程資訊進行數字高程模型(DEM)的生成和製圖。隨著技術的演進,InSAR應用擴展到了地面沉降監測、地震形變場反演、山體滑坡、火山活動監測、監測建築物和橋梁等基礎設施的穩定性方面,可以捕捉到毫米至釐米級的地表形變資訊。

InSAR是SAR最重要技術路徑之一。如果不能做InSAR,相當於失去了SAR衛星影像一半的資訊。眾所週知,衛星在太空中一直圍繞著地球在運動。然而如果要進行InSAR測量,必須保證影像多次拍攝的位置和角度不能相差太遠,其所對應的就是基線、共同頻譜和天線傾斜角度。拍攝兩張SAR影像的時間週期內,衛星的位置必須被控制在一個範圍,通常需要在數百米內。同時,天線的姿態和角度必須相同,才能産生共同頻譜。因此,軌道控制是SAR衛星實現InSAR最重要的方式。InSAR的定量化精準度與系統的敏感度密切相關。行業內檢驗一顆SAR衛星的品質,會將其是否能做InSAR處理作為核心的考核指標。

軌道控制需要消耗能源,攜帶能源的數量直接取決於衛星的體積。因此,過往InSAR技術只有國家級別的研究機構和大型航太器才能實現,例如1230kg的TerrSAR-X和2200kg的哨兵一號。當芬蘭小衛星企業ICEYE在2020年5月發佈兩張干涉圖樣張時,業內普遍感到震驚。ICEYE的小衛星重量不到100kg,如果能以如此小的衛星重量,通過18天的重訪週期實現InSAR,對小衛星行業的發展將具有跨時代的意義。但從業者認為,ICEYE目前發佈的是高頻監視圖像,並非InSAR模式,小衛星的InSAR數據獲取能力尚不成熟。當前,行業內也在密切中國的民營小衛星企業,哪一家能解決小衛星姿軌控問題,率先推出穩定的InSAR服務。

InSAR技術雖然作為SAR應用領域的重要分支,但其本質是為其他行業提供資訊和服務。因此,要將InSAR技術落地成具體的服務,還需要深入了解地球物理、土木、工程、油氣、地質災害等行業的知識,才能將InSAR的測量結果轉化成其他行業所需的關鍵資訊。InSAR有兩個方面主要特長,一個是在廣域空間背景下普查識別正在變形的疑似災害體,另一個是中長時間尺度對已確認為災害隱患的目標進行重復連續監測。然而,受限于相位測量的局限性,InSAR依然難以達不到地面GNSS觀測手段的高效性,也做不到短時間內的預警,因此仍需要其他觀測手段進行輔助。

5.3 極化(Pol-SAR)

極化是電磁波的本質屬性之一,是除頻率、幅度、相位之外的又一維重要資訊。當SAR衛星向地面發射信號時,同一目標在不同方向的電磁場振動下會産生不同的回波信號,這就是極化(Pol-SAR)。極化測量可以大大提高成像雷達對目標各種資訊的獲取能力。不同地物對極化的響應能力不同,利用不同極化的電磁波對地物進行觀測,能夠得到更加豐富的地物資訊。極化的方式主要就兩個,分別是水準極化(H)和垂直極化(V)。水準極化是指SAR衛星發射信號時,其無線電波的振動方向是水準方向。垂直極化是指SAR衛星發射信號時,其無線電波的振動方向是垂直方向。使用H和V線性極化的雷達系統可以具有常見的四個雙極化通道(HH、VV、HV、VH),分別表示發送和接收極化信號的方式。

全極化技術難度最高,要求同時發射H和V,也就是提供HH、HV、VH和VV四種極化方式。全極化SAR不僅可以提供四種極化的強度影像,還可以通過目標極化分解得到表徵目標散射或幾何結構資訊的極化特徵,進一步增強地物資訊提取能力。

雷達極化已經發展成為一種比較成熟的技術,在農業(分辨不同的農作物耕地)、森林(植被高度、衰減系數等生物量的估計、物種識別)、地質(地質結構描述)、水文(表面粗糙度和土壤濕度估計、雪濕度估計)、海冰監測(冰齡和厚度估計)和海洋學(波特性估計,熱和波前探測)等很大範圍內都得到廣泛的研究和應用。

5.4 其他

  • Pol-InSAR是當前微波遙感最先進的技術之一。Pol-InSAR是極化和干涉兩個技術的結合, 充分利用了干涉測量結果隨極化變化的特性,結合了極化技術對對方向、紋理等特徵敏感的特點,又具備干涉技術對高度敏感的特點,因而可以有效識別和分離同一單元內不同高度位置的空間結構特徵和散射資訊。Pol-InSAR對於森林或農作物高度反演估計、植被覆蓋區表面參數估計、目標三位結構、積雪以及冰蓋參數估計等研究都有重要的作用。

  • 為了解決地表形變導致的相位失相干問題,出現了永久散射體干涉測量(PS-InSAR)、小基線干涉測量(SBAS-InSAR)等干涉疊加技術。干涉疊加技術可以同時處理多幅影像,對研究區進行長時間的時序監測,克服了差分干涉(D-InSAR)中出現的大氣延遲誤差以及失相干問題,改善了D-InSAR在小型地質災害的監測能力。因為其具有高解析度和毫米級形變精度,對於掌握地面的動態變化以及原因分析有很大幫助,主要應用於城市、礦區地表形變的監測分析。

  • TomoSAR是傳統二維SAR成像技術的三維擴展,其原理是通過對同一目標地物進行多角度干涉測量,反演其在斜距方向上不同高度的散射值。隨著SAR系統的不斷成熟和處理技術的進步,可參與相干層析的 SAR 數據不斷增加。當基線數量增多後,就實現了在不同角度對目標三維資訊的獲取。該技術可應用於城市地表形變監測、森林垂直結構估計、生物量估計、冰川變化監測等領域。

  • ISAR是一種國防領域常用的技術。SAR一般用於目標靜止,雷達平臺移動時的情況,需要通過雷達在目標或場景周圍的移動來實現。ISAR技術則是用於雷達靜止但目標處於運動中的場景,主要使用於飛機、坦克、艦船和導彈等。ISAR技術關鍵在於後期數據處理,與雷達天線本身無關。

六、雷達衛星應用方向

  1. 在地質勘探方面,SAR衛星的大範圍探測優勢得到體現,利用SAR數據可以分析地貌特徵和構造現象, 甚至可以對岩體岩性和淺部埋藏地質體進行初步解譯。在地物分類方面,多頻率、多極化的SAR,可以幫助分析目標的多種屬性,提高分類精度,在一定程度上避免了噪聲干擾。多時相干涉SAR得到的分類結果更加精確,也可以更好地分辨隨時間變化的土地覆蓋情況。

  2. SAR衛星的干涉成像功能,可以在人員罕至的地區獲得毫米級的形變高精度資訊,對受災地區的狀況進行監測,方便指導救災,也可以幫助進行災後的分析和研究。如對於地震災害,InSAR可以監測活躍地震帶及滑坡的微小形變資訊,對地震的同震和震後形變進行反演,幫助了解地震、分析地震的過程和機制。除此之外,SAR還可以幫助對城市地表沉降、礦區沉降、滑坡、雪災、火山和颱風等災害進行監測,監測地表沉降的動態和滑坡形成過程,獲取颱風時的海面風速資訊等,幫助相關單位及部門及時作出災情預警及評估等決策。

  3. SAR衛星由於不受天氣和晝夜光線的影響,可在水災洪澇發生的第一時間抓取受災區域衛星圖像,並分析洪水的演進變化,對風險進行評估與量化分析,為相關企業或部門提供持續的最新的災區影像,幫助其在全局層面掌握災情動態,為其應急處理及決策提供依據。洪災過後,可對淹沒農田面積,淹沒房屋面積進行量化評估,也可調取歷史洪災大數據,確保相關企業或部門準確進行洪災定損及精算。

  4. SAR衛星在海洋領域應用非常廣泛,包括船舶識別、溢油監測、海底地形反演、海浪監測、內波反演等。在船舶識別監測方面,由於海洋水面呈現暗色調,船隻呈現明亮光斑,不同類型船隻在雷達圖像上的有典型的特徵,通過演算法可以進行分類識別,並匹配AIS資訊快速判定並定位非法船隻。在海上溢油監測方面,被油膜覆蓋時的海水錶面更加平滑,SAR衛星信號在其上發生鏡面反射,表現為暗黑色斑塊或條帶特徵,與清潔海面相區分,SAR 可利用油膜對海面波動的抑製造成的後向散射差異進行溢油區域探測。在海底地形反演方面,SAR衛星可以作為海洋調查船的補充,結合先驗地形特徵、水動力模型,對近岸淺海區域的水下地形進行探測。SAR 還可以進行海洋動力要素反演,幫助管理海洋交通運輸、海上生産、漁業港口建設,海洋減震防災等。

  5. 不同農作物在SAR衛星影像中表現出不同特徵,可以作為農作物的分類依據。將光學遙感、地面監測以及SAR衛星數據結合可顯著地提高農作物的分類精度,對不同季節、不同環境的水稻種植進行規劃和管理,監測農作物發育狀況。此外,SAR衛星影像還可以對土壤濕度和植被含水量進行評估。林業方面,SAR衛星數據在大範圍森林覆蓋變化監測中有巨大應用價值。利用SAR衛星數據不僅可以監測森林面積,而且可以獲取垂向資訊,進而反演森林高度、森林蓄積量等指標,為有效地管理和保護森林、預防災害發生提供科學依據。

  6. 數字高層模型(DEM)是智慧城市、數字孿生等領域的基礎數據之一。SAR 數據在建立地DEM方面具有監測精度高、範圍廣、全天時全天候等優勢,可滿足對於生成高精度DEM的需求。利用SAR衛星獲取的DEM數據具有更高的時效性,與研究區的真實地面狀況更加相似。也可以結合其他數據開展智慧城市應用,監測城市建築形變,對建築物進行精細結構成像等。

  7. 冰川和積雪是重要的水資源,非常易受氣候變化的影響。SAR技術可以對其進行監測,反演氣候水文迴圈的變化過程。利用SAR數據可以進行海冰分類,對冰川地貌進行識別和繪圖,還可以對冰川的變化進行動態監測,研究冰川流速與溫度、季節、地理位置和地貌條件等多種因素的關係,並識別出冰雪融化中的融雪階段,進行融雪前後的比較,監測冰雪融化過程。這對於掌握積雪變化規律,避免雪崩和融雪洪災等具有重要意義。

七、中外大型SAR衛星盤點

國家機構與政府單位,一直以來承擔了超過90%的SAR衛星製造的任務,也是SAR影像數據最大的買家。即使到了商業SAR衛星時代,國家單位依然是主要的製造商,只是在近年放開了商業公司購買遙感影像的可能性。區分國有SAR衛星和民營商業衛星最大的一點,就是體積和重量。幾乎所有的大衛星都是由國家機構牽頭製造。受限于成本和競爭優勢,很少有民營企業進入千公斤級別的大型SAR衛星賽道。因此,大型SAR衛星之間的比拼,其實就是國家與國家之間的比拼。

事實上,在上個世紀SAR技術領先了非常多的美國,一直在限制國有SAR衛星通過商業模式出售遙感影像。以LACROSSE系列為主的SAR衛星,更多是作為軍事偵察使用。當前大型商業SAR衛星的第一梯隊國家,主要包括加拿大和歐洲的德國、義大利等國家。除此之外,日本、阿根廷、中國、印度等國家也在積極發展當中。

在軌大型SAR衛星對比,36氪經公開資料整理

7.1 加拿大

從1995年發射RadarSAT-1衛星開始,加拿大就是商業SAR衛星的積極參與者。第一代的RadarSAT衛星總投入6.2億加拿大幣。受限于90年代的物理特性和航太技術,解析度有限,加上商業SAR的概念過於前沿,因此商業影像的銷售情況並不理想。

2007年,加拿大發射了第二代RadarSAT衛星,造價達到了20億美元,最高可提供3m空間解析度的影像。加拿大航太局(CSA)採取和民營公司MDA合作的方式開發此衛星,由CSA提供約 75%的總體開銷,以換取向政府機構提供該衛星的遙感圖像。RadarSAT-2雖然設計壽命只有7年,但至今仍在服役,總運營時間超過了13年,每年可獲取超過6萬幅遙感影像。

2019年,加拿大航太局通過SpaceX發射了3顆最新的RadarSAT衛星,形成RCM星座。RCM星座延續了RadarSAT-2的C波段設計,依然是委託CSA的長期夥伴MDA進行製造。

值得一提的是,MDA在2017年與美國光學衛星頭部企業DigitalGlobe合併,成立新公司Maxar,總部設于美國科羅拉多,並在美國和加拿大兩邊都上市。但到了2020年,Maxar又將MDA的加拿大業務剝離出來,使其重新回到加拿大的控制。

7.2 歐洲

歐洲也是商業SAR最早的參與者之一,主要由歐洲航太局(ESA)牽頭負責。從1991年發射ERS-1衛星開始,歐洲便開始了商業化的探索。2002年,ESA發射了世界上最大的民用SAR衛星——Envisat,耗資29億美元。Envisat衛星繼承了ESR星座,設計壽命為5年,最終在軌運作了10年,于2012年失去聯繫。由於該衛星重達8噸(相當於117個冰眼小衛星、31個星鏈衛星的重量),可以説是單顆大衛星的代表作之一,但其失去運作後也成為巨大的太空垃圾。2014年與2017年,ESA發射了Envisat衛星的繼承者——兩顆哨兵衛星(Sentinel),並計劃于近兩年發射第三和第四顆進行補網。從ERS,到Envisat,再到哨兵衛星,ESA一直堅持使用C波段,也保證了數據和應用的連續性。

同時,為了能夠在森林監測方面取得更多進展,歐洲計劃于2023年發射P波段的BIOMASS雷達衛星,以評估陸地碳儲量並更好地了解地球的碳迴圈機制。

在遙感數據分發方面,ESA最開始實行雙軌制。對於ERS衛星和Envisat衛星,如果是科研用途使用者,可以直接通過ESA的渠道申請數據,以接近成本的價格獲取數據。如果是商業用途,則需要通過ESA指定的數據代理商進行採購,通過市場價購買。到了哨兵衛星時代,歐盟希望通過哥白尼對地觀測計劃(Copernicus)扶持歐洲的航太産業鏈下游應用,因此將哨兵衛星獲取的數據不限用途進行免費分發。得益於免費政策,哨兵一號數據成為全球下載量最大的SAR衛星數據,也是InSAR應用在這幾年能夠迅速發展的關鍵推手。

除了在歐盟哥白尼計劃的大框架下,歐洲部分國家也有自己的一些商業SAR衛星,主要包括德國、義大利和西班牙。由於歐洲航太局已經使用了C波段,因此這三個國家使用的都是X波段SAR衛星:

7.2.1 德國

德國的SAR衛星研究主要依託于德國宇航中心(DLR)旗下的微波雷達研究所,是全球最領先的SAR技術和應用機構之一。德國最早的SAR衛星是用於軍事用途的SAR-Lupe衛星,該衛星是德國第一顆軍用衛星,也標誌著歐洲SAR軍事偵察衛星完成組網,具備獨立、全天時、全天候、高解析度的軍事偵察能力。

此後,DLR又發射了兩顆SAR衛星,分別是2007年發射的TerraSAR-X衛星和2010年發射的TanDEM-X星。這兩顆衛星搭載了相同的載荷,最高解析度均為米級,共同組成高解析度干涉測量SAR衛星