雷达水面成像

雷达发射电磁波照射感兴趣的目标，通过接收目标散射的回波实现测距、测角甚至成像。雷达常用的电磁波频段包括L/C/X/Ku/Ka，在某些应用中，雷达甚至工作在毫米波和太赫兹频段，例如W波段汽车雷达（76-81GHz）。合成孔径雷达（Synthetic aperture radar, SAR）可以对地物进行高分辨率成像，由于主动发射电磁波，因此不受光照的影响，L/C/X/Ku频段电磁波还可以穿透大部分云、雾甚至雨，因此SAR具备全天时、全天候工作能力。目前已有多个商用、民用、军用的SAR卫星成功上天，在地形测绘、灾害监测、海洋探测等领域发挥了重要作用。

下面来讨论一下SAR的入射角。SAR的入射角不能太大，也不能太小。入射角太小，会降低图像分辨率，因为SAR的地距分辨率=。入射角太小，还容易出现叠掩现象。如下图所示，对于地面有起伏的区域，小入射角会导致高山/建筑物叠掩到前面，影响SAR图像判读。

当入射角太大的时候，地面的后向散射系数降低，图像信噪比下降，同样也不利于SAR成像。因此，传统SAR卫星采用中等入射角观测（20°-50°），来获得对陆地的良好成像质量。

然而，对江、河、海、湖这类水体进行观测，传统SAR就会出现很多问题。首先，我们的SAR卫星通常是单站雷达，就是说发射天线和接收天线在一起，水面后向散射系数在小入射角强，随着入射角增大，水面后向散射系数急剧下降，如下图所示。

可以看出，在入射角≤6°时，水面后向散射系数还在10dB以上，当入射角＞20°时，水面后向散射系数就小于2dB了，这意味着反射的能量只有垂直入射的1/10。其实这也很好理解，因为水面就像一面镜子，只有垂直入射才能得到很强的反射，当入射角增大时，大部分电磁波都反射到别的方向。因此，当观测水面时，雷达最好选用小入射角，比如≤10°。而且，由于水体受到重力的作用，高度起伏很小，即使采用小入射角也不会出现叠掩现象。

截止目前，已经有两个对水面成像的雷达成功上天了，一个是我国的天宫二号三维成像微波高度计（2016年发射），一个是国外的SWOT卫星（2022年发射）。作为第一个小入射角对海面成像的雷达，天宫二号三维成像微波高度计工作在Ku频段，入射角1°-8°，并且具备干涉测高能力，能够对海面进行三维成像。

下面我们对比一下天宫二号三维成像微波高度计和哨兵1号SAR的图像，来看看不同入射角的雷达图像有什么区别。

选用的哨兵数据获取时间为2018-10-07 22:04:26，入射角为39°。天宫二号三维成像微波高度计数据获取时间为2018-10-08 01:09:25，入射角为1°-8°。二者时间相差3小时，观测区域为我国莱州湾。从GOOGLE EARTH可以看到莱州湾的光学图像，包括莱州湾海面、黄河入海口、周边陆地。

下图为哨兵SAR图像。可以看出，SAR图像中莱州湾海水后向散射明显弱于陆地。图像左侧黄河也比较暗，说明中等入射角下水面散射系数明显较低，传统SAR很难获取（平静）水面的信息。

作为对比，我们看到天宫二号三维成像微波高度计的海面后向散射明显强于陆地，而且黄河水面的的后向散射也很强。同时，我们可以发现莱州湾沿岸存在很多较亮的区域，推测可能是一些养殖场。还有一些水库也比较亮。基本上，有水的区域散射明显强于陆地，这体现了小入射角观测水体的优势。

另外，天宫二号三维成像微波高度计不仅可以获得水面的后向散射系数，还可以通过干涉测量水面的高度，这里我们就不多描述了，感兴趣的读者可以看这篇文章(天宫二号三维成像微波高度计在轨运行888天，取得一系列亮点成果)。

利用小入射角雷达对水面进行观测，可以全天时、全天候的对海洋、河流、湖泊进行成像，这对于海洋应用、洪涝灾害监测等领域具有重要的作用。