2025年8月19日,酒泉衛星發射中心傳來轟鳴巨響——隨著火箭刺入蒼穹,我國首顆具備全極化、業務化觀測能力的商業合成孔徑雷達(SAR)衛星“海哨二號(AIRSAT-05)”成功入軌!
當發射畫面里的白霧與火光不斷刷屏,我們在又一次為中國航天事業自豪的同時,也充滿好奇:這顆衛星有何特別之處?它又會如何改變我們的生活?今天,我們就拆開這顆“太空超級銳眼”的“技能包”。
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圖1 海哨二號發射瞬間
該衛星由中國科學院微小衛星創新研究院牽頭,中國科學院空天信息創新研究院、中科衛星科技集團有限公司、齊魯空天信息研究院等多單位共同研制。
(圖片來源:酒泉衛星發射中心)
不畏浮云遮望眼,晝夜無阻看地球
海哨二號是一顆X波段合成孔徑雷達(SAR)衛星,屬于“主動遙感”家族,是一種在不接觸目標的情況下、探測目標輻射和反射的電磁波信息的技術。先別急著被這些復雜生僻的詞匯勸退,其實遙感很日常——你給朋友拍照時,沒碰到對方,卻能捕捉記錄影像,這就是最簡單的遙感。
而衛星遙感又可以分為被動遙感和主動遙感兩類。我們較為熟悉的光學遙感衛星就是被動遙感,依靠太陽光等其他光源,白天能給地球拍下“彩色照片”。可一旦太陽落山,沒了光源,它就沒了“視力”,變成了“睜眼瞎”。但海哨二號的“主動遙感”不一樣——它自帶SAR這個“手電筒”,能發射X波段微波照亮地球,不管白天黑夜,都能為地球拍下清晰的“微波照片”。
更厲害的是,微波波長較長,能穿透云雨。陰雨天時,光學衛星只能對著厚厚的云層“望云興嘆”,海哨二號卻能憑借“穿透術”,清晰捕捉地表的真實模樣,是一雙“不畏浮云”的太空銳眼。
看得廣還看得清,全極化“火眼金睛”辨萬物
衡量衛星觀測能力的關鍵是幅寬和分辨率。幅寬決定了衛星的視野范圍,分辨率則關系到看清細節的能力。而海哨二號不僅在這兩方面上都是無疑的“優等生”,還自帶“變焦相機”般的多種工作模式:
聚束模式像在給地球拍“超清特寫”,衛星可以在飛躍目標的全過程中持續為重點目標“拍照”,成像分辨率更是優于1m,細節可一覽無余;條帶模式像“掃描儀”,以3米分辨率、30公里幅寬進行成像;掃描模式則開啟了“廣角全景”,幅寬超過300公里,最大視野比大部分商業SAR衛星寬30倍;波模式則專門觀測海浪參數,為海洋氣象預報和航運安全助力。
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圖3 單極化、全極化圖像示意(高分三號)。左:3m單極化;右:8m全極化。
(圖片來源:CSDN)
不過,更厲害的還是海哨二號“火眼金睛”般的全極化成像能力。就像人眼區分不同顏色的能力,衛星的極化方式就是衛星“看”物體時捕捉的電磁波振動方向的種類,SAR衛星通過“看”不同振動方向的微波來分辨地面物體。普通商業SAR衛星多為單極化模式,只能“看”一種振動方向,像看黑白照片;而海哨二號的全極化模式能同時“看”四種關鍵振動方向,如同升級成了彩色照片。不僅如此,在全極化模式下,衛星不但能“看見”、還能“看懂”:比如同樣看一片農田,單極化衛星通常只說“這是耕地”;而海哨二號卻能精準區分“這里種的是小麥,那邊是水稻,角落那塊是玉米而不是大豆”。“火眼金睛”名不虛傳!
小身材里有“大智慧”,自帶“大腦”提效率
別看海哨二號功能強大,“身材”卻依然能保持輕巧不臃腫:總重量約440千克,尺寸約1.5米見方,屬于小型衛星。輕量化設計不僅降低了發射成本,還能提高任務靈活性。
更值得稱道的是它的“智能大腦”——高性能在軌處理模塊。傳統衛星有個小缺點,即需要將海量原始數據傳回地面才能處理,耗時較久;而海哨二號可以直接在太空進行數據處理和信息提取,生成用戶需要的有用信息后再傳回地面,大幅縮短了數據的傳輸和處理時間,提高了數據應用效率。這種“快速響應”的能力,在地震、山洪等應急場景“搶”下搶險救援的寶貴黃金時間。
多面玲瓏顯神通,地球各域來守護
憑借上述多種強大本領,海哨二號可為多個重要領域提供關鍵的數據支持。
海洋環境與安全:永不疲倦的“海面交警”與“環境衛士”
地球表面大半被海洋覆蓋,它的環境變化和安全狀況對我們至關重要。海哨二號就充當了這片藍色疆域的“海面交警”,24小時全天候“巡邏”:
原油泄漏時,油膜形成的獨特深色斑塊在SAR圖像上清晰可見,可快速鎖定污染范圍、跟蹤擴散趨勢,為應急處理搶時間;
監測海面微變化來輔助分析魚群分布,助力漁業部門合理規劃捕撈、保護生態;
300公里寬的“超廣角視野”可識別跟蹤各類船只,為海上交通管理與搜救提供實時關鍵信息。
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圖4 Sentinel?1 PolSAR 圖像中的海上溢油。
(圖片來源:參考文獻[2])
極地科考與航運:識別冰障的“極地領航員”
極地環境惡劣關乎全球氣候,海哨二號成為極地科考和航運的“得力助手”。
它的全極化成像能區分“一年冰”與“多年冰”(更厚更危險),能夠提供可靠“領航圖”,幫助船只選擇最安全經濟的航線。
同時,其高分辨率成像能力可清晰呈現極地地形與冰貌細節,通過長期連續觀測,能夠準確追蹤冰蓋消融動態與冰架穩定性變化,為科學家探究全球氣候變化的奧秘提供關鍵數據。
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圖5 SAR圖像上四種冰類型:左上為冰水邊界附近的新冰區域(紅色勾出),右上為初期冰,左下圖為一年冰,右下為多年冰。
圖像來自C波段RADARSAT-2 HH通道。
(圖片來源:參考文獻[3])
國土資源調查:洞察大地的“體檢醫生”
城市擴張、退耕還林、農田耕種……地表動態變化不斷,但這些都逃不過海哨二號的“眼睛”。高分辨率重復觀測,如同給國土做上了“高清定期體檢”。
它能精準分辨森林、城市等地表類型,甚至細化到居民區、工業區、農作物種類,通過不同時期圖像的對比,可摸清國土現狀、掌握土地利用變化,助力資源保護與發展規劃;
微波還能穿透農作物冠層,反演土壤濕度與作物生長狀態,為農業產量預估、災害評估護航;
憑借巖石礦物對雷達波的不同反射特征,海哨二號還能為礦產勘探提供線索、提升找礦效率。
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圖6 SAR圖像上的城市群結構(常熟市局部)。
為2.5m分辨率的光學遙感圖像,(b)為10m分辨率的SAR圖像。
(圖片來源:參考文獻[4])
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圖7 SAR圖像能夠幫助發現城市內變化的建筑區域,
(a)、(b)為建筑發生變化前后的光學遙感圖像;(c)、(d)為建筑發生變化前后的SAR圖像;(e)為建筑發生變化的區域范圍。
(圖片來源:參考文獻[4])
應急災害:爭分奪秒的救援“急先鋒”
地震、洪澇、滑坡等災害發生時,災區往往天氣惡劣、通信中斷,快速、準確地獲取災情信息成了難題。這時海哨二號就能“挺身而出”。
在濃煙、降雨等復雜環境下,它仍能迅速捕捉災區最新影像:地震后可識別道路損毀、建筑倒塌情況,幫助救援人員規劃路線;洪澇時能精確勾勒淹沒范圍、監測汛情,為分洪決策提供支持。
更關鍵的是,海哨二號靠著智能在軌處理模塊與地面便攜接收站的配合,災情信息從獲取到交付僅用十幾分鐘,為救援搶出寶貴時間,比傳統衛星快了不知多少倍!
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圖8 SAR圖像中的洪水區域示例。
(圖片來源:參考文獻[5])
從穿透云霧的精準持續觀測,到全極化智能識別的“火眼金睛”,海哨二號這雙“太空銳眼”正在用科技守護我們的家園。然而,它并非“孤軍奮戰”——作為AIRSAT星座的一員,它將與星座中其他衛星協同,織就一張覆蓋更廣、重訪更快、能力更強的天基監測網,書寫服務人類、探索未知的嶄新篇章。
未來,隨著更多新衛星入列,中國航天還會帶來哪些驚喜?讓我們一起期待!
參考文獻:
- X. Ma, J. Xu, P. Wu, and P. Kong, ‘Oil Spill Detection Based on Deep Convolutional Neural Networks Using Polarimetric Scattering Information From Sentinel-1 SAR Images’, IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 60, pp. 1–13, 2022, doi: 10.1109/TGRS.2021.3126175.
- X. Chen, K. A. Scott, M. Jiang, Y. Fang, L. Xu, and D. A. Clausi, ‘Sea ice classification with dual-polarized SAR imagery: a hierarchical pipeline’, in 2023 IEEE/CVF Winter Conference on Applications of Computer Vision Workshops (WACVW), Waikoloa, HI, USA: IEEE, Jan. 2023, pp. 224–232. doi: 10.1109/WACVW58289.2023.00028.
- Y. Du, R. Zhong, Q. Li, and F. Zhang, ‘TransUNet++SAR: Change Detection with Deep Learning about Architectural Ensemble in SAR Images’, Remote Sensing, vol. 15, no. 1, p. 6, Dec. 2022, doi: 10.3390/rs15010006.
- H. Zhang, Z. Qi, X. Li, Y. Chen, X. Wang, and Y. He, ‘An Urban Flooding Index for Unsupervised Inundated Urban Area Detection Using Sentinel-1 Polarimetric SAR Images’, Remote Sensing, vol. 13, no. 22, p. 4511, Nov. 2021, doi: 10.3390/rs13224511.
出品:科普中國
作者:鄭鎧沅(地圖學與地理信息系統專業在讀博士)
監制:中國科普博覽
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