レーダー衛星：全天候観測が「その威力を発揮」

最近、アメリカ気象データ社は、気象予報・予測機能を強化するため、世界中の天気予報にリアルタイムの気象観測データを提供するレーダー衛星を数十機打ち上げる計画を発表した。周知のとおり、現在誰もがよく知っている気象衛星は、受動検出型の可視光および赤外線リモートセンシング衛星です。光学気象衛星がすでにその能力を発揮している時代に、なぜレーダー衛星を特別に開発する必要があるのでしょうか。

光学リモートセンシングには欠陥がある

現在、世界各国が開発している地球観測衛星の中では、光学観測衛星が主流であり、気象衛星はすべて光学観測技術を利用しています。現在、このタイプの衛星の最大解像度は 0.1 メートルに達します。

世界各国が上空に配備したこれらの「目」により、人々は宇宙から地上を遮るものなく見渡すことができます。宇宙リモートセンシングは、観測範囲が広く、観測コストが低く、観測データが豊富などの利点があり、人類の地球に対する理解を大きく広げてきました。しかし、光学リモートセンシング衛星には明らかな欠点も数多くあります。すべての光学リモートセンシング衛星は受動的に動作し、画像は光条件によって大きく影響されます。

一般的な地球リモートセンシング画像衛星を例にとると、雲、霧、もや、雨、雪、暗い環境などの悪天候ではうまく機能しません。つまり、光学リモートセンシング衛星は、どんなに高性能であっても、大気、特に気象条件の影響を受けやすく、24時間365日稼働できるわけではないのです。

光学リモートセンシング衛星の欠点に直面して、研究者たちは長い間、それらに対処する計画を立ててきた。レーダーは第二次世界大戦前に登場し、第二次世界大戦中に急速に発展しました。 1950 年代に、合成開口レーダー技術 (SAR) が提案され、開発に成功しました。簡単に言えば、レーダー波を能動的に送信して目標を検出すると同時に、小口径アンテナの連続的な移動により、受信した信号の振幅と位相を重ね合わせて処理し、小口径アンテナを大口径アンテナに仮想化することで、高精度の地上リモートセンシングを実現します。

合成開口レーダーは航空リモートセンシングに応用され、すぐに宇宙リモートセンシングの新たなスターとなりました。このタイプのレーダー衛星は、24時間いつでも、あらゆる気象条件でリモートセンシングデータを取得する能力があり、光学リモートセンシング衛星の欠点を効果的に補い、航空宇宙および防衛分野で広く使用されています。

レーダー衛星は24時間稼働できる

レーダー衛星には光学衛星にはない優れた機能が数多くあります。これは、雲、霧、雨、雪などの気象条件に関係なく、大気圏を貫通して安定した画像を生成する能力に最も顕著に表れています。昼夜を問わず、またあらゆる気象条件でもリモートセンシング機能を維持でき、夜間撮影も得意としています。これらの利点により、この技術は急速に航空宇宙リモートセンシングの分野における主力技術の 1 つとなりました。

レーダー衛星の利点は、全天候型の運用に限定されません。光学リモートセンシング衛星と比較すると、レーダー衛星のレーダー波は土壌や植生を貫通することができます。つまり、地下のターゲットを検出できるのです。レーダーリモートセンシングでは、帯域によって土壌への浸透深度が異なります。異なるバンドでのSARレーダー衛星リモートセンシングを通じて、表層土壌の特性を逆転させることもできます。

さらに、レーダー衛星のレーダー波帯は光学衛星の可視光や赤外線とは大きく異なり、異なるレベルでリモートセンシング情報を反映することができます。同時に、レーダー画像は地上物体の水分含有量、塩分含有量、形状や質感の特性をより正確に反映することができます。光学リモートセンシングデータと組み合わせることで、リモートセンシングで検出されたターゲットをより適切に説明できます。

また、SARレーダー画像の解像度は合成開口の大きさに依存し、衛星画像の解像度は軌道高度とは無関係であり、光学リモートセンシングの解像度は軌道高度に反比例し、高度が高くなるほど解像度は低くなります。レーダー衛星には、さまざまなビームを使用した動作モードもあり、これにより、画像撮影の柔軟性が向上し、より豊富な解像度機能が提供されます。

そのため、従来の可視光や赤外線帯域の光学リモートセンシング衛星と比較して、レーダーリモートセンシング衛星はかけがえのない利点を持ち、航空宇宙リモートセンシングにおいて重要な役割を果たしています。もちろん、レーダーリモートセンシング衛星は動作帯域が長く、XバンドSAR衛星の解像度はわずか0.3メートル程度で、他の一般的に使用される帯域の解像度はさらに低くなります。 2 つの衛星を組み合わせて使用​​すれば、より良い結果が得られます。

レーダーリモートセンシング衛星は気象分野でも利用され始めています。従来の気象観測は、光学気象衛星と地上気象レーダーを組み合わせたものです。衛星は広範囲の光学観測能力を備えているが、解像度が低すぎて内部の状態を検知することができない。地上気象レーダーはカバー範囲が限られていますが、雲を透過してさまざまな気象システムの内部構造を検出し、特定することができます。例えば、米国のGPM衛星は、降雨量を観測しながら台風や暴風雨を確実に監視できる二重周波数降雨レーダーを搭載しています。

レーダー衛星の未来は明るい

レーダー衛星は広く利用されてきましたが、その開発はまだ発展途上であり、今後さらに広く開発され利用されるようになるでしょう。

レーダー衛星も継続的に技術的進歩を遂げています。 SARレーダー技術の重要なトレンドは、レーダー波の極めて広帯域な特性に基づいて、地上物体の電磁気特性とレーダー波の周波数の関係を最大限に活用し、異なる周波数の電磁波を使用してターゲットを検出し、より豊富な情報を取得することです。これは比喩的に言えば、レーダーリモートセンシングハイパースペクトル技術と言えます。

さらに、レーダーリモートセンシングの異なる偏光モードによっても異なるリモートセンシング画像が得られ、より完全なターゲット検出につながります。現在では、SARレーダー技術にも干渉技術が発達しています。さまざまな干渉方法により、地上ターゲットの高度や速度情報をさらに検出し、従来の SAR レーダー衛星の欠点を解決できます。同時に、SAR レーダー技術のビームイメージングモードもさらに発展し、ユーザーにさらに豊富なリモートセンシングターゲット情報を提供します。

光学リモートセンシング衛星は、超小型衛星、衛星編隊、リモートセンシング衛星群へと発展しており、レーダー衛星についても同様です。特定エリアの再訪問期間を短縮するため、つまり時間分解能を向上させるために、複数のレーダー衛星群を使用することで、カバー密度を大幅に向上させ、再訪問期間を短縮することができます。

さらに、複数の衛星編隊の共同作業もレーダー衛星の開発にとって重要な方向性です。 SARレーダー技術は、単一の衛星レーダーアンテナを仮想的に大型アンテナにし、複数の衛星が軌道上で特定の形状を形成して仮想衛星と仮想大型アンテナを形成する技術です。大型レーダーリモートセンシング衛星に代わる、低コストで同等の機能と性能を提供できます。

アメリカ気象データ社が開発した新世代のレーダー衛星は、レーダー衛星の発展を象徴しています。彼らは2022年後半に最初の衛星を打ち上げ、その後数十基の小型レーダー衛星からなる気象衛星群を打ち上げる計画だ。

同社によれば、地上気象レーダーは各国に降雨量や雲の構造に関する情報を提供しているものの、そのカバー範囲によって予報能力は制限されるという。宇宙ベースのレーダー衛星の長い再訪期間も、その役割を制限しています。同社の小型レーダー気象衛星群は、1時間に1回再訪問する能力を備え、世界中の正確な天気予報に正確でタイムリーな気象情報を提供すると期待されている。 （著者：張凡）