摘　　要

　　委員會(huì)就主動(dòng)遙感使用無(wú)線電光譜方面開(kāi)展了一項(xiàng)調(diào)查，其任務(wù)是：（1）記錄主動(dòng)遙感的重要性，尤其在服務(wù)于社會(huì)需求方面；（2）記錄當(dāng)前和未來(lái)對(duì)有效使用主動(dòng)遙感所需電磁光譜的威脅；（3）為保護(hù)并有效使用主動(dòng)遙感所需的光譜提供具體建議。

　　主動(dòng)遙感的定義是，使用發(fā)射器和至少一臺(tái)接收器來(lái)測(cè)量（或感知）媒介在無(wú)線電光譜方面的透射或散射特性。這些測(cè)量方法通過(guò)信號(hào)穿過(guò)媒介時(shí)是透射或散射來(lái)判斷媒介的物理狀態(tài)。我們感興趣的媒介包括地球的大氣（包括電離層）、海洋和地表，還包括地外物體。

　　本報(bào)告集中討論的主動(dòng)遙感無(wú)線電光譜，從0赫茲到300千兆赫的這部分電磁光譜。在該范圍內(nèi)的測(cè)量有直接的社會(huì)效益。主動(dòng)遙感的測(cè)量方法要么是傳輸測(cè)量，通常這種情況下發(fā)射方和接收方的天線互相指向?qū)Ψ?；或者是散射測(cè)量，這時(shí)傳輸信號(hào)被媒介反射并被一個(gè)與發(fā)射器協(xié)同定位的天線捕獲到（后向散射模式），或被一個(gè)非協(xié)同定位的接收器接收（雙基模式）。主動(dòng)遙感由地面、機(jī)載或星載平臺(tái)組成，或天空地一體化組合而成。

　　先進(jìn)而價(jià)格實(shí)惠的電子技術(shù)和移動(dòng)無(wú)線技術(shù)激發(fā)了對(duì)光譜需求的迅猛增長(zhǎng)。無(wú)線技術(shù)的激增也意味著對(duì)主動(dòng)遙感系統(tǒng)帶來(lái)了越來(lái)越多的影響，尤其是L-波段和C-波段。

　　監(jiān)管機(jī)構(gòu)采用重新分配、光譜共享以及提高光譜效率來(lái)滿足對(duì)光譜的強(qiáng)烈需求。

　　無(wú)線通信系統(tǒng)已經(jīng)展示了分享光譜的能力。盡管目前尚未實(shí)現(xiàn)，它很有可能使地球主動(dòng)遙感系統(tǒng)在現(xiàn)有通訊波段運(yùn)營(yíng)。雖然存在一定的局限性，它仍然可以為科學(xué)家提供改進(jìn)的觀測(cè)并由此推進(jìn)我們對(duì)地球的了解。

　　為了表示無(wú)線電波段內(nèi)部或相鄰波段的子波段，本報(bào)告使用字母代號(hào)來(lái)表示相應(yīng)的波段：HF波段（3-30 MHz）；VHF波段（30-300 MHz）；UHF波段（300 MHz-1 GHz）L-波段（1-2 GHz）；S-波段（2-4 GHz）；C-波段（4-8 GHz）；X-波段（8-12 GHz）；Ku-波段（12-18 GHz）；K-波段（18-27 GHz）；Ka-波段（27-40 GHz）；V-波段（40-75 GHz）；W-波段（75- 110 GHz）以及毫米波波段（110-300 GHz）[1]。

主動(dòng)遙感的重要性

　　主動(dòng)遙感技術(shù)是用于研究和預(yù)測(cè)地球環(huán)境－大氣、海洋、地表－以及近地環(huán)境短期和長(zhǎng)期變化的主要工具。所有這些觀測(cè)對(duì)了解陸地氣象、氣候變化、固體地球過(guò)程、空間氣象災(zāi)害、太空碎片的數(shù)量與跟蹤以及小行星威脅必不可少。主動(dòng)遙感測(cè)量對(duì)社會(huì)也大有益處，正如我們追求技術(shù)文明發(fā)展，力爭(zhēng)經(jīng)濟(jì)可行，而且保持我們的生活質(zhì)量。

　　不同類型的主動(dòng)遙感測(cè)量對(duì)科學(xué)及社會(huì)重要性的具體案例包括：

？    大氣主動(dòng)遙感可拯救生命并保護(hù)財(cái)產(chǎn)免受劇烈風(fēng)暴影響，也為科學(xué)家提供對(duì)上層大氣風(fēng)和全球循環(huán)更深的了解。

？    主動(dòng)微波傳感器提供關(guān)于洋流、海浪、風(fēng)速與風(fēng)向的測(cè)量，與被動(dòng)微波與可見(jiàn)光及紅外（IR）測(cè)量方法形成互補(bǔ)。應(yīng)用于包括全球天氣預(yù)測(cè)、風(fēng)暴和颶風(fēng)預(yù)警、海浪預(yù)報(bào)、沿海風(fēng)暴潮、船舶氣象導(dǎo)航、商業(yè)捕魚以及沿海水流和海浪監(jiān)測(cè)。這些應(yīng)用對(duì)美國(guó)的利益至關(guān)重要。

？    星載、機(jī)載和水面操作的雷達(dá)主動(dòng)遙感測(cè)量，包括真實(shí)孔徑雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)（SARs）和散射計(jì)，為我們了解全球變化和環(huán)境管理、氣象預(yù)報(bào)等提供非常重要的土地利用及冰方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，所有這些在科學(xué)、商業(yè)、國(guó)防領(lǐng)域諸如城市規(guī)劃、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水資源管理、地形、海冰制圖、地震及火山研究、災(zāi)后評(píng)估以及空間智能等方面都得到廣泛的應(yīng)用。

？    電離層主動(dòng)遙感對(duì)了解近空區(qū)域的基本物理現(xiàn)象很重要，而且對(duì)預(yù)測(cè)空間天氣事件對(duì)我們這個(gè)依賴電力的社會(huì)的影響也很重要。

？    通過(guò)行星雷達(dá)天文學(xué)，主動(dòng)遙感持續(xù)為我們了解太陽(yáng)系、規(guī)劃到達(dá)地外物體的空間任務(wù)，尤其是追蹤并描述對(duì)社會(huì)可能造成威脅的近地小行星等做出重要貢獻(xiàn)。

　　然而，這些益處多數(shù)并不容易完全內(nèi)化到市場(chǎng)體系中，所以主動(dòng)遙感的價(jià)值很難與商業(yè)遙感系統(tǒng)比較。比如，得益于先進(jìn)的天氣預(yù)測(cè)可能很難內(nèi)化，以至私人企業(yè)不會(huì)大量投資于預(yù)測(cè)系統(tǒng)。同樣，這類基礎(chǔ)研究發(fā)展知識(shí)，這是一種公共利益，又很難完全內(nèi)化于市場(chǎng)體系。此外，科學(xué)發(fā)現(xiàn)可導(dǎo)致許多不同類型的社會(huì)效益。

當(dāng)前和未來(lái)有效使用主動(dòng)遙感所需光譜面臨的威脅

　　在所有情況下，主動(dòng)遙感使用的頻率取決于正在研究的物理現(xiàn)象。頻率經(jīng)過(guò)精心挑選以能最好的揭示物理機(jī)制，在大多數(shù)情況下，數(shù)量可觀的開(kāi)銷已用于精選這些頻率的設(shè)備和技術(shù)上。針對(duì)每種類型的測(cè)量，很難將操作運(yùn)行應(yīng)用至其他頻段。因此，考慮到持續(xù)進(jìn)行的主動(dòng)遙感測(cè)量對(duì)保護(hù)未來(lái)社會(huì)的必要性，必須確保這些測(cè)量有效獲得其所需要的光譜。

　　影響主動(dòng)式傳感器的主要有兩種光譜。和被動(dòng)式傳感器一樣，主動(dòng)式傳感器可以受到來(lái)自其他無(wú)線電設(shè)備的射頻干擾（RFI）。相反，與被動(dòng)式傳感器不同的是，主動(dòng)式傳感器也傳輸信號(hào)，因此它服從于操作限制并確保不會(huì)干擾其他服務(wù)。隨著對(duì)光譜使用的需求激增，關(guān)于成功運(yùn)行當(dāng)前以及計(jì)劃使用的主動(dòng)式科學(xué)傳感器，這兩類光譜問(wèn)題正引起關(guān)注。

　　當(dāng)前及未來(lái)潛在干擾的具體案例包括：

？    在某些情況下，強(qiáng)加于主動(dòng)科學(xué)傳感器上的傳輸限制阻礙其收集所需科學(xué)數(shù)據(jù)的能力（如加在歐空局（EAS）的BIOMASS任務(wù)上的運(yùn)行限制一樣），使科學(xué)數(shù)據(jù)退化（搭載在航空平臺(tái)上GeoSAR傳感器所需的深頻譜波形缺口就是一個(gè)例子），或者大幅上漲的成本（就如美國(guó)宇航局（NASA）土壤與濕度主被動(dòng)遙感任務(wù)）。在某些波段，保守的干擾標(biāo)準(zhǔn)會(huì)給科學(xué)操作帶來(lái)困難。隨著時(shí)間推移，加于低頻UHF波段和L-波段的限制條件將會(huì)越來(lái)越多。（調(diào)查結(jié)果8.2）

？    在某些波段，已觀測(cè)到越來(lái)越糟糕的RFI環(huán)境。在大量使用并經(jīng)過(guò)充分研究的頻率在1215-1300兆赫的L-波段，觀測(cè)到的RFI數(shù)量隨著時(shí)間推移也在大量增加。這一趨勢(shì)已被日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）自1992-2011年運(yùn)行的一系列SAR觀測(cè)到。ESA也報(bào)告了他們?cè)贑-波段發(fā)現(xiàn)的RFI增加情況。（調(diào)查結(jié)果8.4）

？    由于地球勘測(cè)衛(wèi)星主動(dòng)服務(wù)頻譜分配計(jì)劃擴(kuò)張其商業(yè)服務(wù)，已建立的、高價(jià)值的C-波段科學(xué)雷達(dá)測(cè)量近期面臨威脅。擬議的5350-5470兆赫無(wú)線本地訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)（RLAN）服務(wù)，將嚴(yán)重限制ESA哨兵1號(hào)星座（哥白尼計(jì)劃）以及加拿大雷達(dá)衛(wèi)星2號(hào)和雷達(dá)衛(wèi)星星座計(jì)劃（RCM）星座科學(xué)平臺(tái)的性能。RLAN發(fā)射器本身寬波段、類似噪音信號(hào)的屬性很難或不可能減輕。（調(diào)查結(jié)果8.7）

？    給地球勘測(cè)衛(wèi)星主動(dòng)服務(wù)分配了多重波段，當(dāng)中僅有部分波段被使用，或這一波段根本就沒(méi)有使用。隨著為提供更多新服務(wù)而持續(xù)帶來(lái)的壓力，未來(lái)在這些波段內(nèi)建立新科學(xué)會(huì)更困難（調(diào)查結(jié)果8.10）。

？    海洋傳感雷達(dá)系統(tǒng)，與全球通訊和雷達(dá)設(shè)施共同運(yùn)行了近40年。最近，有多起關(guān)于通訊和導(dǎo)航系統(tǒng)C-波段以及低頻波段主動(dòng)式傳感器的RFI事件發(fā)生。迄今為止，在世界大部分地區(qū)，導(dǎo)致傳感器性能退化或數(shù)據(jù)損失的影響已通過(guò)激進(jìn)的RFI減除技術(shù)得到控制（第3章“調(diào)查結(jié)果與建議”）。

？    截止目前，RFI尚未對(duì)行星雷達(dá)天文學(xué)觀測(cè)形成重大阻礙。然而，由于對(duì)近地小行星高分辨率圖像需求的增多，帶寬需求也會(huì)增加，未來(lái)，RFI可能會(huì)成為一個(gè)重大問(wèn)題。為便利獲得近地小行星高空間分辨率影像，頻率分配的帶寬需要在60—120兆赫之間。NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）Goldstone雷達(dá)目前有200兆赫的任務(wù)被集中在8.600千兆赫（調(diào)查結(jié)果6.2）。

　　然而，應(yīng)當(dāng)注意的是，主動(dòng)式科學(xué)傳感器定期報(bào)告來(lái)自其他非科學(xué)源的干擾，而科學(xué)傳感器似乎很少干擾其他服務(wù)。唯一有文件記錄而引起委員會(huì)關(guān)注的情況是一個(gè)主動(dòng)式科學(xué)傳感器實(shí)際干擾了NSAS云探測(cè)衛(wèi)星任務(wù)雷達(dá)的一項(xiàng)其他操作服務(wù)，這將妨礙射電天文學(xué)測(cè)量（另一項(xiàng)科學(xué)服務(wù)）。

　　造成這種來(lái)自主動(dòng)遙感用戶方干擾缺乏的原因之一是，通訊系統(tǒng)在窄脈沖波形和低占空比的情況下，能夠抗拒來(lái)自雷達(dá)系統(tǒng)的干擾，這種情況是科學(xué)與運(yùn)行雷達(dá)的典型特性。

　　當(dāng)前的RFI減除技術(shù)工作最適合稀疏譜或短暫占用的干擾信號(hào)，比如，一種接近于連續(xù)波或有短而疏散分布脈沖的信號(hào)。這種類似寬頻白噪聲的信號(hào)源越多或聚集的越多，利用現(xiàn)有技術(shù)減少干擾就越困難。因此，主動(dòng)遙感能否比其他測(cè)量方式更有效地共享服務(wù)，取決于干擾信號(hào)的屬性。到目前為止，當(dāng)前的RFI減除技術(shù)在科學(xué)層面上，可在UHF、L-和C-波段極大減少干擾產(chǎn)生的影響，而且，少數(shù)關(guān)于RFI的問(wèn)題，通常來(lái)說(shuō)，已經(jīng)在頻率高于C-波段的范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)過(guò)了。

　　還應(yīng)該指出的是，描述主動(dòng)遙感設(shè)備關(guān)于RFI影響屬性的一處困難是對(duì)當(dāng)前全球范圍內(nèi)發(fā)射器的相關(guān)信息不全面，同時(shí)，RFI環(huán)境的屬性也會(huì)隨著時(shí)間推移而進(jìn)化。目前缺乏適合各種類型主動(dòng)遙感（比如散射儀、測(cè)高計(jì)、合成孔徑雷達(dá)、干涉儀以及發(fā)聲器）科學(xué)測(cè)量退化的良好定量指標(biāo)。這就很難對(duì)一個(gè)給定的主動(dòng)傳感器可能會(huì)受到RFI、RFI可能緩解的方式以及可能共享的范圍等進(jìn)行準(zhǔn)確量化。

保護(hù)并有效使用主動(dòng)遙感所需光譜的建議

　　保護(hù)并有效使用主動(dòng)遙感所需光譜的建議可分為以下幾類：（1）科學(xué)界的行動(dòng)；（2）聯(lián)邦機(jī)構(gòu)的行動(dòng)；（3）電信行業(yè)可能的行動(dòng)；（4）光譜共享機(jī)遇；以及（5）為科學(xué)用途主動(dòng)遙感增加光譜配置的建議。

科學(xué)界的行動(dòng)

　　優(yōu)點(diǎn)并不能確?？茖W(xué)界獲得所需的光譜?？茖W(xué)利益必須積極參與到光譜分配和部署過(guò)程中，以確保滿足科學(xué)需求（調(diào)查結(jié)果7.2）。這將需要持續(xù)不斷的努力，以確保監(jiān)管過(guò)程中主動(dòng)遙感在各利益相關(guān)團(tuán)體間達(dá)到平衡，并確保獲取更多關(guān)于主動(dòng)遙感價(jià)值的信息：

？    科學(xué)界應(yīng)增加其參與國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）、國(guó)家電信和信息管理局（NTIA）以及美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）光譜管理過(guò)程。這包括密切監(jiān)測(cè)所有光譜管理問(wèn)題關(guān)注的領(lǐng)域提供早期預(yù)警。還需要定期依照管理程序和會(huì)議向決策者們備案。這將為科學(xué)界建立信譽(yù)并確保在與光譜相關(guān)的決策方面占有一席之地并對(duì)科學(xué)界產(chǎn)生影響。（建議7.1）

？    為使光譜管理過(guò)程有效，科學(xué)界、NASA、國(guó)家海洋與大氣管理局（NOAA）、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）以及美國(guó)國(guó)防部（DOD）也應(yīng)明確表達(dá)對(duì)基于科學(xué)用途的射頻光譜的價(jià)值。這些價(jià)值既包括經(jīng)濟(jì)價(jià)值，通過(guò)促進(jìn)商業(yè)或減少自然災(zāi)害帶來(lái)的不利經(jīng)濟(jì)影響，也包括來(lái)自科學(xué)研究的非經(jīng)濟(jì)價(jià)值。（建議7.2）

？    下一次太陽(yáng)系空間物理及地球科學(xué)10年調(diào)查應(yīng)當(dāng)提出科學(xué)社區(qū)未來(lái)對(duì)光譜的需求。（建議7.4）

聯(lián)邦機(jī)構(gòu)的行動(dòng)

　　那些負(fù)責(zé)支持科學(xué)利用主動(dòng)遙感以及監(jiān)管光譜分配的聯(lián)邦機(jī)構(gòu)的行動(dòng)包括：

　　NASA應(yīng)當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)開(kāi)展一項(xiàng)工作，以顯著提升對(duì)影響主動(dòng)遙感測(cè)量的RFI環(huán)境的特性描述。這項(xiàng)工作還應(yīng)包括參與主動(dòng)遙感的其他機(jī)構(gòu)，包括NOAA、NSF、也許還有DOD，也包括監(jiān)管這些行動(dòng)的機(jī)構(gòu)－FCC和NTIA－并且包括以下幾方面的應(yīng)用：（1）建模；（2）專用的地基與空基遙感特性描述活動(dòng)；（3）當(dāng)前科學(xué)傳感器條件下的數(shù)據(jù)挖掘。在某種程度上，這項(xiàng)工作應(yīng)當(dāng)與全球其他空間與科學(xué)機(jī)構(gòu)協(xié)同開(kāi)展。（建議8.1）

？    NASA應(yīng)當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)社區(qū)努力構(gòu)建一套量化指標(biāo)，針對(duì)曾經(jīng)遇到過(guò)的各類RFI環(huán)境，以及主動(dòng)遙感所用儀器的每個(gè)主體層面在科學(xué)性能方面受損的量化指標(biāo)。（建議8.2）

？    NASA和NSF應(yīng)開(kāi)展一項(xiàng)空間物理研究社區(qū)調(diào)研，以確定未來(lái)的光譜需求。（建議5.3）

？    NOAA應(yīng)對(duì)近期舉辦的2012世界無(wú)線通訊大會(huì)（WRC）中有關(guān)地基高頻雷達(dá)的結(jié)論進(jìn)行充分評(píng)估，確保能夠滿足擬議的擴(kuò)建美國(guó)高頻超視距雷達(dá)觀測(cè)系統(tǒng)的需求。（建議3.1）

？    海岸海洋動(dòng)力學(xué)應(yīng)用雷達(dá)（CODAR）將受益于分配帶寬高于25千赫，頻率在4.438-4.488兆赫附近。FCC應(yīng)當(dāng)為CODAR恢復(fù)一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)許可流程，允許其用于未來(lái)工程研究進(jìn)展以及探索前沿科學(xué)。（調(diào)查結(jié)果3.2以及建議3.2）

？    雷達(dá)系統(tǒng)滿足具體的標(biāo)準(zhǔn)脈沖重復(fù)，最大脈沖寬度，而且，忙閑度應(yīng)由FCC或NTIA允許其作為二級(jí)用戶操作，這種情況有可能把對(duì)通訊操作的干擾降到最低。（建議9.3）

？    科學(xué)與技術(shù)政策辦公室應(yīng)當(dāng)裁定在ESA BIOMASS計(jì)劃和DOD空間對(duì)象跟蹤雷達(dá)（SOTR）系統(tǒng)之間共享時(shí)間和頻率的可能性。（建議4.1）

？    考慮到立方體衛(wèi)星計(jì)劃對(duì)發(fā)展航天領(lǐng)域勞動(dòng)力人才教育方面的重要性，以及小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，NSF、NASA、FCC以及NTIA應(yīng)當(dāng)承擔(dān)協(xié)調(diào)和協(xié)同工作，消除在光譜分配過(guò)程中的困難，而光譜分配過(guò)程正是當(dāng)前立方體衛(wèi)星教育意義成功體現(xiàn)的障礙。（建議7.3）

電信行業(yè)可能的行動(dòng)

　　為了電信行業(yè)自身利益以及主動(dòng)遙感用戶方的利益，電信行業(yè)應(yīng)當(dāng)考慮采取一些行動(dòng)：

？    用于短波小型蜂窩基站[2]通訊的毫米波頻率可以使網(wǎng)絡(luò)容量顯著擴(kuò)容到一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而減少光譜需求的壓力并因此也減少主動(dòng)遙感用戶方的壓力。（調(diào)查結(jié)果9.3）

？    無(wú)線通訊產(chǎn)業(yè)應(yīng)考慮通過(guò)開(kāi)發(fā)發(fā)射塔、網(wǎng)絡(luò)的方法努力追求實(shí)現(xiàn)小型蜂窩基站，增加用于6G通訊以及高于通訊標(biāo)準(zhǔn)的毫米波頻率的使用量。（建議9.2）

光譜共享機(jī)遇

　　科學(xué)界可以采取行動(dòng)，促進(jìn)光譜共享：

？    從高效利用光譜的角度出發(fā)，主動(dòng)式傳感器社區(qū)將受益于整合的L-、C-波段，而且，NOAA和FAA的S-波段雷達(dá)資產(chǎn)成為一個(gè)單一的多功能S-波段雷達(dá)，也就是被提議的多功能相控陣?yán)走_(dá)項(xiàng)目。（調(diào)查結(jié)果9.1）

？    委員會(huì)建議開(kāi)展空間頻率重用技術(shù)調(diào)查（比如，7對(duì)1空間頻率節(jié)余），來(lái)減少S-波段的總需求。應(yīng)維持現(xiàn)有的L-波段光譜數(shù)量，供地球成像雷達(dá)使用。（建議9.1）

為科學(xué)用途主動(dòng)遙感增加光譜配置的建議

　　一些溫和的增加科學(xué)主動(dòng)遙感光譜分配方式將大有益處：

？    FCC和NTIA應(yīng)當(dāng)支持海洋科學(xué)遙感觀測(cè)提取最佳海洋相關(guān)信息所需的頻段。（建議3.3）

？    海岸海洋動(dòng)力學(xué)應(yīng)用雷達(dá)（CODAR）將受益于分配帶寬高于25千赫，頻率在4.438-4.488兆赫附近。FCC應(yīng)當(dāng)為CODAR恢復(fù)一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)許可流程，允許其用于未來(lái)工程研究進(jìn)展以及探索前沿科學(xué)。（調(diào)查結(jié)果3.2以及建議3.2）

？     如果天文學(xué)界認(rèn)為值得，如果NSF認(rèn)為合適，NSF應(yīng)當(dāng)為所提議的綠色銀行以及升級(jí)的Arecibo（望遠(yuǎn)鏡）雷達(dá)系統(tǒng)尋求相關(guān)波段的分配方案，以幫助獲取近地小行星的高空間分辨率影像。（建議6.1）