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科工力量:谈谈中国在合成孔径雷达技术上的突破
送交者:  2019年09月18日17:49:37 于 [世界游戏论坛] 发送悄悄话


  • 科工力量

    科工力量提供对中国高新技术企业和产品的专业点评

2019-09-18 07:53:14字号:A- A A+来源:观察者网
最后更新: 2019-09-18 09:02:26

【文/科工力量专栏作者 柳叶刀】

在2018年的陈嘉庚科学奖的6个获奖项目中,《基于L(1/2)正则化理论的稀疏雷达成像》项目获得陈嘉庚信息技术科学奖,而该项目的主要完成人就是中国科学院空天信息研究院院长吴一戎院士。

吴一戎正是由于提出稀疏微波成像概念,突破合成孔径雷达技术瓶颈,成功研制全球首部稀疏微波成像雷达样机,并证明了新技术的正确性和有效性,因此获得陈嘉庚科学奖。要了解稀疏微波成像,还得从微波成像雷达说起。

日常生活中读者对“雷达”这个名词并不陌生,雷达的发展开始于第二次世界大战,通过向空中发射和接收电磁波,预防敌方战机。而微波成像就起源于雷达技术,以电磁波频谱中的微波波段作为探测手段,利用传感器接收被观测对象的散射特征。

微波成像相比于光学成像有很大的优势,光学成像是一种被动遥感,被动接收物体的光反射,在没有阳光或者人工光源的情况下,无法工作。而微波恰好可以克服这些缺点,采用主动遥感的方式,受到大气、云层的影响较小,可以全天时全天候工作。

左图:光学成像属于被动遥感   右图:微波成像属于主动遥感

但是想要在700千米的外太空,观测地球上小尺寸的物体,就要求微波成像雷达具有高分辨率,雷达的孔径必须是千米级别,但是基于成本、机载与星载平台的空间,雷达的尺寸不能太大。

上个世纪50年代,美国特异公司的卡尔•威利(Carl Wiley)发现,利用多普勒频移处理,在不增大雷达体积的情况下,实现高分辨率雷达成像,以此逐渐发展成今天被人熟知的合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)。

在观测时,雷达与被观测目标之间存在相对运动,合成孔径雷达就是在目标的移动的路径上间隔取样,相干累加,获得与大尺寸雷达观测相同的效果。打一个很形象的比喻,类似于“多轨道录音”,一位通晓各种乐器的演奏家,将他演奏的各种乐器录下来,再将这些声音合成在一起,就等于一个人演奏交响乐。

星载SAR:在目标的飞行路径上间隔取样,相干累加,获得与大尺寸雷达观测相同的效果

SAR作为一种独特的成像技术,可以穿透云层进行夜间成像,它是持续监测地球的重要工具。而且,SAR可以在图像中识别出材料属性、湿度等信息,提取到在光学成像中不明显的高价值信息,在军事方面具有重大的意义。

各国星载SAR技术发展迅猛

美国从上个世纪中期就开始了星载SAR的研制,1978年,美国国家航空航天局喷气推进实验室发射了世界上第一颗载有SAR的海洋卫星SEASAT,工作在L波段,成功的完成了对地观测任务,获得了大量高清的雷达图像,开启了太空对地观测新时代。

世界上第一颗载有SAR的海洋卫星SEASAT

在此基础上,美国又分别于1981年、1984年、1994年将SIR-A、SIR-B、SIR-C/X-SAR三部雷达送入太空,美国利用这些雷达对地球表面测绘,获得了大量信息。

SAR对地观测最著名的一个实例就是发现撒哈拉沙漠下的古河道,这是普通光学成像难以做到的,表明SAR具有很强的地表穿透能力。

表现如此优异的SAR技术,美国当然不会错过在军事上的应用,在1988年到2005年间,美国陆续发射5颗“长曲棍球(Lacrosse)”SAR卫星,组成军用对地雷达图像侦察卫星星座,第一颗与第二颗于1997年、2011年失效,现有三颗在轨,业内人士估计其分辨率达到0.3m左右。这些卫星在海湾战争等局部冲突中发挥了巨大的作用,负责这些“间谍”卫星的美国国家侦察局(National Reconnaissance Office)对这些事一直遮遮掩掩。

不过,对于美国星载SAR技术的发展,欧洲也不甘示弱。欧洲航天局于1991年7月利用阿丽亚娜4号火箭发射了地球资源卫星ERS(European remote sensing satellite)1号,卫星采用法国MK-1平台,装载C波段SAR。

欧洲航天局于1991年7月利用阿丽亚娜4号火箭发射了地球资源卫星ERS-1

之后“雄心勃勃”的欧洲航天局利用阿丽亚娜5号火箭在法属圭亚那库鲁的圭亚那航天中心发射了一颗重大8211千克的SAR卫星——Envisat,该卫星携带5年工作寿命所需的319千克推进剂,载有9台科学仪器。许多学科可以使用该卫星上的不同传感器获得的数据来进行科学研究。

Envisat原本计划工作5年,实际上工作了10年,2012年5月结束任务后,该卫星成为了巨大的太空垃圾。

目前,在星载SAR方面,除了技术比较先进的美国与欧盟外,像俄罗斯、日本、以色列、韩国、印度等国都在大力开展星载SAR技术研究,陆续将自己的星载SAR雷达送入太空。

美国商用星载SAR观念落后 如今奋起直追欧盟

一份NSR(卫星与空间市场咨询服务机构)的报告指出,未来几年,高分辨率雷达的数据客户将大幅度增加,而预计到2025年SAR图像的累计收入将达到62亿美元,85%的地球观测业务将集中于北美、欧洲和亚洲。

NSR的报告认为,非常高的分辨率(<0.5m)将是增长最快的市场,主要面向国防和情报部门以及公共机构的垂直客户,这些客户对优质雷达图像资源需求高。而高分辨率(0.5-1m)SAR产品将成为最大的市场。

但是高分辨率合成孔径雷达在历史上一直局限于国防和情报领域,仅少数国家有能力使用,虽然美国在星载SAR方面发展领先,但是星载SAR商业化运作的重要“推手”却是加拿大。

1995年,加拿大的RadarSAT-1卫星发射,其工作模式多达7类25种,以满足不同需求,标志着星载SAR技术开始商业化运行。但加拿大推出Radarsat系统,分辨率不高,其精度难以满足某些领域的需求。

安大略省渥太华的加拿大航天局大卫佛罗里达实验室的RadarSAT-1,正在测试和组装

而高分辨率雷达星载SAR商用开始于德国与意大利,他们分别推出的民用的X波段SAR卫星TerraSAR-X和X波段Cosmo Skymed,这些系统向市场提供亚米级别的雷达分辨率。

在相关的空间行业市场报告中,2017年,欧洲航天局的SAR业务占据了最大的市场份额,预计到2024年将超过23亿美元。

合成孔径雷达市场在2018年的价值为24.5亿美元,预计到2024年达到51.8亿美元,预测期间(2019年至2024年)的复合年增长率为11.6% 来源:Mordor Intelligence

美国的商用星载SAR观念落后,一直以来实行严格的技术管控。在商用星载SAR方面,美国也是近几年才注重起来。在2015年之前,美国政府对高分辨率的商业遥感卫星的限制一直把控很严,对SAR系统和数据实施了比光学系统更为严格的管控。直到美国XpressSAR公司获得了商务部颁发的许可证,开始运营商业空基遥感系统,获取地面上亚米级别分辨率的数据。

目前,美国在SAR商用方面的步伐已经加快,就在去年,Capella Space公司推出第一颗美国商用SAR卫星。

Capella Space公司首席执行官帕亚姆•班纳扎德(Payam Banazadeh)在其个人社交媒体上中指出,德国与意大利的高分辨率SAR卫星的商用,使美国监管机构意识到他们低估了其他国家建造SAR卫星的能力,限制美国境内的商业SAR是错误的。而美国从德国、意大利、加拿大商业SAR公司购买数百万美元的SAR图像并不便宜,有时还存在限制。而且,美国也不会放任SAR民用市场的蛋糕被其他国家抢占。

帕亚姆•班纳扎德表示,他的公司的使命是在商业方面“把SAR带回家(美国)”,目标是组建一支由36个小型卫星组成的舰队,提供高分辨率、持久的全球覆盖。

Capella Space公司首席执行官帕亚姆•班纳扎德

当前,在航天领域的SAR市场主要竞争公司包括:空客、Capella Space公司、BAE系统公司、Iceye公司、哈里斯公司、洛克希德马丁公司、以色列航空工业、诺斯罗普•格鲁曼公司、MDA信息系统、泰利斯集团、雷神公司和Uthercast公司。

中国星载SAR好消息不断

我国对SAR的研究工作开始于20世纪70年代。1979年由中科院电子所获得国内首幅SAR图像。此后电子所率先攻克了一系列SAR系统及核心关键技术,研制出第一部极化SAR、第一部多维度SAR、机载SAR分辨率优于0.1m。在星载SAR方面,电子所于1997年完成了L波段星载SAR工程样机的研制工作,于2012年成功地发射了首颗民用SAR卫星环境一号C星(HJ-1C)。

2016年8月10号,高分三号卫星发射升空,这是我国首颗分辨率达到1米的C波段SAR卫星,与高分一号、高分二号的光学成像相比,高分三号可以全天时,全天候对地表进行观测。

高分三号卫星在太原卫星发射中心发射成功

高分三号卫星拍摄的北京首都机场影像,地面接收于2016年8月16日

在今年7月份,印度发生洪灾后,应空间与重大灾害国际宪章(CHARTER)请求,中国国家航天局紧急启动卫星应急响应机制,组织中国资源卫星中心采取紧急救援行动,调度高分一号、二号和三号对印度洪灾区域多次成像,为印度洪灾检测提供空间技术支持。

而根据新华社此前的报道,中国航天科工二院23所研制的我国第一部太赫兹视频合成孔径雷达也进行了飞行试验,并成功获取国内首组太赫兹视频合成孔径雷达影像成果。与传统合成孔径雷达相比,太赫兹视频合成孔径雷达的波长更短,对目标成像精度更高,而且具有反隐身特性,对大多数非金属材料具有透视性。

吴一戎院士突破SAR技术发展瓶颈

在各国不断追求高分辨率星载SAR技术的时候,SAR系统的性能已经接近极限。微波成像理论从上个世纪50年代出现,在随后的半个多世纪中,其理论虽然不断完善,却没有出现革命性创新。

实际上支持SAR系统性能数十年快速发展的,是摩尔定律飞速发展下的电子学材料与器件,然而电子器件的性能不能无限制的提高,由于量子效应,摩尔定律也走到了尽头。并且,随着系统性能的提高,雷达系统复杂度也在增加,这给SAR系统的设计和实现带来了越来越大的难度。

笔者曾经从事过地球物理勘探专业,对这方面很有感触。在进行地球物理勘探时,越是复杂的系统,在实际应用中越是容易出现各种故障,而且在检修时需要花费很长时间找出故障点。而且,与SAR雷达数据类似,地球物理勘探获取的数据有很多是没有用的数据,这些冗余的数据不断消耗内存,还占用大量的处理时间。

所以为了解决多余的数据冗余和系统设计过于复杂等问题,业内专家指出,要想提高SAR系统的性能,需要从微波成像理论上寻求突破。

SAR系统的复杂度由两个基本定律决定:雷达分辨率理论和奈奎斯特采样定律。无论是雷达分辨率理论还是那奎斯特采样定理,都是普适性理论,不能违背。

中国科学院吴一戎院士提出稀疏微波成像的概念,将稀疏信号处理理论引入微波成像,将两者有机结合形成微波成像新理论。它不仅具有实现更优性能指标SAR系统的潜力,而且可提升现有雷达系统的成像性能。因为此项成果,吴一戎院士获得了2018年度陈嘉庚科学奖。

星载稀疏微波成像设计原理框图

现有的基于奈奎斯特采样定律和经典数字信号处理理论的微波成像系统,其系统设计复杂、处理的数据量大,难以获得有效特征信息。

稀疏信号处理实质从含有大量冗余信息的原始数据中提取出尽可能少的采样数据,对原始信号进行有效逼近和恢复的信息处理技术。

2013年9月,中国科学院电子学研究所在天津滨海地区开展稀疏微波成像原理机飞行验证。通过实验验证了稀疏微波成像原理和方法的可行性。之后,成功开展了星载、机载、地基等原理性验证试验。

结束语

SAR技术自产生就因其能够全天候全天时观测优势,受到了重视,各国都在不断加大在这方面的技术投资。技术先进的美国,却因为“过度谨慎”,导致其在商用星载SAR领域落后于欧盟,如今也是加快脚步追赶。中国的SAR事业也得到了长足的发展,并在理论创新方面取得突破。


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