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谈谈中国合成孔径雷达技术的突破

日期:2019-11-23 15:39:16

文学/科学和工业力量作家[·柳叶刀]

在2018年陈嘉庚科学奖的六个获奖项目中,基于l(1/2)正则化理论的稀疏雷达成像项目获得了陈嘉庚信息技术科学奖,完成该项目的主要人员是中国科学院航天信息研究所所长吴一戎院士。

吴一戎被授予陈嘉庚科学奖正是因为他提出了稀疏微波成像的概念,突破了合成孔径雷达技术的瓶颈,成功开发了世界上第一个稀疏微波成像雷达原型,并证明了新技术的正确性和有效性。为了理解稀疏微波成像,我们必须从微波成像雷达开始。

读者对日常生活中的“雷达”一词并不陌生。雷达的发展始于第二次世界大战。它通过向空中发送和接收电磁波来阻止敌方战斗机。然而,微波成像源于雷达技术,雷达技术使用电磁波谱中的微波波段作为检测手段,并使用传感器接收被观察物体的散射特性。

与光学成像相比,微波成像具有很大的优势。光学成像(Optical imaging)是一种被动遥感,被动接收物体反射的光,没有太阳光或人造光源就无法工作。然而,微波只能克服这些缺点,采用主动遥感,受大气和云层影响较小,可以全天全天候工作。

左:光学成像属于被动遥感右:微波成像属于主动遥感

然而,为了在700公里的外层空间观察地球上的小型物体,要求微波成像雷达具有高分辨率,并且雷达的孔径必须在公里水平。然而,基于机载和星载平台的成本和空间,雷达的尺寸不能太大。

20世纪50年代,美国特定公司的卡尔·威利(carl wiley)发现,利用多普勒频移处理,无需增加雷达体积就可以实现高分辨率雷达成像,从而逐渐发展成为今天众所周知的合成孔径雷达(sar)。

在观测过程中,雷达和被观测目标之间存在相对运动。合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar)是对目标的运动路径进行间隔采样,并相干积累,以获得与大规模雷达观测相同的效果。打个生动的比喻,类似于“多轨录音”,熟悉各种乐器的表演者会录制他演奏的各种乐器,并将这些声音组合在一起,相当于一个人演奏交响乐。

星载合成孔径雷达(Spaced sar):在目标飞行路径上间隔采样,相干积累,以获得与大规模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。此外,sar还能识别图像中的物质属性、湿度等信息,提取光学成像中不明显的高价值信息,在军事上具有重要意义。

各国星载合成孔径雷达技术发展迅速。

自上世纪中叶以来,美国一直在发展星载合成孔径雷达。1978年,美国宇航局喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)发射了世界上第一颗搭载sar的海洋卫星seasat,在L波段工作,成功完成了地球观测任务,获得了大量高清雷达图像,开启了空对地观测的新时代。

Seasat,世界上第一颗搭载sar的海洋卫星

在此基础上,美国分别于1981年、1984年和1994年向太空发射了雷达。美国利用这些雷达绘制地球表面地图,并获得了大量信息。

sar对地观测最著名的例子之一是撒哈拉沙漠下古河道的发现,这是普通光学成像难以实现的,表明sar具有很强的探地能力。

当然,美国不会错过具有如此优异性能的合成孔径雷达技术的军事应用。1988年至2005年间,美国先后发射了五颗“长曲棍球”合成孔径雷达卫星,形成了一个军用地对地雷达图像侦察卫星星座。第一颗和第二颗卫星在1997年和2011年出现故障。三颗卫星目前在轨道上,业内估计它们的分辨率约为30万..这些卫星在海湾战争等局部冲突中发挥了巨大作用。负责这些“间谍”卫星的国家侦察办公室一直对这些事情保密。

然而,欧洲在美国星载合成孔径雷达技术的发展上也不甘落后。1991年7月,欧洲航天局用阿丽亚娜4号火箭发射了欧洲遥感卫星1号。这颗卫星使用法国mk-1平台,携带C波段合成孔径雷达。

欧洲航天局于1991年7月使用阿丽亚娜4号火箭发射了地球资源卫星ers-1。

此后,“雄心勃勃”的欧洲航天局使用阿丽亚娜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8211公斤的合成孔径雷达卫星ENVISAT,该卫星携带319公斤推进剂和9个科学仪器,使用寿命为5年。许多学科可以将从卫星上不同传感器获得的数据用于科学研究。

Envisat最初计划工作5年,但实际上工作了10年。任务于2012年5月结束后,这颗卫星变成了一个巨大的太空垃圾。

目前,在星载合成孔径雷达方面,除了美国和欧盟之外,俄罗斯、日本、以色列、韩国、印度等国家都在大力开展星载合成孔径雷达技术的研究,纷纷将星载合成孔径雷达送入太空。

美国商业星载合成孔径雷达落后并赶上欧盟

nsr(卫星和空间市场咨询服务)报告指出,未来几年高分辨率雷达的数据客户数量将大幅增加,到2025年,sar图像的累计收入预计将达到62亿美元,85%的地球观测业务集中在北美、欧洲和亚洲。

nsr报告认为非常高的分辨率(

然而,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。只有少数国家有能力使用它。虽然美国在发展星载合成孔径雷达方面处于领先地位,但加拿大是星载合成孔径雷达商业运营的重要“推动者”。

1995年,加拿大的雷达卫星-1号卫星发射时有7类多达25种工作模式,以满足不同的需求,标志着星载合成孔径雷达技术的商业化运作。然而,加拿大引进的雷达卫星系统分辨率低,精度难以满足某些领域的需要。

加拿大航天局位于安大略省渥太华的大卫·佛罗里达实验室的雷达卫星1号正在测试和组装。

高分辨率雷达星载合成孔径雷达的商业应用始于德国和意大利。他们分别发射了民用X波段合成孔径雷达卫星terrasar-x和X波段cosmo skymed。这些系统为市场提供亚米雷达分辨率。

在相关的航天工业市场报告中,欧洲航天局的合成孔径雷达业务在2017年占据了最大的市场份额,预计到2024年将超过23亿美元。

2018年合成孔径雷达市场价值为24.5亿美元,预计到2024年将达到51.8亿美元。预测期间(2019年至2024年)的复合年增长率为11.6%。资料来源:魔多情报

美国商业星载合成孔径雷达的概念落后,严格的技术控制已经实施。就商业星载合成孔径雷达而言,美国近年来才予以关注。直到2015年,美国政府一直严格控制高分辨率商业遥感卫星,并对合成孔径雷达系统和数据实施比光学系统更严格的控制。直到美国xpresssar公司获得商务部颁发的许可证,它才开始运营商业天基遥感系统,以获取地面亚米分辨率数据。

目前,美国商业特区的步伐已经加快。就在去年,卡佩拉航天公司发射了第一颗美国商业合成孔径雷达卫星。

capella space首席执行官佩恩·巴纳扎德(Payam banazadeh)在其个人社交媒体中指出,德国和意大利对高分辨率合成孔径雷达卫星的商业使用让美国监管机构意识到,他们低估了其他国家建造合成孔径雷达卫星的能力,在美国限制商业合成孔径雷达是错误的。然而,美国从德国、意大利和加拿大的商业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。此外,美国不会允许其他国家抢占特区的民用市场蛋糕。

帕扬巴纳扎德(Paryambanazad)表示,他的公司的使命是在商业上“将sar带回美国”,目标是组建一支由36颗小型卫星组成的舰队,提供高分辨率和持久的全球覆盖。

capella space首席执行官

目前,航天领域sar市场的主要竞争对手包括空客、卡佩拉航天、bae系统、iceye、哈里斯、洛克希德·马丁、以色列航空工业、诺斯罗普·格鲁曼、mda信息系统、泰利斯集团、雷声公司和uthercast。

对中国的航天特区来说,好消息还在继续

中国对合成孔径雷达的研究始于20世纪70年代。1979年,中国科学院电子研究所获得了中国第一张合成孔径雷达图像。此后,电子研究所率先攻克了一系列合成孔径雷达系统和核心关键技术,开发了第一个极化合成孔径雷达、第一个多维合成孔径雷达和分辨率优于0.1m的机载合成孔径雷达。在星载合成孔径雷达方面,电子研究所于1997年完成了L波段星载合成孔径雷达工程样机的研制,并于2012年成功发射了第一颗民用合成孔径雷达卫星环境卫星C (hj-1c)。

2016年8月10日,高分三号卫星发射升空。这是中国第一颗分辨率为1米的C波段合成孔径雷达卫星。与高分一号和高芬二号的光学成像相比,高芬三号可以全天24小时观察地球表面。

高芬3号卫星在太原卫星发射中心成功发射

2016年8月16日,高芬3号卫星拍摄的北京首都机场图像在地面接收。

今年7月,印度洪灾后,应《国际空间与重大灾害宪章》的要求,中国国家航天局启动了卫星应急机制,组织中国资源卫星中心开展应急救援行动,并派出高芬一号、二号和三号对印度洪灾地区进行反复成像,为印度洪灾探测提供空间技术支持。

据新华社此前报道,由中国航天科技第二十三研究所开发的中国首款太赫兹视频合成孔径雷达也进行了飞行试验,并成功获得了中国首套太赫兹视频合成孔径雷达图像结果。与传统合成孔径雷达相比,太赫兹视频合成孔径雷达具有更短的波长、更高的目标成像精度、反隐身性和对大多数非金属材料的透视性。

吴一戎院士突破sar技术发展瓶颈

随着各国继续追求高分辨率星载合成孔径雷达技术,合成孔径雷达系统的性能正在接近极限。微波成像理论产生于上世纪50年代。在接下来的半个世纪里,尽管它的理论得到了不断的完善,却没有革命性的创新。

事实上,几十年来支持合成孔径雷达系统性能快速发展的是摩尔定律快速发展下的电子材料和器件。然而,电子设备的性能不可能无限期地提高,摩尔定律由于量子效应已经走到了尽头。此外,随着系统性能的提高,雷达系统的复杂性也在不断增加,这给sar系统的设计和实现带来了越来越多的困难。

作者从事地球物理勘探,对此有很大的感触。在地球物理勘探中,系统越复杂,在实际应用中就越容易出现各种故障,检修时查找故障点需要很长时间。此外,与sar雷达数据类似,从地球物理勘探中获得的许多数据都是无用的数据。这些冗余数据持续消耗内存并占用大量处理时间。

因此,为了解决冗余数据和复杂系统设计的问题,业内专家指出,要提高sar系统的性能,应从微波成像理论中寻求突破。

sar系统的复杂性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。雷达分辨率理论和奈奎斯特采样定理都是普遍的理论,不能违背。

中国科学院吴一戎院士提出了稀疏微波成像的概念,将稀疏信号处理理论引入微波成像,并将二者有机结合,形成了一种新的微波成像理论。它不仅有潜力实现性能指标更好的sar系统,而且可以提高现有雷达系统的成像性能。由于这一成就,吴一戎院士获得了2018年陈嘉庚科学奖。

星载稀疏微波成像设计原理框图

现有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系统设计复杂,处理数据量大,难以获得有效的特征信息。

稀疏信号处理本质上是一种从包含大量冗余信息的原始数据中提取尽可能少的采样数据,并有效逼近和恢复原始信号的信息处理技术。

2013年9月,中国科学院电子研究所在天津沿海地区进行了稀疏微波成像原理机的飞行验证。实验验证了稀疏微波成像原理和方法的可行性。此后,我们成功地在卫星上、飞机上和地面上进行了原理验证试验。

结束语

Sar技术因其全天候观测的优势,自诞生以来一直受到人们的重视。所有国家都在增加这一领域的技术投资。然而,由于“过于谨慎”,技术先进的美国在商业星载合成孔径雷达领域落后于欧洲联盟。现在,它也在加速追赶。中国的特别行政区产业也取得了长足的进步,理论创新也取得了突破。

这篇文章是Observer.com的独家手稿。未经授权不得复制。


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