芬蘭率先開(kāi)展基于微衛(wèi)星的天基視頻SAR技術(shù)驗(yàn)證

賈平 于海鋒 王小慶

（1 中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，3 戰(zhàn)略支援部隊(duì)航天系統(tǒng)部裝備部）

2020年3月，芬蘭冰眼公司（ICEYE）宣布利用100kg以下的“冰眼”商業(yè)合成孔徑雷達(dá)（SAR）衛(wèi)星驗(yàn)證了視頻生成能力，幀頻1幀/2s。這是世界首次基于微衛(wèi)星的天基視頻SAR在軌驗(yàn)證，將推動(dòng)低成本天基全天時(shí)、全天候、全球動(dòng)態(tài)目標(biāo)監(jiān)視能力發(fā)展。

1 概述

在傳統(tǒng)機(jī)載視頻SAR和天基SAR技術(shù)逐漸成熟的背景下，天基視頻SAR在二者基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展，組網(wǎng)后可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。

天基視頻SAR相關(guān)技術(shù)基本情況

SAR是一種有源微波遙感成像設(shè)備，發(fā)出的微波脈沖經(jīng)地物后向散射，再經(jīng)SAR接收；通過(guò)對(duì)接收信號(hào)的處理，探測(cè)到地物后向散射系數(shù)的二維分布，從而獲得地物圖像。在垂直雷達(dá)運(yùn)動(dòng)的方向用線性調(diào)頻信號(hào)獲得距離向高分辨率；在雷達(dá)運(yùn)動(dòng)方向通過(guò)相對(duì)地面目標(biāo)運(yùn)動(dòng)獲取大合成孔徑，得到方位向高分辨率。SAR具有全天時(shí)、全天候、高分辨率、可穿透云霧等優(yōu)點(diǎn)。

視頻SAR本質(zhì)是在滿足一定幀率和分辨率前提下的一系列SAR 圖像，主要通過(guò)對(duì)地面區(qū)域持續(xù)照射，依靠方位向大轉(zhuǎn)角成像，并對(duì)地面目標(biāo)散射的回波進(jìn)行持續(xù)成像處理，形成高幀率的連續(xù)幀圖像，呈現(xiàn)出目標(biāo)變化情況。視頻SAR采用方位向多次時(shí)間分割的方法，有兩種成像模式：一是針對(duì)目標(biāo)區(qū)域連續(xù)凝視成像，對(duì)成像數(shù)據(jù)進(jìn)行分割后，形成多個(gè)子孔徑，每個(gè)子孔徑成像為一幀，連續(xù)播放多幀圖像，即形成視頻效果；二是針對(duì)同一目標(biāo)區(qū)域一次過(guò)頂，采用多方位角、分時(shí)非連續(xù)成像，每個(gè)方位角成像為一幀，對(duì)多幀圖像進(jìn)行連續(xù)播放，形成視頻效果。

天基視頻SAR發(fā)展背景

當(dāng)前視頻SAR以機(jī)載為主。目前，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室已將視頻SAR模塊集成到多部SAR系統(tǒng)中，并部署于飛機(jī)平臺(tái)。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）于2012年啟動(dòng)視頻SAR項(xiàng)目，旨在研制和驗(yàn)證高幀率機(jī)載視頻SAR系統(tǒng)，已開(kāi)展多次飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了針對(duì)地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)成像能力。此外，加拿大、韓國(guó)、德國(guó)等也不同程度地開(kāi)展了機(jī)載視頻SAR研究。

天基視頻SAR研究較為鮮見(jiàn)。雖然天基SAR已應(yīng)用，但天基視頻SAR研究鮮見(jiàn)，只有芬蘭公開(kāi)宣布實(shí)現(xiàn)天基視頻SAR在軌驗(yàn)證。天基視頻SAR以衛(wèi)星作為平臺(tái)，結(jié)合了天基SAR成像技術(shù)和視頻顯示技術(shù)，比機(jī)載視頻SAR成像范圍更大，組成星座后可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。限制天基視頻SAR應(yīng)用的主要原因在于目前天基SAR衛(wèi)星的圖像分辨率通常較低，進(jìn)一步處理成視頻SAR的每幀分辨率會(huì)進(jìn)一步降低。

2 “冰眼”SAR星座和視頻SAR驗(yàn)證情況

冰眼公司表示，“冰眼”星座是世界首個(gè)單星質(zhì)量小于100kg、可提供優(yōu)于1m分辨率、覆蓋范圍最廣的商業(yè)SAR星座。在此基礎(chǔ)上，該公司驗(yàn)證了天基視頻SAR的可行性。

“冰眼”SAR星座的構(gòu)成與性能

“冰眼”SAR星座目前由3顆微衛(wèi)星構(gòu)成，軌道高度570km；每顆衛(wèi)星裝有合成孔徑雷達(dá)、相控陣天線和離子電推進(jìn)系統(tǒng)；工作在可穿透云層的X頻段，有聚束和條帶兩種成像模式，正在開(kāi)發(fā)掃描成像模式。聚束模式尤其適用于探測(cè)復(fù)雜環(huán)境下目標(biāo)的微小變化，通過(guò)相控陣電掃描天線成像，衛(wèi)星長(zhǎng)時(shí)間聚焦于小面積區(qū)域獲取大量數(shù)據(jù)，并通過(guò)調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)增大合成孔徑，再將數(shù)據(jù)處理成更細(xì)致的圖像。條帶模式適用于監(jiān)視與探測(cè)大范圍海洋與陸地區(qū)域變化。

該星座中的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、成本低、能耗小。通過(guò)采用最先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)計(jì)理念、商業(yè)現(xiàn)貨部件、緊湊的供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)、緊密協(xié)作的研發(fā)團(tuán)隊(duì)等，實(shí)現(xiàn)僅數(shù)周的衛(wèi)星研發(fā)周期。目前，該星座全球重訪周期短于20h。該公司計(jì)劃每年發(fā)射多顆新衛(wèi)星，在2020年底實(shí)現(xiàn)6顆以上衛(wèi)星組網(wǎng)，2021年底實(shí)現(xiàn)18顆衛(wèi)星組網(wǎng)，達(dá)到3h的平均全球重訪周期。

“冰眼”SAR星座的進(jìn)展情況

“冰眼”星座起源于2012年開(kāi)設(shè)的大學(xué)SAR課程，陸續(xù)獲得來(lái)自歐洲“地平線2020”計(jì)劃、芬蘭政府、芬蘭創(chuàng)新資助局以及多家公司的資助，迄今，其總?cè)谫Y額達(dá)5300萬(wàn)美元。該星座自2018年首顆試驗(yàn)衛(wèi)星入軌以來(lái)發(fā)展迅速。2020年3月，星座方位向分辨率達(dá)0.25m，距離向分辨率達(dá)0.5m，相當(dāng)于當(dāng)前大型商業(yè)SAR衛(wèi)星的最高分辨率。

“冰眼”SAR星座性能指標(biāo)[1]

視頻SAR驗(yàn)證任務(wù)情況和計(jì)劃

1)技術(shù)方案。該任務(wù)在“冰眼”衛(wèi)星的高分辨率相控陣天線電掃描SAR成像技術(shù)基礎(chǔ)上，在單星過(guò)頂指定區(qū)域時(shí)采用連續(xù)凝視成像方法；通過(guò)單星靈活的轉(zhuǎn)向能力，延長(zhǎng)持續(xù)跟蹤目標(biāo)時(shí)間，獲得大合成孔徑，彌補(bǔ)圖像數(shù)據(jù)處理成視頻帶來(lái)的單幀分辨率的下降問(wèn)題。

2)視頻內(nèi)容與效果。此次任務(wù)針對(duì)多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的目標(biāo)拍攝視頻。視頻內(nèi)容包括：韓國(guó)釜山港口移動(dòng)的船只、英國(guó)西斯羅機(jī)場(chǎng)行駛的飛機(jī)、拉斯維加斯的城市生活、猶他州賓厄姆峽谷礦的采礦活動(dòng)、東京新宿的城市生活[2]。單星針對(duì)每個(gè)區(qū)域的凝視時(shí)間大于20s，在地面利用冰眼公司改進(jìn)的硬件和數(shù)據(jù)處理軟件，將成像數(shù)據(jù)處理成10個(gè)高分辨率幀，幀頻為1幀/2s，每幀分辨率為1m[2]。

3)突破的技術(shù)和能力。據(jù)技術(shù)專(zhuān)家分析，此次視頻驗(yàn)證表明該公司突破了以下技術(shù)和能力：距離向具備大帶寬信號(hào)收發(fā)能力；天線具備波束大角度掃描切換能力，突破了寬帶信號(hào)的大角度掃描切換帶來(lái)的增益下降、色散等難題，以實(shí)現(xiàn)方位向多幀圖像；對(duì)多個(gè)子孔徑成像進(jìn)行匹配校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)較好的視頻效果。

“冰眼”SAR星座的進(jìn)展情況

釜山港口移動(dòng)的船只圖像

猶他州賓厄姆峽谷礦的采礦活動(dòng)圖像

4)未來(lái)計(jì)劃。冰眼公司仍在改進(jìn)視頻SAR產(chǎn)品，計(jì)劃2020年底提供視頻SAR商業(yè)服務(wù)，將以標(biāo)準(zhǔn)地理信息系統(tǒng)工具兼容的格式為客戶提供每一幀數(shù)據(jù)。

3 分析

此次芬蘭的在軌驗(yàn)證任務(wù)開(kāi)啟了天基視頻SAR的商業(yè)應(yīng)用之門(mén)，可通過(guò)微衛(wèi)星為政府和軍方提供低成本動(dòng)態(tài)目標(biāo)監(jiān)視服務(wù)。天基視頻SAR大規(guī)模應(yīng)用后，有望成為偵察體系的重要組成部分，發(fā)揮其全球動(dòng)態(tài)目標(biāo)監(jiān)視優(yōu)勢(shì)。

提供了一種全天時(shí)、全天候、全球動(dòng)態(tài)目標(biāo)監(jiān)視新能力

天基視頻SAR將傳統(tǒng)天基SAR圖像的距離和方位二維靜態(tài)信息擴(kuò)展為距離、方位和時(shí)間三維動(dòng)態(tài)信息，可視化表達(dá)目標(biāo)動(dòng)向，有助于分析人員更深入地進(jìn)行技術(shù)分析并支撐指揮官?zèng)Q策。天基視頻SAR不僅可實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候工作，還可通過(guò)組網(wǎng)監(jiān)視全球移動(dòng)目標(biāo)，比傳統(tǒng)機(jī)載視頻SAR偵察范圍更廣，但靈活性較弱。

將與其他系統(tǒng)構(gòu)成多源協(xié)同的動(dòng)態(tài)目標(biāo)偵察體系

天基視頻SAR與機(jī)載視頻SAR和天基光學(xué)視頻系統(tǒng)各具優(yōu)勢(shì)。天基光學(xué)視頻成像系統(tǒng)適合在晴朗日間條件下開(kāi)展全球高分辨率監(jiān)視；天基視頻SAR可填補(bǔ)前者在云層、煙霧、沙塵等低能見(jiàn)度條件下的成像能力空缺；機(jī)載視頻SAR可滿足靈活機(jī)動(dòng)的戰(zhàn)術(shù)偵察需求。隨著天基視頻SAR的部署運(yùn)用，未來(lái)三者將協(xié)同構(gòu)成多源、多層、立體、高效互補(bǔ)的一體化動(dòng)態(tài)目標(biāo)偵察體系，進(jìn)一步提升戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)動(dòng)態(tài)偵察能力。

此次驗(yàn)證成功歸因于融資能力強(qiáng)、技術(shù)基礎(chǔ)和管理水平先進(jìn)

一是“冰眼”星座不僅獲得了歐洲創(chuàng)新計(jì)劃以及芬蘭政府的資助，還獲得來(lái)自諸多公司的融資，得到了充分的資金保障；二是“冰眼”星座先進(jìn)的微衛(wèi)星技術(shù)水平和高分辨率成像能力為微衛(wèi)星天基視頻SAR能力發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；三是研發(fā)團(tuán)隊(duì)緊密合作，供應(yīng)鏈管理先進(jìn)，加快了研發(fā)衛(wèi)星的速度。