賈平 于海鋒 王小慶

（1 中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，2 北京空間飛行器總體設(shè)計部，3 戰(zhàn)略支援部隊航天系統(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（SAR）衛(wèi)星驗證了視頻生成能力，幀頻1幀/2s。這是世界首次基于微衛(wèi)星的天基視頻SAR在軌驗證，將推動低成本天基全天時、全天候、全球動態(tài)目標監(jiān)視能力發(fā)展。

1 概述

在傳統(tǒng)機載視頻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)上進一步發(fā)展，組網(wǎng)后可實現(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；通過對接收信號的處理，探測到地物后向散射系數(shù)的二維分布，從而獲得地物圖像。在垂直雷達運動的方向用線性調(diào)頻信號獲得距離向高分辨率；在雷達運動方向通過相對地面目標運動獲取大合成孔徑，得到方位向高分辨率。SAR具有全天時、全天候、高分辨率、可穿透云霧等優(yōu)點。

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，主要通過對地面區(qū)域持續(xù)照射，依靠方位向大轉(zhuǎn)角成像，并對地面目標散射的回波進行持續(xù)成像處理，形成高幀率的連續(xù)幀圖像，呈現(xiàn)出目標變化情況。視頻SAR采用方位向多次時間分割的方法，有兩種成像模式：一是針對目標區(qū)域連續(xù)凝視成像，對成像數(shù)據(jù)進行分割后，形成多個子孔徑，每個子孔徑成像為一幀，連續(xù)播放多幀圖像，即形成視頻效果；二是針對同一目標區(qū)域一次過頂，采用多方位角、分時非連續(xù)成像，每個方位角成像為一幀，對多幀圖像進行連續(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以機載為主。目前，美國桑迪亞國家實驗室已將視頻SAR模塊集成到多部SAR系統(tǒng)中，并部署于飛機平臺。美國國防高級研究計劃局（DARPA）于2012年啟動視頻SAR項目，旨在研制和驗證高幀率機載視頻SAR系統(tǒng)，已開展多次飛行試驗，驗證了針對地面運動目標的實時成像能力。此外，加拿大、韓國、德國等也不同程度地開展了機載視頻SAR研究。

天基視頻SAR研究較為鮮見。雖然天基SAR已應(yīng)用，但天基視頻SAR研究鮮見，只有芬蘭公開宣布實現(xiàn)天基視頻SAR在軌驗證。天基視頻SAR以衛(wèi)星作為平臺，結(jié)合了天基SAR成像技術(shù)和視頻顯示技術(shù)，比機載視頻SAR成像范圍更大，組成星座后可實現(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，進一步處理成視頻SAR的每幀分辨率會進一步降低。

2 “冰眼”SAR星座和視頻SAR驗證情況

冰眼公司表示，“冰眼”星座是世界首個單星質(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、相控陣天線和離子電推進系統(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，正在開發(fā)掃描成像模式。聚束模式尤其適用于探測復(fù)雜環(huán)境下目標的微小變化，通過相控陣電掃描天線成像，衛(wèi)星長時間聚焦于小面積區(qū)域獲取大量數(shù)據(jù)，并通過調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)增大合成孔徑，再將數(shù)據(jù)處理成更細致的圖像。條帶模式適用于監(jiān)視與探測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。通過采用最先進的技術(shù)和設(shè)計理念、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)團隊等，實現(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。該公司計劃每年發(fā)射多顆新衛(wèi)星，在2020年底實現(xiàn)6顆以上衛(wèi)星組網(wǎng)，2021年底實現(xiàn)18顆衛(wèi)星組網(wǎng)，達到3h的平均全球重訪周期。

“冰眼”SAR星座的進展情況

“冰眼”星座起源于2012年開設(shè)的大學(xué)SAR課程，陸續(xù)獲得來自歐洲“地平線2020”計劃、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5300萬美元。該星座自2018年首顆試驗衛(wèi)星入軌以來發(fā)展迅速。2020年3月，星座方位向分辨率達0.25m，距離向分辨率達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[1]

視頻SAR驗證任務(wù)情況和計劃

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，在單星過頂指定區(qū)域時采用連續(xù)凝視成像方法；通過單星靈活的轉(zhuǎn)向能力，延長持續(xù)跟蹤目標時間，獲得大合成孔徑，彌補圖像數(shù)據(jù)處理成視頻帶來的單幀分辨率的下降問題。

2)視頻內(nèi)容與效果。此次任務(wù)針對多個國家和地區(qū)的目標拍攝視頻。視頻內(nèi)容包括：韓國釜山港口移動的船只、英國西斯羅機場行駛的飛機、拉斯維加斯的城市生活、猶他州賓厄姆峽谷礦的采礦活動、東京新宿的城市生活[2]。單星針對每個區(qū)域的凝視時間大于20s，在地面利用冰眼公司改進的硬件和數(shù)據(jù)處理軟件，將成像數(shù)據(jù)處理成10個高分辨率幀，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)專家分析，此次視頻驗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，突破了寬帶信號的大角度掃描切換帶來的增益下降、色散等難題，以實現(xiàn)方位向多幀圖像；對多個子孔徑成像進行匹配校準，以實現(xiàn)較好的視頻效果。

“冰眼”SAR星座的進展情況

釜山港口移動的船只圖像

猶他州賓厄姆峽谷礦的采礦活動圖像

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

3 分析

此次芬蘭的在軌驗證任務(wù)開啟了天基視頻SAR的商業(yè)應(yīng)用之門，可通過微衛(wèi)星為政府和軍方提供低成本動態(tài)目標監(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)揮其全球動態(tài)目標監(jiān)視優(yōu)勢。

提供了一種全天時、全天候、全球動態(tài)目標監(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)信息擴展為距離、方位和時間三維動態(tài)信息，可視化表達目標動向，有助于分析人員更深入地進行技術(shù)分析并支撐指揮官決策。天基視頻SAR不僅可實現(xiàn)全天時、全天候工作，還可通過組網(wǎng)監(jiān)視全球移動目標，比傳統(tǒng)機載視頻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)同的動態(tài)目標偵察體系

天基視頻SAR與機載視頻SAR和天基光學(xué)視頻系統(tǒng)各具優(yōu)勢。天基光學(xué)視頻成像系統(tǒng)適合在晴朗日間條件下開展全球高分辨率監(jiān)視；天基視頻SAR可填補前者在云層、煙霧、沙塵等低能見度條件下的成像能力空缺；機載視頻SAR可滿足靈活機動的戰(zhàn)術(shù)偵察需求。隨著天基視頻SAR的部署運用，未來三者將協(xié)同構(gòu)成多源、多層、立體、高效互補的一體化動態(tài)目標偵察體系，進一步提升戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)動態(tài)偵察能力。

此次驗證成功歸因于融資能力強、技術(shù)基礎(chǔ)和管理水平先進

一是“冰眼”星座不僅獲得了歐洲創(chuàng)新計劃以及芬蘭政府的資助，還獲得來自諸多公司的融資，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)團隊緊密合作，供應(yīng)鏈管理先進，加快了研發(fā)衛(wèi)星的速度。