谈谈中国在合成孔径雷达技术上的突破

  • 来源:讯媒
  • 2019-09-19
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

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。

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