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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
最后更新: 2019-09-18 09:02:26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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