芬兰率先开展基于微卫星的天基视频SAR技术验证

2020-11-18贾平于海锋王小庆

国际太空 2020年10期

贾平于海锋王小庆

（1 中国航天系统科学与工程研究院，2 北京空间飞行器总体设计部，3 战略支援部队航天系统部装备部）

2020年3月，芬兰冰眼公司（ICEYE）宣布利用100kg以下的“冰眼”商业合成孔径雷达（SAR）卫星验证了视频生成能力，帧频1帧/2s。这是世界首次基于微卫星的天基视频SAR在轨验证，将推动低成本天基全天时、全天候、全球动态目标监视能力发展。

1 概述

在传统机载视频SAR和天基SAR技术逐渐成熟的背景下，天基视频SAR在二者基础上进一步发展，组网后可实现全球覆盖。

天基视频SAR相关技术基本情况

SAR是一种有源微波遥感成像设备，发出的微波脉冲经地物后向散射，再经SAR接收；通过对接收信号的处理，探测到地物后向散射系数的二维分布，从而获得地物图像。在垂直雷达运动的方向用线性调频信号获得距离向高分辨率；在雷达运动方向通过相对地面目标运动获取大合成孔径，得到方位向高分辨率。SAR具有全天时、全天候、高分辨率、可穿透云雾等优点。

视频SAR本质是在满足一定帧率和分辨率前提下的一系列SAR 图像，主要通过对地面区域持续照射，依靠方位向大转角成像，并对地面目标散射的回波进行持续成像处理，形成高帧率的连续帧图像，呈现出目标变化情况。视频SAR采用方位向多次时间分割的方法，有两种成像模式：一是针对目标区域连续凝视成像，对成像数据进行分割后，形成多个子孔径，每个子孔径成像为一帧，连续播放多帧图像，即形成视频效果；二是针对同一目标区域一次过顶，采用多方位角、分时非连续成像，每个方位角成像为一帧，对多帧图像进行连续播放，形成视频效果。

天基视频SAR发展背景

当前视频SAR以机载为主。目前，美国桑迪亚国家实验室已将视频SAR模块集成到多部SAR系统中，并部署于飞机平台。美国国防高级研究计划局（DARPA）于2012年启动视频SAR项目，旨在研制和验证高帧率机载视频SAR系统，已开展多次飞行试验，验证了针对地面运动目标的实时成像能力。此外，加拿大、韩国、德国等也不同程度地开展了机载视频SAR研究。

天基视频SAR研究较为鲜见。虽然天基SAR已应用，但天基视频SAR研究鲜见，只有芬兰公开宣布实现天基视频SAR在轨验证。天基视频SAR以卫星作为平台，结合了天基SAR成像技术和视频显示技术，比机载视频SAR成像范围更大，组成星座后可实现全球覆盖。限制天基视频SAR应用的主要原因在于目前天基SAR卫星的图像分辨率通常较低，进一步处理成视频SAR的每帧分辨率会进一步降低。

2 “冰眼”SAR星座和视频SAR验证情况

冰眼公司表示，“冰眼”星座是世界首个单星质量小于100kg、可提供优于1m分辨率、覆盖范围最广的商业SAR星座。在此基础上，该公司验证了天基视频SAR的可行性。

“冰眼”SAR星座的构成与性能

“冰眼”SAR星座目前由3颗微卫星构成，轨道高度570km；每颗卫星装有合成孔径雷达、相控阵天线和离子电推进系统；工作在可穿透云层的X频段，有聚束和条带两种成像模式，正在开发扫描成像模式。聚束模式尤其适用于探测复杂环境下目标的微小变化，通过相控阵电扫描天线成像，卫星长时间聚焦于小面积区域获取大量数据，并通过调整卫星姿态增大合成孔径，再将数据处理成更细致的图像。条带模式适用于监视与探测大范围海洋与陆地区域变化。

该星座中的卫星结构紧凑、质量轻、成本低、能耗小。通过采用最先进的技术和设计理念、商业现货部件、紧凑的供应链结构、紧密协作的研发团队等，实现仅数周的卫星研发周期。目前，该星座全球重访周期短于20h。该公司计划每年发射多颗新卫星，在2020年底实现6颗以上卫星组网，2021年底实现18颗卫星组网，达到3h的平均全球重访周期。

“冰眼”SAR星座的进展情况

“冰眼”星座起源于2012年开设的大学SAR课程，陆续获得来自欧洲“地平线2020”计划、芬兰政府、芬兰创新资助局以及多家公司的资助，迄今，其总融资额达5300万美元。该星座自2018年首颗试验卫星入轨以来发展迅速。2020年3月，星座方位向分辨率达0.25m，距离向分辨率达0.5m，相当于当前大型商业SAR卫星的最高分辨率。

“冰眼”SAR星座性能指标[1]

视频SAR验证任务情况和计划

1)技术方案。该任务在“冰眼”卫星的高分辨率相控阵天线电扫描SAR成像技术基础上，在单星过顶指定区域时采用连续凝视成像方法；通过单星灵活的转向能力，延长持续跟踪目标时间，获得大合成孔径，弥补图像数据处理成视频带来的单帧分辨率的下降问题。

2)视频内容与效果。此次任务针对多个国家和地区的目标拍摄视频。视频内容包括：韩国釜山港口移动的船只、英国西斯罗机场行驶的飞机、拉斯维加斯的城市生活、犹他州宾厄姆峡谷矿的采矿活动、东京新宿的城市生活[2]。单星针对每个区域的凝视时间大于20s，在地面利用冰眼公司改进的硬件和数据处理软件，将成像数据处理成10个高分辨率帧，帧频为1帧/2s，每帧分辨率为1m[2]。

3)突破的技术和能力。据技术专家分析，此次视频验证表明该公司突破了以下技术和能力：距离向具备大带宽信号收发能力；天线具备波束大角度扫描切换能力，突破了宽带信号的大角度扫描切换带来的增益下降、色散等难题，以实现方位向多帧图像；对多个子孔径成像进行匹配校准，以实现较好的视频效果。

“冰眼”SAR星座的进展情况

釜山港口移动的船只图像

犹他州宾厄姆峡谷矿的采矿活动图像

4)未来计划。冰眼公司仍在改进视频SAR产品，计划2020年底提供视频SAR商业服务，将以标准地理信息系统工具兼容的格式为客户提供每一帧数据。

3 分析

此次芬兰的在轨验证任务开启了天基视频SAR的商业应用之门，可通过微卫星为政府和军方提供低成本动态目标监视服务。天基视频SAR大规模应用后，有望成为侦察体系的重要组成部分，发挥其全球动态目标监视优势。

提供了一种全天时、全天候、全球动态目标监视新能力

天基视频SAR将传统天基SAR图像的距离和方位二维静态信息扩展为距离、方位和时间三维动态信息，可视化表达目标动向，有助于分析人员更深入地进行技术分析并支撑指挥官决策。天基视频SAR不仅可实现全天时、全天候工作，还可通过组网监视全球移动目标，比传统机载视频SAR侦察范围更广，但灵活性较弱。

将与其他系统构成多源协同的动态目标侦察体系

天基视频SAR与机载视频SAR和天基光学视频系统各具优势。天基光学视频成像系统适合在晴朗日间条件下开展全球高分辨率监视；天基视频SAR可填补前者在云层、烟雾、沙尘等低能见度条件下的成像能力空缺；机载视频SAR可满足灵活机动的战术侦察需求。随着天基视频SAR的部署运用，未来三者将协同构成多源、多层、立体、高效互补的一体化动态目标侦察体系，进一步提升战略和战术动态侦察能力。