科工力量:談談中國在合成孔徑雷達技術上的突破

【文/科工力量專欄作者 柳葉刀】

在2018年的陳嘉庚科學獎的6個獲獎項目中，《基於L（1/2）正則化理論的稀疏雷達成像》項目獲得陳嘉庚信息技術科學獎，而該項目的主要完成人就是中國科學院空天信息研究院院長吳一戎院士。

吳一戎正是由於提出稀疏微波成像概念，突破合成孔徑雷達技術瓶頸，成功研製全球首部稀疏微波成像雷達樣機，並證明了新技術的正確性和有效性，因此獲得陳嘉庚科學獎。要了解稀疏微波成像，還得從微波成像雷達說起。

日常生活中讀者對「雷達」這個名詞並不陌生，雷達的發展開始於第二次世界大戰，通過向空中發射和接收電磁波，預防敵方戰機。而微波成像就起源於雷達技術，以電磁波頻譜中的微波波段作為探測手段，利用傳感器接收被觀測對象的散射特徵。

微波成像相比於光學成像有很大的優勢，光學成像是一種被動遙感，被動接收物體的光反射，在沒有陽光或者人工光源的情況下，無法工作。而微波恰好可以克服這些缺點，採用主動遙感的方式，受到大氣、雲層的影響較小，可以全天時全天候工作。

左圖：光學成像屬於被動遙感   右圖：微波成像屬於主動遙感

但是想要在700千米的外太空，觀測地球上小尺寸的物體，就要求微波成像雷達具有高解析度，雷達的孔徑必須是千米級別，但是基於成本、機載與星載平臺的空間，雷達的尺寸不能太大。

上個世紀50年代，美國特異公司的卡爾•威利（Carl Wiley）發現，利用都卜勒頻移處理，在不增大雷達體積的情況下，實現高解析度雷達成像，以此逐漸發展成今天被人熟知的合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）。

在觀測時，雷達與被觀測目標之間存在相對運動，合成孔徑雷達就是在目標的移動的路徑上間隔取樣，相干累加，獲得與大尺寸雷達觀測相同的效果。打一個很形象的比喻，類似於「多軌道錄音」，一位通曉各種樂器的演奏家，將他演奏的各種樂器錄下來，再將這些聲音合成在一起，就等於一個人演奏交響樂。

星載SAR：在目標的飛行路徑上間隔取樣，相干累加，獲得與大尺寸雷達觀測相同的效果

SAR作為一種獨特的成像技術，可以穿透雲層進行夜間成像，它是持續監測地球的重要工具。而且，SAR可以在圖像中識別出材料屬性、溼度等信息，提取到在光學成像中不明顯的高價值信息，在軍事方面具有重大的意義。

各國星載SAR技術發展迅猛

美國從上個世紀中期就開始了星載SAR的研製，1978年，美國國家航空航天局噴氣推進實驗室發射了世界上第一顆載有SAR的海洋衛星SEASAT，工作在L波段，成功的完成了對地觀測任務，獲得了大量高清的雷達圖像，開啟了太空對地觀測新時代。

世界上第一顆載有SAR的海洋衛星SEASAT

在此基礎上，美國又分別於1981年、1984年、1994年將SIR-A、SIR-B、SIR-C/X-SAR三部雷達送入太空，美國利用這些雷達對地球表面測繪，獲得了大量信息。