芬蘭率先開展基于微衛星的天基視頻SAR技術驗證

賈平 于海鋒 王小慶

（1 中國航天系統科學與工程研究院，2 北京空間飛行器總體設計部，3 戰略支援部隊航天系統部裝備部）

2020年3月，芬蘭冰眼公司（ICEYE）宣布利用100kg以下的“冰眼”商業合成孔徑雷達（SAR）衛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、全球動態目標監視能力發展。

1 概述

在傳統機載視頻SAR和天基SAR技術逐漸成熟的背景下，天基視頻SAR在二者基礎上進一步發展，組網后可實現全球覆蓋。

天基視頻SAR相關技術基本情況

SAR是一種有源微波遙感成像設備，發出的微波脈沖經地物后向散射，再經SAR接收；通過對接收信號的處理，探測到地物后向散射系數的二維分布，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、可穿透云霧等優點。

視頻SAR本質是在滿足一定幀率和分辨率前提下的一系列SAR 圖像，主要通過對地面區域持續照射，依靠方位向大轉角成像，并對地面目標散射的回波進行持續成像處理，形成高幀率的連續幀圖像，呈現出目標變化情況。視頻SAR采用方位向多次時間分割的方法，有兩種成像模式：一是針對目標區域連續凝視成像，對成像數據進行分割后，形成多個子孔徑，每個子孔徑成像為一幀，連續播放多幀圖像，即形成視頻效果；二是針對同一目標區域一次過頂，采用多方位角、分時非連續成像，每個方位角成像為一幀，對多幀圖像進行連續播放，形成視頻效果。

天基視頻SAR發展背景

當前視頻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，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已應用，但天基視頻SAR研究鮮見，只有芬蘭公開宣布實現天基視頻SAR在軌驗證。天基視頻SAR以衛星作為平臺，結合了天基SAR成像技術和視頻顯示技術，比機載視頻SAR成像范圍更大，組成星座后可實現全球覆蓋。限制天基視頻SAR應用的主要原因在于目前天基SAR衛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量小于100kg、可提供優于1m分辨率、覆蓋范圍最廣的商業SAR星座。在此基礎上，該公司驗證了天基視頻SAR的可行性。

“冰眼”SAR星座的構成與性能

“冰眼”SAR星座目前由3顆微衛星構成，軌道高度570km；每顆衛星裝有合成孔徑雷達、相控陣天線和離子電推進系統；工作在可穿透云層的X頻段，有聚束和條帶兩種成像模式，正在開發掃描成像模式。聚束模式尤其適用于探測復雜環境下目標的微小變化，通過相控陣電掃描天線成像，衛星長時間聚焦于小面積區域獲取大量數據，并通過調整衛星姿態增大合成孔徑，再將數據處理成更細致的圖像。條帶模式適用于監視與探測大范圍海洋與陸地區域變化。

該星座中的衛星結構緊湊、質量輕、成本低、能耗小。通過采用最先進的技術和設計理念、商業現貨部件、緊湊的供應鏈結構、緊密協作的研發團隊等，實現僅數周的衛星研發周期。目前，該星座全球重訪周期短于20h。該公司計劃每年發射多顆新衛星，在2020年底實現6顆以上衛星組網，2021年底實現18顆衛星組網，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年開設的大學SAR課程，陸續獲得來自歐洲“地平線2020”計劃、芬蘭政府、芬蘭創新資助局以及多家公司的資助，迄今，其總融資額達5300萬美元。該星座自2018年首顆試驗衛星入軌以來發展迅速。2020年3月，星座方位向分辨率達0.25m，距離向分辨率達0.5m，相當于當前大型商業SAR衛星的最高分辨率。

“冰眼”SAR星座性能指標[1]

視頻SAR驗證任務情況和計劃

1)技術方案。該任務在“冰眼”衛星的高分辨率相控陣天線電掃描SAR成像技術基礎上，在單星過頂指定區域時采用連續凝視成像方法；通過單星靈活的轉向能力，延長持續跟蹤目標時間，獲得大合成孔徑，彌補圖像數據處理成視頻帶來的單幀分辨率的下降問題。

2)視頻內容與效果。此次任務針對多個國家和地區的目標拍攝視頻。視頻內容包括：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據處理軟件，將成像數據處理成10個高分辨率幀，幀頻為1幀/2s，每幀分辨率為1m[2]。

3)突破的技術和能力。據技術專家分析，此次視頻驗證表明該公司突破了以下技術和能力：距離向具備大帶寬信號收發能力；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，以實現方位向多幀圖像；對多個子孔徑成像進行匹配校準，以實現較好的視頻效果。

“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產品，計劃2020年底提供視頻SAR商業服務，將以標準地理信息系統工具兼容的格式為客戶提供每一幀數據。

3 分析

此次芬蘭的在軌驗證任務開啟了天基視頻SAR的商業應用之門，可通過微衛星為政府和軍方提供低成本動態目標監視服務。天基視頻SAR大規模應用后，有望成為偵察體系的重要組成部分，發揮其全球動態目標監視優勢。

提供了一種全天時、全天候、全球動態目標監視新能力

天基視頻SAR將傳統天基SAR圖像的距離和方位二維靜態信息擴展為距離、方位和時間三維動態信息，可視化表達目標動向，有助于分析人員更深入地進行技術分析并支撐指揮官決策。天基視頻SAR不僅可實現全天時、全天候工作，還可通過組網監視全球移動目標，比傳統機載視頻SAR偵察范圍更廣，但靈活性較弱。

將與其他系統構成多源協同的動態目標偵察體系

天基視頻SAR與機載視頻SAR和天基光學視頻系統各具優勢。天基光學視頻成像系統適合在晴朗日間條件下開展全球高分辨率監視；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術偵察需求。隨著天基視頻SAR的部署運用，未來三者將協同構成多源、多層、立體、高效互補的一體化動態目標偵察體系，進一步提升戰略和戰術動態偵察能力。

此次驗證成功歸因于融資能力強、技術基礎和管理水平先進

一是“冰眼”星座不僅獲得了歐洲創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”星座先進的微衛星技術水平和高分辨率成像能力為微衛星天基視頻SAR能力發展奠定了基礎；三是研發團隊緊密合作，供應鏈管理先進，加快了研發衛星的速度。