讓它無處藏身！國產衛星用世界唯一新技術：打航母可實況直播

近日，我國雷達研究又有重大突破，徐宗本院士憑藉「基於L(1/2)正則化理論的稀疏雷達成像」與我國科學院電子學研究所吳一戎院士共同獲得2018年度陳嘉庚信息技術科學獎。陳嘉庚科學獎每兩年評選一次，旨在獎勵近期在我國做出的重大原創性科學技術成果，在我國科技界和海內外享有崇高的聲譽和廣泛的影響。該成果基於雷達回波模擬運算元的成像新原理，將原有稀疏雷達成像演算法的單步迭代複雜性從N^2減少到log(N)N量級，為稀疏雷達的實用化帶來了可能。該項技術已支持研發成功全球首部稀疏雷達原理樣機，用於提高在軌衛星雷達成像性能與寬幅偵察，目前，該技術已經成功應用於某型海洋偵察衛星，由於其超大寬幅成像，可實現多顆衛星的不間斷重訪，未來攻擊打航母甚至可以實現24小時「實況直播」，本文根據國內外公開資料對其做理論及成果做初步解讀。雷達微波成像是一種不可或缺的軍用遙感技術，它與光學成像相比，可透過雲層24小時對目標進行偵查成像。

現代高解析度微波成像技術以合成孔徑雷達(SAR)為主，其特點是將雷達設備置於載機或衛星等運載平台上發射並接收電磁波，同時將此平台沿一近似直線不斷移動，並在不同位置上接收同一地物的雷達回波信號並進行相關解調壓縮處理。一個小天線通過「運動」方式合成一個等效「大天線」，這樣可以得到較高的方位向解析度，且方位向解析度與遙感平台高度無關，同時利用成熟的雷達脈衝壓縮技術獲得較高的距離向解析度，雷達回波經過複雜的2維信號處理後，星（機）載合成孔徑雷達就可以獲得大面積高解析度雷達圖像 。1978年，全球首個星載合成孔徑雷達「SEASAT」在美國發射升空，其解析度為25米，測繪幅寬為100x100千米，其後數十年中，星載合成孔徑雷達技術在系統性能、應用範圍等方面都得到長足發展，例如義大利2007年發射的COSMO-skymed衛星在聚焦模式下解析度為一米，測繪幅寬為10x10千米。我國2016年發射的高分3號雷達衛星也實現了1米解析度。

人們可從中發現一個問題，傳統的雷達成像幅寬和解析度是不可兼得的，要想提高解析度，幅寬就明顯減少。而我國陸地海洋幅員遼闊，東部沿海至第二島鏈的西太平洋海域幅員約為3000×6000平方千米，為提高我軍全天候偵察打擊海洋艦船目標水平，需要對大面積海域實現監視，具備大成像幅寬（≥500千米）、高重訪頻率的能力顯得尤為重要。另外一個方面，解析度也是雷達成像的一項重要指標。解析度的提高能夠獲得更多的目標信息，據統計，識別驅逐艦等大型海面目標至少需要1米的圖像解析度。為同時提高幅寬和解析度，一種方法是不斷提高單顆衛星雷達天線尺寸的大小和發射功率，另一種方法是多顆衛星分散式同時接收同一顆衛星對一個目標發射電磁波，然後進行數據後期處理。這些方法在一定程度上對解析度或成像幅寬有所改善，但是整個系統複雜度急劇增加，二是根據雷達分辨理論，SAR系統解析度上限由雷達信號的帶寬決定。

而根據奈奎斯特採樣定理，系統的實時採樣頻率必須至少為兩倍的雷達信號帶寬。對於1米解析度、900平方公里觀測帶內的星載SAR成像，回波數據量就達到幾個GB，如果要進一步提高性能，則回波數據量至少還要增加4至8倍，要求系統數據傳輸速率達到Gbps量級，這在國內現有電子技術雷達系統下是很難實現的。面對著系統複雜度的瓶頸，無論是雷達分辨理論、還是奈奎斯特採樣定理，都是普適性的理論，是不能違背的。唯一可行的辦法，是從微波成像的特殊性入手，寄期望於微波成像的某些特殊性質，「另闢蹊徑」，可以突破傳統雷達成像理論，建立新的微波成像理論並實現系統的簡化。

2006 年，陶哲軒（華裔，2014國際數學突破獎獲得者之一，）等幾位美國數學家提出了壓縮感知的概念，極大的深化了人們對於稀疏信號處理的認識。 稀疏信號處理是本世紀信號處理領域最活躍的分支之一。該分支的研究目標是從原始信號中提取儘可能少的觀測數據，同時最大限度地保留原始信號中所含的信息，然後利用特定的優化求解演算法對原始信號進行有效的逼近和恢復。稀疏信號處理能夠突破奈奎斯特採樣定理的限制，其採樣數據量可以遠低於奈奎斯特採樣的要求。舉個最簡單的例子，日本的模擬高清電視原來處於世界領先地位，試圖要霸佔高清電視市場，但是其每個頻道傳送佔用帶寬極大，完全不能滿足電視節目極速發展的需要，隨著美國在圖像數字壓縮技術的突破，一個頻道可同時傳送多套電視節目，日本投巨資的模擬高清電視系統全軍覆沒，這就是圖像壓縮演算法的威力。

徐宗本院士在稀疏雷達成像演算法及理論上獲得了重大突破，不直接基於雷達觀測矩陣而基於雷達回波模擬運算元成像，實現了與常用雷達演算法複雜性相當。吳一戎院士運用3D相變圖方法設計稀疏雷達系統，三維坐標分別為稀疏度、信噪比和採樣比， 實現了全球首部稀疏雷達原理樣機並開展了機載實驗。隨後，又利用在軌的我國合成孔徑雷達成像衛星進行驗證，據公開資料披露，在衛星沒有對稀疏成像理論做針對性的硬體優化情況下，僅僅通過更改衛星系統的成像參數，然後利用稀疏微波成像方法完成了試驗數據的成像處理，其最大成像幅寬提升超過了45%， 而解析度仍然保持不變。更讓人驚喜的是，對於海雜波信號，經過稀疏成像結果處理後，信雜噪比可提升40至60分貝，更加有利於發現艦船等動目標。

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