让它无处藏身！国产卫星用世界唯一新技术：打航母可实况直播

近日， 我國雷達研究又有重大突破， 徐宗本院士憑借“基于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。 該成果基于雷達回波模擬算子的成像新原理， 將原有稀疏雷達成像算法的單步迭代復雜性從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，

用于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于某型海洋偵察衛星， 由于其超大寬幅成像， 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， 可透過云層24小時對目標進行偵查成像。

現代高分辨率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于載機或衛星等運載平臺上發射并接收電磁波， 同時將此平臺沿一近似直線不斷移動， 并在不同位置上接收同一地物的雷達回波信號并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分辨率， 且方位向分辨率與遙感平臺高度無關， 同時利用成熟的雷達脈沖壓縮技術獲得較高的距離向分辨率， 雷達回波經過復雜的2維信號處理后， 星（機）載合成孔徑雷達就可以獲得大面積高分辨率雷達圖像 。 1978年， 全球首個星載合成孔徑雷達“SEASAT”在美國發射升空， 其分辨率為25米， 測繪幅寬為100x100千米， 其后數十年中， 星載合成孔徑雷達技術在系統性能、應用范圍等方面都得到長足發展， 例如意大利2007年發射的COSMO-skymed衛星在聚焦模式下分辨率為一米， 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米分辨率。

人們可從中發現一個問題，

傳統的雷達成像幅寬和分辨率是不可兼得的， 要想提高分辨率， 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， 分辨率也是雷達成像的一項重要指標。 分辨率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米的圖像分辨率。 為同時提高幅寬和分辨率， 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布式同時接收同一顆衛星對一個目標發射電磁波，

然后進行數據后期處理。 這些方法在一定程度上對分辨率或成像幅寬有所改善， 但是整個系統復雜度急劇增加， 二是根據雷達分辨理論， SAR系統分辨率上限由雷達信號的帶寬決定。

而根據奈奎斯特采樣定理， 系統的實時采樣頻率必須至少為兩倍的雷達信號帶寬。 對于1米分辨率、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。 面對著系統復雜度的瓶頸， 無論是雷達分辨理論、還是奈奎斯特采樣定理， 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， 寄期望于微波成像的某些特殊性質， “另辟蹊徑”， 可以突破傳統雷達成像理論， 建立新的微波成像理論并實現系統的簡化。

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于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盡可能少的觀測數據， 同時最大限度地保留原始信號中所含的信息， 然后利用特定的優化求解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采樣定理的限制， 其采樣數據量可以遠低于奈奎斯特采樣的要求。 舉個最簡單的例子，日本的模擬高清電視原來處于世界領先地位，試圖要霸占高清電視市場，但是其每個頻道傳送占用帶寬極大，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，這就是圖像壓縮算法的威力。

徐宗本院士在稀疏雷達成像算法及理論上獲得了重大突破，不直接基于雷達觀測矩陣而基于雷達回波模擬算子成像，實現了與常用雷達算法復雜性相當。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、信噪比和采樣比， 實現了全球首部稀疏雷達原理樣機并開展了機載實驗。隨后，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件優化情況下，僅僅通過更改衛星系統的成像參數，然后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%， 而分辨率仍然保持不變。更讓人驚喜的是，對于海雜波信號，經過稀疏成像結果處理后，信雜噪比可提升40至60分貝，更加有利于發現艦船等動目標。

舉個最簡單的例子，日本的模擬高清電視原來處于世界領先地位，試圖要霸占高清電視市場，但是其每個頻道傳送占用帶寬極大，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，這就是圖像壓縮算法的威力。

徐宗本院士在稀疏雷達成像算法及理論上獲得了重大突破，不直接基于雷達觀測矩陣而基于雷達回波模擬算子成像，實現了與常用雷達算法復雜性相當。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、信噪比和采樣比， 實現了全球首部稀疏雷達原理樣機并開展了機載實驗。隨后，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件優化情況下，僅僅通過更改衛星系統的成像參數，然后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%， 而分辨率仍然保持不變。更讓人驚喜的是，對于海雜波信號，經過稀疏成像結果處理后，信雜噪比可提升40至60分貝，更加有利于發現艦船等動目標。