:::
2021/10/30 

軍事論壇

【軍事論壇】星載合成孔徑雷達 軍民通用偵測利器
美國航空暨太空總署所屬的DC-8飛機,側面裝置合成孔徑雷達,用於觀察地面目標。 (取自NASA網站)

◎魏光志

  世界各科技大國為因應日漸趨多的非傳統安全任務,達到環境探勘與國防安全的軍民通用技術目的,現階段均致力於星載合成孔徑雷達的研製和部署,期達到更佳的衛星通信品質,兼顧國土與海洋環境安全之目的。雷達成像技術在國防和軍事領域發揮極為重要的功能,甚至爭取全球5G通信衛星技術之領先地位,已成為大國戰略部署與工業技術發展重點目標。

 合成孔徑雷達synthetic aperture radar(SAR)屬於微波成像雷達,將雷達波在窄小的區域掃描,可得到高解析度影像。為了強化效果,早期的合成孔徑雷達必須藉由放大透鏡,獲得如同黑白照片的影像。如今隨著數位影像處理技術進步,在大量極窄雷達波束照射目標區,透過回波所獲得的數據,以電腦處理判讀成立體模式,能夠獲得更高解析度的圖像。

  與無人機搭配使用

 美國已將星載合成孔徑雷達運用於軍事途徑,與高解析度雷達結合,例如AN/APY-8,是在SAR和地面移動目標指示(GMTI)模式下,運行的多功能合成孔徑雷達,雷達信號的回波由系統處理成高解析度圖像,由數據鏈傳送到地面遙控站。雷達電子模組和安裝在衛星天線組合,可以提供高解析度的地面圖像,分辨率範圍為0.1到3公尺。還可以掃描放大較小區域,檢測移動物體,例如普通車輛移動的速度(時速10至70公里)。當參數傳遞到地面站時,目標數據會顯示在數位地圖上,產生態勢感知效果。

  美國空軍星載SAR輕型化版本,是為擴展偵測範圍,和對高海拔地區運行的目標而設計的新模組。目前與MQ-9無人機搭配使用。美國陸軍則包括Fire Scout(FCS IV級),ER/MP和Hunter等無人機載具搭配編制。所有SAR型號操作模式包括:「帶狀」(STRIP)、「聚點」(SPOT)和「移動目標指示」(MTI)。STRIP模式用於大面積覆蓋,以70節的速度飛行,每分鐘可覆蓋25平方公里的區域,解析度為1公尺,若搭配高速無人飛行載具(以250節的速度飛行),能夠將速率提高1倍,達到每分鐘約60平方公里。當需要近距離觀察時,可以利用SPOT模式將雷達對準特定的位置或目標,提供300X170公尺目標區域的詳細圖像,以40公里的距離顯示細節小至10公分的物體。

 早在2006年8月,美國空軍和軍備廠商,就已完成在F-16上安裝SAR實驗莢艙的第1階段,這項研究的最終目標,是為美國空軍提供「融合」偵察莢艙中的2個高解析度感測器的功能,為戰鬥機提供目標檢測和提供精確地理位置,完成早期偵察的戰術任務。

  提高指揮官研判準確度

  星載多模式合成孔徑雷達,可穿透雲層、雨水、灰塵、煙霾和霧氣,提供高解析度的攝影品質圖像,目的在滿足遙控無人機(RPA)系統環境的機載挑戰,盡可能降低尺寸、重量和功率的消耗,同時提供空對地瞄準的精確度,和優異的大範圍搜索能力。SAR對地面/海面移動目標指示器(GMTI / DMTI)和強大的海上大範圍搜索(MWAS)模式,可以為任何整合感測器套件,提供廣泛的覆蓋範圍,從而跨接到較窄的視場(FOV)用的光電/紅外線(EO / IR)感測器,提高戰場指揮官的決策研判準確度。

 多模式合成孔徑雷達運用已愈來愈廣泛,美國空軍、美國「國土安全部」、太空總署(NASA)、英國皇家空軍、義大利空軍和法國空軍,都在其MQ-9無人機上搭載使用。美國陸軍還已經將Lynx部署在其MQ-12A和Gray Eagle無人機系統(UAS),以及各種載人飛機上,包括C-12,U-21和DH-7、載人情報、監視和偵察(ISR)飛機上,均使用星載SAR的感測聯通系統。

  洛馬公司則開發第1個可操作L波段Seasat SAR,改良偵察影像技術 。其主要在展示廣泛海事應用,包括沿海潮流現象、測深儀、船舶及浪高,首次運作,就提供25 公分解析度的北極冰層和潮流圖像。Seasat SAR對遠洋觀測船艦與漁獲和運輸管理,以及國防安全方面,發揮至關重要的作用。現階段美國的海洋觀測任務,主要由海岸防衛隊的船艦和飛機執行,傳統方式成本很高,並且受搜索區域、時間和天氣的限制,SAR衛星為全天候使用,可提供新的高解析度工具。目前正在開發用於搜索水面艦艇的演算法,以應對海洋救援需求的快速增長,如果成功,計畫中的衛星群(用於監視港口、儲油庫和城市)將發揮重要作用。

  克服SAR尺寸與重量限制

  目前SAR小衛星群系統之一是「芬蘭冰眼」(Finish Iceye) ,該衛星群用於北極冰層觀測,是阿爾托大學和史丹福大學的共同研究項目。「芬蘭冰眼」由印度PSLV-C40火箭搭載發射首顆SAR微衛星,將100公斤級SAR衛星送入軌道,並展開芬蘭的第1個商業衛星業務。目前計畫以6至8顆衛星群,用於國土規劃、海洋監測、地下考古和礦藏探測等應用。當前近地太空的奈米衛星和微衛星快速增長,成為地球軌道的輕型SAR衛星編隊,對於通信推進技術和衛星用電池的發展,以及更高速的電子處理能力,將變得愈來愈重要。

  現役衛星可以提供40 公尺解析度,而下一代系統將提供0.25 公尺解析度和更大的覆蓋範圍。Terra SAR(啟用於2007年),及Tan DEM(啟用於2010年),均延長至2022年。高解析度測繪HRWS將在2022年開始,計畫服役壽命為10年,重點在國防、安全(陸上和海上)、廣域監視、衛星和空中偵蒐;將與海上Osprey SAR系統製造商Leonardo合作,將航空或以遙控飛行載具(UAV)轉應用於SAR系統,並克服尺寸和重量限制。

  遙感通信「多極化」發展

  空巴防務航太集團和SAR儀器製造商,於2018年成功發射PAZ衛星。PAZ為提供政府影像應用、情報、防範天然災害,以及S-AIS提供數據,重量僅為140公斤,可提供高達1 Terabyte(兆位元)/日的高數據速率(S和X頻段),400至700W的功率(取決於模式),耗資超過1億歐元。PAZ使用的GaN TRMS,頻寬為1200 MHz,目前解析度大於 1公尺,但下一代PAZ 2將提供0.25公尺的解析度,將使科學界和政府單位觀測能力更為強化 。

  至於當前5G時代,對於新通信系統架構的建立,已然和都會與城鎮的基本公共建設項目密不可分,美國政府在對頻寬釋出的態度上,也終將隨市場需要與國際競爭原則,按軍民通用波段的分配比例,採取開放式營運,以期讓各種頻寬的使用率與佔有率,能隨未來新一代SAR系統的部署而更形擴大,預估除將形成市場競爭機制外,在世界高科技遙感通信技術朝「多極化」發展的前提之下,美國更能以既有的軍用頻寬優勢,在歐盟市場取勝俄、「中」同級衛星廠商,也同樣是其他歐洲國家科研技術單位特別關注的發展趨勢,合成孔徑雷達未來在軍事偵察監視及民用微波遙感等方面,將發揮不可替代的功用。

(作者為前空軍官校教官)

:::
廣告內文方格-看軍聞學英文

PDF電子報紙