Содержание к диссертации
Введение
1. Радиолокация поверхности радарами с синтезированной апертурой 26
1.1.. Основы РСА. Разрешение по дальности и азимуту 26
1.2. Двумерная функция неопределенности сигнала. Виды сигналов 33
1.3. Фокусированный синтез радиолокационного изображения 47
1.4. Режимы съемки радара с синтезированием апертуры 57
1.5. Энергетические соотношения 64
1.6. Современные радары для наблюдения Земли из космоса 68
Выводы к главе 1 80
2. Методы тематической обработки амплитудных радиолокационных данных 82
2.1. Картирование лесов Подмосковья 90
2.2. Классификация растительных покровов зоне ЧАЭС 99
2.3. Картирование подстилающих покровов в Забайкалье 106
2.4. Мониторинг долговременных изменений состояния растительных покровов северного побережья Каспия 111
Выводы к главе 2 128
3. Методы радиолокационной интерферометрии 130
3.1. Основы радиолокационной интерферометрии 130
3.2. Геометрия интерферометрической съемки и основные соотношения 132
3.3. Картирование рельефа поверхности 136
3.4. Выявление динамики подстилающей поверхности 137
3.5. Разворот разности фаз на интерферограмме 138
3.6. Ошибки измерения разности фаз. Когерентность сигналов 149
3.7. Методика постоянных отражателей в интерферометрии 155
3.8 Решение задач ДЗЗ с помощью методов интерферометрической съемки поверхности 161
3.8.1. Динамика ледовых покровов в Антарктиде 164
3.8.2. Просадки земных покровов в Кузнецком бассейне 167
3.8.3. Криогенные деформации почвы в дельте Селенги 169
3.8.4. Мониторинг оползневой активности на Северомуйском участке железной дороги 171
3.8.5. Мониторинг газопроводов на трассе Ямбург-Ныда 173
3.8.6. Исследование состояния земных покровов в Баргузинской долине 177
3.8.7. Наблюдение динамики отражающей водной поверхности у северного побережья Каспия 179
3.8.8. Наблюдение опасных карстовых и оползневых участков методом постоянных отражателей 182
Выводы к главе 3 193
4. Методы радиолокационной поляриметрии 195
4.1. Базовые понятия 195
4.2. Требования к поляризации сигнала при решении тематических задач 198
4.3. Методы организации поляризационных наблюдений 202
4.3.1. Разделение измерений по времени 203
4.3.2. Разделение измерений в съемке с повторяющихся орбит 206
4.3.3. Разделение измерений по частоте 208
4.3.4. Разделение измерений при съемке с одной орбиты 210
4.3.5. Разделение измерений с использованием ортогональных кодов 211
4.3.6. Компактная поляриметрия 214
4.4. Сравнение различных схем построения поляриметрического РСА 217
4.5. Методы комплексирования поляриметрических измерений 219
4.5.1. Поляризационные сигнатуры поверхности 219
4.5.2. Поляризационная разность фаз 226
4.5.3. Поляриметрическая декомпозиция 234
Выводы к главе 4 240
5. Атмосферные эффекты в радарных измерениях и методы их коррекции 242
5.1. Влияние атмосферы на разрешающую способность РСА и методы коррекции искажений 242
5.2. Флуктуации фазы на неоднородностях в тропосфере 251
5.3. Фарадеевское вращение плоскости поляризации сигнала РСА и методы коррекции 252
Выводы к главе 5 265
6. Методы калибровки РСА 267
6.1. Методы и средства радиометрической калибровки 271
6.2. Радиометрическая калибровка с помощью параболических антенных рефлекторов 278
6.3. Методы и средства поляриметрической калибровки 284
6.4. Использование антенных рефлекторов в поляриметрической калибровке 287
6.5. Калибровка с помощью естественных и искусственных ярких отражателей 296
6.6. Показатели качества радиолокационного изображения 299
Выводы к главе 6 304
7. Выбор параметров перспективного РСА для решения отечественных задач ДЗЗ 306
7.1. Обзор требований к параметрам РСА в зависимости от решаемых задач 306
7.1.1. Разрешение на радарном изображении 306
7.1.2. Требования к частоте несущей 306
7.1.3. Требования к поляризации сигнала 308
7.1.4. Требования к точности калибровки 310
7.2. Перспективный РСА для решения отечественных задач ДЗЗ 316
7.3. Структура перспективного поляриметрического РСА 322
Выводы к главе 7 331
Заключение 332
Литература 337
- Фокусированный синтез радиолокационного изображения
- Ошибки измерения разности фаз. Когерентность сигналов
- Фарадеевское вращение плоскости поляризации сигнала РСА и методы коррекции
- Требования к точности калибровки
Введение к работе
В настоящее время вопросы создания и эксплуатации спутниковых радаров с синтезированной апертурой (РСА) для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) пользуются заслуженным вниманием во всё мире. Основными достоинствами этих систем съёмки являются нетребовательность к условиям освещенности исследуемого района и нечувствительность к погодным условиям в зоне съемки в сочетании с достаточно высоким пространственным разрешением.
В отличие от оптических снимков, радиолокационные изображения содержат фазовую информацию, которая может быть полезна в неменьшей степени, нежели широко используемая интенсивность обратного рассеяния радиосигнала. Так, разность начальных фаз сигналов элементов радиолокационных изображений в схеме интерферометрической съемки с повторяющихся траекторий носителя содержит информацию о рельефе поверхности и мелкомасштабных изменениях/смещениях подстилающих покровов за время между съемками.
Современные результаты исследований применимости данных РСА показывают, что извлечь наиболее полную информацию о структуре отражающего слоя поверхности можно путём привлечения двух или более информационных каналов, отличающихся различными параметрами зондирующего сигнала, поляризацией радиоволны на излучении/приеме, ракурсами съемки. Использование многоканальных радиолокационных данных, полученных на разных поляризациях и длинах волн, несет качественно новую информацию по сравнению с одноканальной радиолокационной системой. Интерферометрические наблюдения поверхности Земли с помощью РСА — также одно из самых современных направлений исследования в ДЗЗ.
Среди созданных ранее, а также работающих в настоящее время можно назвать такие радары, как SEASAT, SIR-A, SIR-B (США), SIR-C/X и SRTM (США, Германия), ERS-1, ERS-2, ENVISAT (Европейское Космическое Агентство), RADARSAT-1, 2 (Канада), JERS-1 и PALSAR (Япония), TerraSAR-X (Германия), Cosmo-SkyMED (Италия). Среди успешно эксплуатировавшихся отечественных РСА можно упомянуть «Космос-1870» и «Алмаз-1».
В России к настоящему времени нет полноценного средства радарного наблюдения Земли из космоса в виде РСА. Нет также единого представления о требуемых параметрах радара, предпочтительных для решения отечественных прикладных и научных задач, о наборе задач, которые может решать радар в зависимости от таких параметров, как длина волны несущей, состав поляризационных измерений и др.
Актуальность исследований обусловлена необходимостью уточнения возможностей космических РСА, разработки новых методов обработки информации и поиском новых приложений радиолокационных данных, определением и уточнением возможностей РСА в решении задач дистанционного зондирования Земли, а также необходимостью выработки рекомендаций по предпочтительным параметрам перспективного отечественного РСА.
Основной целью данного исследования является определение возможностей РСА в дистанционной зондировании Земли и выработка требований к перспективному космическому РСА, предназначенному для решения научных и прикладных задач с учетом интересов отечественных потребителей.
Основными задачами, решаемыми в работе, являются:
- рассмотрение основных соотношений в радиолокационной системе и определение ключевых параметров РСА, позволяющих эффективно решать задачи наблюдения Земли;
- демонстрация возможностей РСА при решении различных тематических задач ДЗЗ;
- анализ метода интерферометрической съемки рельефа поверхности Земли, разработка новых алгоритмов обработки информации, демонстрация новых возможностей интерферометрической съемки;
- исследование возможностей радарной поляриметрии при съемке поверхности Земли, сравнение различных схем организации поляриметрических измерений, теоретическое обоснование выбора наиболее эффективной схемы, демонстрация новых возможностей поляриметрических измерений;
- исследование влияния атмосферы на искажение радиолокационной информации, разработка метода компенсации эффекта Фарадея при измерениях полной матрицы рассеяния земных покровов;
- разработка новых методов внешней калибровки космического РСА, демонстрация возможностей новых калибровочных целей на примере обработки данных экспериментов с современными РСА;
- сравнение различных схем построения РСА и выбор параметров перспективного отечественного РСА.
Научная новизна. В диссертационной работе проанализированы основные соотношения, определяющие параметры РСА и характеристики получаемой информации, влияние интегрального уровня боковых лепестков на свойства получаемого радарного изображения. Исследована возможность решения различных тематических задач в зависимости от параметров используемого РСА, продемонстрированы новые возможности радиолокационных измерений при комплексировании радиолокационных измерений, в том числе при разновременном картировании, интерферометрической съемке и измерении полной матрицы рассеяния естественных покровов. Разработаны новые методы обработки данных в интерферометрической схеме съемки рельефа, получены новые результаты по наблюдению динамики подстилающей поверхности. Отмечена важность калибровочного обеспечения современных РСА и исследованы принципиально новые средства внешней калибровки. Проведен анализ списка решаемых задач и обоснованы предпочтительные параметры перспективного РСА, предназначенного для решения научных и прикладных задач отечественного потребителя. Выполнен расчет влияния атмосферных неоднородностей на характеристики радиолокационного материала, разработана методика измерения эффекта Фарадея на измерения полной матрицы рассеяния и коррекции искажений по измерениям поляриметрического РСА. Исследованы различные варианты структуры перспективного РСА в зависимости от способа разделения поляризационных измерений, проведен сравнительный анализ этих схем и даны рекомендации по наиболее предпочтительной структуре и параметрам перспективного поляриметрического РСА.
Достоверность и обоснованность полученных соискателем результатов достигнута корректной постановкой проблем, строгостью выполненного физико-математического анализа и используемого математического аппарата. Результаты подтверждаются физическими представлениями о механизме рассеяния сигнала отражающими объектами, анализом экспериментальных данных современных зарубежных космических радаров, материалами других авторов, коллег по совместным работам и из смежных отраслей, а также выводами исследований, проводившихся в нашей стране и за рубежом, апробацией работы на международных и Российских конференциях и публикациями соискателя.
Методы анализа, принятые в диссертации, базируются на устоявшихся физических представлениях о механизме рассеяния радиоволн поверхностью, принципах организации и функционирования радиолокационных систем дистанционного зондирования Земли, на строгих математических методах анализа когерентности рассеянных сигналов и исследовании составляющих параметра декорреляции, позволяющих оценивать степень влияния различных источников искажения информации.
Основные положения, вынесенные на защиту
По степени мешающего влияния интегрального уровня боковых лепестков автокорреляционной функции, сигналы с линейной частотной модуляцией являются предпочтительным видом сигналов при радарном картировании протяженных покровов.
Радиолокационная интерферометрия – эффективный метод измерения рельефа поверхности и обнаружения динамики поверхности за время между съемками с субсантиметровой точностью.
Радиолокационная поляриметрия – эффективный метод изучения свойств подстилающей поверхности при условии корректной организации измерений матрицы рассеяния.
Искажающее влияние фарадеевского вращения плоскости поляризации сигнала калиброванного поляриметрического радара с синтезированной апертурой при зондировании подстилающих покровов можно определить по измерениям полной матрицы рассеяния поверхности и скомпенсировать.
Результаты многолетнего эксперимента показывают, что новые средства внешней радиометрической калибровки – искусственные постоянные отражатели на базе параболических антенн ОКБ МЭИ обладают высокой временной стабильностью, сравнимой со стабильностью лучших образцов калибровочных целей типа уголковых отражателей или транспондеров.
Поляриметрический радар L-диапазона является наиболее предпочтительным перспективным поляриметрического радаром с синтезированной апертурой для решения отечественных научных и прикладных задач ДЗЗ.
Прикладная значимость работы заключается в создании новых методов обработки информации РСА, демонстрации возможности решения новых тематических задач, развитии методов внешней калибровки РСА, обосновании параметров перспективного РСА для России.
Научно-практическое значение работы состоит в следующем:
- показано, что интегральный уровень боковых лепестков двумерной функции неопределенности может оказывать существенное влияние на качество радиолокационных измерений, особенно на измерения начальной фазы сигнала при интерферометрической съемке рельефа; сигнал с линейной частотной модуляцией является наиболее предпочтительным в дистанционном зондировании Земли по сравнению с другими используемыми в радиолокации сигналами;
- рассмотрены различные методы тематического анализа амплитудной радиолокационной информации, полученной в различных диапазонах волн и на разных поляризациях сигнала, и приведены примеры её использования при решении ряда задач ДЗЗ. Приведенные примеры дают представление о зависимости эффективности решения тематических задач от параметров радиолокационной съемки;
- предложен новый метод выявления естественных постоянных отражателей для ограниченного набора радиолокационных снимков и проведена успешная обработка данных радара TerraSAR-X для опасных карстовых и оползневых участков в зоне железных дорог и газопроводов, в результате которой показана возможность измерения подвижек почв с миллиметровой точностью. Отмечено, что использование длинноволновых радаров типа японского радара PALSAR L-диапазона позволяет снизить остроту проблемы временной декорреляции;
- предложен новый подход к оценке искажения элементов полной матрицы рассеяния естественных покровов для поляриметрического РСА, проведено сравнение различных схем разделения измерений элементов полной матрицы рассеяния с точки зрения потери информации, потоков данных, аппаратурных требований, и даны рекомендации по наиболее перспективным схемам.
- показана возможность оценки угла фарадеевского вращения по разности фаз внедиагональных элементов матрицы рассеяния в круговом базисе. Отмечено преимущество кругового базиса для решения этой задачи, заключающееся в том, что уклоны рельефа поверхности не вносят искажений в измерения угла фарадеевского вращения и могут быть в свою очередь оценены через разность фаз диагональных элементов матрицы рассеяния в круговом базисе;
- исследован новый тип калибровочных целей – параболические антенны с диаметром зеркала 4.7 м калибровочного полигона ОКБ МЭИ «Медвежьи Озера», имеющие ЭПР 49дБм2 в С-диапазоне, показана высокая радиометрическая стабильность этих калибровочных целей. По результатам анализа радарных снимков полигона ОКБ МЭИ получена оценка параметров искажающих матриц этого поляриметрического РСА на излучении и приеме;
- разработана методика поиска наземных естественных стабильных отражателей и в результате обработки серии из полусотни снимков радара PALSAR показано, что существуют стабильные естественные отражатели со стабильностью лучшей, чем у калибровочных антенн ОКБ МЭИ;
- проведено исследование списка решаемых с помощью РСА задач дистанционного зондирования в зависимости от таких его параметров, как разрешение, длина волны несущей, поляризация сигнала, точность калибровки. Обосновано преимущество L-диапазона для работы перспективного Российского РСА, предложены его основные параметры, такие как состав поляризационных измерений, режимы работы, разрешающая способность и др.;
- рассмотрены варианты организации поляризационных измерений, проведено их сравнение и предложены наиболее предпочтительные параметры перспективного отечественного РСА.
Апробация работы: результаты работы, изложенные в диссертации, докладывались на международных, всероссийских, отраслевых конференциях и симпозиумах: на международных семинарах по калибровке радаров с синтезированной апертурой CEOS SAR Workshop в Нидерландах, США, Японии в 1993, 1994, 1998, 2001 гг.; на Генеральных ассамблеях URSI во Франции и Индии в 1996 и 2004 гг.; на Европейских конференциях по радарам с синтезированной апертурой EUSAR в 2000, 2004, 2006, 2008, 2010 гг.; на Международных симпозиумах по дистанционному зондированию IGARSS в 1999, 2000, 2003, 2011, 2012 гг.; на ХIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн., Санкт-Петербург, 1996 г.; на Всероссийских симпозиумах «Радиолокационное иследование природных сред», Санкт-Петербург, в 2002, 2004, 2006, 2007, 2009 гг.; на Международной научно-технической конференции “К.Э.Циолковский - 140 лет со дня рождения”, Рязань, 1997 г.; на Всероссийской научной конференции “Физические проблемы экологии (физическая экология)”, Москва,1997 г.; на II Всероссийском совещании “Аэрокосмические методы и геоинформационные системы в лесоведении и лесном хозяйстве”, Москва, 1998 г.; на III Всероссийской научной конференции “Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды”, Муром, 1999 г. ;на 3й Международной научно-технической конференции “Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоэкоинформатика”, Рязань, 2000; на Всероссийской научной конференции “Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими методами”, Муром, 2001 г.; на V Международной конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации – ПТСПИ’2003», г.Владимир, 2003 и 2004 гг.; на Всероссийских открытых конференциях «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.; на Симпозиуме ERS-Envisat Symposium, Sweden, 2000; на Симпозиуме ENVISAT-ERS Symposium, Austria, 2004 г.; на XXII Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (РРВ-22), Ростов-на-Дону, 2008 г.; на Всероссийской научной школе и конференции “Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред”, Муром. 2009, 2010, 2012 гг.; на X Всероссийской конференции «Проблемы мониторинга окружающей среды (ЕМ-2009)», Кемерово, 2009 г.; на Первой молодежной тектонофизической школе-семинаре, Москва, ИФЗ им. О.Ю.Шмидта РАН, 2009 г.; на Всероссийских конференциях «Радиолокация и радиосвязь». Москва, ИРЭ РАН, 2009, 2010 гг.; на Российской научной конференции «Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой». Улан-Удэ, 2010; на II Всероссийском семинаре «Геодинамика. Геомеханика и геофизика».. п. Новый Энхалук, Республика Бурятия, 2011 г.; на IX Международном симпозиуме по проблемам инженерного мерзлотоведения, г. Мирный, 2011 г.; на Международной IEEE Сибирской Конференции по управлению и связи SIBCON, Красноярск, 2011 г.; на 21-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2011 г.; на 5-ом Белорусском космическом конгрессе, Минск, 2011 г.; на Международных семинарах по научным и прикладным задачам радарной поляриметрии и поляриметрической интерферометрии (POLINSAR), Италия, 2007, 2009 гг.; на Симпозиумах руководителей научных проектов ALOS PI Symposium, Япония, 2001, Греция 2008, Япония 2010 гг.
Личный вклад автора заключается в развитии методов анализа радиолокационной информации, организации измерений, обработке радиолокационной информации и демонстрации новых возможностей РСА при решении задач ДЗЗ. Автор руководил основными этапами выполненных работ, проводил конкретные исследования. Им проработаны теоретические вопросы организации поляриметрической съемки естественных покровов, разработаны новые методы обработки данных интерферометрической съемки поверхности Земли, проведено исследование возможностей РСА при решении задач ДЗЗ в зависимости от его параметров.
В работе были использованы данные современных зарубежных радаров космического базирования ERS-1/2, ENVISAT, PALSAR, JERS-1, SIR-C, TerraSAR-X, полученных в рамках научных проектов, во многих из которых автор был научным руководителем:
AO3-246: “The ecological consequences of the accident at the Chernobyl power plant in 1986 based on the analysis of ERS archival data”,
AO3-276 Observation of flooding of Сaspian sea shore process based on the analysis of ERS-1 AND ERS-2 data,
AO3-343: “Research and development of highly efficient calibration techniques for spaceborne SAR systems on the base of ground based reflector antennas”,
INTAS № 97-1040 «Establishing a Regional System for Ecological Monitoring in the Lake Baikal Region»,
ENVISAT-AO-549 “Observation of Caspian coastal area evolution caused by rise of the sea level”,
ENVISAT-AO-702 “Research of tectonic activity in the Tien-Shan and Caucasus areas based on the ENVISAT ASAR repeated orbits interferometry”,
ENVISAT-AO 774: “Research of ENVISAT ASAR full polarimetric capability in the repeated orbits mode of observations”,
ERS Pilot Projects -1472 “Evaluation of applicability of ERS INSAR data for monitoring of Yamburg gas pipeline state”,
ERS Pilot Projects -3394 “ISLAND: Interferometric Study of Landslides-Associated Nowadays Displacements in urban territories located on the Volga River banks (Ulyanovsk city)”,
ERS Pilot Projects - 6320 “Evaluation of the natural and man-caused hazard around North-Muya railway tunnel (North Muya ridge, Siberia)”,
ALOS-102: “Study of new calibration techniques and applications for PALSAR polarimetric mode”,
ALOS-570 “Seasonal variations of polarimetric properties of forests backscatter on PALSAR data”,
ALOS-595 “PALSAR observations for determination of oil and gas in the geological reconnaissance activities ”INFOTERRA Pilot project “TerraSAR-X Data Evaluation (Railway Monitoring and Oil & Gas Applications)”,
FP-6 Project INTEGRAL “Interferometric Evaluation of Glaciers Rheology and Alterations”,
Международный комплексный целевой проект “Природа”.
В результате анализа большого объема радиолокационной информации получен ценный фактический материал по радиофизическим свойствам подстилающей поверхности, использованный автором для демонстрации возможностей РСА при решении тематических задач и выработке рекомендаций по параметрам отечественного перспективного космического РСА. Автор выражает признательность ESA, JAXA, NASA, INFOTERRA за данные современных РСА, предоставленные в рамках перечисленных выше научных проектов.
Публикации: по теме диссертации соискателем опубликовано более 140 статей и докладов; основные результаты диссертации достаточно полно отражены в приведённых ниже 55 публикациях, включая монографию, 2 патента на изобретения, 32 статьи, 29 из которых входят в Перечень изданий, определенный ВАК РФ, и 20 докладов на конференциях. Соискателем были сделаны доклады на коллегиях, семинарах и научных советах ряда научных центров, в том числе в Федеральном космическом агентстве, ЦНИИМАШ, ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН и др.
Структура и объем диссертации: диссертационная работа состоит из введения, семи глав и заключения. Работа изложена на 370 страницах, содержит 133 рисунка, 36 таблиц и библиографический список из 255 наименований.
Фокусированный синтез радиолокационного изображения
Процесс формирования узкого главного лепестка ФН сигнала состоит из оптимальной фильтрации по запаздыванию (сжатия по запаздыванию) и когерентной обработки пачки эхо-сигналов или синтеза (фокусированного синтеза) апертуры. Как было отмечено ранее, обязательной составляющей процесса фокусированного синтеза является компенсация меняющейся дальности до выбранного элемента поверхности. При перемещении спутника вдоль трассы полета расстояние г до точки поверхности Р увеличивается на расстояние Аг по сравнению с минимальной наклонной дальностью г0 (см. рис. 1.14), в соответствии с формулой.
Отсюда следует, что частота сигнала выбранного элемента поверхности меняется по линейному закону, а фаза - по квадратичному. У элемента поверхности, находящегося в точке уіФуо , имеется дополнительный линейный ход фазы или постоянный доплеровский сдвиг частоты по сравнения с элементом, с координатой уо=0. Квадратичная составляющая фазы при этом остается примерно такой же. Математически обработка эхо-сигналов в процессе синтеза апертуры заключается в коррекции квадратичного изменения фазы и когерентном накоплении отсчетов. Алгоритмически процедура коррекции может быть реализована в виде свертки азимутальной выборки эхо-сигналов с фокусирующей функцией, закон изменения фазы которой описывается выражением (1.19). Возможен альтернативный вариант -умножение выборки сигналов на фокусирующую функцию из (1.19) с последующим спектральным анализом азимутальной выборки сигнала, в результате которого соседние по азимуту элементы поверхности разделяются в соответствии со своим доплеровским сдвигом частоты. Недостатком второго способа является модуляция уровня отраженного сигнала диаграммой антенны в азимутальном направлении. Подавление уровня отраженного сигнала в направлении по наклонной дальности присутствует в обоих вариантах обработки.
Значительные изменения условий наблюдения приводят к необходимости использования усложненных методов наблюдения и алгоритмов синтеза изображения. Например, при когерентном суммировании соседних строк изображения, необходимо учитывать значительную миграцию отсчетов по дальности (смещение по дальности), так как изменение расстояния оказывается сравнимым или большим разрешения радиолокатора по дальности.
Специалистами в области обработки данных РСА разработано большое количество методов синтеза изображений в зависимости от условий проведения радиолокационных наблюдений [148,149]. Это «Range-Doppler», или дальностно-доплеровский алгоритм, метод ЛЧМ-масштабирования (Chirp Scaling), «CG-К» алгоритм.
Рассмотрим в качестве примера алгоритм «со-К». Этот алгоритм, как и другие известные алгоритмы, компенсирует миграцию по дальности в частотной области. Блок-схема этого алгоритма приведена на рис. 1.15. Выделяются следующие этапы обработки:
1) Двумерное Фурье-преобразование массива строк отраженного сигнала
2) Фазовая корекция с помощью заранее насчитанной опорной функции
3) Преобразование координат Столта вдоль оси дальности
4) Обратное двумерное Фурье-преобразование.
Ключевые этапы здесь - умножение на опорную функцию и преобразование координат Столта. Умножение на опорную функцию в частотной области позволяет выполнить фазовую коррекцию, тем самым компенсируя фазу из-за частотной модуляции по дальности, миграции по дальности, и частотной модуляции по азимуту. Опорная функция рассчитывается для середины полосы изображения по дальности, вследствие чего пикселы в центре полосы фокусируются корректно, а пикселы на краях фокусируются не полностью. Следующий этап, преобразование координат Столта, позволяет сфокусировать все другие пикселы с помощью интерполяции вдоль оси дальностных частот.
Параметры фокусированного синтеза радиолокационного изображения на этапе первичной обработки, а также перестроения изображения в выбранную картографическую проекцию определяются параметрами зондирующего сигнала, геометрией съемки и параметрами движения спутника. Для выведения математических соотношений, необходимых для построения системы обработки, начнем с анализа геометрии съемки, представленной на рис. 1.16.
Антенна радиолокатора, находящегося в точке S, освещает участок поверхности, находящийся в пределах диаграммы направленности с угловым размером 8Г. Наклонная дальность до поверхности по линии электрической оси антенны равна г, а до ближнего и дальнего краев пятна - г\ и г2 соответственно. Угловое расстояние элемента поверхности относительно подспутниковой точки, находящегося на расстоянии г от аппарата, равно.
Линейные размеры снимаемого участка поверхности равны W=Rm( t 2-Фі). Угол падения радиоволны на поверхности равен 9=а+Ф.
Введем орбитальную систему координат, представленную на рис. 1.17. Орбитальная система координат является общепринятой при обработке современных Российских и зарубежных спутниковых РСА систем. В этой инерциальной системе координат экваториальная плоскость совмещена с плоскостью орбиты ВСО (см. рис. 1.17). Орбитальная долгота, или аргумент широты і выбранной точки отсчитывается от восходящего узла орбиты ИСЗ, орбитальная широта ф - в плоскости, перпендикулярной плоскости орбиты.
Точка S определяет положение аппарата, движущегося со скоростью V, (VH и Vv - горизонтальная и вертикальная компоненты скорости аппарата), OS=p -планетоцентрическое расстояние аппарата, О]О = RM - местный радиус планеты в точке А. Реальную поверхности Земли заменим поверхностью эллипсоида вращения, ось вращения которого совпадает с осью вращения Земли.
Выведенные здесь точные выражения для наклонной дальности и двух ее производных являются математической основой для определения параметров системы обработки радиолокационной информации и получаемого изображения.
Ошибки измерения разности фаз. Когерентность сигналов
Ошибка измерения интерферометрической разности фаз az9, может быть оценена с помощью выражения для плотности вероятности распределения разности фаз двух коррелированных случайных процессов. Согласно [106], разность фаз гауссовых сигналов ф имеет распределение, следующим образом зависящее от нормированного коэффициента корреляции или когерентности у.
На рис. 3.6 сплошной линией показана дисперсия из (3.18), обозначенная как alm а прерывистой - показана аппроксимация (3.19)
Различают несколько источников декорреляции / потери когерентности отраженных сигналов. Например, изменения условий прохождения и отражения сигнала радара за время между съемками приводят к временной декорреляции. Существует понятие когерентности сцены, являющееся, по смыслу, дополнительным к понятию степени декорреляции. Степень когерентности двух комплексных радарных изображений Z\ и z2 определяется формулой.
Как было отмечено ранее, декорреляция может возникнуть из-за выпадения осадков, деформации микрорельефа поверхности вследствие ветровых колебаний растительных покровов поверхности и др., что может быть обнаружено на карте когерентности изображений.
Зависимость нормированного коэффициента корреляции (когерентности) от геометрии съемки и параметров радиотехнических бортовой системы может быть получена исходя из представлений о некоррелированности тепловых шумов системы yN и шумов декорреляции отраженного сигнала выбранного элемента поверхности при приеме с различных точек наблюдения ysp, вследствие чего Y=YN YSP- Более общее выражение для уровня декорреляции учитывает временную декорреляцию отражений ytemp при измерениях, проводимых с повторяющихся орбит космического аппарата.
Поэлементное совмещение изображений является обязательной составляющей процесса интерферометрической обработки. Вследствие различного расположения антенн в пространстве, изображения смещены по азимуту и дальности на величины Ах и Аг. Вследствие дискретной природы синтезируемых изображений в этих смещениях можно выделить смещения на целое число строк пу и число отсчетов по дальности пг в виде.
Согласно этому выражению, степень пространственной декорреляции возрастает при увеличении базы, длины волны, ухудшении разрешения по дальности, уменьшении величины наклонной дальности.
Предельное значение для размера перпендикулярной составляющей базы или, что то же, разнесения точек приема сигнала в двухантенной интерферометрии можно получить, взяв крайний случай в (3.34) для уровня когерентности, равным нулю. Тогда максимальное теоретическое значение разнесения точек приема dmax равно.
Таким образом, наличие пространственно-временной декорреляции, а также присутствие шумов измерений является фактором, ограничивающим точность проведения интерферометрических измерений рельефа и динамики подстилающей поверхности. В то же время, пространственно-временная декорреляция является ценным источником информации о типах подстилающей поверхности, и широко используется для целей тематического анализа радарных данных.
Примеры использования карт когерентности для целей тематического картирования будут приведены далее.
Фарадеевское вращение плоскости поляризации сигнала РСА и методы коррекции
Электромагнитная волна, распространяющаяся в анизотропной среде, какой является ионосферная плазма в присутствии магнитного поля Земли, расщепляется на две характеристические волны. В случае распространения вдоль вектора магнитного поля (продольное распространение,) это волны с круговой поляризацией с различным направлением вращения вектора и различными фазовыми скоростями. Результирующая волна в точке наблюдения, как сумма двух характеристических волн, является линейно поляризованной с медленным вращением плоскости поляризации, называемым Фарадеевским вращением. То же самое верно и для распространения под некоторым углом 0 к вектору магнитного поля (квазидолготное распространение, обозначаемое в литературе, как QL). Как показано в [89], QL аппроксимация справедлива при cos1 (в) 025] -) , (5.1) где.//, - гирочастота электронов плазмы. Согласно оценкам [29], она равна 1-2 МГц.
В случае L, а тем более С диапазона, QL аппроксимация справедлива во всем диапазоне значений 0, за исключением области в десятые доли градуса около 0=90, где должно рассматриваться квазипоперечное распространение с более сложным поведением составляющих волн.
Наклонение орбиты по отношению к магнитному экватору меняется в пределах Ig±11.3 в зависимости от долготы восходящего узла орбиты на географическом экваторе. Используя соотношения сферической тригонометрии, можно определить угол 0j между направлением распространения волны и вектором напряженности магнитного поля в зависимости от положения аппарата на орбите, задаваемого угловым расстоянием аппарата от восходящего узла орбиты.
На рис. 5.6 показана зависимость угла между направлением электрической оси антенны РСА и вектором напряженности магнитного поля при съемке справа под углом 30 для различного положения аппарата на орбите. Минимальное и максимальное значение угла в\ отмечается в высоких широтах (в районе магнитных полюсов) и примерно равно углу обзора а или 180-а. Случай равенства 9=90 (случай квазипоперечного распространения) имеет место в экваториальной области.
Так как космический аппарат находится существенно выше максимума электронной концентрации, воспользуемся оценками ТЕС, приведенными выше. Величина Фарадеевского вращения плоскости поляризации для C-VHF диапазона при высоком значении ТЕС = 3 10 м" (летний полдень в год высокой солнечной активности) при различном положении космического аппарата на орбите для различных значений длины волны несущей отражена на графиках рис. 5.7-5.9.
Как следует из графика, максимальные амплитуды значений угла Qj - в районе геомагнитных полюсов, где максимальна напряженность магнитного поля, а главное, максимален cos(6j). В районе экватора Q стремится к нулю, так как 9j стремится к 90. Заметим, что эти максимальные значения Фарадеевского вращения -0.7 на длине волны 3 см, -3 на длине волны 6 см, -40 на длине волны 23 см, -380 на длине волны 70 см, -1700 на длине волны 150 см в районе геомагнитного полюса характерны для случая аномально высокой электронной концентрации.
Вращение плоскости поляризации для радаров, работающих в диапазонах L, Р VHF может существенно исказить поляриметрические измерения. Для правильного использования измерений поляриметрического радара требуется коррекция измерений. Оказывается, угол вращения линейно поляризованной волны в ионосфере можно оценить с помощью радара с синтезированной апертурой. Материалом для такого рода оценок могут служить измерения полной матрицы рассеяния S земной поверхности, выполненные в полном поляризационном базисе для различных комбинаций, например, горизонтальной (h) и вертикальной (v) поляризаций сигнала на излучении и приеме:
Линейный поляризационный базис является наиболее распространенным в дистанционном зондировании Земли. Иные варианты чаще всего рассматриваются теоретически и вынужденно, например, с целью устранить мешающее влияние среды распространения, как это предлагается в отношении круговой поляризации для радаров длинноволнового диапазона. Вместе с тем, проведение измерений в одном из поляризационных базисов не исключает возможности дальнейшего анализа данных в другом базисе, поскольку существует однозначный способ преобразования базисов.
Требования к точности калибровки
Вышеупомянутую связь интенсивности элементов изображения с УЭПР соответствующих участков поверхности обеспечивает радиометрическая калибровка, зависящая от точности знания параметров радарной системы (например, мощность передатчика, усиление приемника, коэффициент усиления антенны, потери в тракте и др.) и называемая абсолютной радиометрической калибровкой. Она позволяет сравнивать данные различных радарных систем одного и того же диапазона волн, полученных в той же геометрии съемки. Относительная радиометрическая калибровка определяет степень достоверности сравнения элементов изображения внутри полосы изображения, в соседних сеансах измерений или в различных миссиях при использовании одной и той же радарной системы.
В свою очередь, относительная калибровка различается в зависимости временного интервала между получением сравниваемых данных. Радар с высокой кратковременной точностью калибровки обеспечивает достоверность сравнения данных внутри полосы изображения. Радар с высокой долговременной точностью калибровки должен обеспечивать возможность надежного сравнения данных из различных сеансов на интервале от единиц дней вплоть до нескольких лет, что определяется стабильностью усиления радарной системы, а также точностью ориентации носителя и наведения антенны на объект.
Накопленный к настоящему времени опыт решения задач дистанционного зондирования [151,205,210] позволяет выделить следующие требования к радиометрической калибровке в зависимости от типа перечисленных ранее тематических задач (см. сводный материал в табл. 7.5.
A. Гляциология - Абсолютная калибровка с точностью 1 dB и относительная калибровка (стабильность системы) того же порядка необходимы для измерения водного эквивалента снега с точностью ± 20 см при толщине снежного покрова 20 см. Кроме того, взаимная точность калибровки данных внутри полосы изображения, а также данных из соседних полос должна быть лучше 1 dB для того, чтобы обеспечить количественные сравнения отражательных свойств различных типов льдов с целью выявления динамики ледовых покровов и определения типов, а значит, и их возраста и толщины.
Б. Гидрология - Абсолютная калибровка с точностью 1 dB и относительная калибровка того же порядка необходимы для измерения влажности почв с возможностью различения 5 уровней влажности почв - от умеренной влажности вплоть до насыщения (20% вариации влажности на каждом уровне). Изучение временных вариаций влажности от дня ко дню, или же от года к году также требует радиометрической достоверности данных лучше 1 dB.
B. Растительные покровы - Абсолютная калибровка с точностью 1 dB обеспечит возможность измерения биомассы растительных покровов через такой параметр растительных покровов, как листовой индекс (отношение общей площади всей листвы в растительном слое к единице площади поверхности) с точностью 0.5 в пределах от 0 до 2 или же плотности биомассы на 25%.
Г. Океанография - Изменения скорости ветра на 20% приводят к изменению УЭПР морской поверхности на 1 dB, что и определяет нижний предел к требованиям по абсолютной и относительной калибровке радарных данных.
Д. Геология - Абсолютная калибровка с точностью 2-3 dB необходима для построения надежных моделей обратного рассеяния, связывающих УЭПР поверхности с геофизическими параметрами при изучении процессов опустынивания, исследовании структуры земной коры, классификации лавовых потоков по возрастным классам.
Приведенные в таблице зависимости точности измерения геофизических параметров в зависимости от точности радиометрической калибровки позволяют оценивать возможности РСА по тематическому анализу радиолокационных данных. Однако, стремление достичь как можно более высоких калибровочных характеристик ограничивается сложностью аппаратурного обеспечения требуемых показателей. Наиболее обоснованным является достижение уровня современных зарубежных РСА систем типа ERS-1, RADARSAT, SIR-C, имеющих точность около 1 dB. Однако такая точность может быть обеспечена только с привлечением средств внешней (наземной) радиометрической калибровки, имеющих высокую, заранее известную и стабильную ЭПР. Внешние средства калибровки позволяют хорошо измерять и учитывать в дальнейшей обработке и такой параметр, как диаграмма направленности бортовой антенны. К внешним средствам калибровки относятся как естественные объекты, так и искусственные цели типа уголковых отражателей или активных ретрансляторов. Оценка параметров искусственных калибровочных целей и анализ возможности их аппаратурной реализации являются также темой данной работы.
