Содержание к диссертации
Введение
Обзор существующих средств исследования околоземных космических объектов
Оптические наблюдения. 13
Наблюдения с помощью космических аппаратов. 17
Радиолокационные наблюдения астероидов. 20
Радиолокационные средства получения изображений ИСЗ. 30
Синтез двумерных радиоизображений 37
Околоземных космических объектов по данным радиолокации узкополосным сигналом
Методика синтеза двумерных радиоизображений по данным 38
радиолокации узкополосным сигналом.
Численное моделирование синтеза радиоизображения КО состоящего из "блестящих" точек .
Методика расчета спектров сигналов, отраженных от вращающегося шероховатого трехосного эллипсоида.
Численное моделирование синтеза радиоизображения шероховатого трехосного эллипсоида.
Фильтрация шума радиоизображения методами цифровой обработки изображений.
Экспериментальные результаты 86
Моноимпульсной радиолокации ИСЗ
Условия проведения измерений радиолокационным линейным интерферометром.
Радиоизображение ИСЗ по данным моноимпульсной радиолокации .
Экспериментальные результаты 98
Узкополосной радиолокации астероида
Условия проведения измерений бистатической радиолокационной системой.
Первичная обработка данных радиолокации астероида WT-24. 102
1. Обнаружение радиолокационного сигнала. 103
2. Уменьшение полосы частот эхо-сигналов . 107
3. Оценка частоты и формы спектра эхо-сигналов. 111
4. Допплеровская астрометрия. 119
Определение интегральных характеристик поверхности астероида 1998 WT24.
Радиоизображение астероида WT-24. 129
Заключение 139
Литература
- Наблюдения с помощью космических аппаратов.
- Численное моделирование синтеза радиоизображения КО состоящего из "блестящих" точек
- Радиоизображение ИСЗ по данным моноимпульсной радиолокации
- Уменьшение полосы частот эхо-сигналов
Введение к работе
Интенсивное развитие радиолокационных методов обеспечило возможность создания наземных радиолокационных комплексов для обнаружения и сопровождения искусственных спутников земли (ИСЗ), астрометрии планет солнечной системы, контроля засоренности околоземного пространства космическим мусором искусственного и естественного происхождения, исследования астероидов и комет в период их сближения с Землей. На основе радиолокационных исследований получены фундаментальные результаты в области физики планет и малых тел солнечной системы, поняты проблемы астероидно-кометной опасности и загрязнения околоземного пространства, обеспечено своевременное получение информации о движении ИСЗ и возможностях их распознавания.
В последнее время особое внимание сосредоточено на вопросах реализации методов сверхразрешения, позволяющих в частности синтезировать радиолокационные изображения космических объектов (КО) с точностью, превышающей возможности оптических наблюдений. Теоретические проблемы и перспективы развития радиовидения околоземных КО исследуются в подавляющем большинстве развитых стран мирового сообщества, что обусловлено острой необходимостью решения задач получения своевременной и точной информации о строении КО и их орбитах. Однако интенсивные экспериментальные исследования ведутся лишь в США, где сосредоточены наиболее мощные радиолокационные комплексы.
Впечатляющих результатов радиолокационные методы позволили достичь при радиолокации малых тел Солнечной системы - астероидов и комет. Начиная с 1968 г. в США [1,2] с помощью радиолокации исследовано 10 комет, 95 астероидов главного пояса и 169 астероидов, сближающихся с Землей. Но только 3 околоземных астероида были исследованы с участием других стран (в том числе и России): астероид 4179 Таутатис
(Евпатория->Эффельсберг), астероид 6489 Голевка (Голдстоун=>Евпатория) и астероид 1998 WT24 (Евпатория=>Медичина).
Особенностью радиолокационных методов наблюдения космических объектов является то, что непосредственно из экспериментальных данных определяются временные изменения спектров мощности эхо-сигналов, но их энергия маленькая, сопоставимая с уровнем шума, а это не позволяет достичь высокого частотного разрешения. Точность прогноза траектории движения объектов, как правило, недостаточна для реализации методов радиоголографии, количество ракурсов наблюдения объекта ограничено, экспериментальные данные содержат интегральную информацию об отражающей поверхности, в то время как определению подлежат локальные характеристики поверхности исследуемого объекта, а создание новых современных радиолокационных станций требует значительных финансов. Все это делает актуальными задачи детального анализа методик оптимальной пространственно-временной обработки эхо-сигналов и формирования радиоизображений космических объектов по данным существующих радиолокационных средств, количественной оценки влияния различных искажающих факторов и определения допустимой степени их воздействия. Интерес к радиоголографическим методам обусловлен, в частности, и тем, что без существенной модернизации многие действующие в России радиолокационные станции (РЛС) могли бы получить новое качество: способность формирования двумерных радиоизображений ИСЗ.
Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование особенностей построения радиоизображений по результатам монохроматической радиолокации астероидов и моноимпульсной узкополосной радиолокации ИСЗ, разработка методики и программного обеспечения для обработки, анализа и интерпретации результатов измерений, формирование двумерных радиоизображений и определение физических характеристик исследуемых объектов.
Экспериментальные результаты, на основе которых была выполнена работа, получены с участием ИРЭ РАН с помощью специализированных радиолокационных комплексов. При радиофизической интерпретации и обработке экспериментальных данных учитывались особенности регистрирующих комплексов, а высокую разрешающую способность обеспечило использование современных методов спектрального анализа и оптимальной пространственно-временной обработки эхо-сигналов. Формирование изображений было построено аналогично методу обратных проекций, развитому в реконструктивной вычислительной томографии, на основе принципов обращенного синтезирования апертуры за счет поступательного либо вращательного движения исследуемого объекта.
Научная новизна работы.
Разработана и экспериментально проверена методика построения двумерных радиоизображений околоземных космических объектов по результатам узкополосной радиолокации. Установлено, что такие радиоизображения позволяют определить форму и размеры исследуемых объектов, а также предоставляют дополнительные сведения о характеристиках рассеяния его поверхности.
С помощью новой методики, учитывающей в частности временные вариации шумов приемной аппаратуры, разработан комплекс программ, позволяющих проводить автоматически весь цикл цифровой обработки эхо-сигналов и определения их параметров даже при неблагоприятных условиях проведения радиолокационного эксперимента.
С высокой точностью измерено доплеровское смещение эхо-сигнала, позволяющее почти на порядок уменьшить ошибки прогноза радиальной скорости астероида 1998 WT24. Получены новые сведения о размерах астероида 1998 WT24, его форме, радиолокационном поперечном сечении, альбедо, поляризационном отношении, свидетельствующие о сильной шероховатости его поверхности.
Практическая ценность работы.
Разработанные алгоритмы и программное обеспечение могут использоваться для цифровой обработки радиолокационных данных с целью извлечения сведений о динамических и физических параметрах околоземных КО. Результаты построения радиоизображений ИСЗ могут оказаться полезными в работе Российских РЛС для распознавания обнаруженных объектов. Методики и программное обеспечение цифровой фильтрации радиоизображений оказались эффективными для улучшения качества оптических фотографий ИСЗ.
Достоверность результатов, полученных в работе, подтверждается хорошим согласием с экспериментальными данными, полученными другими группами исследователей, непротиворечивостью экспериментальных данных и результатов численного моделирования, а также тщательным анализом особенностей проведения экспериментов, ограничений принятой методики обработки данных, источников погрешностей» обусловленных различными факторами.
Защищаются следующие основные положения.
Предложенная и апробированная в экспериментах методика построения радиоизображений астероидов и ИСЗ предоставляет возможность выявить особенности строения исследуемого объекта.
Предложенная методика цифровой обработки эхо-сигналов, апробированная при радиолокации астероида 1998 WT24, позволила получить новые сведения о динамике его движения и физических характеристиках его поверхности.
Новые сведения о радиолокационном поперечном сечении, поляризационном отношении и альбедо свидетельствуют о сильной шероховатости поверхности астероида 1998 WT24.
Построенные радиоизображения космического корабля "Прогресс" и астероида 1998 WT24 позволили установить форму и размеры исследуемых объектов, а также предоставили дополнительные сведения о характеристиках рассеяния их поверхности.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии (92), содержит 148 страниц машинописного текста, 39 рисунков и 6 таблиц.
Во введении рассмотрена актуальность задачи построения радиоизображений космических объектов, формулируется научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приводятся основные положения, представленные к защите.
В первой обзорной главе изложено современное состояние оптических и радиолокационных исследований объектов ближнего космоса. Проведен сравнительный анализ различных методов исследования астероидов. Показано, что наблюдения разными методами взаимно дополняют друг друга. Основное внимание уделено радиолокационным исследованиям и возможности построения радиоизображений объектов околоземного пространства. Показаны главные достижения в области радиовидения как астероидов, так и ИСЗ. Сформулированы задачи, которые могут быть эффективно решены методом узкополосной радиолокации.
Во второй главе обоснована и количественно разработана методика синтеза двумерных радиоизображений по результатам радиолокации узкополосным радиосигналом околоземных космических объектов. Анализируются возможности визуализации локальных центров рассеяния при получении радиоизображений низкоорбитальных спутников Земли, на основе численного моделирования выявлен характер влияния различных искажающих факторов и оценена допустимая степень их воздействия. Исследуются особенности получения и анализа радиоизображений на примере моделирования радиолокации шероховатого трехосного эллипсоида, не имеющего локальных центров рассеяния (свойство, характерное для радиолокации астероидов), а также возможности увеличения точности определения характеристик объекта по радиоизображению. Предложена методика цифровой обработки радиоизображений для получения более качественной информации об объекте исследования.
В разделе 2Л рассмотрены особенности эксперимента узкополосной радиолокации ИСЗ, обоснована и количественно разработана методика синтеза изображения для объектов представленных «блестящими точками».
В разделе 2.2. представлены результаты численного моделирования узкополосной радиолокации ИСЗ, состоящего из нескольких рассеивающих центров. Получены оценки погрешностей и продемонстрированы ограничения разработанных алгоритмов рассматриваемой методики построения радиоизображений. Показано, что разрешающая способность может достигать 10 см даже при использовании действующих в настоящее время в России моноимпульсных радиолокаторов. Подтверждена реализуемость методики построения радиоизображений и выявлены требования к условиям проведения радиолокационных экспериментов нацеленных на построение двумерных радиоизображений ИСЗ.
В разделе 2.3 рассмотрены особенности эксперимента радиолокации вращающегося шероховатого трехосного эллипсоида, не имеющего локальных центров рассеяния (свойство, характерное для радиолокации астероидов). Приведены соотношения для расчета спектров эхо-сигналов, отраженных от эллипсоида с произвольной ориентацией оси его вращения относительно РЛС.
В разделе 2.4 представлены результаты численного моделирования узкополосной радиолокации вращающегося шероховатого трехосного эллипсоида. Выполнен анализ особенностей радиоизображений объектов с разными функциями рассеяния их поверхности. Показано, что данные радиолокационного эксперимента позволяют построить достоверное радиоизображение эллипсоида при отношениях сигнал/шум > 8, причем погрешность такого построения не превышает 5%. Обоснована возможность извлечения из радиоизображений достоверных сведений о форме объекта и об отражающей способности его поверхности. Показано, что рассмотренная методика построения радиоизображений, с учетом ограничений и
погрешностей разработанных алгоритмов, перспективна для объектов, поверхность которых является статистически неровной.
В разделе 2.5 анализируются возможности фильтрации шума радиоизображения методами цифровой обработки изображений. Продемонстрирована эффективность предложенных методов фильтрации для улучшения качества радиоизображений и фотоизображений ИСЗ.
В третьей главе обоснована экспериментально возможность получения радиоизображения стабилизированного низко орбитального ИСЗ однопозиционным моноимпульсным радиолокатором с узкополосным зондирующим радиосигналом на основе метода обращенного синтезирования радиоголограмм и использования изменения ракурса ИСЗ при движении по околоземной орбите для формирования изображения.
В разделе 3.1. представлены основные сведения об экспериментальной установке моноимпульсной радиолокации и описаны условия проведения эксперимента. Анализируется методика первичной обработки экспериментальной информации, источники погрешностей и требования к условиям проведения экспериментов.
В разделе 3.2 описаны результаты единственного проведенного в России эксперимента, в результате которого было получено радиоизображение космического корабля "Прогресс". Представлены спектры мощности эхо-сигналов, отраженных от КО "Прогресс" Разрешение полученного радиоизображения хорошо согласуется с теоретическими оценками. Форма и размеры КО, полученные из анализа радиоизображения согласуются с реальными сведениями об исследованном объекте.
В четвертой главе представлены методика и результаты обработки данных монохроматической радиолокации астероида 1998 WT24, анализируются возможные погрешности измерений, получены новые сведения об его динамике и физических характеристиках его поверхности. Анализируется двумерное радиоизображение астероида.
В разделе 4.1 описаны условия проведения радиолокационного эксперимента по исследованию астероида 1998 WT24 и использовавшаяся бистатическая радиолокационная система Евпатория=>Медичина.
В разделе 4.2 рассмотрены методики обнаружения эхо-сигнала и измерения его характеристик. Представлены результаты измерения частоты и спектра мощности отраженного сигнала. Получены данные для уточнения орбиты астероида 1998 WT24.
В разделе 4.3 определены интегральные характеристики поверхности астероида 1998 WT24. Установлено, что поляризационное отношение близко к 1. Измерено радиолокационное поперечное сечение, на обеих поляризациях оно равно ~0.021 км . Представлены оценки диаметра (0.41 км) и альбедо (0.15). Измерения свидетельствуют, что поверхность астероида является сильно шероховатой.
В разделе 4.4 представлено двумерное радиоизображение астероида 1998 WT24, построенное по экспериментальным данным с использованием методики, описанной во второй главе. Получены новые сведения о форме астероида, данные о максимальном (0.43 км) и минимальном (0.38) размерах. Анализируются особенности отражающей способности его поверхности.
В Заключении кратко сформулированы результаты выполненной работы.
Диссертация выполнялась в соответствии с научными планами Института радиотехники и электроники РАН в период с 1999 г. по 2005 г. Автор являлся исполнителем соответствующих НИР. Личный вклад автора заключается в следующем:
Разработал методику обнаружения и измерения характеристик эхо-сигналов для радиолокационного исследования астероида 1998 WT24.
Разработал методику построения радиоизображений астероидов и ИСЗ по данным узкополосной радиолокации.
Создал математическое обеспечение для моделирования и обработки результатов радиолокации.
Провел обработку и анализ экспериментальной информации, получил новые количественные характеристики астероида 1998 WT24.
Построил радиоизображения астероида 1998 WT24 и космического корабля "Прогресс"
Научным руководителем эксперимента радиолокации астероида 1998 WT24 являлся д.ф.-м.н. Зайцев АЛ., научными руководителями эксперимента радиолокации космического корабля "Прогресс" являлись к.ф.-м.н. Секистов В.Н. и Главный конструктор ОАО НПК НИИДАР В.А. Сорокин, им автор выражает благодарности за предоставление цифровых записей эхо-сигналов.
Автор выражает благодарность д.ф.-м.н., проф. Д.С. Лукину за научное руководство диссертацией.
В организации экспериментов и проведении измерений принимали непосредственное участие научные сотрудники ИРЭ РАН и других организаций, расположенных в России, на Украине, в Италии, в США которые являются соавторами печатных работ. Автор благодарит всех сотрудников, принимавших участие в экспериментах. Особую признательность автор выражает сотрудникам ИРЭ РАН к.ф.-м.н. В.Н, Секистову, д.ф.-м.н. А.Л. Зайцеву, к.ф.-м.н. АЛ. Гаврику, к.ф.-м.н. В.А. Андрееву за помощь в разработке методик цифровой обработки данных радиолокации и формирования двумерных радиоизображений, за обсуждение результатов анализа данных.
Основные результаты диссертации докладывались на международных конференциях XXVI Генеральная ассамблея Европейского Геофизического Общества (EGS XXVI General Assembly, Nice, France, March 2001), ACM-2002 (Asteroids, Comets, Meteors, Berlin 29 Jul- 2 Aug, 2002.), на XLV научной конференции МФТИ "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук", Москва, 2002, на LVIII научной сессии, посвященной дню радио, Москва, 2003, а также опубликованы в работах /71-76,92/ списка публикаций.
Наблюдения с помощью космических аппаратов.
Давно известна возможность полностью избавиться от влияния атмосферы при оптических наблюдениях: вынести телескоп в космос. Так, телескопы, работающие на орбитальных околоземных космических аппаратах, могут обеспечить получение снимков астрономических объектов с угловым разрешением, во многом большим, чем наземные телескопы. Атмосферная турбулентность не мешает космическим наблюдениям, а современная техника обеспечивает получение высококачественных изображений в ультрафиолетовой, оптической и инфракрасной областях спектра.
Одним из наиболее известных космических телескопов является телескоп созданный в США: Большой космический телескоп Хаббл с диаметром главного зеркала 2,4 метра. В нашей стране также были разработаны (но не реализованы) несколько проектов космических телескопов: "Ломоносов", АИСТ (Астрометрический искусственный спутник-телескоп) [5]. Одним из последних стал проект «ИНТЕГРАЛ». Этот проект [18] направлен на проведение сверхтонкой (Е/ДЕ=500) гамма-спектроскопии космических излучений и построение детальных изображений неба в диапазоне энергий от 15 кэВ до 10 МэВ с одновременным мониторингом космических источников в рентгеновском (3-35 кэВ) и оптическом (V-полоса, 550 нм) диапазонах.
Сравнение параметров наземных и космических средств обнаружения ОКО, представленное в работах [17, 19-21], показало, что основными факторами, определяющими эффективность системы обнаружения, 4 являются: (1) апертура телескопа, (2) суммарное количество элементов разрешения приемника, и (3) чистое время работы системы, т.е. время регистрации данных. Использование космических телескопов требует огромных денежных средств на их сооружение и эксплуатацию, а из-за технологических ограничений, технические возможности космических средств явно проигрывают наземным телескопам. Так космический телескоп Хаббл дает высокое качество изображения, но из-за малости апертуры не может обнаружить слабые объекты. Предполагалось, что космические телескопы смогут вести круглосуточные наблюдения и их чистое время наблюдений будет в несколько раз превосходить возможности наземных средств. Однако до настоящего времени такая возможность космических средств не реализована. В действительности возникает неизбежное отклонение реальных параметров орбиты спутника от идеальных под воздействием внешних и внутренних дестабилизирующих факторов, и рассчитать точную математическую орбиту не представляется возможным. Таким образом, из-за сложности наведения космического телескопа его чистое время работы не превышает 15%, что сравнимо с возможностями хорошо расположенных наземных телескопов с адаптивной оптикой [19-21].
В отличие от оптических средств, программа исследований КО с борта космических аппаратов (КА) началась более 40 лет назад. Ее целью является получение таких научных данных, которые недоступны для наземных обсерваторий. Основной тенденцией в освоении околоземного космического пространства стало решение широкого круга прикладных задач с помощью космических аппаратов. Запуски космических аппаратов, оборудованных телевизионной системой, инфракрасным и ультрафиолетовым спектрометрами, позволяют выполнять уникальные исследования не только планет, но и малых тел солнечной системы. В частности, в 1986 г. во время пролета космических аппаратов "Вега -1,2" и "Джотто" вблизи ядра кометы Галлея были получены первые уникальные сведения о строении комет, а в 1991 г. впервые с близкого расстояния 16000 км был сфотографирован у астероид 951 Гаспра, мимо которого пролегал путь корабля "Галилей". В феврале 2001 года космический аппарат NEAR совершил мягкую посадку на 433 Eros - первую в истории посадку на астероид. Данные со спутника позволили получить представление о форме и строении астероида [22,23]. В сентябре 2001 с помощью аппарата Deep Space 1, во время сближения с кометой Боррелли, проводились исследования связанные с измерением энергии электронов и ионов, поиском магнитного поля, получением снимков ядра кометы в оптическом и в ИК диапазонах [24],
Однако, далеко не все запуски К А успешны, так Япония запустила аппарат "Nozomi", но, к сожалению, связь с ним была утрачена [25]. В космическом пространстве спутник подвергается воздействию ряда факторов космической среды. Приборы, находящиеся внутри ИСЗ «атакует» проникающая радиация. Интенсивными факторами, влияющими на внешнюю поверхность ИСЗ и его работоспособность, являются космический вакуум, потоки плазмы, корпускулярные и магнитные излучения, микрометеориты. Они способствуют созданию собственной атмосферы ИСЗ и его электризации, ионы, атомы и молекулы собственной атмосферы, осаждаясь на внешних поверхностях функциональных элементов бортовой аппаратуры, образуют пленку загрязнения, которая постоянно увеличивается. Характеристики элементов солнечных батарей ухудшаются из-за деградации в структуре полупроводников, появляющейся вследствие их бомбардировки электронами и протонами космического пространства. Явления электризации спутника в свою очередь, приводят к возникновению электромагнитных помех в различных электрических цепях ИСЗ [26]. Все эти факторы делают разработку довольно дорогостоящей, и запланировать исследования с помощью спутников для большого числа астероидов и комет невозможно.
К настоящему времени запущенно несколько проектов по исследованию астероидов и комет. Это космический аппарат "Muses-С", который был запущен с целью доставки образца с астероида 25143 Itokawa (сентябрь, 2005г). Два проекта "Rosetta" и "Deep Impact" по сбору данных о поверхностях и структуре комет «Wirtanen» (2014 г) и «Tempel 1» (июль, 2005 г), соответственно.
Численное моделирование синтеза радиоизображения КО состоящего из "блестящих" точек
В настоящее время в ближнем космосе достаточно много объектов не только периодически появляющихся, но и постоянных. К множеству объектов, постоянно доступных для радиолокации помимо Луны и космического мусора, можно отнести и множество искусственных спутников Земли (ИСЗ). Наблюдение ИСЗ без использования установленных на нем источников сигналов, помимо выполнения ряда оборонных задач, обеспечивает экологический мониторинг космоса, контроль соблюдения международных соглашений об использовании космоса, а также информационно-баллистическое обеспечение полетов спутников, в том числе, во внештатных и аварийных ситуациях.
Пеленгование ИСЗ, заключающееся в определении направления на объект, является одной из основных задач радиолокации, для решения которой широкое распространение получил моноимпульсный метод [60]. В настоящее время в России широко применяются обзорные моноимпульсные системы, которые производят программный обзор пространства, поиск ИСЗ, измерение его координат, и осуществляют автосопровождение. В таких системах обычно используются фазированные решетки, представляющие собой антенную систему, состоящую из большого числа излучающих элементов, а управление лучом в пространстве достигается соответствующим изменением фаз сигналов, подводимых к каждому элементу. При построении антенных решеток всю апертуру решетки разделяют на частные решетки, которые комбинируются так, чтобы обеспечить формирование необходимых при приеме суммарной и разностных диаграмм направленности.
В режиме сопровождения ИСЗ моноимпульсной системой осуществляются измерения доплеровской частоты и временной задержки отраженных сигналов, что позволяет определять или уточнять траекторные параметры данного ИСЗ - главная задача большинства таких систем. Однако в настоящее время исследователи в области радиолокационных измерений стремятся создать такие способы обработки отраженных сигналов, которые позволили бы иметь дополнительно достоверную информацию о форме и размерах сопровождаемого объекта. В интересах получения подробной информации об ИСЗ предложены и совершенствуются способы построения радиолокационных изображений, отличающиеся алгоритмической реализацией и видом используемых зондирующих сигналов. Для обеспечения высокого разрешения по продольной координате обычно используются сверхширокополосные импульсные сигналы, а по поперечной координате - применяется синтезирование апертуры. Но эти способы ориентированы на перспективу, т.к. большинство современных радаров не оборудованы соответствующей аппаратурой.
Для сопровождения и формирования изображения РЛС должна работать в сантиметровом диапазоне. При этом иметь произведение средней мощности на площадь приемной антенны порядка 10 вт м , ширину спектра сигнала до 1-2 Ггц, размер антенны не менее 15-20 м, сектор электронного сканирования не менее 1. Так же в РЛС должен быть реализован режим когерентной обработки длинных (до 100 сек) серий сигналов, для того чтобы сформировать радиоизображение [61, 62].
В качестве примера использования новых технологий рассмотрим возможности немецкой радиолокационной станции FGAN-FHP [63-65], являющейся одним из лидеров в области оперативного определения физических характеристик ИСЗ. Радарная система FGAN-FHP располагает
возможностями наблюдения и получения изображений самолетов, низко- и высокоорбитальных ИСЗ, а также космического мусора.
Система FGAN-FHP состоит из узкополосного радара слежения L — диапазона (1.33 ГГц) с длительностью импульса 1 мс и широкополосного радара получения изображений Ки - диапазона (16.7 ГГц), генерирующего сигналы с линейной частотной модуляцией с девиацией частоты в импульсе 800 МГц при длительности 256 мкс. Поляризация излучаемых сигналов круговая правая, а прием может производиться как на правой, так и на левой круговой поляризации. Радары имеют общую полноповоротную параболическую 34-метровую антенну и программное обеспечение для решения задач определения и прогнозирования орбит; определения массы аппаратов; прогноза времени существования на орбите; анализа сигнатур и построения радиоизображений.
Узкополосный радар L - диапазона измеряет угловое направление на цель (азимут и угол места), наклонную дальность, доплеровскую частоту, амплитуду и фазу эхо-сигнала, время излучения и пиковую мощность излучаемого сигнала. Для учета тропосферной рефракции и внесения соответствующих поправок в принимаемый сигнал измеряются: температура, относительная влажность и атмосферное давление. Слежение осуществляется и за низкоорбитальными и за высокоорбитальными ИСЗ (вплоть до геостационарных объектов).
Измерения зависимостей ЭПР от времени (радиолокационных сигнатур) радаром L - диапазона позволяют оценивать параметры движения объекта относительно центра масс и получать предварительные данные о форме и размерах ИСЗ. Примеры экспериментальных узкополосных радиолокационных сигнатур в L - диапазоне представлены на рис. 1.4 [63].
Радиоизображение ИСЗ по данным моноимпульсной радиолокации
Рассмотрим эксперимент, в котором передающее устройство наземной радиолокационной станции (РЛС) излучает в направлении небесного тела монохроматический непрерывный радиосигнал сантиметрового диапазона длин волн, а приемная антенна осуществляет непрерывный прием отраженного радиосигнала. Будем считать, что расстояние от РЛС до небесного тела много больше его размеров и падающее поле является плоской волной. Длина волны мала по сравнению с радиусом кривизны неровностей поверхности. Расстояние между передающей и приемной антеннами будем считать малым, т.е. рассмотрим случай излучения и приема сигналов в одной точке. Будем также полагать, что ось вращения небесного тела неподвижна относительно РЛС.
Собственное вращение тела приводит к расширению спектральной линии отраженного сигнала вследствие эффекта Доплера. Спектр мощности принятого на Земле радиосигнала, отраженного от вращающегося небесного тела, можно найти из соотношения [1,81]: где Pt - мощность излучаемого сигнала, Gt - усиление излучающей антенны, Аг - эффективная площадь приемной антенны, L - расстояние от РЛС до небесного тела, a(f) - эффективная площадь обратного рассеяния части поверхности тела, отражающей радиоволны с частотой f. Если считать, что во время радиолокации лараметры передающей и приемной антенн не меняются, то мощность отраженного сигнала будет прямо пропорциональна ст(і). Аналитические выражения для расчета эффективной площади обратного рассеяния трехосного эллипсоида при произвольной его ориентации можно получить, воспользовавшись идеями работы [81].
Рассмотрим эллипсоид, вращающийся с постоянной угловой скоростью вокруг одной из главных осей. Выберем декартову правую прямоугольную систему координат, начало которой совпадает с центром эллипсоида, а базисные векторы i, j,k направлены вдоль главных осей эллипсоида, как показано на рис.2.3.1. В этой вращающейся вместе с эллипсоидом системе координат радиус-вектор, проведенный к произвольной точке поверхности эллипсоида, имеет вид: г = ix+ jy + kz, а все точки поверхности эллипсоида определяются уравнением: 2 2 п хуг. (2.3.1) -2+7Т + Т = 1 a tr с где а, Ь, с - соответствующие главные полуоси. Для определенности будем полагать, что выполняются условия а b, а с и вращение осуществляется вокруг вектора k. Введем также вторую неподвижную декартову правую прямоугольную систему координат (рис.2.3.1.) ij, jx, 1с1 , начало которой совпадает с началом вращающейся системы координат, вектор ij направлен на неподвижную РЛС, вектор kj лежит в плоскости (ii,k) и перпендикулярен вектору ij, а вектор jt дополняет систему координат до правой декартовой. Компоненты радиуса-вектора ц произвольной точки поверхности эллипсоида в неподвижной системе координат однозначно связаны с компонентами радиуса-вектора г этой точки во вращающейся системе координат соотношением:
Здесь 5 - угол между плоскостью (i, j ) и вектором ij; ф=Пі+ф0 - угол поворота эллипсоида в плоскости (i, j); П - угловая скорость вращения эллипсоида; t - время; ф0 - угол поворота эллипсоида в начальный момент времени.
Будем полагать, что интенсивность поля, рассеянного на шероховатой криволинейной поверхности, представляется в виде некогерентной суперпозиции полей, отраженных от малых шероховатых плоских поверхностей площадью ds, касательных к средней поверхности S, а функция обратного рассеяния р(6) таких малых площадок зависит только от угла Э падения радиоволн на площадку. Поскольку эллипсоид вращается, различные центры рассеяния имеют составляющие скорости в направлении РЛС, пропорциональные расстоянию до плоскости (ii,k), образованной линией визирования и осью вращения. Центры рассеяния, лежащие по одну сторону от оси вращения, движутся к РЛС и дают положительный доплеровский сдвиг, который тем больше, чем дальше расположен центр рассеяния от оси. Рассеивающие центры, находящиеся по другую сторону от оси вращения, движутся от РЛС и дают отрицательный доплеровский сдвиг. Доплеровский сдвиг частоты сигнала, отраженного от произвольной точки поверхности эллипсоида, в неподвижной системе координат определяется из соотношения: где Vj =— 7j - вектор скорости отражающей точки. Из (2.3.3) следует, что dt линии равных значений доплеровского изменения частоты соответствуют пересечению поверхности эллипсоида плоскостью, перпендикулярной вектору jj. Если провести спектральный анализ рассеянных радиоволн (рис. 2.3.2а), то малой полосе частот 2 Af будет соответствовать рассеяние радиоволн узкой полосой поверхности эллипсоида S\ показанной на рис. 2.3.26 штриховкой.
Уменьшение полосы частот эхо-сигналов
Как уже отмечалось, интерпретация радиоизображения зависит от физических свойств исследуемого объекта и требует отдельного анализа, выходящего за рамки данной работы, поэтому мы будем рассматривать только такие методы цифровой фильтрации шума и обработки изображений, которые позволяют более четко выделить границы радиоизображения, чтобы получить качественную информацию о форме и размерах объекта.
Радиоизображения формируются в формате BMP и являются полутоновыми черно-белыми изображениями, имеющими 256 оттенков серого цвета. Характер радиоизображений сильно варьируется, т.к. зависит от параметров аппаратуры и внешних условий. Яркость объекта, как правило, сравнима с яркостью шума, но превышает его, различимы некоторые особенности строения объекта, но границы объекта часто выражены нечетко. Статистические параметры фонового шума (минимальное и максимальное значение, среднее и дисперсия и т.п.) на всех радиоизображениях обычно практически идентичны и мало отличаются от статистических параметров исследуемого объекта. А это означает, что непосредственное применение общепринятых процедур линейной или медианной фильтрации [83-85] будет мало эффективно для радикального улучшения качества радиоизображения.
Пробные расчеты с использованием обычных процедур линейной и медианной фильтрации подтвердили этот вывод, т.к. не позволили добиться ощутимого улучшения качества. Главной причиной малой эффективности обычных процедур фильтрации является то обстоятельство, что опробованные известные фильтры сконструированы для эффективного подавления шумов широкого спектра изображений. Но для нас более актуальна задача подбора такой методики, которая обязательно учитывает специфические особенности искаженного радио изображения и априорную информацию о характере шумов и искажений, т.к. это позволяет достигнуть максимально возможного улучшения качества обработки.
В результате моделирования и обработки радиоизображений разного качества удалось подобрать эффективные алгоритмы, обеспечивающие улучшение качества большинства радиоизображений. Основное требование к методике обработки было следующим: она должна как можно более полно подавить шумы и восстановить истинное радиоизображение ИСЗ при минимальном количестве артефактов, т.е. таких деталей восстановленного изображения, которые отсутствуют в истинном изображении. К появлению артефактов могут приводить как наличие сильного шума и искажении, так и неправильно выбранные методы.
Эффективное подавление шумов достигается в случае сильных различий статистических характеристик шумов и исследуемого объекта. Поэтому было предложено для обработки радиоизображений искусственно увеличить различие рассматриваемых статистических характеристик путем перехода от полутонового изображения к бинарному изображению. Такое двоичное изображение обычно получают с помощью пороговой селекции полутонового изображения. Этот метод пороговых множеств обладает еще двумя важными свойствами - множества линейно упорядочены и позволяют однозначно восстановить сигнал, т.е. можно добиться минимальных искажений исследуемого ИСЗ.
Оказалось, что для радиоизображений метод перехода к бинарным изображениям позволяет добиться существенных различий в статистических характеристиках фонового шума и исследуемого объекта, а в результате применение к бинарным изображениям медианной фильтрации с ограничениями эффективно подавляет фоновый шум. При этом искажения границ исследуемого ИСЗ оказались незначительными. Последующее восстановление полутонового радиоизображения на основе произведения начального и бинарного изображений показало, что артефакты в восстановленном радиоизображении малы или полностью отсутствуют, а некоторые искажения, возникающие вблизи границы ИСЗ, почти не ухудшают качество радиоизображения. Устранение фонового шума позволяет обеспечить и повышение разрешения изображения путем нормализации гистограммы. В результате такой операции на радиоизображении могут проявиться важные детали, недоступные для наблюдения в первоначальном радиоизображении.
Таким образом, анализ известных методов обработки фотоизображений [83-85] позволил воспользоваться этими методами для разработки стратегии и методики обработки радиоизображений. Стратегия обработки конкретного изображения определялась после статистического анализа данных, т.к. обычно изображение можно интерпретировать как случайный процесс, по данным которого и производится оценивание вероятностных характеристик. Когда статистический анализ изображений выполнен и получены вероятностные характеристики шумов и собственно изображения объекта, можно приступать к фильтрации.
