ПРОБЛЕМЫ  ДИСТАНЦИОННОГО  ЗОНДИРОВАНИЯ  ЗЕМЛИ  СОВРЕМЕННЫМИ  РАДИОЛОКАЦИОННЫМИ  МЕТОДАМИ

Атрохов  Алексей  Юрьевич

студент  5  курса,  кафедра  радиоэлектронных  систем  управления  БГТУ  «ВОЕНМЕХ», 
РФ,  г.  СПб

Е-mail:  sonick

Сорокин  Анатолий  Александрович

научный  руководитель,  канд.  тех.  наук,  доцент  БГТУ  «ВОЕНМЕХ», 
РФ,  г.  СПб

Радиолокационные  системы  космического  базирования  –  это  эффективные  информационные  комплексы  предназначенные  для  получения  данных  об  экологическом  состоянии  водных,  лесных  и  почвенных  ресурсов,  при  мониторинге  природных  сред.  Дистанционное  зондирование  земли  применятся  и  в  военных  целях  для  получения  достоверных  сведений  о  динамике  объектов  противника  в  глобальных  и  региональных  масштабах  независимо  от  метеорологических  условий  и  времени  суток.  Все  радиолокационные  методы  наблюдения  можно  объединить  тем,  что  установленная  на  спутнике  передающая  система  посылает  в  направлении  Земли  импульсы  с  высокочастотным  заполнением,  с  периодом  повторения  достаточным  для  того,  чтобы  приемная  система  успела  осуществить  прием  отраженных  сигналов.  Для  получения  качественной  и  достоверной  информации  необходимо  решить  ряд  сложных  задач  связанных  с  распространением  радиоволн  в  пространстве,  их  отражением  от  объектов,  обработкой  принятых  сигналов.

Трудности,  возникающие  при  разработке  современных  комплексов  радиолокационного  дистанционного  зондирования  земли,  можно  разделить  на  два  основных  направления:  во-первых  –  это  разработка  аппаратуры  и  алгоритмов  первичной  обработки  информации;  во-вторых  –  проблемы  интерпретации  радиолокационной  информации.  К  первому  случаю  относится  создание  космических  радиолокаторов  в  Р  и  VHF  диапазонах  частот  [1].  Как  показывает  опыт  эксплуатации  авиационных  систем,  использование  сверхширокополосных  сигналов  Р  и  VHF  диапазонов  позволит  существенно  поднять  информативность  космических  систем  зондирования  при  наблюдении  поверхности  суши,  а  так  же  при  наблюдении  объектов  находящихся  под  поверхностью  земли  [3].  Использование  для  зондирования  сверхширокополосных  электромагнитных  импульсов  приводит  к  увеличению  временной  разрешающей  способности.  Однако,  влияние  тракта  и  среды  распространения  радиоволн  возрастает  пропорционально  полосе  частот  используемых  сигналов,  что  часто  приводит  к  потере  когерентности  системы.  Возникает  ситуация,  когда  невозможно  наблюдение  целей  с  размерами  0,1–10  метров  и  возникают  неблагоприятные  условия  для  поляриметрической  и  интерферометрической  обработки  получаемых  отраженных  сигналов  [2].

Вышеописанную  проблему  можно  сформулировать  как  проблему  оптимального  когерентного  приема  неизвестных  сигналов  отраженных  от  протяженного  объекта  конечных  размеров.

Модель  сигнала  РЛС,  отраженного  от  пространственно-распределенной  цели  можно  описать  следующим  выражением  [2]:

где:    –  последовательность  отраженных  импульсов;

  –  коэффициент  обратного  рассеяния  лоцируемого  объекта;

  –  искаженный  зондирующий  импульс  на  поверхности  земли;

  –  аддитивная  помеха;

  –  длительность  одного  импульса;

  –  номер  зондирующего  импульса  и  период  повторения.

Коэффициент  обратного  рассеяния  зависит  как  от  самого  объекта,  так  и  от  взаимной  ориентации  и  движения  радиолокационной  станции  и  объекта,  и  параметров  зондирующего  сигнала  [1].  Геометрию  объекта  можно  определить,  восстановив  коэффициент  обратного  рассеяния.  При  этом  можно  разнести  приемники  отраженных  сигналов  в  пространстве.  Тогда  в  этом  случае  реализуется  возможность  получения  многоракурсных  проекций.

Этот  метод  связан  с  расширением  полосы  частот,  занимаемой  системой,  что  приводит  к  увеличению  взаимных  помех,  т.  е.  к  ухудшению  условий  электромагнитной  совместимости  средств  радиосвязи.  Разнесение  принимаемых  сигналов  накладывает  ограничения  на  скорость  передачи  информации.  В  силу  вышеуказанных  ограничений  применение  нескольких  приемников  не  всегда  является  возможным.  В  таком  случае  распознавание  объекта  может  быть  осуществлено  по  временным,  поляризационным  или  время-частотным  портретам  радиолокационной  цели.  Не  зависимо  от  количества  приемников  отраженных  сигналов  для  восстановления  коэффициента  обратного  рассеяния  мы  должны  точно  знать  форму  зондирующего  импульса.  Для  этого,  необходим  учет  изменений  в  форме  зондирующего  импульса  при  распространении  через  атмосферу  и  приёмный  тракт.  В  этом  случае  для  восстановления  коэффициента  обратного  рассеяния  лоцируемого  объекта  мы  имеем  задачу  слепой  идентификации  радиолокационного  канала  [2].  Под  каналом  подразумевается  среда,  в  которой  распространяется  зондирующий  импульс.

Задачу  слепой  идентификации  можно  сформулировать  как  цифровую  обработку  неизвестных  сигналов,  прошедших  линейный  канал  с  неизвестными  характеристиками  на  фоне  аддитивных  шумов.  Для  идентификации  неизвестного  канала  необходимо  применять  испытательные  импульсы,  что  приводит  к  необходимости  создания  большого  количества  моделей  реакций  приемных  систем  на  такие  импульсы.

Наряду  с  проблемой  обработки  отраженных  сигналов  стоит  проблема  разработки  алгоритмов  сжатия  данных  бортовой  аппаратуры,  объем  которой  превышает  возможности  полосы  пропускания,  что  существенно  ограничивает  эффективность  космических  систем.  Большие  объемы  данных  передаваемые  на  наземные  пункты,  обрабатываются  с  последующей  передачей  потребителям  в  течение  8  суток,  что  существенно  снижает  ценность  получаемой  информации. 

Если  удается  сформировать,  обработать  и  сжать  радиофизические  изображения  с  помощью  вычислительных  устройств  на  борту  космического  аппарата,  то  снижаются  требования  к  пропускной  способности  каналов  связи,  сложности  наземной  аппаратуры  и  квалификации  персонала.  Обработка  сигналов  и  формирование  изображений  на  спутнике  требует  разработки  бортовых  вычислителей  и  алгоритмов,  адаптированных  для  реализации  на  современных  сигнальных  процессорах,  а  также  создания  программных  библиотек,  как  средств  последующей  разработки  программного  обеспечения  бортового  вычислительного  устройства  [1].  Обработка  сигналов  бортовой  аппаратурой  космического  аппарата  ставит  перед  разработчиками  задачи  минимизации  массогабаритных  характеристик,  обеспечения  радиационной  стойкости  и  высокой  надёжности,  реконфигурации  архитектуры  вычислительных  средств  в  различных  режимах  формирования  радиофизических  изображений.

Одним  из  наиболее  сложных  и  в  то  же  время  востребованных  режимов  землеобзора  является  технология  ScanSAR.  Эта  технология  требует  наличия  на  борту  активной  фазированной  антенной  решётки,  сложных  систем  управления  для  обеспечения  многолучевого  режима  работы,  высокой  производительности  бортовой  аппаратуры  обработки  сигналов  и  изображений.  При  этом  реализации  алгоритмов  обработки  сигналов,  требуют  применения  прямого  и  обратного  быстрого  преобразования  фурье  [1].

Область  применения  радиолокационной  информации  очень  большая  и,  соответственно,  возникает  круг  проблем  связанный  с  обработкой  и  интерпретацией  радиолокационных  изображений.  Однако,  проблемы  стандартизации,  радиометрической  калибровки  радиолокационных  измерений  и  геокоррекции  являются  общими  [3].  При  адекватном  решении  вышеописанных  задач,  дальнейшее  развитие  радиолокационных  систем  дистанционного  зондирования  пойдет  по  пути  применения  комплексов  с  разрешающей  способность  0,3–1  м.  Для  этого  требуется  уход  в  сантиметровый  диапазон  длин  волн  и  применение  широкополосных  зондирующих  сигналы.

Разработанные  алгоритмы  обработки  и  сжатия  данных  позволят  комплексу  использовать  многолучевой  режим  съемки  с  применением  технологий  активных  фазированных  решеток  [1].

Помимо  комплексов  с  высоким  разрешением  будут  разрабатываться  радиолокационные  станции  зондирования  подповерхностного  слоя  земли  с  разрешающей  способностью  -3  м.  Для  этого  требуется  работа  системы  в  дециметровом  диапазоне  длин  волн,  а  так  же  использовать  два  канала  приема  для  поляриметрической  обработки.

Список  литературы:

1. Верба  В.С.,  Неронский  Л.Б.  Радиолокационные  системы  земелобзора  космического  базирования:  монография.  Мн.:  Радиотехника  2014.  –  682  с.
2. Горячкин  О.В.  Методы  слепой  обработки  сигналов  и  их  приложения  в  системах  радиотехники  и  связи:  монография.  Мн.:  Радио  и  связь  2013.  –  230  с.
3. Токарева  О.С.  Обработка  и  интерпретация  данных  дистанционного  зондирования  земли:  учебное  пособие.  Мн.:  Томский  политехнический  университет  2013.  –  148  с.