Методы дистанционного зондирования земли радарами с синтезированной апертурой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Методы дистанционного зондирования земли радарами с синтезированной апертурой

Общая характеристика работы

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 3^й 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.

Содержание работы

поляриметрия интерферометрический съемка радиолокационный

Во введении показана актуальность выполненного исследования, обоснована важность и необходимость применения спутникового радиолокационного зондирования для мониторинга состояния земных покровов. Сформулированы цели и задачи диссертационной работы, обозначены объект и предмет исследования, изложены методы исследования, показан личный вклад автора в изучение данной проблемы, представлены научная новизна и практическая значимость полученных результатов и обоснована их достоверность. Сформулированы основные положения, вынесенные на защиту.

В первой главе приведены сведения об организации измерений космическими радиолокаторами с синтезированной апертурой (РСА), даны основные соотношения, позволяющие судить о параметрах получаемого радиолокационного изображения. Выведены точные выражения для расчета фокусирующей функции, используемой при синтезе радиолокационного изображения.

Особое внимание уделено свойствам двумерной функции неопределенности сложного зондирующего сигнала, поскольку 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. Проведено сравнение уровня боковых лепстков двух видов сигналов: с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) и фазокодоманипулированных (ФКМ) сигналов на примере реализаций длиной 127 элементов. На рис. 1 приведен интегральный уровень боковых лепестков SI в зависимости от их удаленности от главного лепестка автокорреляционной функции (АКФ) сигналов, которая вычислена по формуле

,

где - отсчеты АКФ сигнала. Этот параметр позволяет оценить суммарный уровень дальних боковых лепестков, начиная с элемента k до конца АКФ.

Следствием этой особенности АКФ ФКМ-сигнала будет сильное влияние весьма удаленных протяженных объектов на качество выделения полезного сигнала в главном лепестке АКФ. Проведем сравнение ЛЧМ- и ФКМ-сигналов на примере радиолокационной съемки модельной поверхности с удельной эффективной площадью рассеяния (УЭПР) i-го элемента поверхности и случайной начальной фазой , распределенной равномерно на интервале [0; 2). Выражение для реализации сигнала поверхности может быть записано в следующем виде:

(1)

где i - номер отражающего элемента поверхности.

Пусть сравниваемые зондирующие ЛЧМ- и ФКМ-сигналы имеют длину 8191 отсчет, длительность элементарного импульса ФКМ-сигнала и девиация частоты ЛЧМ-сигнала обеспечивают разрешение по поверхности 1 м. Зададим снимаемую поверхность в виде трех участков различной яркости, так что для элементов 12000-20000 =0 дБ, а для участков слева и справа - на некоторую величину S меньше.

Отраженный сигнал поверхности r_i при использовании длинного зондирующего импульса можно записать в виде свертки

,

где m_j -отсчеты зондирующего импульса.

Стандартной процедурой при получении высокого разрешения является согласованная фильтрация отраженного сигнала с использованием копии зондирующего сигнала в качестве импульсной характеристики фильтра. Эта операция обычно выполняется в частотной области с использованием алгоритма БПФ. Восстановленное таким образом изображение с высоким разрешением можно сравнить по интенсивности и фазе с исходным, чтобы оценить искажающее влияние свойств зондирующего сигнала. На рис. 2 и 3 ниже приводятся графики УЭПР отражающей поверхности и ошибки начальной фазы сигнала поверхности как разности фаз исходного сигнала и полученного после съемки и согласованной фильтрации, для ЛЧМ- и ФКМ-сигналов с длиной реализации 8191 элемент. В данном примере УЭПР центрального участка длиной 8192 отсчета на S=8 дБ больше, чем соседних участков.

На графиках фазовой ошибки особенно хорошо виден недостаток ФКМ-сигнала по сравнению с ЛЧМ. Если в пределах ярко отражающей поверхности (пиксели 12000-20000) боковые лепестки ЛЧМ-сигнала приводят к фазовым ошибкам порядка 3°, то у ФКМ они достигают 20°, что означает семикратно худшую точность измерений фазы. Наиболее разительно влияние боковых лепестков ФКМ-сигнала на слабо отражающей поверхности по соседству с которой имеется ярко отражающая. Если у ЛЧМ на участке с пикселами 5000-12000 фазовая ошибка возрастает до 5°, то у ФКМ - до 60°, что делает фазовые измерения практически неинформативными. На графиках УЭПР также заметно деструктивное влияние боковых лепестков, приводящее к сильному зашумлению участка изображения с низкой яркостью по соседству с ярким участком.

Можно утверждать, что при использовании М-последовательности длиной 8191 отсчет для радара с разрешением 1 м качество измерений в полосе слабо отражающей поверхности шириной более 4 км по соседству с яркой протяженной областью становятся заметно хуже.

УЭПР реальных объектов поверхности, равно как и структура поверхности могут меняться в больших пределах. Для иллюстрации результатов исследования в условиях, приближенных к реальным, можно взять радарные изображения в Х-диапазоне, полученные с борта аппарата Шаттл в 1994 г. Нами использованы радарные изображения ряда участков по Подмосковью, района Чернобыльской АЭС, побережья Каспийского моря, Забайкалья с различными формами рельефа поверхности и значениями УЭПР в широком диапазоне. В ходе моделирования реальные значения УЭПР поверхности на этих изображениях были подставлены в (1)

УЭПР и ошибки фазы для ЛЧМ-сигнала при скачке УЭПР 8 дБ

УЭПР и ошибки фазы для ФКМ-сигнала при скачке УЭПР 8 дБ

Оказалось, что перепады УЭПР естественных покровов равнинных районов находятся чаще всего в пределах 5-7 дБ, что приводит к заметному усилению искажений информации при использовании М-последовательностей. Более сильные перепады УЭПР характерны для урбанизированных и хозяйственных территорий. Вследствие этого сигнал поверхности внутриквартальных территорий серьезно искажается из-за просочившегося сильного отраженного сигнала соседних домов и других построек. Слабый сигнал гладких естественных объектов типа невспаханных полей или искусственных - автодорог, полос аэродромов - в значительной степени перекрывается сигналом более яркого окружения. Наиболее серьезными являются искажения сигнала для пересеченного рельефа в гористой местности, когда сильный сигнал обращенных к радару ярких склонов просачивается через боковые лепестки и добавляется в сигнал слабо отражающих обратных склонов.

Проведённые исследования позволяют сделать следующий вывод: высокий интегральный уровень равномерно распределенных по дальности боковых лепестков ФКМ-сигналов делает невозможными качественные измерения УЭПР и фазы отраженного сигнала для слабо отражающих поверхностей по соседству с яркими. Последнее обстоятельство делает применение фазокодоманипулированных сигналов в интерферометрических схемах измерений неприемлемым.

Глава завершается проведением анализа параметров существующих и перспективных зарубежных радиолокационных проектов и основных направлений совершенствования технологии радиолокационных наблюдений Земли.

Вторая глава посвящена исследованию различных методов тематического анализа амплитудной радиолокационной информации, полученной в различных диапазонах волн и на разных поляризациях сигнала. Приведены примеры тематической обработки данных радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА) при решении ряда задач ДЗЗ. Для целей демонстрации возможностей радиолокационной съемки использованы данные таких радаров как SIR-C, ERS, ENVISAT, PALSAR по ряду тестовых полигонов на территории России. Для верификации результатов тематического анализа привлечены данные наземных подспутниковых наблюдений, в сборе которых автор принимал непосредственное участие. Показано преимущество данных L-диапазона для различения и картирования хвойных и лиственных лесов по сравнению с данными С-диапазона.

В ходе обработки данных по району Чернобыльской АЭС отмечено преимущество более длинноволнового диапазона для изучения состояния лесных массивов. Однако отмечено, что данные С-диапазона могут быть пригодны для выявления участков погибшего леса и гарей при условии анализа серии разновременных измерений, охватывающей различные сезоны года и при использовании снимков, полученных в различных метеоусловиях во время проведения измерений. Особенно эффективным оказалось использование разновременных радиолокационных изображений С-диапазона при картировании лесных гарей в Забайкалье и почв различной степени и временной динамики увлажненности в Баргузинской долине.

На примере обработки серии разновременных радиолокационных изображений С-диапазона по побережью Каспийского моря отмечена эффективность этого диапазона при картировании видов луговой растительности, сделано заключение о том, что использование радиолокационных снимков дает более широкие возможности для классификации типов поверхности в этом районе, чем использование оптических снимков. Приведенные во второй главе примеры подтверждают зависимость эффективности решения тематических задач от параметров радиолокационной съемки.

В третьей главе обсуждается один из перспективных методов комплексирования радиолокационной информации - интерферометрическая обработка радарных данных. Изложены основы метода интерферометрической съемки поверхности радарами с синтезированной апертурой, предложен новый алгоритм разворота разности фаз на интерферограмме, базирующийся на оценке локальной пространственной частоты, и на примере обработки большого набора данных различных космических аппаратов продемонстрированы возможности этого метода для решения задачи измерения рельефа и выявления подвижек подстилающей поверхности.

Интерферограмма как исходный материал для измерений рельефа или динамики поверхности является результатом поэлементного комплексного перемножения сигналов U₁ и U₂, отражённых одним и тем же элементом поверхности и принятых в точках пространства A₁ и A₂ соответственно:

, (2)

где u₁ и u₂ - амплитуды сигналов, r - разность расстояний от точек съемки до выбранного элемента поверхности, - длина волны. Разность фаз на интерферограмме из (2), зависящая от разности наклонных дальностей, характеризует не только рельеф поверхности. На величину разности фаз влияют также мелкомасштабные площадные смещения поверхности (динамика поверхности) за время между съемками, атмосферные флуктуации электрической длины пути сигнала радара , шумы системы измерений и неизвестная начальная разность фаз :

Особое внимание должно быть уделено ошибкам измерений рельефа и динамики поверхности методами дифференциальной радарной интерферометрии. Ошибка измерения интерферометрической разности фаз ц может быть оценена с помощью выражения для плотности вероятности распределения разности фаз двух коррелированных случайных процессов. Известно, что разность фаз гауссовых сигналов имеет распределение, зависящее от нормированного коэффициента корреляции или когерентности сигналов, определяемого как

,

где и - сигналы, Е{} - операция усреднения.

Различают несколько источников декорреляции / потери когерентности отраженных сигналов. Декорреляция сигналов может быть следствием выпадения осадков, деформации микрорельефа поверхности вследствие ветровых колебаний растительных покровов и других причин, что может быть обнаружено на карте когерентности изображений. Свой вклад вносят геометрия съемки и шумы системы приема и обработки.

Зависимость нормированного коэффициента корреляции от геометрии съемки и параметров радиотехнических бортовой системы может быть получена исходя из представлений о некоррелированности шумов системы приема и обработки _N и шумов декорреляции отраженного сигнала выбранного элемента поверхности при приеме с различных точек наблюдения _sp, вследствие чего = _{N sp}. Более общее выражение для уровня декорреляции учитывает временную декорреляцию отражений _temp при измерениях, проводимых с повторяющихся орбит космического аппарата за время между съемками, а также объемную декорреляцию, наблюдающуюся, например, при зондировании слоев растительных покровов _vol. В этом случае = _{N sp temp vol}.

Приведенное в работе выражение для пространственной декорреляции показывает, что с увеличением размера пространственной базы интерферометра (её перпендикулярной распространению сигнала компоненты) растет степень пространственной декорреляции и увеличивается уровень шумов измерений разности фаз. В то же время, при решении задачи измерения высот рельефа с увеличением базы интерферометра растет чувствительность к вариациям высот рельефа. Исходя из этого, оптимальный размер базы выбирается с учётом решаемой задачи (динамика поверхности или измерения рельефа) и заданных точностей измерений.

Временная декорреляция _temp является слабо формализуемым фактором. Опыт работы с данными современных радаров показывает, что увеличение интервала времени между съемками приводит к росту временной декорреляции. При этом для сигналов радарной съемки в длинноволновом диапазоне (например, L-диапазоне) характерна меньшая степень временной декорреляции.

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, временная декорреляция является ценным источником информации о типах подстилающей поверхности и широко используется для целей тематического анализа радарных данных.

Приведены результаты пионерских работ автора по обработке данных РСА методами интерферометрии. На рис. 4 приведены изображение и интерферограмма для ледовых покровов у побережья Антарктиды, построенные автором в 1992 году по данным отечественного РСА «Алмаз-1», где впервые в России была показана возможность наблюдения динамики ледовых покровов вследствие приливных явлений.

На интерферограмме полутона передают информацию о разности фаз: уровень черного соответствует нулевой разности фаз, а уровень белого - 2. Вытянутое по вертикали ледяное возвышение (1) на побережье (левый край изображения) выделяется на рис. 4Б благодаря замкнутому контуру равных разностей фаз на интерферограмме. Измеренный по интерферограмме полный фазовый набег в 3 для этого ледяного возвышения означает наличие перепада высот от края к центру на 63 м. Более темная правая часть изображения относится к поверхности залива, покрытой льдом (2). Пять интерференционных полос на участке ледовой поверхности залива длиной в 1 км, наблюдаемые в правой части интерферограммы, не могут быть обусловлены рельефом, поскольку относятся к ледовой поверхности залива. В то же время, смещение дальнего края ледового покрова относительно береговой линии на 33 см может привести к такому фазовому набегу. Это предположение хорошо подтверждается оценками колебаний уровня водной поверхности в заливе из-за лунных приливов. Согласно численной модели приливов, различие между уровнем воды в заливе на моменты съемки составляло 38 см.

С помощью метода радарной интерферометрии автором в 1997 году показана возможность выявления подвижек поверхности в Баргузинской долине вследствие землетрясения, продемонстрированы возможности интерферометрии для обнаружения динамики инфраструктуры газопроводов маршрута Ямбург-Ныда в зоне вечной мерзлоты в виде сантиметровых перемещений, вызванной сезонными циклами таяния / замерзания почв. По результатам обработки данных радара ERS-1/2 в 1998 году впервые показана возможность выявления колебаний уровня водной поверхности на примере прибрежной зоны тростниковых зарослей у побережья Каспийского моря. Продемонстрирована возможность мониторинга криогенных деформаций болотистых почв в дельте Селенги, оползневых деформаций железнодорожного полотна на БАМе, а также просадок почвы над лавами вследствие активной подземной выработки угля в Кузнецком бассейне.

Предложен новый метод выявления естественных постоянных отражателей в условиях ограниченного набора радиолокационных снимков, и по результатам обработки данных радара TerraSAR-X для опасных карстовых и оползневых участков в зоне железных дорог (Нижегородская область) и газопроводов (Черноморское побережье) показана возможность измерения подвижек почв с миллиметровой точностью. Обоснованы размеры уголкового отражателя, необходимого для получения заданной точности измерения подвижек почв.

Отмечено, что явление временной декорреляции при съемках с повторяющихся орбит космического аппарата сильно ограничивает возможности радарной интерферометрии, особенно в области коротковолновых диапазонов, что использование более длинноволновых радаров типа японского радара PALSAR L-диапазона позволяет снизить остроту проблемы временной декорреляции.

Четвертая глава посвящена организации другого метода комплексирования информации - поляриметрической съемке естественных покровов Земли. Поляриметрический режим съемки поверхности является перспективным режимом работы, поскольку существенно расширяет возможности применения РСА для исследования земных покровов. Изложены основы радарной поляриметрии, подробно исследован и систематизирован список задач, решаемых с помощью поляриметрических РСА.

Поскольку одновременное измерение всех элементов матрицы рассеяния радаром в моностатической геометрии съемки и при одинаковых условиях наблюдения невозможно, на практике применяют разделение измерений во времени. При этом, например, сначала излучают горизонтально поляризованный сигнал, принимая отраженный на согласованной и ортогональной поляризациях, что даёт комбинацию поляризаций HH, HV. Затем излучается вертикально поляризованный сигнал, и приём происходит снова на обеих поляризациях, при этом формируются каналы VH, VV. В результате получается матрица рассеяния, первая строка которой относится к первому измерению, а вторая - ко второму:

, (3)

где нижние индексы указывают на поляризацию сигнала на передаче / приёме, а верхние - номер измерения.

В дополнение к классическому способу разделения измерений в работе изучены и другие способы - частотное разделение, пространственное и др. Основным критерием качества измерений является степень декорреляции измерений элементов матрицы рассеяния естественных покровов, по аналогии с декорреляцией сигналов в схеме интерферометрической съемке рельефа, детально рассмотренной в главе 3. Проведено сравнение схем разделения измерений с точки зрения потери информации, потоков данных, аппаратурных требований, даются рекомендации по наиболее перспективным схемам.

Достоинством классического метода временного разделения является возможность корректного выполнения всех преобразований матрицы рассеяния при решении разнообразных тематических задач, основанных на амплитудной и фазовой информации о протяженной отражающей поверхности. Недостатком - необходимость проводить измерения на удвоенной частоте повторения импульсов, следствием чего является сужение ширины полосы снимаемой поверхности.

Формирование полной матрицы рассеяния возможно путем комбинации элементов матрицы рассеяния при съемке с повторяющихся орбит, аналогично радиолокационной интерферометрии с повторяющихся орбит, описанной в главе 3. В этом случае в одном из проходов может выполняться съемка двух компонент матрицы рассеяния, скажем, HH и HV, а во втором проходе - VH и VV. Ограничением для такой схемы является необходимость весьма точного повторения орбит космического аппарата, как и в радарной интерферометрии с повторяющихся орбит. В противном случае пространственная декорреляция снижает точность измерения фазовых соотношений, а также уровней УЭПР.

Проанализирован способ разделения измерений на основе частотного разнесения сигналов, основанный на том, что зондирующие импульсы разных поляризаций излучаются одновременно (или практически одновременно) на разных частотах. Проведенное в работе исследование взаимной корреляционной функции сигналов, отраженных от протяженной цели, показало, что, будучи свободным от искажения амплитудных соотношений между элементами матрицы рассеяния, этот способ не обеспечивает правильных фазовых соотношений при съемке протяженных объектов. Только при наблюдении точечных целей с размерами, меньшими элемента разрешения на изображении, возможно правильное измерение полной матрицы рассеяния.

Проанализирован метод компактной поляриметрии, которая является современной альтернативой классической поляриметрической съёмке. Один из вариантов измерений в этой схеме предполагает одновременное излучение сигналов двух поляризаций с приемом эхо-сигналов также на двух поляризациях (режим р/4). Несмотря на смешивание элементов полной матрицы рассеяния на приеме, при определенных допущениях о свойствах и геометрии рассеивателей поверхности оказывается возможным выполнять поляриметрическую декомпозицию эхо-сигнала и выделять компоненты с различными механизмами рассеяния поверхности.

Сделано заключение, что наиболее предпочтительным может оказаться способ разнесения измерений на основе так называемых ортогональных кодов. Этот способ можно проиллюстрировать на примере ЛЧМ-сигналов с наклоном разного знака. Например, если растущая пила используется в канале H, а падающая - в канале V. Предполагается, что зондирующие импульсы излучаются одновременно, или с небольшим разнесением во времени. Прием смеси из согласованной и ортогональной поляризаций в каждом из поляризационных каналов и дальнейшая оцифровка смеси приводят к тому, что поток данных здесь всего лишь в два раза больше потока данных одноканальной схемы. Разделение данных различных поляризационных каналов может быть выполнено при наземной обработке, на этапе сжатия отраженных сигналов по дальности. Единственным ограничением в данном случае может оказаться уровень поляризационной развязки между каналами.

Проведено сравнение различных схем разделения измерений с точки зрения потери информации, потоков данных, аппаратурных требований. Сделано заключение, что схемы измерения с разделением по времени и ортогональным кодированием являются преимущественными при построении радиолокационной системы, предназначенной для измерения полной матрицы рассеяния. Режим с ортогональным кодированием (и похожий на него по организации режим компактной поляриметрии) позволяет получать вдвое более широкую полосу захвата и вдвое более низкий поток данных.

Даны рекомендации по наиболее перспективным режимам измерений, предполагающие возможность одновременного излучения сигналов разных поляризационных каналов, причем необходимо заложить режимы излучения как одинаковых импульсов (компактная поляриметрия), так и ортогонально кодированных импульсов (схема измерения полной матрицы рассеяния с ортогональным кодированием сигналов).

Рассмотрены различные методы преобразования и представления поляриметрической информации. Показано, что для изучения растительных покровов методами радарной поляриметрии предпочтительно использование более длинноволнового диапазона, например, L-диапазона.

Приведены примеры тематического анализа данных поляриметрического РСА на основе поляризационных сигнатур поверхности, поляризационной разности фаз и методов поляриметрической декомпозиции в задачах картирования растительных покровов Московской области, дельты реки Селенги в Забайкалье и на побережье Каспия. Отмечено влияние сезонных вариаций отражательных свойств земной поверхности, приводящих к изменению радиофизических свойств растительных покровов, в том числе изменению механизмов рассеяния.

В пятой главе исследовано влияние атмосферы на прохождение сигнала РСА, приводящее к искажению синтезированного радиолокационного изображения в виде снижения пространственного разрешения и искажения поляризационных измерений. Отмечено, что на более коротких длинах волн существенно влияние тропосферных неоднородностей, индуцирующих в основном случайные флуктуации начальной фазы сигнала, что может приводить к ошибкам измерения рельефа и оценки динамики подстилающей поверхности. На примере обработки снимков побережья Каспийского моря радарами ERS-1/2 показано, что флуктуации длины пути сигнала радара порядка 2-3 см, вызванные наличием кучево-дождевых облаков в зоне съемки, могут ошибочно интерпретироваться как вариации высот рельефа поверхности порядка километра (при данной геометрии интерферометрической съемки).

На более длинных волнах сильнее сказывается влияние ионосферы. Ионосферные неоднородности, в дополнение к тропосферным, вносят искажения в измерения радаров L-диапазона. Однако вследствие существенно большего пространственного масштаба ионосферных неоднородностей возможно оценить их влияние описанными в литературе фазоградиентными методами и скомпенсировать.

Следует отметить, что измерения отражательных свойств зондируемых сред подвержены искажениям различной природы. Среди них аппаратурные искажения, влияние среды распространения, а также особенности геометрии съемки, в первую очередь, крупномасштабные уклоны рельефа. Для правильного использования измерений поляриметрического радара требуется коррекция измерений.

Рассмотрим последовательно влияние этих эффектов. Материалом для такого рода оценок могут служить измерения полной матрицы рассеяния S земной поверхности (3), выполненные в полном поляризационном базисе для различных комбинаций, например, горизонтальной (h) и вертикальной (v) поляризаций сигнала на излучении и приеме.

Пусть матрица вращения W(), описывающая влияние геометрии съемки и уклонов рельефа, имеет вид

.

Угол называется сдвигом угла ориентации. Результат влияния сдвига угла ориентации на исходную матрицу рассеяния S записывается в линейном базисе в виде матрицы M:

.

Преобразовав измерения матрицы рассеяния из линейного в круговой базис и рассмотрев разность фаз диагональных элементов, можно заметить, что она содержит информацию об угле ориентации и:

,

а разность внедиагональных элементов от угла и не зависит. Для измеренной матрицы M существует следующая зависимость разности фаз диагональных элементов в круговом базисе от элементов матрицы в линейном базисе:

.

Поскольку числитель и знаменатель являются действительными числами, это позволяет провести некогерентное пространственное усреднение для улучшения статистических свойств разности фаз при измерении угла ориентации.

Фарадеевское вращение плоскости поляризации волны на угол /2 (при одностороннем прохождении волны) приводит к следующему преобразованию матрицы рассеяния S в линейном базисе:

.

Следует отметить, что знаки угла в матрицах поворота W совпадают, что является следствием невзаимности среды распространения сигнала.

Разность фаз внедиагональных элементов матрицы M в круговом базисе составляет

,

и на основе последней формулы производится вычисление угла фарадеевского вращения в пределах ±90°.

Для измеренной матрицы M существует следующая зависимость разности фаз внедиагональных элементов в круговом базисе от элементов матрицы в линейном базисе:

.

Поскольку числитель и знаменатель являются действительными числами, это позволяет провести некогерентное пространственное усреднение для улучшения статистических свойств оценок разности фаз.

Таким образом, разность фаз внедиагональных элементов матрицы содержит информацию о фарадеевском вращении. Разность фаз диагональных элементов нечувствительна к фарадеевскому вращению. Очевидным преимуществом кругового базиса для решения этой задачи, продемонстрированным здесь, является следующее: уклоны рельефа поверхности не вносят искажений в измерения угла фарадеевского вращения, содержащиеся в разности фаз внедиагональных элементов, и могут быть в свою очередь оценены через разность фаз диагональных элементов матрицы рассеяния в круговом базисе.

В шестой главе особое внимание уделено вопросам калибровки РСА. Калибровка аппаратуры необходима для полноценного использования радиолокационной информации, включая получение предсказуемых результатов при проведении измерений в одних и тех же условиях, выявление временных вариаций геофизических параметров за время между измерениями, а также возможность сравнивать и обрабатывать совместно данные различных систем дистанционного зондирования. В этой главе проведены исследования возможности использования новых нестандартных средств калибровки РСА, предложенных специалистами ОКБ МЭИ в дополнение к стандартным устройствам внешней калибровки типа уголковых отражателей и активных калибраторов.

В качестве искусственных постоянных отражателей исследованы параболические антенные рефлекторы с диметром зеркала 4.7 метра, расположенные на полигоне ОКБ МЭИ «Медвежьи Озера». Калибровочный полигон «Медвежьи Озера» находится на северо-востоке Московской области, недалеко от МКАД. Основу калибровочного сценария составили 3 параболические антенны, конструкция которых была доработана в ОКБ МЭИ путем установки проводящих дисков и дифракционных решеток в фокальной области, что позволило расширить диаграмму антенн до 5° и снизить требования к точности наведения антенн.

Ценной информацией о радиометрических свойствах калибровочных антенн полигона были данные об уровне ЭПР и стабильности отражения, полученные в результате более чем 40 экспериментов с помощью радара ERS-2 в 1999-2004 годах (рис. 5). Видно, что стабильность уровня отражения антенны №1 очень высока. Если отбросить измерения зимы 2003-2004 года, искаженные наличием корки льда на зеркале антенны, то средняя ЭПР составляет 59 дБм². При этом среднеквадратичное отклонение ЭПР составило около 0.067 дБ, что сравнимо со стабильностью лучших образцов зарубежных активных калибраторов.

Показано, что при соответствующей модернизации антенн в виде установки дифракционной решетки в фокальной области антенны возможно проведение калибровки поляриметрического РСА.

Приведены результаты экспериментов с японским радаром PALSAR в 2006-2010 годах, в которых получена оценка радиометрической стабильности работы этого радара порядка 0.5 дБ. ЭПР параболических антенн ОКБ МЭИ в L-диапазоне оказалась равной 43 дБм².

Проведены исследования качества поляриметрической калибровки радара PALSAR. По результатам анализ радарных снимков полигона ОКБ МЭИ дана оценка параметров искажающих матриц этого поляриметрического РСА на излучении и приеме.

...