Показана возможность использования наземных естественных стабильных отражателей. В результате обработки серии из полусотни снимков радара PALSAR выявлены естественные отражатели со стабильностью, лучшей, чем стабильность калибровочных антенн ОКБ МЭИ. Важным требованием для выявления таких отражателей является повторяемость условий наблюдений, что приводит к тому, что на серии повторяющихся изображений можно выявить стабильные яркие точечные объекты. Возможные механизмы формирования отражения других ярких отражателей: однократное отражение (крыши домов), двойное переотражение (стена дома + поверхность земли), уголковое отражение трехгранным уголковым отражателем (стены внутреннего угла дома + поверхность земли), дипольное рассеяние (линейные элементы конструкции мачт ЛЭП).

Наиболее вероятной причиной изменения ЭПР конструкций типа уголкового отражателя может быть изменение коэффициента отражения нижней грани, образованной почвой. График на рис. 6 дает сведения об ЭПР наиболее стабильных точечных целей, найденных в пределах снимка. Две естественные цели (на территории промзоны во Фрязино и населенного пункта в Медвежьих Озерах) демонстрируют лучшую стабильность, чем калибровочная антенна полигона. Небольшой провал ЭПР этих целей 4 марта 2007 года может быть объяснен искажающим влиянием мокрого снега на синфазность отражения сигнала поверхностью земли. Эти же два естественных отражателя позволили контролировать стабильность работы радара 23.09.08 и 08.11.08, когда антенна полигона не выставлялась (см. провал в измерениях ЭПР для антенны).

Измерения ЭПР наиболее стабильных естественных целей в районе полигона ОКБ МЭИ «Медвежьи Озера» по данным радара L-диапазона PALSAR

В седьмой главе 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. Обоснован выбор частотного диапазона для работы перспективного российского РСА, предложены его основные параметры, такие как состав поляризационных измерений, режимы работы, разрешающая способность и др.

На основе анализа международного опыта работы с радиолокационной информацией и собственного опыта обработки сделан вывод, что РСА L-диапазона наиболее полно отвечает специфике задач ДЗЗ для России, позволяет решать более успешно больший круг задач ДЗЗ. Вместе с тем, есть ограниченный круг важных для России задач ДЗЗ, для решения которых считается использование РСА другого диапазона более эффективным. К таким задачам относятся, например, ледовая разведка и навигация во льдах, где одноканальные РСА Х-диапазона оказались предпочтительным средством картирования ледовых полей и определения возраста льда. Однако с помощью РСА L-диапазона может быть решен существенно более широкий класс задач.

В области исследования растительных покровов, таких, как лесные массивы, в L-диапазоне можно более надежно проводить классификацию типов лесов, измерения биомассы растительности вследствие большей проникающей способности радиоволн под кроны деревьев и регистрации отражения от стволов и крупных ветвей. При этом обеспечивается изучение состояния почвы под лесными покровами, контроль степени влажности и обнаружение подтоплений. Выделение границ лесных массивов и областей открытых почв также надежнее выполняется по изображениям, полученным в L-диапазоне.

Оценка параметров состояния почв в хозяйственной деятельности, таких как влажность, также более надежно осуществляется в L-диапазоне вследствие меньшего влияния растительности и большей глубины подповерхностного зондирования, хотя классификация типов ландшафтов по степени мелкомасштабной шероховатости поверхности (масштаба длины волны несущей) предпочтительна в X- или C-диапазонах, где почти все типы поверхности являются шероховатыми в разной степени.

В геологии в L-диапазоне возможно наблюдать геологические структуры под осадочными слоями, а также растительными покровами. По этой же причине в этом диапазоне более информативно изучение засушливых, пустынных районов.

В гидрологии длинноволновый диапазон предпочтителен при изучении влажности подстилающих покровов вследствие меньшего влияния шероховатости поверхности почв и чувствительности к влажности большего по толщине поверхностного слоя. Более надежно выделяются водоемы вследствие меньшего влияния ветровой ряби на водной поверхности. Исследование зон подтоплений и их динамики в областях, покрытых лесом, также реализуется в L-диапазоне вследствие прохождения радиоволны сквозь толщу леса.

В гляциологии L-диапазон лучше обеспечивает изучение структуры ледовых покровов мелководных пресноводных бассейнов вследствие проникновения сигнала сквозь толщу льда и взаимодействия с донным рельефом, однако для классификации типов морского льда классическим решением до сих пор считается одноканальный РСА Х - диапазона. В то же время, согласно современным исследованиям, использование данных поляризационных измерений в L - диапазоне позволяет снять проблему худшей различимости молодых и однолетних льдов от многолетних, а меньшая чувствительность наблюдений РСА в L-диапазоне к ветровому волнению открытой поверхности улучшает возможность картирования границ ледовых полей на морской поверхности. Изучение ледников и структур ледниковых покровов под снежными покровами, зон вечной мерзлоты также предпочтительно проводить в L - диапазоне.

В океанографии радиоволны L-диапазона менее чувствительны к мелкомасштабной ветровой ряби на морской поверхности, что позволяет наблюдать волновые процессы большего масштаба, такие, как течения, фронты, внутренние волны, проявления батиметрических деталей на поверхности, а также возмущения поверхности, вызванные порывами ветра и тайфунами.

При интерферометрической съемке поверхности с повторяющихся орбит предлагаемый диапазон обеспечивает меньшую чувствительность измерений к временной декорреляции отраженного радиосигнала, улучшая точность измерений рельефа и динамики мелкомасштабного рельефа, особенно при больших интервалах между съемками, когда измерения на более коротких волнах практически невозможны.

При мониторинге хозяйственной деятельности, в том числе и в арктических регионах, более длинноволновый L-диапазон оказывается предпочтительным из-за меньшего влияния отражений мелкомасштабного рельефа поверхности, что позволяет лучше наблюдать промышленную инфраструктуру и контролировать ведение хозяйственной деятельности в тундре.

Наличие структур с четко выделенной ориентацией на поверхности, а также структур в объемном слое подстилающих покровов является основой и основанием для использования поляризационных измерений, что расширяет возможности классификации объектов поверхности и измерения их характеристик.

В гляциологии предпочтительны согласованные ГГ или ВВ поляризации, имеющие повышенный уровень отражения по сравнению с перекрестной. Их одновременное использование в виде отношения поляризаций улучшает возможности различения поверхностного рассеяния от объемного. Перекрестная поляризация также желательна, так как несет информацию об объемном рассеянии сигнала мелкомасштабными объектами в слое льда, отвественными за деполяризацию отражения.

В гидрологии согласованные поляризации ВВ и ГГ предпочтительны для изучения влажности почв и морфологии поверхности. Их совместное использование в виде отношения позволяет отделить составляющую рассеяния, обусловленную диэлектрическими свойствами поверхности от той, что обусловлена уровнем мелкомасштабной шероховатости. Разность фаз сигналов согласованных поляризаций позволяет судить о степени влажности почвы под покровами леса - через наличие двойного переотражения сигнала от системы почва - ствол дерева. Сигнал на перекрестной поляризации несет дополнительную информацию при больших углах обзора, так как его уровень спадает не так быстро, как уровень сигналов согласованных поляризаций.

Изучение растительных покровов требует наличия всех поляризаций. ВВ поляризация несет информацию о плотности биомассы стволов, в то время как ГГ поляризация характеризует биомассу ветвей с горизонтальной ориентацией. Перекрестная поляризация является индикатором многократного переотражения на ветках кроны и считается наиболее точным показателем уровня общей биомассы леса.

В океанографии предпочтение отдается согласованным поляризациям вследствие повышенного отражения их по сравнению с перекрестной поляризацией На больших углах обзора ВВ поляризация является предпочтительной по сравнению с ГГ из-за заметно большей УЭПР морской поверхности на этой поляризации.

В геологии предпочтительно использование согласованных поляризаций, хотя перекрестная поляризация наиболее информативна при изучении тектонических структур.

Таким образом, одночастотный поляриметрический спутниковый РСА L-диапазона в состоянии решать практически весь ряд важных научных и хозяйственных задач в интересах России. На настоящем этапе желательно создание компактного РСА L-диапазона со следующими характеристиками:

- Поляризация - несколько режимов, включая работу на одной поляризации, измерение полной матрицы рассеяния, а также режим работы с гибридной поляризацией, с возможностью излучения ортогональных сигналов в разных поляризационных каналах.

- Проведение съемки в двух режимах - обзорном и детальном.

- Разрешение в детальном режиме - ~5-10 м в полосе захвата 25-70 км.

- Разрешение в обзорном режиме - 50-200 м в полосе захвата 300-500 км.

- Период точного повторения орбиты для задач интерферометрического наблюдения поверхности порядка 16 -30 дней.

В Заключении приводятся основные выводы по результатам выполненных исследований:

- Моделированием отражений сигналов подстилающих покровов показано, что по степени мешающего влияния интегрального уровня боковых лепестков автокорреляционной функции сигналы с линейной частотной модуляцией являются предпочтительным видом сигналов при радарном картировании протяженных покровов. При использовании сигналов с фазокодовой модуляцией мешающие сигналы боковых лепестков могут превышать сигнал главного лепестка, что искажает амплитудные измерения и делает невозможными фазовые измерения в интерферометрии.

- Показано, что радиолокационная интерферометрия с повторяющихся орбит является эффективным методом измерения рельефа поверхности и обнаружения динамики поверхности за время между съемками с субсантиметровой точностью. Возможности этого метода впервые продемонстрированы на примере выявления колебаний ледовых покровов моря, обнаружении подвижек газовой инфраструктуры в районах вечной мерзлоты, криогенных деформациях болотистых почв, просадок почв в области интенсивной подземной добычи угля. Субсантимеровая точность измерений динамики верифицирована с помощью перемещения уголковых отражателей в зоне съемки.

- Радарная поляриметрия является эффективным средством изучения свойств подстилающей поверхности при условии корректной организации измерений матрицы рассеяния. Показаны новые возможности классификации подстилающих покровов, предполагающие когерентность элементов полной матрицы рассеяния. Отмечено, что схема разделения измерений полной матрицы рассеяния по времени и схема с использованием ортогональных кодов предпочтительны при создании поляриметрического радара.

- Показано, что искажающее влияние фарадеевского вращения плоскости поляризации сигнала калиброванного поляриметрического РСА можно оценить по измерениям полной матрицы рассеяния поверхности и эффективно скомпенсировать. Разность фаз внедиагональных элементов содержит информацию об угле вращения плоскости поляризации сигнала, а разность фаз диагональных элементов - об угле ориентации, характеризующем крупномасштабные азимутальные уклоны рельефа. Выведены формулы для вычисления этих углов, позволяющие проводить усреднение по поверхности, что позволяет улучшить статистику измерений.

- Новые средства внешней радиометрической калибровки - искусственные постоянные отражатели на базе параболических антенн ОКБ МЭИ, а также естественные отражатели обладают высокой временной стабильностью, сравнимой со стабильностью лучших образцов калибровочных целей типа уголковых отражателей или транспондеров. На примере многолетних измерений с помощью радара ERS показано, что стабильность ЭПР антенн в С-диапазоне составляет лучше 0.1 дБ. Измерения ЭПР с помощью радара PALSAR показали, что стабильность антенн в L-диапазоне порядка 0.5 дБ.

- Поляриметрический радар L-диапазона является наиболее предпочтительным перспективным РСА для решения отечественных научных и прикладных задач ДЗЗ.

Список основных публикаций по теме диссертации

1. Арманд, Н.А. Перспективные отечественные спутниковые радары с синтезированной апертурой / Н.А. Арманд, А.М. Волков, А.И. Захаров и др. // Радиотехника и Электроника. - 1999. - Т.44. - №4. - С. 442-447.

2. Арманд, Н.А., Исследование отражательных характеристик лесов Подмосковья по данным РСА SIR-C / Н.А. Арманд, А.И. Захаров, И.Л. Кучерявенкова // Радиотехника. - 1998. - №8 - С. 27-31.

3. Арманд, Н.А. Применение радаров с синтезированной апертурой для измерения угла поворота плоскости поляризации из-за эффекта Фарадея / Н.А. Арманд, А.И. Захаров // Радиотехника и Электроника. - 2006. - Т. 51. - №10. - С. 1210-1217.

4. Арманд, Н.А. Космические радары с синтезированной апертурой в дистанционном зондировании Земли - современные системы и перспективные проекты / Н.А. Арманд, А.И. Захаров, Л.Н. Захарова. // Исследование Земли из космоса. - 2010. - №2. - С. 3-13.