Авіаційно-космічні багатопозиційні радіолокаційні системи з синтезуванням апертури антени

Харків 2006

Зміст роботи

Вступ до дисертаційної роботи містить такі положення: актуальність теми; зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами; мета і задачі дослідження; наукова новизна отриманих результатів; обґрунтованість і достовірність наукових положень; практичне значення одержаних результатів; особистий внесок здобувача; інформацію про апробації та публікації.

У першому розділі дисертації виконано дослідження моделей просторово-часових сигналів і методів оптимізації у багатопозиційних радіолокаційних системах з синтезуванням апертури антени.

Розглянуто стан та перспективи розвитку систем дистанційного зондування, показано перспективність та можливість створення багатопозиційних систем на теперішньому етапі розвитку космічних технологій.

Розроблено операторну модель систем дистанційного зондування, яка дозволяє формалізувати операції оптимізації, моделювання та проектування систем ДЗ; в її рамках введено визначення моделей поверхні, сигналу, рівняння спостереження.

Виконано дослідження структури сигнальних полів у багатопозиційних радіолокаційних РСА; визначена їх залежність від просторової конфігурації та характеру взаємного руху приймачів , та передавачів , .

На основі аналізу структури корисних сигналів введено визначення полів середніх затримок та дельта-затримок , а також відповідних їм ліній рівних відстаней , та рівного допплерівського зсуву частоти , .

Для багатопозиційних РСА зі складною просторовою конфігурацією, елементи яких рухаються по власних траєкторіях з різними швидкостями, виконано чисельне та аналітичне дослідження поведінки полів середніх затримок, дельта-затримок та градієнтів до них, а також отримані відповідні візуальні дані.

Показано, що поля градієнтів до та дозволяють встановити зв'язок між класичною функцією невизначеності сигналу та просторовою функцією невизначеності системи з синтезуванням апертури антени.

Аналітично та чисельно визначено та проаналізовано умови унімодальності просторових функцій невизначеності у різних бістатичних парах.

З урахуванням особливостей алгоритмів просторово-часової обробки у системах з синтезуванням апертури антени отримано формули для енергетичного відношення сигнал/завада у багатопозиційних і бістатичних РСА.

Обґрунтовано можливість і доцільність градієнтного аналізу введених полів та з метою оптимізації багатопозиційних радіолокаційних систем з синтезуванням апертури за критеріями, пов'язаними з просторовими функціями невизначеності.

Як такі критерії запропоновано використовувати кут між градієнтами - для забезпечення необхідного вигляду області високого розрізнення; абсолютні значення - для забезпечення необхідного розрізнення, відповідного часу затримки та/або зсуву частоти радіолокаційного сигналу; їх сумісні значення - для забезпечення потрібного вигляду та розміру області високого розрізнення, крім того, можливо використовувати енергетичні та інші показники.

Перевагою градієнтного методу аналізу перед безпосереднім аналізом просторових функцій невизначеності є висока швидкість розрахунків, що дозволяє використовувати цей метод у самоконфігуруючихся сузір'ях міні- та мікросупутників з метою оперативного вибору сигналів, орієнтації антенних систем та просторової конфігурації що забезпечують максимальну якість вирішення задач дистанційного зондування.

На прикладі оптимізації сузір'я з 5 носіїв показано, що оптимізація області огляду БПРСА відповідно до запропонованого градієнтного методу відбувається за 50 секунд, а при безпосередньому аналізі функцій невизначеності - 86 діб.

В другому розділі надано результати розробки теорії, методів та алгоритмів оптимальної та квазіоптимальної сумісної обробки у багатопозиційних системах з синтезуванням апертури антени.

Виконано аналіз стандартних критеріїв якості, які використовуються при оцінюванні ефективності систем дистанційного зондування, та обґрунтовано доцільність використання додаткових параметрів, таких як: середній розмір зони огляду, середній розмір зони затінення, оперативність, еквівалентна роздільна здатність, відношення зони огляду до еквівалентної роздільної здатності, показники, пов'язані з подальшою інтерпретацією отриманих РЛЗ, надійність та інші.

Запропоновано різні варіанти просторових конфігурацій багатопозиційних радіолокаційних систем з синтезуванням апертури антени, виконано порівняння їх потенціалу для вирішення задач дистанційного зондування з моностатичними РСАРСА.

Розроблено методи оптимальної сумісної обробки у багатопозиційних радіолокаційних системах з синтезуванням апертури антени для функціонально-детермінованих моделей поверхні.

Встановлено, що вигляд алгоритмів сумісної обробки та їх якісні показники суттєво залежать від електродинамічних моделей комплексного коефіцієнта відбиття для заданої конфігурації БПРСА (набору несучих частот, бістатичних кутів, поляризацій та ін.). Для моделі комплексного коефіцієнта відбиття, у рамках якої він може бути записаний у вигляді добутку функції комплексування на просторово-часовий ряд, який залежить від параметрів спостереження та несуттєвих параметрів, було отримано чітке аналітичне рішення, яке показує механізм оптимальної сумісної обробки.

Показано, що основними операціями при сумісній обробці у БПРСА є декореляція вхідних процесів, яка може бути розглянута як послідовність операцій повороту системи координат і зважування, яке залежить від відношення сигнал/завада у кожній бістатичній парі, та узгодженої фільтрації з опорним сигналом, вигляд якого залежить не тільки від характеристик спостереження, несучих частот, діаграм спрямованості, але й від моделей поверхні та параметрів комплексування.

На основі отриманих алгоритмів введено поняття просторової функції невизначеності БПРСА, вироджені випадки якої є функціями невизначеності для окремих приймачів, бістатичних і моностатичних РСА. Дослідження просторових функцій невизначеності залежно від просторової конфігурації, різноманітних дестабілізуючих факторів і неточності визначення координат елементів багатопозиційної системи є основою оптимізації БПРСА за широким рядом критеріїв.

Використання запропонованих методів сумісної обробки має ряд особливостей. Обмеження на моделі поверхні не дозволяє використовувати ці методи для широкого кола реальних складноконфігурованих поверхонь, але вони дозволяють використовувати електродинамічні моделі поверхонь з більшими розмірностями векторів вхідних параметрів.

Декореляція процесів для даної моделі рівняння спостереження базується виключно на статистичних характеристиках завад. Незалежність методів сумісної обробки від просторових функцій невизначеності для різних бістатичних пар/приймачів приводить то того, що результат операцій комплексування буде суттєво залежати від параметрів спостереження, що визначають просторову роздільну здатність.

При розробці методів оптимальної сумісної обробки обумовлювалася стаціонарність лише функцій комплексування, що не виключає можливості їх використання для виявлення рухомих об'єктів.

Отримано ряд найбільш важливих практичних реалізацій розроблених методів, що дозволяє суттєво спростити комплексування у БПРСА. Показано, що вироджені випадки розроблених методів є оптимальними методами формування радіолокаційних зображень у багаточастотних, поляризаційних, бістатичних і моностатичних РСА, а також у системах з рознесеними у часі вимірюваннями.

Розроблено методи оптимальної сумісної обробки у багатопозиційних радіолокаційних системах з синтезуванням апертури антени для стохастичних моделей поверхні при різній поведінці першого, другого статистичних моментів спостережуваних полів, а також нормуючого коефіцієнта функціонала густини ймовірності як функцій від оцінюваних параметрів.

Розглянуто найбільш важливі практичні реалізації розроблених алгоритмів, які показують принципи сумісної обробки у багатопозиційних РСА при формуванні радіолокаційних зображень. Показано, що вироджені випадки розроблених алгоритмів є оптимальними методами формування радіолокаційних зображень у бістатичних та моностатичних системах ДЗ.

Розроблено методи оптимальної байєсовської сумісної обробки для функцій комплексування, які розподілені за гауссовським законом. Встановлено, що ці операції являють собою згладжування оптимальних сумісних оцінок максимальної правдоподібності операторами з ядром, яке визначається статистичними залежностями функцій комплексування. При диференціюваності цих статистичних залежностей алгоритми обробки можна спростити до лінійних алгоритмів фільтрації.

Виконано дослідження граничних похибок вимірювань. Показано, що на відміну від однопозиційних ті бістатичних систем спроможність оцінок у БПРСА може бути забезпечена за рахунок збільшення числа бістатичних пар, які формують радіолокаційне зображення.

Виконано статистичне моделювання роботи багатопозиційних РСА та отримані значення похибок за наявності різного роду нестабільностей. Встановлено, що багатопозиційні системи є більш стійкими і дозволяють отримати оцінки з більшою точністю порівняно з моностатичними РСА.

В третьому розділі розроблено теорію та методи виявлення малорозмірних і просторово-протяжних об'єктів у багатопозиційних радіолокаційних системах з синтезуванням апертури антени.

Для багатопозиційних РСА розроблено методи оптимального виявлення об'єктів, заданих залежностями комплексного коефіцієнта відбиття від значень вектора параметрів спостереження (бістатичних кутів, несучих частот, законів модуляції, поляризацій та ін.). Обґрунтовано доцільність виявлення об'єктів за результатами оптимальної сумісної обробки як таку, що дозволяє отримати строгі аналітичні рішення та алгоритми, стійкі до різного роду нестабільностей і варіацій статистичних характеристик завад.

Показано, що оптимальний алгоритм виявлення у БПРСА та відповідна йому структурна схема містять такі операції: декореляція прийнятих процесів у часовій області за рахунок застосування матричного перетворювання з ядром , що враховує кореляційні зв'язки у часовій області, кореляційні зв'язки між різними каналами прийому, які визначаються не лише моделлю адитивних завад, але й моделлю відбиття від підстиляючої поверхні; узгоджена фільтрація декорельованого вхідного процесу з вектором модифікованих сигналів , що враховує амплітудно-фазову діаграму відбиття об'єкта; формування опорного зображення об'єктів з урахуванням декорелюючого перетворення у часовій і просторовій областях; декореляція отриманого ефекту просторовими вікнами , які визначаються статистичними характеристиками відбиття від поверхні (фону), статистичними характеристиками вектора адитивних завад і просторовими функціями невизначеності результату сумісної обробки; формування порогу, в якому використовується зображення об'єкта, отриманого у багатопозиційній системі для заданого вектора модифікованих опорних сигналів з урахуванням статистичних характеристик адитивних завад і відбиття від поверхні.

Отримано найбільш важливі практичні реалізації методів виявлення просторово-протяжних та малорозмірних об'єктів, які задані характеристиками відбиття. Розроблено квазіоптимальні алгоритми, які можуть бути застосовані для виявлення при недостатніх апріорних даних та/або для звуження зони пошуку об'єктів синтезованими оптимальними методами.

Для багатопозиційних систем з синтезуванням апертури антени розроблено оптимальні методи виявлення об'єктів, які задаються стохастичними моделями відбитого/розсіяного поля. Показано доцільність виявлення після етапу сумісної обробки. Встановлено, що характерна особливість цих методів полягає у розширенні розмірності даних після комплексування порівняно з розмірністю області спостереження.

Показано, що для розробленого оптимального виявлювача та відповідної йому структурної схеми основними операціями є: узгоджена фільтрація декорельованих вхідних процесів матрицею модифікованих опорних сигналів, елементи якої визначаються добутками полів , що враховують залежність статистичних характеристик відбиття об'єкта, розташованого в околі точки для даної конфігурації багатопозиційної РСА; формування (оцінок) зміщення результату сумісної обробки; формування (оцінок) кореляційних і зворотно-кореляційних функцій за наявності об'єкту та його відсутності ; декореляція отриманого результату оптимальної сумісної обробки операторами , , які відповідають випадкам присутності та відсутності об'єкта, відповідно; формування порогу як функції, залежної від статистичних характеристик відбиття від підстиляючої поверхні та вектора адитивних завад.

Отримано найбільш важливі практичні реалізації синтезованого оптимального виявлювача об'єктів зі стохастичними законами відбиття електромагнітного поля, які дозволяють спростити операції виявлення.

Отримані оптимальні методи було модифіковано для випадків виявлення об'єктів, заданих розподіленням питомої ефективної поверхні розсіяння від параметрів спостереження (геометричної конфігурації, несучих частот, поляризацій та ін.). Ці результати дозволяють суттєво спростити схеми та алгоритми оптимального та квазіоптимального виявлення.

Отримано аналітичні співвідношення для якісних показників розроблених багатопозиційних виявлювачів об'єктів, заданих просторово-часовими залежностями комплексного коефіцієнта відбиття або його статистичними характеристиками. Ці співвідношення необхідно використовувати для детерміністської або статистичної оптимізації просторової конфігурації БПРСА, виду сигналів, функцій комплексування з метою забезпечення максимального відношення сигнал/завада та, відповідно, максимальної якості вирішення задач виявлення.

Виконано статистичне моделювання задач виявлення об'єктів у багатопозиційних РСА. У результаті моделювання підтверджено теоретичні висновки та отримано залежності ймовірностей виявлення та помилкової тривоги як функцій відношення сигнал/завада та величини порогу виявлювача.

Показано, що розроблені оптимальні алгоритми є більш стійкими до різного роду нестабільностей відносно інших методів комплексування.

У четвертому розділі розроблено методи та критерії вибору груп сигналів у багатопозиційних радіолокаційних системах з синтезуванням апертури антени з урахуванням особливостей просторово-часової обробки, а також досліджено доцільність використання шумоподібних сигналів у системах дистанційного зондування.

Показано необхідність модифікації поняття ортогональності сигналів у багатопозиційних РСА зі складною просторовою конфігурацією з урахуванням особливостей просторово-часової обробки. На підставі дослідження міжканальних завад вихідних ефектів та аналізу просторових функцій невизначеності введено поняття сигналів , ортогональних у точці поверхні та у просторовій зоні .

Показано, що ортогональні у класичному розумінні сигнали можуть бути недоцільними для використання у БПРСА з причин великого значення міжканальних завад. У той же час квазіортогональні, неортогональні (у класичному розумінні) та навіть однакові сигнали можуть забезпечувати малі величини міжканальних завад та, відповідно, високу якість вирішення задач дистанційного зондування за рахунок вибору просторової конфігурації БПРСА. Ці факти показують необхідність сумісної оптимізації вибору груп сигналів і просторової конфігурації багатопозиційних радіолокаційних систем з синтезуванням апертури антени. Запропоновано та проаналізовано критерії такого вибору.

Досліджено групи сигналів, які відрізняються несучими частотами та/або комплексними огинаючими з точки зору доцільності їх використання у багатопозиційних РСА. РСА; досліджені відповідні їм просторові функцій невизначеності. Результати дослідження є основою для вирішення задач синтезу груп сигналів, оптимальних за критеріями роздільної здатності, смуги частот і величини міжканальних завад.

У роботі наведено приклад, якій показує можливість оптимізації форми випромінюваних сигналів з метою мінімізації міжканальних завад при збереженні високого енергетичного потенціалу системи у цілому.

Досліджено можливість і доцільність використання шумоподібних сигналів у моностатичних, бістатичних та багатопозиційних системах дистанційного зондування, у тому числі й з синтезуванням апертури антени, за критеріями якості вирішення задач дистанційного зондування, завадозахищеності, скритності.

Отримано показники якості радіолокаційних зображень залежно від характеристик функцій невизначеності та, зокрема, від рівня бокових пелюстків.

Отримано та проаналізовано вигляд просторової функції невизначеності для РСА з ШПС. У результаті аналітичного дослідження та статистичного моделювання показано, що використання шумоподібних сигналів у багатопозиційних, бістатичних і моностатичних системах з синтезуванням апертури антени не призводить до суттєвого спотворювання результату обробки порівняно з випадком використання імпульсних сигналів.

Для багатопозиційних систем додатково отримано аналітичні залежності, які необхідно використовувати при виборі модулюючих псевдовипадкових послідовностей і операторів вторинної обробки. Наведено відповідні критерії та показано приклад оптимізації форми опорного сигналу (при заданому випромінюваному) з метою забезпечення потрібних характеристик якості функціонування БПРСА.

Запропоновано принципи збільшення інтервалів однозначних вимірювань у багатопозиційних, бістатичних і моностатичних РСА, показано особливості вибору відповідних сигналів і введено показники якості, які дозволяють оцінити значення виникаючих при цьому завад. Також оцінено можливість передачі інформації на трасах передавач-приймач та передавач-поверхня за рахунок додаткової модуляції радіолокаційного сигналу.

У п'ятому розділі дисертаційної роботи розроблено теорію, методи та алгоритми оптимального відтворення карт рельєфу поверхні багатопозиційними інтерферометричними системами з синтезуванням апертури антени (ІРСА).

Розглянуто основні просторові конфігурації БПІРСА та отримано співвідношення для просторово-часових функцій, які містять інформацію щодо висоти рельєфу, у рамках функціонально-детермінованих і стохастичних моделей поверхні.

Операції з формування карт висот запропоновано розділити на первинну (формування інтерферограм) та вторинну обробку (згладжування результатів первинної обробки), а також задач розгортки фази.

Розроблено оптимальні методи виділення висоти за результатами сумісної обробки у рамках функціонально-детермінованих моделей і розглянуто особливості формування вихідних ефектів при різному характері взаємного руху елементів багатопозиційного інтерферометра та при різних методах виділення фаз з векторів оптимальних вихідних ефектів.

Показано, що при оптимальній обробці основними операціями є узгоджена фільтрація з сигналом, відповідним траєкторному сигналу центра бази, та подальше виділення різниці фаз за рахунок операторного перетворювання вектора вихідних ефектів. Досліджено обмеження розроблених методів для систем з великими базами.

Розроблено оптимальні алгоритми формування карт висот рельєфу поверхні у рамках стохастичних моделей поверхні. Показано, що при цьому інформація щодо висоти поверхні міститься в сигнальній складовій кореляційної матриці, елементи якої є нестаціонарними часовими функціями.

Встановленою, що основними операціями при оптимальній обробці є декореляція спостережуваних процесів матрицею, елементи якої залежать від різниці фаз у інтерферометрі та наступна узгоджена фільтрація з сигналом, відповідним до траєкторного сигналу центра бази. Отримано найбільш важливі практичні реалізації синтезованих алгоритмів, які дозволяють суттєво спростити обробку у багатопозиційних інтерферометричних РСА.

Виконано дослідження просторових функцій невизначеності для різних алгоритмів первинної обробки. Показано, що врахування стохастичної структури відбитого від поверхні сигналу дозволяє суттєво підвищити роздільну здатність інтерферометричних систем з синтезуванням апертури антени.

Виконано дослідження похибок оцінки висоти рельєфу поверхні як функцій просторових координат, а також їх теоретично граничних значень. Встановлено, що можна забезпечити спроможність отриманих результатів первинної обробки навіть при неспроможності оцінок питомої ефективної поверхні розсіяння. Запропоновано та досліджено різні методи усунення неспроможності оцінок фази при різних способах формування оцінок ПЕПР зондуємої поверхні.

Виконано статистичне моделювання алгоритмів первинної та вторинної обробки сигналів у багатопозиційних інтерферометричних системах з синтезуванням апертури антени, за результатами якого висунуто рекомендації щодо вибору параметрів операторів вторинної обробки.

Показано необхідність вирішення задач розгортки фази (оцінка висоти за її неоднозначним перетворюванням) у багатопозиційній інтерферометричній РСА за результатами первинної та/або вторинної обробки. Для БПІРСА модифіковано алгоритми розгортки фази, які основані на виділенні точок, в яких змінюється характер монотонної поведінки висоти, з урахуванням особливостей етапів первинної та вторинної обробки. Виконано моделювання, яке показує ефективність запропонованих методів відтворення висоти рельєфу.

Отримано співвідношення, які дозволяють вибрати параметри інтерферометричної РСА таким чином, щоб забезпечити максимальну точність при найбільшому інтервалі однозначного вимірювання висоти.

Розглянуто особливості перетворювання систем координат, геокодування, а також впливу геометрії спостереження на отримані результати. авіаційний космічний радіолокаційний система

Виконано статистичне моделювання роботи багатобазової інтерферометричної РСА, як практично важливого окремого випадку розроблених загальних методів первинної та вторинної обробки. У результаті моделювання підтверджено одержані у роботі теоретичні висновки та рекомендації, а також показано працездатність запропонованих методів відтворення висоти у багатопозиційних ІРСА.

Отримано вироджені випадки оптимальних алгоритмів обробки, які є алгоритмами відтворення висоти у класичних інтерферометричних РСА у рамках функціонально-детермінованих і стохастичних моделей поверхні.

У шостому розділі дисертаційної роботи виконано аналіз можливостей використання навігаційних систем ГЛОНАСС/GPS для створення багатопозиційної системи дистанційного зондування з синтезуванням апертури антени.

Розглянуто загальні принципи побудови радіолокаційних систем, основаних на прийомі відбитих від поверхні сигналів, які були випромінені іншими радіотехнічними системами. При цьому особливу увагу приділено супутниковим системам ГЛОНАСС/GPS. Вибір саме цих навігаційних систем для створення багатопозиційної системи ДЗ обумовлено тим, що навігаційний сервіс є загальнодоступним, у зоні огляду знаходиться достатньо супутників для цілей картографування поверхні, випромінюваний сигнал, який можна використовувати для вирішення задач дистанційного зондування, та містить інформацію щодо просторових координат і векторів швидкості передавачів, що дозволяє виконувати картографування з прив'язкою до геодезичної системи координат.

Показано, що енергетичний потенціал існуючих навігаційних систем та імовірнісні характеристики їх доступності дозволяють виконувати картографування авіаційними системами з середнім розрізненням і космічними системами з середнім та низьким розрізненням. Для вирішення задач дистанційного зондування доцільно використовувати обидві навігаційні системи.

Виконано дослідження функцій невизначеності багатопозиційної РСА, основаної на прийомі відбитих від поверхні сигналів систем ГЛОНАСС та GPS. У результаті моделювання, у якому використовувалися реальні данні о супутникових сузір'ях, встановлено, що при обробці коду стандартної точності середнє розрізнення складає 150Х40 метрів и 80Х40 метрів для систем ГЛОНАСС та GPS, відповідно.ю

Просторовий інтервал вимірювань у напрямку градієнта до ліній рівних відстаней для обох систем ідентичний за інших однакових умов та дорівнює 512 та 1025 елементів розрізнення для ГЛОНАСС та GPS відповідно. У напрямку градієнта до ліній рівного зсуву частоти розрізнення та інтервал однозначних вимірювань визначаються, в основному параметрами приймача.

Виконано оптимізацію вибору зони огляду багатопозиційної РСА, яка складається зі спеціалізованого авіаційного носія та сузір'я навігаційних супутників (приймач використовує для картографування відбиті від поверхні сигнали навігаційних супутників). Показано, що в багатьох практичних випадках оптимізацію за параметрами, пов'язаними з градієнтами до введених полів середніх і дельта-затримок, доцільно виконувати не для всього сузір'я, а для його частини.

У рамках оптимізації експерименту дистанційного зондування БПРСА, основаної на прийомі відбитих від поверхні сигналів навігаційних супутників, при урахуванні міжканальних завад виконано статистичне моделювання для заданої просторової конфігурації БПРСА та моделі поверхні у вигляді залежності ПЕПР від кутів зондування. Показано, що вибір зони огляду дозволяє підвищити відношення сигнал/завада у 2-4 рази відносно його середнього значення.

У додатках наведено принципи моделювання просторово-часової обробки у багатопозиційних, бістатичних і моностатичних системах дистанційного зондування, у тому числі й з синтезуванням апертури; приклад моделювання задач виявлення просторово-протяжних об'єктів космічною БПРСА; наведено результати розробки методу забезпечення когерентної обробки у багатопозиційних РСА; розглянуто особливості вирішення задач сумісної обробки при врахуванні зон затінення; наведено результати моделювання задач формування карт висот рельєфу поверхні у багатопозиційній ІРСА; результати статистичного моделювання задач сумісної обробки у БПРСА за наявності різних похибок і при урахуванні впливу атмосфери; досліджено методи підповерхневого картографування та виявлення об'єктів у радіолокаційних багатопоглядових системах; розглянуто приклад практичної реалізації трисупутникової спеціалізованої системи картографування та вимоги щодо її параметрів.