Авиационные и космические комплексы дистанционного зондирования земли с интерферометрической обработкой многомерных сигналов

Segoe Print Tur;

Segoe Print Baltic;Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

05.12.14 - Радиолокация и радионавигация

Авиационные и космические комплексы дистанционного зондирования земли с интерферометрической обработкой многомерных сигналов

Бабокин Михаил Иванович

Москва-2010



Работа выполнена в унитарном государственном предприятии «Научно-производственный центр «СПУРТ».

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кузьмин Геннадий Васильевич (в/ч 54023);

доктор технических наук, профессор Ефимов Виталий Александрович (Военный учебно-научный центр ВВС ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина);

доктор технических наук, профессор Татарский Б.Г. (Московский авиационный институт (технический университет).

Ведущая организация - ЦНИИМАШ.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., с.н.с. Петров Валерий Георгиевич

1. Общая характеристика работы

авиационный космический многомерный сигнал

Актуальность темы.

К определяющим факторам использования комплексов дистанционного зондирования Земли для России следует отнести протяженный характер территории с запада на восток (~10 тыс. км) в Северном полушарии, имеющей большую протяженность прибрежных районов с морским климатом (устойчивым облачным покровом, туманами и ветрами) и прилегающей к ней акватории.

Это, и не только это, определяет актуальность использования над территорией России в качестве средств ДЗЗ группировки авиационных и космических РЛ датчиков с применением техники синтезирования апертуры, способных формировать изображения, близкие по качеству к оптическим изображениям, независимо от освещенности, погодных условий, на большой дальности, с широкой полосой обзора.

Большое количество гор, морей и рек на территории России, в труднодоступных местах, возлагает на перспективные средства ДЗЗ решение следующих важнейших народохозяйственных задач: высокоточную оценку рельефа местности, формирование трёхмерных изображений земной поверхности, исследование динамических процессов на земной и морской поверхности и т.п.

Особенно актуальным для модернизации экономики России является получение материалов РЛ съемки с высокими измерительными свойствами, обеспечивающих создание и обновление государственных топографических карт и планов, создание картографической основы государственного кадастра недвижимости, а также решение других задач.

Исходя их этого, одной из важнейших задач на современном этапе развития средств ДЗЗ, как составляющей геоинформационных систем, является круглогодично и круглосуточно, в любых метеоусловиях, на больших удалениях с высокой точностью и разрешающей способностью формирование трёхмерных изображений земной поверхности, оценивание уклонов, сдвигов земной, параметров волнения морской поверхностей.

Поэтому решение проблемы получения с помощью авиационных и космических РЛ комплексов дистанционного зондирования Земли высокоточных цифровых карт местности и мониторинг земной и морской поверхности являются актуальными для повышения эффективности экономической деятельности и использования природных ресурсов России.

Степень разработанности проблемы.

В нашей стране с конца 50-х годов 20 века ведутся активные работы по разработке теории, совершенствованию принципов построения и созданию опытных и серийных образцов отечественных РСА авиационного и космического базирования. Неоценимый вклад в развитие теории РСА внесли такие известные ученые, как А.П. Реутов, Г.С. Кондратенков, П.И. Дудник, Ю.Л. Феоктистов, Н.И. Буренин, Ю.А. Мельник, В.А. Потехин и др. В первую очередь благодаря их усилиям в СССР были созданы первые РСА с оптическими системами формирования РЛИ. В конце 60-х годов в ВВИА им проф. Н.Е, Жуковского группой ученых под руководством Я. С. Ицхоки (Н.Н. Луначарский, Л.П. Фирсов, П.С. Падун, В.Г. Поздняков, В.М. Беляев, Л.А. Школьный, Е.Ф. Толстов), были проведены исследования по принципам и методам цифровой обработки сигналов в РСА, обеспечивающим гибкость управления и получение РЛИ в реальном масштабе времени. На основе этих исследований в 70-е годы появились первые образцы летных макетов отечественных РСА с цифровой обработкой сигналов воздушного базирования.

Следующим этапом разработки теории РСА явились исследования методов и алгоритмов обработки сигналов и изображений, направленные на учёт маневра и траекторных нестабильностей носителя, движения целей и элементов морской поверхности, автоматизацию процесса сбора и обработки радиолокационной информации. Эти исследования проводились в 80…90-е годы под руководством Е.Ф. Толстова, Л.Н. Школьного, А.А. Лаврова, В.Н. Антипова, а их результаты широко использовались в НИОКР при создании опытных образцов многофункциональных РЛС с режимами обзора земной поверхности самолетов Су-27М, МиГ-29М и разведывательной РСА нового поколения. Внедрением новых разработок руководили главные конструкторы этих РЛС - Т.О. Бекирбаев, Ю.Н. Гуськов, А.С. Сосков.

В тоже время группой ученых под руководством В.И. Тихонова, М.С. Ярлыкова, М.А. Миронова, В.М. Харисова проводились и проводятся фундаментальные исследования в сфере оптимальных статистических методов обработки сигналов. В частности глубокое развитие получили методы линейной и нелинейной фильтрации случайных марковских процессов, разработаны методы статистического синтеза оптимальных радиотехнических систем. Использование этих методов в радиосвязи и радионавигации в сочетании с возможностями современных цифровых процессоров позволили добиться впечатляющих результатов. Есть все основания предположить, что их использование в теории и практике создания РСА позволит перейти на новый качественный уровень и вплотную приблизиться к достижению потенциальных возможностей и характеристик РСА.

На сегодняшний день ситуацию, которая сложилась в теории и практике создания отечественных РСА можно охарактеризовать следующими положениями:

Разработаны основные физические принципы построения РСА авиационного и космического базирования и приобретен опыт создания РСА с аналоговой обработкой сигналов.

Предложены методы и способы цифровой обработки сигналов РСА, обоснованы принципы построения бортовых процессоров, а также получены и опробованы на практике алгоритмы цифрового синтезирования апертуры, основанные на разработанных физических принципах.

К настоящему времени достигнута разрешающая способность отечественных РСА на уровне 2 ... 3 м на дальности до 70 км для самолетных и 10 ... 15 м на дальности до 500 км - для космических систем.

На стадии опытно-конструкторских работ находятся устройства формирования, излучения и обработки широкополосных зондирующих сигналов с полосой до 600 МГц, способных обеспечить разрешение по дальности до 25 см.

Созданы или находятся на стадии конструкторской разработки опытные образцы специализированных и программируемых цифровых процессоров обработки сигналов нового поколения.

Таким образом, развитие теории и принципов построения РСА привело к тому, что уже существуют высокоэффективные комплексы РСА авиационного и космического базирования, которые способны получать высокую разрешающую способность (единицы метров и выше) при боковом и переднебоковом обзорах и производить детальное картографирование местности.

В то же время требуется решить ряд новых научных задач и, прежде всего, задачи получения детального рельефа местности, формирования трёхмерного изображения, оценивания состояния земной и морской поверхностей. Работы в этих направлениях активно ведутся во всем мире, но только в последнее время, благодаря разработке многомерной радиолокации, с применением техники РСА, совместно с достижениями СВЧ техники и созданию мощных бортовых цифровых процессоров, появились реальные условия для решения этих задач.

В многомерной (многопозиционной, многочастотной, многополяризационной) радиолокации более эффективно используется информация, содержащаяся в пространсвенно-временной структуре электромагнитного поля, что позволяет повысить информативность и помехозащищенность РЛ комплексов, формировать трёхмерные карты местности, исследовать пространственные процессы и их проявления во времени.

Цель диссертации, предмет и рамки исследований.

Поставленная в работе цель - разработка принципов построения авиационных и космических комплексов РСА, методов и алгоритмов обработки многомерные сигналов, при решении задач получения детального рельефа местности, оценивания состояния земной и морской поверхностей, позволяет выделить объект и предмет исследований.

Объектом исследований являются когерентно-импульсные авиационные и космические радиолокационные комплексы с синтезированием апертуры антенны, использующие многомерные сигналы.

Предмет исследований: режимы функционирования авиационных и космических радиолокационных комплексов и алгоритмы обработки отражённых многомерных сигналов при оценивании рельефа местности, параметров состояния земной и морской поверхностей.

Рамки исследований. Исследования проводились в рамках классических положений теории радиолокации:

- информация, поступающая на вход антенны (антенн) РЛС, формируется за счет эффекта отражения радиоволн подстилающей земной или морской поверхностью;

- вид зондирующего сигнала и диаграмма направленности антенны считались заданными;

- между полезным сигналом и помехами (шумами) имеются детерминированные и статистические различия.

Задачи исследований.

Сформулированные выше тема, проблема и цель может быть представлена рядом взаимосвязанных научно-технических задач, которые последовательно решаются в диссертационной работе. Основными из этих задач являются:

Анализ и обоснование требований к перспективным многомерным комплексам РСА, предназначенным для дистанционного зондирования поверхности Земли, высокоточного формирования рельефа местности и детальных трёхмерных изображений, наблюдения за динамичными процессами на земной или морской поверхности и оценки параметров их состояния.

Разработка структуры и математических моделей сигналов многомерных РЛ комплексов с синтезированной апертурой антенны, с учётом априорной неопределённости относительно местного рельефа и состояния морской поверхности.

Синтез оптимальных (квазиоптимальных) алгоритмов оценки рельефа местности, уклонов и сдвигов земной, параметров взволнения морской поверхностей с использованием общей теории статистического оценивания и марковской теории фильтрации.

Разработка субоптимальных алгоритмов, обладающих небольшими вычислительными затратами и пригодных для реализации в бортовых процессорах сигналов современных цифровых комплексов РСА авиационного и космического базирования.

Реализация алгоритмов в программных пакетах, предназначенных для разработки программно-алгоритмического обеспечения цифровых систем обработки, а также для моделирования и обработки реальных сигналов РСА с целью проверки его работоспособности в различных условиях и окончательной отладки.

Методы исследования.

Для решения перечисленных задач в работе использовался современный математический аппарат теории марковских процессов, теории статистических решений, теории оптимальной нелинейной фильтрации. Проверка эффективности синтезированных алгоритмов проводилась с помощью имитационного и полунатурного моделирования, а также с использованием реальных сигналов, записанных в ходе летных экспериментов и имевшихся в распоряжении автора радиоголограмм РСА авиационного (Н-010, Н-011, «Жук», «Барс») и космического базирования («Меч-КУ»).

Научная новизна работы заключается в следующем:

Разработаны принципы построения многомерных комплексов дистанционного зондирования Земли с интерферометрической обработкой сигналов с синтезированием апертуры антенны, предназначенных для высокоточного измерения рельефа местности, уклонов и сдвигов земной, оценки параметров волнения морской поверхностей.

Предложены математические модели формирования траекторного сигнала для многомерных комплексов РСА авиационного и космического базирования в условиях априорной неопределённости относительно местного рельефа и состояния морской поверхности, ориентированные на исследование алгоритмов оценки рельефа местности, уклонов, сдвигов земной и параметров волнения морской поверхностей.

На основе общей теории статистических решений и марковской теории фильтрации синтезированы алгоритмы оценивания рельефа местности, уклонов и сдвигов земной, параметров волнения морской поверхностей.

Разработаны конкретные алгоритмы оценивания рельефа местности, уклонов и сдвигов земной и параметров волнения морской поверхностей, пригодные для реализации в бортовых процессорах сигналов современных РСА.

Основные положения, выносимые на защиту:

Синтезированнные квазиоптимальные алгоритмы интерферометрической обработки сигналов в многомерных комплексах РСА для решения задач:

- оценивания местного рельефа;

- оценивания уклонов земной поверхности;

- оценивания сдвигов земной поверхности;

- оценивания параметров волнения морской поверхности.

Субоптимальные варианты алгоритмов оценивания рельефа местности, уклонов и сдвигов земной, параметров волнения морской поверхностей, экономичных с точки зрения вычислительных затрат и пригодных для реализации в бортовых процессорах сигналов современных цифровых РСА.

Сравнительный анализ потенциальной и реальной точности измерения рельефа местности, сдвигов земной и параметров взволнованной морской поверхностей.

Состав, структурные схемы и характеристики режимов оценивания рельефа местности, уклонов и сдвигов земной, параметров волнения морской поверхностей.

Математические модели формирования траекторных сигналов для многомерных комплексов РСА в условиях априорной неопределённости относительно местного рельефа и состояния морской поверхности, ориентированные на исследование алгоритмов оценивания рельефа местности, уклонов, сдвигов земной и параметров волнения морской поверхностей.

Результаты летно-экспериментальных исследований, имитационного и полунатурного моделирования алгоритмов оценивания рельефа местности, уклонов и сдвигов земной, параметров волнения морской поверхностей.

Рекомендации по выбору тактико-технических характеристик и условий применения многомерного комплекса РСА в режимах оценивания рельефа местности, уклонов и сдвигов земной, параметров волнения морской поверхностей.

Принципы построения и технология использования программных пакетов моделирования, обработки и анализа радиоголограмм, предназначенных для внедрения новых алгоритмов оценивания рельефа местности, уклонов и сдвигов земной, параметров волнения морской поверхностей, в состав программного обеспечения существующих и перспективных комплексов РСА.

Достоверность результатов, выводов и рекомендаций подтверждается:

- корректностью использования известного математического аппарата;

- наглядной физической интерпретацией полученных математических соотношений;

- достаточной обоснованностью принятых допущений и предположений, а также отсутствием противоречий между новыми теоретическими положениями, разработанными в диссертации, и известными частными результатами других исследований;

- обсуждением на научно-технических конференциях, ссылками в технической литературе;

- результатами полунатурных и натурных экспериментов с реальными радиолокационными сигналами, записанными во время полёта на борту авиационных и космического носителей РСА, режимов оценки рельефа местности, уклонов и сдвигов земной, параметров волнения морской поверхностей.

Практическая направленность работы заключается в обосновании состава, структуры и алгоритмов функционирования когерентно-импульсного многомерного авиационного и космического радиолокационного комплекса с синтезированием апертуры антенны для высокоточной оценки рельефа местности, уклонов и сдвигов земной и параметров волнения морской поверхностей, а также в разработке предложений по тактико-техническим характеристикам и условиям применения такого комплекса.

Реализация результатов исследований данной работы проводились и ведутся в рамках модернизации существующих и проектирования новых образцов техники: мониторинга Земной поверхности нового поколения (ОКР «КК РЛН Аркон-2М», «Метеор-3М/ЭЛСАР»), многофункциональных РЛС перспективных самолетов (ОКР «Су-30МКИ/БАРС»). Разработанные в диссертации алгоритмы использовались в перечисленных работах в качестве базовых при определении облика специального алгоритмического обеспечения формирования трёхмерных изображений, оценки уклонов и сдвигов земной, параметров волнения морской поверхностей. Основные положения работы используются при обосновании тактико-технических требований к перспективным комплексам ДЗЗ.

Апробация результатов исследований

Результаты исследований опубликованы в 42 научных публикациях, в том числе в 27 статьях (9 во всесоюзных и всероссийских изданиях, одно авторское свидетельство на изобретение) и 15 отчетах по НИР и ОКР. Они докладывались автором на 2 всероссийских конференциях (г. Свердловск - 1989 г., г. Москва - 1999 г.), 4 всероссийских симпозиумах «Радиолокационное исследование природных сред» (г. Санкт-Петербург, 2005, 2006, 2007 и 2009г.).

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 7 разделов, заключения и приложения. Объем работы составляет 326 страниц, включая список литературы из 125 наименований на 12 страницах, 92 рисунка, схем и графиков, приложение на 10 страницах, а также титульный лист.

2. Содержание работы

В первом разделе на основе анализа объектов наблюдения при дистанционном зондировании Земли формулируются основные тактико-технические требования к перспективным комплексам, способным эффективно решать задачи в следующих направлениях народохозяйственной деятельности:

обеспечение функционирования глобальной навигационной спутниковой системы «ГЛОНАСС»;

удовлетворение возросших требований потребителей к точности и оперативности получения геопространственной информации;

проведение сплошной плановой съемки обширных территорий Российской Федерации;

обеспечение информационной безопасности России;

геологические исследования, поиск полезных ископаемых, выявление подповерхностных структур, источников подземных вод, тектонических образований;

определение динамики снежных и ледовых покровов, оценка водозапасов;

выявление симптомов развивающихся процессов с катастрофическими последствиями как природного, так и техногенного характера (тайфунов, землетрясений, паводков, наводнений, аварий на атомных и гидро-электростанциях и др.);

обеспечение поисково-спасательных работ, обнаружение мест катастроф;

мониторинг лесных массивов: контроль вырубок, оценка биопродуктивности, выявление заболеваний, оценка динамики распределения пожаров;

сельскохозяйственный мониторинг - прогноз урожаев, контроль агротехнологий, определение динамики распределения заболеваний сельскохозяйственных растений;

почвоведение, оценка влажности;

экологический мониторинг водной поверхности и суши, выявления зон подтопления;

ледовая разведка, обеспечение судовождения и рыбной ловли;

мониторинг океана, исследований течений, волновых образований;

радиотомография океана, картографирование рельефа дна, обнаружение движущихся подводных объектов;

контроль оперативной обстановки в зонах локальных конфликтов;

научные исследования (археология, климатология и др.).

В процессе комплексирования различных информационных подсистем ДЗЗ должны быть учтены как сами принципы получения информации, так и принципы её передачи и регистрации. Это отражается в математической модели (ММ) информационной подсистемы, в нашем случае комплексе РСА и строится на основе всего предшествующего опыта создания подобных систем, за исключением структуры ММ обработки сигнала, которая зависит от конкретной решаемой задачи и может претерпевать достаточно существенные изменения.

Математическая модель комплекса РСА включает модели следующих основных процессов и факторов:

модель отражения (рассеяния) ЭМВ земной (морской) поверхностью с учётом местного рельефа или волнений морской поверхности;

модель формирования траекторного сигнала, несущего информацию об электромагнитном состоянии поверхности Земли;

модель шумов аппаратуры, помех и других искажающих факторов;

модель алгоритмов обработки траекторных сигналов.

Множество факторов влияют на отражённые сигналы многомерного комплекса РСА, поэтому в состав математической модели помимо моделей отражения радиоволн от земной или морской поверхности и формирования полезного сигнала, включены модели траекторных отклонений из-за рельефа местности, изменений, связанных с уклонами поверхности и взволнованной морской поверхностью.

Отраженные от земной или морской поверхности сигналы имеют явно выраженный многомерный характер, описываемый их поляризационными, частотными, пространственными характеристиками, которые определяются электрическими и геометрическими свойствами наблюдаемых объектов. Многомерность сигналов должна быть отражена в их моделях, с тем условием, чтобы при синтезе алгоритмов обработки использовать все возможности и получить новое качество дистанционного зондирования.

Модель комплексной функции радиолокационного рассеяния (РЛР) представлена дискретной матрицей, каждый элемент которой трактуется как среднее значение функции РЛР на некоторой площадке пространственного разбиения:

, (1)

где - двумерная дельта-функция Дирака в ортогональных направлениях . Шаг между элементами модели РЛР определяет степень детальности воспроизведения функции РЛР и выбирается, исходя из физических и технических соображений.

Подробно рассмотрен вариант двухпозиционного комплекса РСА космического базирования при бистатическом наблюдении и боковом обзоре (ББО). Два носителя РСА движутся в одну сторону с постоянным пространственным смещением , где , , - смещение второго носителя по координатам .

РСА первого носителя облучает участок земной поверхности (активный), а затем обе принимают отражённый от поверхности сигнал.

Рельеф местности определяет относительные изменения расстояний от ФЦА первой и второй РСА до выбранной точки на поверхности с координатой :

, (2)

где , - расстояний от ФЦА первой и второй РСА до выбранной точки на поверхности при отсутствии отклонений рельефа местности,

- значение относительного рельефа местности,

- угол падения между направлением на -ю точку и направлением в надир,

- угол между направлением на космический аппарат (КА) от центра зоны обзора и плоскостью местного горизонта,

и - значения линейных ускорений центра масс (ЦМ).

В разности (2) присутствует постоянный сдвиг начальной дальности, зависящий от величины местного рельефа, и квадратичная зависимость от времени, крутизна которой также линейно зависит от рельефа местности. Относительного сдвига по дальности определяется местным рельефом.

Другим вариантом организации многопозиционного комплекса (МК) является однопроходный способ формирования при переднебоковом обзоре (ОПБО), когда пространственное разнесение обеспечивается за счёт естественного перемещения одного КА и стабилизации луча ДНА на определенном участке земной поверхности. Через определенный интервал (менее половины интервала синтезирования) сеанс картографирования определенного участка возобновляется.

В этом случае рельеф местности также отражается в относительном изменении расстояний от ФЦА до элемента поверхности в первом и втором сеансе картографирования:

(3)

,

где - угол отклонения от нормали к линии пути.

Зависимость (3) имеет линейную составляющую, что в РСА выражается в дополнительном сдвиге по доплеровской частоте. Этот частотный сдвиг принципиально отличает вариант ОПБО от построения комплекса при ББО, где доминирует постоянный сдвиг по дальности.

Для общего случая построения МК с носителями РСА в группе, производящего сеансов картографирования, можно найти коэффициент пространственной корреляции (КПК), характеризующий относительные изменения сигналов:

где - дисперсия коэффициента рассеяния;

- номер элемента разрешения РСА по дальности и азимуту (шаг дискретной модели РЛР равен разрешающей способности).

Варианты построения МК при ББО и ОПБО имеют различную физическую основу, поэтому, прежде всего, необходимо провести сравнение их характеристик:

- двухпозиционный ББО для одного сеанса наблюдения:

,

- двухсеансный ОПБО для одной РСА:

,

где , -разрешающая способность по горизонтальной дальности и азимуту.

Определение диапазона изменений базовых параметров многопозиционного комплекса РСА, исходя из допустимых изменений сигналов (до уровня 0.707), позволит сформировать требования к организации МК и значительно упростить описание моделей принимаемых сигналов:

- ББО без относительного смещения вдоль линии пути (=0) и по высоте (=0):

, (4)

- ОПБО при малых углах :

. (5)

В космическом варианте (ББО,) допустимое пространственное смещение носителей может достигать 1…6 км при разрешающей способности РСА 2…6 м.

В варианте авиационного базирования (ББО) пространственную разрешающую способность необходимо повышать до единиц метров, чтобы предельный базовый параметр был достаточным для безопасного самолётовождения (сотни метров) в широком диапазоне параметров наблюдения.

В варианте космического базирования смещение между сеансами наблюдения (ОПБО) может достигать 1…4 км при разрешающей способности РСА 2…6 м, а для авиационного МК - десятки и сотни метров.

При выполнении условий (4), (5), считаем, что , т.е. РЛР не существенно зависит от номера позиции и сеанса картографирования.

Неизвестный рельеф местности и его производные (уклоны) определяют относительное смещение, которое необходимо учесть при определении КПК:



, (6)

, ,,

, ,

- уклон поверхности внутри элемента разрешения по дальности,

- уклон поверхности внутри элемента разрешения по азимуту.

Учитывая возможный перепад высот и уклон поверхности, можно из (6), определить предел базовых параметров, который в гористой местности может значительно отличаться от условий (4), (5).

С другой стороны, определив предел базовых параметров по (4), (5), можно найти допустимый перепад высот местного рельефа:

- ББО без относительного смещения вдоль линии пути

,

- ОПБО

.

Уклон поверхности серьезно сказывается на пространственных, энергетических, фазовых и поляризационных свойствах отражённых сигналов комплекса РСА, что необходимо отразить в моделях для адекватного описания происходящих физических процессов.

При интерферометрических измерениях важно знать фазовые отклонения, определяемые изменением дальности до центра элемента разрешения, а при наличии уклона поверхности появляется дополнительный сдвиг фазового центра разрешаемой площадки изотропной земной поверхности:

, ,

где - разрешающая способность по наклонной дальности.

Эти относительные пространственно-фазовые отклонения можно использовать для определения уклона поверхности.

Взволнованная морская поверхность является одним из наиболее сложных объектов дистанционного зондирования: со сложным рельефом, уклонами и пространственным перемещением. Отдельного внимания заслуживают ветровые волны, характеристики которых определяются приповерхностным ветром. Важно установить связь между отражённым от водной поверхности сигналом, её волновой структурой, параметрами приводного ветра и отразить это в формируемой модели сигнала.

Развитие ветрового волнения можно представить следующим образом. На неподвижной поверхности воды волны возникают под действием резонансного механизма между турбулентными пульсациями давления в воздушном потоке и волнами. При этом реакция водной поверхности максимальна для частотных составляющих волнения, фазовая скорость которых совпадает со средней скоростью приповерхностного ветра. То есть, определение характеристик доминирующей в спектре волны позволит судить о параметрах приповерхностного ветра. Затем начинается действие механизма гидродинамической неустойчивости, при котором волны индуцируют в воздушном потоке пульсации давления. Этот механизм определяет высокочастотную область спектра со своим максимумом. Во многих случаях происходит развитие двух волновых систем. Для анализа и создания моделей радиолокационных отражений от морской поверхности часто выделяют только эти две спектральные составляющие, в основном определяющие процесс формирования отраженного РЛ сигнала. В этом случае используют двухмасштабную модель морской поверхности: капиллярную или гравитационно-капиллярную ветровую волну - рябь, длина волны которой сопоставима с длиной ЭМВ и крупномасштабную гравитационную ветровую волну, длина которой значительно превышает длину ЭМВ. Но даже в этом случае, использование РСА при исследовании взволнованной морской поверхности, включает целый ряд факторов, отличающих процесс формирования отражённого сигнала:

- глубокая амплитудная модуляция;

- резонансный эффект («брэгговский» эффект) на гравитационно-капиллярной ветровой волне;

- доплеровское растяжение (сжатие) элемента разрешения по азимуту;

- изменение разрешающей способности по дальности и азимуту за счет изменения уклонов на крупной волне;

- суммирование сигналов, отражённых от ряда азимутальных участков поверхности, имеющих одинаковые доплеровские частоты;

- суммирование сигналов, отражённых от ряда участков морской поверхности, имеющих разную высоту, но одинаковую наклонную дальность.

Подробное описание этих моделей, а также обобщение модели сигнала на комплекс РСА с учётом модели траектории движения, составляет содержание большей части первого и четвёртого разделов.

Второй раздел посвящён синтезу квазиоптимальных (квазилинейных) алгоритмов оценивания рельефа местности и уклонов поверхности.

В рамках задачи синтеза алгоритмов, предполагается, что функция РЛР неизменна во времени, а флуктуации вследствие изменения ракурса облучения и приема, можно считать незначительными, и имеется исчерпывающее статистическое описание для неё и шума наблюдения. При этом уравнения наблюдения имеет вид:

, (7)

где - вектор-функция наблюдаемых сигналов размерностью для трёх поляризационных состояний (считаем );

- вектор-функция принимаемых сигналов;

- вектор-функция мешающих шумов.

Передаваемое сообщение о местном рельефе представлено в виде вектора-столбца . Внутри -ой полоски дальности описание рельефа ведётся дискретно с шагом по азимуту в элемент разрешения РСА для каждой из элементов дискретной модели .

Модель сигнала, можно представить как сумму сигналов элементарных площадок:

где ;

- функции, описывающие модуляцию ДНА (при телескопическом обзоре);

;

- вектор-столбец модели РЛР при трёх поляризационных состояниях.

В условиях телескопического обзора, модель принимаемого сигнала МК РСА запишем в виде:

, (8)

где - фазовая модуляция сигнала, вследствие изменения наклонной дальности от ФЦА до центра облучаемого участка;

- фазовое отклонение точки с координатами относительно центра облучаемого участка в случае «ровной» земли;

.

Считаем модель рельефа постоянной во времени, так, что каждое новое значение оцениваемого процесса зависит только от значения в предыдущий момент времени и не зависит от более ранних отсчетов, то есть является марковской последовательностью:

,

где - период временной дискретизации; - случайная величина рельефа местности, подлежащая оценке.

Целью задачи фильтрации (оценивания) служит формирование оптимальной по выбранному критерию оценки значения вектора в -й момент времени по реализации наблюдаемого процесса на всем полуинтервале времени, например, как алгоритм минимизации среднего риска:

,

где - апостериорная плотность вероятности, которая может быть получена в виде рекуррентных соотношений для каждого момента времени , k=0...K ,.

В работе используется критерий минимума среднеквадратического отклонения ошибки фильтрации с квадратичной функцией потерь.

При определённых параметрах наблюдения МК, возникает требование к минимальной разрешающей способности РСА. Для этого сигнал необходимо накапливать интервал времени (время предфильтрации), определяющий нижний предел периода временной дискретизации. Верхний предел временной дискретизации определяется временем синтезирования:

,

где - время синтезирования РСА;

; .

В общем случае, детализация представления и время дискретизации рекуррентного процесса фильтрации должно быть согласовано со статистическими характеристиками местного рельефа, подлежащего оцениванию.

Особенность синтеза алгоритма оценивания местного рельефа заключается в том, что оцениваемые параметры нелинейно связаны с наблюдением . Для получения алгоритма оценивания местного рельефа, прибегнем к методу локальной гауссовской аппроксимации апостериорной плотности вероятности вектора в окрестности экстраполированной оценки с помощью текущей линеаризации:

.

Подобное разложение определяет гауссовское приближение для апостериорной плотности вероятности. Учитывая представления сигнала, дискретность РЛР и рельефа местности, оценку рельефа можно получить следующим образом:

, (9)

где , ,

,

- вектор дисперсий ошибок фильтрации;

- вектор дисперсий формирующих шумов;

-вектор-функция прогнозированной на момент модели сигнала;

;

- вектор-столбец оценки РЛР земной поверхности.

По существу, выражение (9) описывает вариант квазилинейного фильтра для случая дискретно-непрерывной фильтрации и, поскольку уравнения получены для гауссовского приближения апостериорной плотности вероятности, оценка местного рельефа близка к оптимальной по критерию минимума среднего квадрата ошибки фильтрации.

Для случая одного интервала оценивания (нерекуррентный вариант) , вариант алгоритма (9) можно записать в виде:

.

где - матрица оценки размером (3Ч3) для каждого элемента дискретной модели.

При условии , и , запишем субоптимальный нерекуррентный алгоритм оценивания местного рельефа:

.



Уклон поверхности, как было показано выше, является определяющим параметром, поэтому его также необходимо оценить. Запишем уравнение наблюдения для однопозиционного, односеансного варианта МК:

,

где - вектор-функция наблюдаемых сигналов;

- вектор-функция принимаемых сигналов;

- вектор-функция мешающих шумов;

.

В качестве параметров независимого оценивания определены уклоны в ортогональных направлениях: ,, которые на всём интервале наблюдения неизменны: , .

С использованием метода текущей линеаризации, оценку параметров можно произвести следующим образом:

, (10)

,



;

;

;

;

;

;

- матрица дисперсий формирующих шумов;

.

Запишем субоптимальный нерекуррентный алгоритм оценивания, полученный из (10):

,

.



Частотно-фазовые изменения в структуре отраженного сигнала при наличии уклонов земной поверхности, также можно использовать для их измерения и восстановления местного рельефа в однопозиционных комплексах РСА.

Для измерения отклонений фазового центра элемента разрешения из-за уклона поверхности, парные разночастотные сигналы должны иметь высокую степень корреляции, что накладывает ограничение на допустимое частотное смещение ЭМВ:

,

где - ширина спектра зондирующего сигнала.

В этом случае уравнение наблюдения представим в векторном виде:

,

где - вектор-функция наблюдаемых сигналов при различных несущих частотах;

-вектор-функция сигналов, принимаемых от полосок дальности;

-вектор-функция реализации шума наблюдения;

- вектор-столбец оцениваемых параметров.

Квазилинейным алгоритмом фильтрации запишем следующим образом:



, (11)

; ;

.

Субоптимальный нерекуррентный алгоритм оценивания уклонов из (11) получим в виде:

.

Полученный алгоритм оценивания уклонов поверхности, может быть реализован в варианте искусственного формирования сигналов на смещённых частотах, что значительно упрощает его реализацию и условия применения.

Третий раздел диссертации посвящен синтезу квазиоптимальных (квазилинейных) алгоритмов оценивания сдвигов земной поверхности. Под сдвигами земной поверхности понимается изменение границ, площади и других географических параметров объектов, расположенных на земной поверхности. Эти относительные изменения локальных участков земной поверхности проявляются во времени.

Многопроходное построение комплекса РСА для оценки сдвигов местного рельефа определяет дискретность во времени, поэтому разностное уравнение может быть представлено в виде марковской модели:

,



где - неизвестный сдвиг рельефа земной поверхности, произошедший за интервал времени ; - заданная функция времени; - выборки формирующего БГШ с нулевыми математическим ожиданием и односторонней спектральной плотностью .

Величина интервала времени между измерениями является ключевой характеристикой, влияющей на сопровождение и фиксирование динамики происходящих процессов на земной поверхности. Если процессы имеют сезонный характер, то необходимо использовать интервалы в 2…3 месяца. Когда процессы не периодические, а поступательно развивающиеся, то интервал выбирается с учётом специфики прикладной задачи.

Уравнение наблюдения при многопроходном построении комплекса ( - номер прохода) запишем следующим образом:

где - вектор-функция наблюдаемых сигналов;

- вектор-функция принимаемых сигналов;

- вектор-функция мешающих шумов,

- вектор-столбец оцениваемого сдвига местного рельефа,

.



Предположим, что начальное значение , является нормально распределенной случайной величиной, поэтому последовательность будет также нормально распределенной, плотность вероятности переходов которой:

.

По найденному на предыдущем шаге апостериорному распределению , зная плотность вероятности переходов , и текущее значение наблюдаемого сигнала , можно найти текущую апостериорную плотность вероятности , с помощью которой из условия минимизации текущего значения условного риска определим оценку . Воспользуемся приближёнными методами марковской теории нелинейной фильтрации, чтобы записать квазилинейный алгоритм оценки сдвигов земной поверхности:

, (12)

где , ;

- матрица дисперсий ошибок фильтрации;

;

- матрица дисперсий формирующих шумов;

- вектор прогнозированных оценок;

- вектор - функция прогнозированной модели;

.

При полном совпадении условий наблюдения в двух смежных проходах, можно получить субоптимальный нерекуррентный алгоритм:

.

Полученный алгоритм для каждого элемента дискретной модели местного рельефа формирует не одну, а девять оценок сдвига поверхности, при различных поляризационных состояниях в двух смежных проходах. Эту информацию можно использовать для классификации объекта, по способу отражения ЭМВ (однократное, дипольное, многократное), и степени шероховатости поверхности (мелкомасштабная, средне/крупномасштабная), фрагментировать и выбирать оптимальную поляризацию.

В четвёртом разделе диссертации описан синтез оптимальных (квазиоптимальных) алгоритмов оценивания параметров взволнованной морской поверхности для однопозиционных и многопозиционных комплексов РСА. Рассматривается двухволновая модель морской поверхности: мелкая ветровая волна (рябь) высотой , длиной , частотой , углом бега , начальной фазой :

,

находится на крупной ветровой волне с параметрами , , , , :

.

Учитывая возможность пространственного разрешения, облучаемую морскую поверхность разбиваем на элементы разрешения размером по горизонтальной дальности и в азимутальном направлении. В общем случае сигнал, отраженный от морской поверхности, приходящийся на элемент разрешения (комплексную амплитуду эквивалентного точечного отражателя), можно приближённо рассчитать:

,

где - коэффициент, учитывающий потери при распространении радиоволн;

- коэффициента усиления ДНА в направлении - го родственного участка (имеющего одинаковую дальность и доплеровскую частоту); ,и ; , - расстояния между соседними родственными участками; - текущее расстояние от ФЦА до центра -го родственного участка; , - сдвиги элемента разрешения по соответствующим координатам относительно расчетного положения (без волнения); ,- частные производные гравитационой ветровой волны:

.

Разрешающая способность РСА определена из того условия, что за время синтезирования апертуры антенны значительных изменений в волновых структурах не происходит (разрешающая способность по азимуту 10 … 20 м в широком диапазоне значений гравитационной ветровой волны 10 … 100 м).

Каждый элемент разрешения с учетом родственных, участвующих в формировании отражённого сигнала, можно «разбить» на отдельные участки, размеры которых соответствуют длины мелкой волны , количество которых . Если учитывать только участки мелких волн с положительным относительно РСА уклоном, можно упростить изменение УЭПО. Учитывая, что , , при условии синфазного суммирования и , запишем отражённый сигнал:

, (13)



где

,

, - коэффициенты, зависящие от формы ДН реальной антенны.

Можно определить условие резонанса гравитационно-капилярной и гравитационной ветровой волны:

,

,

,

.

Дополнительная фазовая и амплитудная модуляция сигнала, отражённого от морской поверхности (13) имеет сложную зависимость от проекции высоты ветровой волны на линию наблюдения, от её формы, соотношения её длины с длиной волны излучения и разрешающей способностью РСА, а также от параметров наблюдения и т.д.

На рисунке 1 представлена дополнительная амплитудная и фазовая модуляция, рассчитанной по формуле (13) для трех случаев угла бега волны.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1

Для случая обзора морской поверхности, уравнение наблюдения можно записать следующим образом:

,

где - вектор-функция наблюдаемых сигналов;

- вектор-функция принимаемых сигналов;

- вектор-функция мешающих шумов;

;

;

- коэффициент, определяющий средний уровень отраженного сигнала;

-изменение наклонной дальности до центра элемента изображения морской поверхности;

, - шаг между элементами изображения морской поверхности;

- дополнительное смещение наклонной дальности относительно фазового центра сигнала элемента разрешения взволнованной морской поверхности;

.

Параметры гравитационной ветровой волны в ортогональных направлениях определены в качестве параметров оценивания через векторы: ,.

Считаем, что волновые параметры на интервале синтезирования неизменны во времени:



, .

Воспользуемся приближёнными методами марковской теории оптимального нелинейного оценивания случайных процессов:

, (14)

,

,,

,,

,

,

- матрица дисперсий формирующих шумов,

.

Можем получить из (14) нерекуррентный субоптимальный алгоритм оценивания волновых параметров:



,

.

Уравнение наблюдения для решения задачи частотно-фазового оценивания параметров взволнованной морской поверхности запишем в векторном виде:

,

где - вектор-функция наблюдаемых сигналов при различных несущих частотах зондирующего сигнала ;

- вектор-функция принимаемых сигналов;

- вектор-функция мешающих шумов;

- вектор-столбец оцениваемых волновых параметров;

.

Воспользуемся алгоритмом квазилинейной фильтрации и для вырожденной марковской последовательности:

, (15)

,

,

.

Из (15), в случае наблюдения на различных несущих частотах, можно получить нерекуррентный субоптимальный алгоритм оценки волновых параметров:

,

Многопозиционный приём при наблюдении за морской поверхностью может быть организован как в бистатическом режиме, так и в варианте приёма отраженного сигнала на две (несколько) разнесенные в пространстве антенны, расположенные на одном носителе.

Уравнение наблюдения для задачи синтеза при многопозиционном приёме запишем в векторном виде:

,



где - вектор-функция наблюдаемых сигналов;

- вектор-функция принимаемых сигналов;

- вектор-функция мешающих шумов;

;

- вектор-столбец дискретной модели рельефа ветровой волны.

Описывающее поведение волновой структуры разностное уравнение сообщения имеет вид: , где - период временной дискретизации, - начальное значение. Для получения алгоритма фильтрации (оценивания) рельефа гравитационной волны, воспользуемся приближённым методом нелинейной фильтрации:

, (16)

, ,

,



- матрица дисперсий формирующих шумов,

, ,

.

Выделим нерекуррентным субоптимальным вариант алгоритма оценивания из (16) при боковом обзоре с помощью двухантенного комплекса РСА:

,

где .

Для варианта двухсеансного формирования парных сигналов при ОПБО также запишем нерекуррентный субоптимальный алгоритм:

,

где .

Эти два варианта алгоритмов оценивания при ББО и ОПБО могут быть использованы как автономно, так и в комплексе с другими.

В пятом разделе представлен анализ потенциальной и реальной точности оценивания относительного рельефа местности, сдвигов земной и параметров взволнованной морской поверхностей.

Ошибка оценивания рельефа местности зависит как от отношения сигнал/шум, так и от дальности, пространственного парного смещения, углов наблюдения и длины волны ЭМВ, которые влияют на условия формирования отраженных от земной поверхности сигналов. На рисунке 2 представлены зависимости ошибки оценивания рельефа местности при ББО и ОПБО, для космического (от угла падения) и авиационного (от наклонной дальности) вариантов построения комплекса.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2



За счёт выбора базовых параметров, разрешающей способности и значительного превышения сигнала над мешающими шумами обеспечивается высокая точность оценивания. Для космического варианта построения комплекса РСА характерно повышение ошибки оценивания при малых углах падения, когда возрастает величина разрешающей способности по горизонтальной дальности и снижается корреляция парных сигналов. При больших углах падения также имеется тенденция к снижению точности из-за увеличения дальности. В этом случае существует оптимум по точности в районе . В общем случае потенциальная точность оценки рельефа местности при высоком уровне сигнала имеет величину, соразмерную пространственной разрешающей способности (вариант ОПБО имеет в 1,5..2 раза худшую точность, относительно ББО).

Для авиационного комплекса характерно практически линейное ухудшение точности оценивания местного рельефа с увеличением дальности. Точность соразмерна с пространственной разрешающей способностью до определённой дальности, с последующим пропорциональным снижением.

Точность оценивания может ухудшиться в несколько раз при снижении уровня сигнала относительно мешающих шумов, а при наличии уклонов поверхности до 20…30⁰ , дополнительно следует ухудшение в 1,5…2 раза, особенно при больших углах падения в космическом варианте построения комплекса РСА. Априорная неопределённость среднего уровня или местного рельефа (гористая местность), также может привести к падению точности в 2…3 раза. Все эти факторы снижают реальную точность оценивания рельефа местности. Требуются дополнительные усилия для приближения точности к потенциальной: организация парных наблюдений с различной разрешающей способностью, с различными базовыми параметрами, комлексирование (усреднение, фильтрация) оценок и т.п.

Оценивание сдвигов земной поверхности имеет ряд специфических особенностей и, хотя потенциальная точность сдвигов земной поверхности может достигать десятых долей длины волны излучения, для её достижения необходимо совмещать изображения до сотых долей размера элемента разрешения и фрагментировать поверхность по степени декорреляции из-за изменения структуры поверхности.

Точность оценивания параметров гравитационной ветровой волны во многом определяется пространственным состоянием самой взволнованной морской поверхности. Для однопозиционного комплекса, при определённых условиях потенциальная точность волновых параметров в ортогональных направлениях может достигать , что обеспечит измерение среднего угла бега волны с точностью в единицы градусов.

При многопозиционном наблюдении за взволнованной морской поверхностью, кроме «ракурсных» искажений парных сигналов, присутствуют искажения на волновой структуре, которые вносят дополнительные изменения в отражённый сигнал. Допустимый уровень этих искажений определяет величину базовых параметров, разрешающую способность и точность оценивания рельефа ветровой волны. Потенциальная точность оценки рельефа волны с учётом энергетической, пространственной и поляризационной фрагментации и комплексирования измерений, при определенных условиях может достигать единиц метров.

В шестом разделе анализируются вычислительные затраты, необходимые для реализации алгоритмов оценки рельефа местности (как наиболее сложных и затратных), и предлагаются пути их снижения, заключающиеся в разработке субоптимальных алгоритмов, способных при существенно меньшей трудоемкости обеспечить требуемую точность измерения параметров.

Предлагаемая система оценки рельефа местности представляет собой комбинацию многомерного когерентного фазового измерителя рельефа местности, реализуемого на основе двух (активной и пассивной) РСА, комплексной обработки навигационной информации от автономных датчиков собственного движения носителей, совместной пространственной и временной синхронизацией и приведением к единому масштабу многомерного дискретного представления участка земной поверхности. Для нормального функционирования бистатической РСА требуются обеспечить функционирование обеих разнесенных составных частей как единого устройства, т.е. обеспечить три вида синхронизации:

- передающая и приемная ДНА должны быть направлены на один участок земной поверхности (пространственная синхронизация);

- на приемной позиции должны быть точно известны моменты времени излучения зондирующих сигналов на всем интервале накопления принимаемых отраженных сигналов (временная синхронизация);

- относительный уход частоты (фазы) колебаний задающих гетеродинов приемной и передающей позиций не должен превышать допустимого значения (фазовая синхронизация).

Структура и алгоритмы функционирования система оценки рельефа местности при ОПБО подобны ББО, с тем условием, что нет необходимости синхронизировать работу двух бортов и, что оба комплексных изображения в двух сеансах картографирования будут формироваться методом гармонического анализа с применением БПФ.

Система оценивания состояния взволнованной морской поверхности представляет собой комбинацию многочастотного фазового измерителя на основе РСА с высокой разрешающей способностью и системы комплексной обработки навигационной информации от автономных датчиков собственного движения носителя. Количество каналов дальности и количество фильтров может значительно превышать количество элементов разрешения, для того чтобы обеспечить высокую корреляцию «соседних» выборок (шаг между выборками меньше элемента разрешения).

Приведено описание методов, способных обеспечить комплекс РСА априорными данными, как относительно местного рельефа (стереометры и углмоместные интерферометрические методы измерения средней высоты), так и параметров взволнованной морской поверхности (скаттерометры), а также методы повышения точности навигационного обеспечения.

Седьмой раздел работы посвящен реализации алгоритмов оценки рельефа местности, уклонов и сдвигов земной, параметров состояния морской поверхностей в универсальных программных пакетах, предназначенных для моделирования, обработки и анализа реальных сигналов РСА авиационного и космического базирования.

...