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

Технология внедрения нового программного обеспечения в вычислительную систему РЛ комплекса имеет несколько этапов:

- выбор конкретных алгоритмов, позволяющих решать поставленную задачу, и проверка их функционирования в заданных условиях;

- разработка технического задания на программирование выбранных алгоритмов обработки сигналов и управления комплексом;

- написание программ для сигнальных процессоров и управляющих ЭВМ и их отладка на эмуляторе вычислительной системы;

- отладка программного обеспечения в наземных условиях на стенде математического моделирования (СММ) и стенде главного конструктора (СГК);

- регистрация РГЛГ в реальном полёте с последующей отладкой программного обеспечения в наземных условиях;

- доводка программ в ходе летно-конструкторских испытаний (ЛКИ) и подтверждение заявленных характеристик.

Для оптимизации процесса внедрения новых режимов работы РЛК и снижения материальных и временных затрат на их отладку, используют имитационное моделирование, представляющее программные пакеты моделирования. Прежде всего, с помощью этих пакетов программ моделируются траекторные многомерные сигналы (радиоголограммы) различного уровня сложности, в различных тактических ситуациях для рассматриваемых вариантов построения многомерного комплекса РСА:

Модель из одного точечного отражателя на абсолютно поглощающем фоне с учётом местного рельефа или состояния взволнованной морской поверхности;

Модели из одного или нескольких отражателей, расположенных на местности с равномерным фоном отражений с учётом местного рельефа или состояния взволнованной морской поверхности;

Модели поверхности с неравномерным фоном отражений, с учётом местного рельефа или состояния взволнованной морской поверхности.

Уже сейчас, имитационное моделирование дало важные для понимания интерферометрического оценивания местного рельефа, результаты:

- влияние наземных объектов с различным отклонением по высоте и разным уровнем отражённого сигнала друг на друга, могут существенно исказить интерферометрические измерения,

- для решения задачи интерферометрического оценивания местного рельефа, из рассмотрения необходимо исключать искусственные объекты и пограничные области между протяжёнными объектами с различным отклонением по высоте,

- для повышения точности измерения местного рельефа, необходимо обеспечить низкий уровень боковых лепестков по азимуту и по дальности,

- при интерферометрическом оценивании рельефа протяжённых объектов необходимо учитывать наличие фазового шума;

- при ОПБО присутствует «краевой» эффект в азимутальном направлении, а при ББО по дальности, влияние которого необходимо учитывать.

Также, по результатам имитационного моделирования, было оценено влияние когерентного шума и шума наблюдения на точность оценивания сдвигов земной поверхности, которая составила , при отношении и высокой степени корреляции парных сигналов (без относительного пространственного смещения в разных проходах, без относительных смещений внутри элемента разрешения).

Наиболее полная проверка и отладка возможна по сигналам, записанным в схожих условиях на борту реального носителя (носителей). В период с 1999 г. группой в составе Е.Ф. Толстова, А.М. Яковлева, О.А. Карпова, М.П. Титова, О.Е. Цветкова, А.В. Ефимова при активном участии автора были разработаны и применялись на практике аппаратные и программные средства регистрации радиоголограмм для авиационных носителей. Другим источником радиоголограмм была обширная база реальных сигналов, записанных в период с 1990 по 1992 г. космической РСА «Меч - КУ» КА «Алмаз-1».

Целью экспериментов являлось визуальное и инструментальное сравнение трёхмерных изображений, сформированных с помощью алгоритмов оценки местного рельефа, и имеющимися данными об объекте, полученными из других источников.

На первом этапе обработке подвергались фрагменты радиоголограмм, записанных в ходе одного из испытательных полетов на авиационном носителе с помощью бортового регистратора РЛСУ «БАРС». На рисунке 3 представлен один и тот же участок района горы Багдо (Астраханская область, вблизи озера Баскунчак): фрагмент оптической спутниковой съёмки, три трёхмерных изображения местного рельефа и радиолокационное изображение, полученные методом ОПБО.

Рисунок 3

При проведении эксперимента, луч реальной ДНА и зона приема по дальности стабилизировалась на определенном участке поверхности по дальности и азимуту, так что сеансов наблюдения было от 4 до 6 для каждой радиоголограммы. Съемка велась в телескопическом режиме на дальности 60 км (начальная наклонная дальность), при высоте полета самолета ~5 км, скорости носителя 150 м/с и разрешающей способности ~10 м. Смещение между сеансами наблюдения было выбрано в четверть интервала синтезирования. Луч ДНА был смещен вперед на 40⁰ относительно линии пути. Эффективное пространственное смещение между сеансами наблюдения . Можно сказать, что трижды измерения повторились без существенных отклонений. Незначительные искажения проявляются на мелких деталях при малом отношение сигнал/шум и изменении ракурса.

На рисунке 4 представлен фрагмент оптической спутниковой съёмки района Волжской ГЭС, радиолокационное изображение и два трёхмерных изображения местного рельефа. Картографирование производилось при телескопическом обзоре на дальности 40 км, высоте полета самолета 8 км, скорости носителя 200 м/с и разрешающей способности ~10 м. Луч ДНА был смещен вперед на 30⁰ относительно линии пути, что обеспечивало эффективное пространственное смещение между сеансами наблюдения .

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/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4

При детальном анализе двух изображений рельефа местности, можно выделить некоторые отличия, особенно проявляющиеся на краях пространственно протяжённых объектов, имеющих сложный рельеф, но в основном измерения устойчиво подтверждаются, как при последовательном сравнении, так при сравнении с данными других источников и наблюдениями автора.

Для проверки работоспособности измерителя уклонов поверхности, использовались радиоголограммы РСА «Меч - КУ» КА «Алмаз-1», разрешающая способность которого 10…15 м, при . На рисунке 5 представлены радиолокационное изображение вулканического острова, полученное в результате обработки радиоголограммы методом «быстрой свёртки» и трёхмерное изображение карты уклонов, в соответствии с алгоритмом частотно-фазового оценивания.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5

Очевидно, что вулканический остров имеет значительные перепады высот. Это правдоподобно отражается на трёхмерной карте уклонов.

Проверка работоспособности алгоритмам оценивания параметров взволнованной морской поверхности также проводилась по реальным сигналам РСА «Меч - КУ» КА «Алмаз-1». На рисунке 6 представлено РЛИ и две карты ортогональных волновых параметров, полученных в соответствии с алгоритмами пространственно-фазового оценивания район пролива, где смешиваются воды разной гидродинамической природы.

Для этого фрагмента характерно то, что можно выделить пространственные зоны со сменой направления движения, и даже смежные зоны, где направление движения значительно изменяется. Две матрицы ортогональных волновых параметров, полученные с помощью алгоритмов оценивания, имеют размер, совпадающий с размером радиолокационного изображения, даёт информацию о направлении и динамике движения на поверхности морских вод.

Рисунок 6

Проверка алгоритмов по реальным сигналам подтвердила работоспособность полученных алгоритмов оценивания при различных условиях отражения зондирующего сигнала от разного типа поверхностей.

Заключение и выводы по работе

Для достижения поставленной цели в работе на основе анализа требований к перспективным и существующим (модернизированным) многомерным комплексам РСА, предназначенным для дистанционного зондирования поверхности Земли, формирования детальных трехмерных изображений, наблюдения за динамичными процессами и оценки параметров их состояния, определены методы, предложения по структуре, тактико-технические характеристики и пути их достижения.

Проведенные исследования позволили разработать рекомендации по структуре, алгоритмам функционирования и параметрам системы совместной обработки многомерных сигналов перспективных и модернизации существующих РЛК авиационного и космического базирования. Предложены структурные схемы системы обработки и обоснованы предложения по её структуре в составе PЛК. Предложения частично реализованы в перспективных БРЛС самолетов - Су-30МКИ, МиГ-29 и в космическом комплексе «Метеор-3М» с РСА «ЭЛСАР».

Основные результаты и выводы диссертационной работы.

Анализ объектов дистанционного зондирования Земли и условий получения информации о них, показал, что одним из основных источников оперативной информации геоинформационных систем являются радиолокационные многомерные комплексы, способные получать высокодетальные цифровые карты местности и проводить мониторинг земной и морской поверхности.

Математические модели многомерного РЛ комплекса должны учитывать не только траекторию движения, вероятностный характер полезного сообщения и помехи (шумов), но и факторы топографического и навигационного характера, учёт которых влияет на качество оценивания рельефа местности, уклонов и сдвигов земной, параметров волнения морской поверхности.

Особенность синтеза оптимальных алгоритмов фильтрации (оценивания) рельефа местности, уклонов и сдвигов земной, параметров состояния взволнованной морской поверхностей в многомерных комплексах РСА с использованием математического аппарата статистического оценивания и марковской теории фильтрации заключается в том, что оцениваемый параметр нелинейно связан с наблюдением, и не удается записать аналитического выражения для оптимальной оценки.

Квазилинейные алгоритмы оценивания местного рельефа, уклонов и сдвигов земной, параметров состояния морской поверхностей решают задачи квазиоптимального оценивания с рекурентным уточнением и детализацией.

Чтобы обеспечить реальную точность оценивания рельефа местности, близкую к потенциальной (единицы метров), при дискретном формировании парных сигналов проблему пространственного совмещения можно решить, обеспечив избыточность выборки, с тем условием, чтобы за счёт интерполяции сопрягать по поверхности дискретные выборки парных сигналов.

Реальная точность оценивания сдвигов земной поверхности определяется неравномерностью сдвига, движением на поверхности, неточностью совмещения парных сигналов, поэтому необходимо использовать поляризационную и пространственно-корреляционную информацию для комплексирования и выделения участков, где точность оценивания может быть близка к потенциальной.

При многопозиционном наблюдении за взволнованной морской поверхностью, присутствуют искажения на волновой структуре, которые вносят дополнительные изменения в отражённый сигнал. Уровень этих искажений определяет точность оценивания рельефа ветровой волны, которая, с учётом энергетической, пространственной и поляризационной фрагментации и комплексирования измерений, при определенных условиях может достигать единиц метров.

Сформулированные требования к цифровым системам обработки сигналов многомерного комплекса РСА для синтезированных алгоритмов оценивания рельефа местности привели к выводу о необходимости разработки субоптимальных алгоритмов, обладающих приемлемыми качественными характеристиками при меньших вычислительных затратах.

Реализованные в программных пакетах алгоритмы оценивания, предназначены для разработки программно-алгоритмического обеспечения цифровых систем обработки, а также для моделирования и обработки реальных сигналов РСА.

Проверка алгоритмов по реальным сигналам подтвердила работоспособность полученных алгоритмов оценивания при различных условиях отражения зондирующего сигнала от разного типа поверхностей.

Список публикаций автора, в которых изложено основное содержание диссертационной работы

1. Бабокин М.И. Алгоритмы оценки относительного рельефа местности в многопозиционных комплексах РСА. - М: Радиотехника, № 7, 2009.

2. Бабокин М.И. Оценка состояния взволнованной морской поверхности с помощью РСА. - М: Радиотехника, № 11, 2009.

3. Бабокин М.И. Точность измерения относительного рельефа земной поверхности в многопозиционных комплексах РСА // Информационно-измерительные и управляющие системы, № 10, 2009.

4. Бабокин М.И. Измерение сдвигов земной поверхности в комплексах дистанционного зондирования Земли // Информационно-измерительные и управляющие системы, № 8, 2010.

5. Бабокин М.И. Измерение относительного рельефа местности в многопозиционном комплексе РСА со сверхширокополосными зондирующими сигналами: Сборник трудов «Передача, обработка и отображение информации в быстропротекающих процессах». - М: Изд-во РАРАН, 2009.

6. Бабокин М.И. Алгоритмы оценки уклонов земной поверхности в РЛС с синтезированием апертуры антенны // Вопросы радиоэлектроники, серия РЛТ, № 7, 2010.

7. Бабокин М.И. Стереометрическое измерение относительного рельефа местности в многопозиционных комплексах РСА космического базирования // Вопросы радиоэлектроники, серия РЛТ, № 7, 2010.

8. Бабокин М.И. Оценка топографического рельефа местности в РСА при переднебоковом обзоре: Цифровая обработка сигналов в РСА /Под ред. Е. Ф. Толстова. - Смоленск, Изд-во ВА ВПВО ВС РФ, 2005.

9. Бабокин М.И. Интерферометрические измерения топографического рельефа местности при переднебоковом обзоре: Труды ХХЙЙ Всероссийского симпозиума «Радиолокационное исследование природных сред». - Санкт-Петербург, 2005.

10. Бабокин М.И. Алгоритмы цифровой обработки сигналов в РЛС с синтезированной апертурой антенны на больших интервалах синтезирования.; Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Сссссссс. - М.: ЦНИИРЭС, 1991.

11. Бабокин М. И. Алгоритмы оценки относительного рельефа местности в многопозиционных комплексах РСА космического базирования; Тезисы доклада ХХV Всероссийского симпозиума «Радиолокационное исследование природных сред». - Санкт-Петербург, 2009.

12. Бабокин М. И. Оценка состояния взволнованной морской поверхности с помощью многопозиционной РСА космического базирования: Тезисы доклада ХХV Всероссийского симпозиума «Радиолокационное исследование природных сред». - Санкт-Петербург, 2009.

13. Бабокин М.И., Бекирбаев Т.О., Карпов О.А. Экспериментальные исследования селектора наземных движущихся объектов в моноимпульсных РСА: Цифровая обработка сигналов в РСА / Под ред. Е.Ф. Толстова. - Смоленск, Изд-во ВА ВПВО ВС РФ, 2005.

14. Бабокин М.И., Бекирбаев Т.О., Печенников А.В., Сидельников В.В. Оценка азимутальной пеленгационной характеристики моноимпульсной РСА на основе результатов моделирования. Научно-методические материалы. - М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1985.

15. Бабокин М.И., Волков С.И., Печенников А.В. Ограничения максимальной дальности картографирования в РСА. Научно-методические материалы. - М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1985.

16. Бабокин М.И., Ефимов А.В., Титов М.П., Цветков О.Е. Интерферометрическая обработка радиолокационных сигналов: Труды ХХЙV Всероссийского симпозиума «Радиолокационное исследование природных сред». - Санкт-Петербург, 2007.

17. Бабокин М.И., Карпов О.А. Алгоритм автофокусировки РСА по оценке приращения фазы траекторного сигнала. Научно-методические материалы. - М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1995.

18. Бабокин М.И., Карпов О.А. Обнаружение сигнала подстилающей поверхности в РЛС с учетом его флуктуаций на интервале синтезирования // Вопросы радиоэлектроники, серия РЛТ, № 1, 2008.

19. Бабокин М.И., Карпов О.А., Леонов Ю.И. Учет регулярного движения элементов местности и объектов в моделях сигнала для РСА с ФАР: Цифровая обработка сигналов в РСА / Под ред. Е.Ф. Толстова. Смоленск, Изд-во ВА ВПВО ВС РФ, 2005.

20. Бабокин М.И., Карпов О.А., Толстов Е.Ф. Адаптивная обработка сигналов при синтезировании апертуры антенны в многофункциональных РЛС. - М: Радиотехника, № 8, 2000.

21. Бабокин М.И., Карпов О.А., Толстов Е.Ф., Четверик В.Н. Идентификация движущихся поверхностей в космических РСА: Труды ХХЙЙЙ Всероссийского симпозиума «Радиолокационное исследование природных сред». - Санкт-Петербург, 2006.

22. Бабокин М.И., Четверик В.Н. Алгоритмы сжатия радиоголограмм и радиолокационных изображений в РСА: Труды ХХЙЙ Всероссийского симпозиума «Радиолокационное исследование природных сред». - Санкт-Петербург, 2005.

23. Карпов О.А., Бабокин М.И., Толстов Е.Ф., Четверик В.Н. Идентификация движущихся объектов в РСА по признаку миграции сигналов по дальности: Труды ХХЙЙЙ Всероссийского симпозиума «Радиолокационное исследование природных сред». - Санкт-Петербург, 2006.

24. Толстов Е.Ф., Бабокин М.И., Карпов О.А. Ограничения при аппроксимации траектории носителя РСА. Научно-методические материалы под ред. В.Т. Горяинова. - М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1986.

25. Толстов Е.Ф., Бабокин М.И., Карпов О.А. Адаптивные алгоритмы обработки сигналов РСА: Тезисы доклада на 2-ой Всесоюзной научно-технической конференции. - г. Свердловск, 1989 г.

26. Толстов Е.Ф., Бабокин М.И., Корнеев А.В. Исследование и математическая модель УРЛМ с АФАР в режиме "воздух-поверх-ность" при маневре носителя. Концерн "Ленинец"- г. Санкт-Петербург, № 0493/188913, 1993 г.

27. Толстов Е.Ф., Бабокин М.И., Криштопов А.В., Сазонов В.В. Вариант построения бортовой интегрированной радиоинформационной системы: Тезисы доклада ХХV Всероссийского симпозиума «Радиолокационное исследование природных сред». - Санкт-Петербург, 2009.

28. Печенников А.В., Короллв В.В., Антипов В.Н., Бекирбаев Т.О., Бабокин М.И., Кондратенков Г.С. Авторское свидетельство № 288440, заригестрировано 1 февраля 1989 г.

29. Обоснование и разработка требований, предъявляемых к аппаратуре наблюдения, наземному комплексу обработки. Отчет по НИР шифр "Открытое небо", ВВИА, 1992 г.

30. Разработка методики цифронатурных испытаний РЛК в режиме картографирования. Отчет по НИР шифр ”Экперт-Наука”, ВВИА, 1995 г.

31. Программно-алгоритмическое обеспечение функционирования радиолокационного комплекса КК РЛН ДН. Эскизный проект шифр «ПАО», НПО им. С.А. Лавочкина, 2001 г.

32. Возможности сжатия радиоголограмм и радиолокационных изображений в РЛК «Спинар». Технический отчёт №4/2003, ГУП НПЦ «Элсов», 2003 г.

33. Оценка возможности односеансовой интерферометрии с использованием БРЛК «Спинар-1СМ». Технический отчёт № 5/2003, ГУП НПЦ «Элсов», 2003 г.

34. Облик системы землеобзора РЛК пятого поколения. Отчет по НИР шифр «Копирка», ГП НИИП им. Тихомирова, г. Жуковский, 2001 г.

35. Радиолокационный комплекс основе радиолокатора с синтезированной апертурой для космической системы «Смотр». Пояснительная записка ЯБКР1.000.007 ПЗ, ГУП НПЦ «Элсов», 2006 г.

36. Оценка возможности решения задач измерения параметров волн поверхности океана с помощью РЛК «Элсар». Технический отчёт ЭРН-285-07, ГУП НПЦ «Элсов», 2007 г.

37. Экспериментальная отработка ПАО РЛК «Элсар» по реальным радиоголограммам, полученным с помощью самолётных и космических РСА. Технический отчёт ЭРН-281-07, ГУП НПЦ «Элсов», 2007 г.

38. Режимы определения состояния морской поверхности. Технический отчёт ЭРН-345-08, ГУП НПЦ «Элсов», 2008 г.

39. Режимы оценки сдвига элементов рельефа местности. Технический отчёт ЭРН-346-08, ГУП НПЦ «Элсов», 2008 г.

40. Режимы измерения относительного рельефа местности. Технический отчёт ЭРН-347-08, ГУП НПЦ «Элсов», 2008 г.

41. Технические материалы по сжатию РЛИ и радиоголограмм с предложениями по аппаратурной реализации сжатия. Технический отчёт №8/2009, ГУП НПЦ «Элсов», 2009 г.

42. Организация режимов оценки рельефа местности в РЛК космических аппаратов «АРКОН-2М». Пояснительная записка эскизного проекта, ВНИИЭИ им. А.Г. Иосифьяна, 2010 г.

Размещено на Allbest.ru