Применение малого космического аппарата "Аист-2д" для экспериментов по бистатической интерферометрии в p-диапазоне

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В настоящее время радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА) являются эффективным инструментом дистанционного зондирования Земли из космоса. Одним из преимуществ использования радиолокационных систем, по сравнению с оптическими, является возможность использования интерферометрического метода для непосредственного получения цифровых моделей рельефа.

При реализации интерферометрической съемки различают однопроходные (интерферометрическая база создается за один пролет РСА с двумя антеннами) и многопроходные (интерферометрическая база создается за два и более пролета РСА с одной антенной), однопозиционные и многопозиционные радиолокационные системы.

Частным случаем многопозиционной системы является бистатическая конфигурация, когда передатчик и приемник разнесены в пространстве. Такая конфигурация позволяет существенно снизить массу и энергопотребление радиолокационного комплекса размещенного на борту малого космического аппарата.

Данная схема построения бистатического радиолокационного комплекса с РСА (БиРЛК) Р-диапазона реализована на российском малом космическом аппарате "Аист-2Д", выведенном на орбиту 28 апреля 2016 года [1].

Бортовая аппаратура БиРЛК представляет собой многорежимный импульсный передатчик, обеспечивающий широкую гамму стабильных сигналов на несущей частоте 435 МГц, в полосе до 6 (30) МГц с возможность перестройки от 1 до 30 МГц. Типы используемых зондирующих сигналов: последовательность прямоугольных импульсов, последовательность ЛЧМ-импульсов, последовательность фазоманипулированных сигналов, кодируемых М-последовательностью [1,2].

Бортовая передающая антенна представляет собой антенну Уда-Яги, поляризация - линейная, коэффициент усиления 5 дБ.

Наземная приемная антенна «отраженного» канала представляет собой «стек» из двух антенн Уда-Яги, поляризация антенны - круговая, коэффициент усиления антенны отраженного канала 18-20 дБ, прямого - 9 дБ. При данных параметрах системы на расстоянии до 20 км в прямой видимости от приемной позиции обеспечивается чувствительность БиРСА () не хуже минус 20 дБ.

Наземная стационарная аппаратура представляет собой двухканальный малошумящий приемник прямого усиления (до 110 дБ) с цифровой регистрацией 16-разрядных квадратурных компонент на частоте до 200 МГц и последующей цифровой обработкой сигналов.

Импульсные сигналы бортового передатчика принимаются наземной аппаратурой (стационарного или мобильного исполнения) по двум каналам: «прямому» и «отраженному». Такая схема приема позволяет компенсировать фазовые искажения сигнала в ионосфере и обеспечивать когерентную обработку сигнала в РСА и получение пространственного разрешения до 5 м (при использовании полосы 30 МГц), в радиусе до 20 км.

В отличие от работ [3,4], где проведен анализ влияния ионосферы для моностатической интерферометрической схемы съемки, в данной статье представлено исследование точности определения высоты местности двухпроходным бистатическим интерферометром P-диапазона частот с наземной приемной частью. На рисунке 1 схематично показана геометрия проведения эксперимента при двухпроходной интерферометрической съёмке. Малый космический аппарат, на борту которого находится радиолокационный БиРЛК, последовательно занимает положения МКА1 и МКА2, разнесенные в пространстве на базу .

На рисунке , - комплексный опорный (прямой) сигнал от КА, , - комплексный принятый (отраженный) сигнал от области интереса, - база между двумя положениями (или пролетами МКА), - угол наклона базы, - угол визирования, - высота орбиты первого и второго МКА, - удаление от области интереса, - искомая высота рельефа местности.

Рис. 1. Схематичное изображение геометрии двухпроходной бистатической интерферометрической съемки

При анализе погрешности интерферометрической РСА можно рассматривать отражение от стабильных отражателей с заданной ЭПР (точечная цель). В этом случае погрешность восстановления высоты цели определяется геометрией наблюдения, аддитивным шумом и влиянием атмосферы. При анализе погрешности интерферометрической РСА при отражении от поверхностно-распределенных целей (протяженная цель), необходимо дополнительно учитывать погрешность, обусловленную пространственной декорреляцией отраженных сигналов в элементе разрешения.

На рисунке 2 представлен внешний вид МКА «АИСТ-2Д» и приемных наземных антенн прямого и отраженного канала из состава наземного пункта приема БиРЛК МКА «АИСТ-2Д», размещенного в здании ПГУТИ (г. Самара).

Рис. 2. Внешний вид МКА «АИСТ-2Д» с антенной БиРЛК (а), внешний вид наземных приемных антенн БиРЛК МКА «АИСТ-2Д» (б)

Пусть - последовательность зондирующих импульсов, излучаемая передатчиком РСА. Тогда сигнал, излученный 1-м МКА, отраженный от цели с координатами и принятый по прямой траектории

, ,

где и - регулярная и случайная задержки сигнала на трассе МКА1-цель-ПП, и - регулярная и случайная задержки сигнала на трассе МКА1-ПП, - комплексный коэффициент отражения.

Сигнал точечной цели с координатами на 1-м РЛИ имеет вид

,

где - аддитивный комплексный гауссовский шум для первого РЛИ, - коэффициент отражения, интегрирование производится на интервале синтеза апертуры .

Интерферометрическая разность фаз в точке может быть найдена как аргумент от произведения интерферометрической пары изображений, в виде

Для оценки погрешности определения высоты было определено вероятностное распределение интерферометрической фазы по . В качестве исходных данных для расчета использованы характеристики бистатического радиолокационного комплекса P-диапазона, установленного на МКА «Аист-2Д», таблица 1.

радиолокационный апертура интерферометрический цифровой

Таблица 1. Характеристики радиолокационного комплекса

Полученные данные численных расчетов иллюстрирует рисунок 3, на котором показана зависимость дисперсии интерферометрической фазы и ошибки определения высоты от размера интерферометрической базы, для точечной цели и протяженной цели.

На графиках вертикальным пунктиром показан предел однозначной оценки интерферометрической фазы в одном пикселе радиолокационного изображения.

Рис. 3. Зависимости дисперсии фазы (a) и ошибки определения высоты (б) от размера интерферометрической базы, для точечной цели (пунктирная линия) и протяженной цели (сплошная линия), концентрация электронов , масштаб неоднородностей ионосферы 1000 м

Таким образом, бистатическая схема построения интерферометрической РСА в P-диапазоне частот, использующая наземный пункт приема, может обеспечить приемлемую точность восстановления высоты точечных целей (до 4 м) и протяженных целей (до 9 м).

Литература

1. Кирилин А.Н., Ахметов Р.Н., Шахматов Е.В., Ткаченко С.И., Бакланов А.И., Салмин В.В., Семкин Н.Д., Ткаченко И.С., Горячкин О.В. Опытно-технологический малый космический аппарат «АИСТ-2Д». - Самара: Изд-во СамНЦ РАН, 2017. - 324 с.

2. Горячкин О.В., Женгуров Б.Г., Бакеев В.Б., Барабошин А.Ю., Невский А.В., Скоробогатов Е.Г. Бистатический радиолокатор с синтезированной апертурой P-диапазона для МКА «АИСТ-2» // Электросвязь. 2015. № 8. С. 34-39.

3. Zhu X., Zhang Q., Zhang Y., Dong Z. Analysis of background ionospheric effects on low frequency repeat-pass InSAR system // Radar Conference 2015.

4. Chen A., Zebker H. Reducing Ionospheric Effects in InSAR Data Using Accurate Coregistration // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing V. 52, 2014, Р.50 - 60.

Размещено на Allbest.ru