Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ возможностей и математические модели перспективных комплексов ДЗЗ 20
1.1 Основные требования к информационным и техническим характеристикам перспективных комплексов ДЗЗ 20
1.1.1 Характеристики основных объектов ДЗЗ 20
1.1.2 Анализ возможностей и основные требования к РСА как источнику информации ДЗЗ 34
1.2 Структура математической модели перспективного комплекса ДЗЗ 40
1.2.1 Обработка данных ДЗЗ в геоинформационной системе 40
1.2.2 Модель РСА как информационной составляющей комплекса ДЗЗ 43
1.3 Модели отражения радиоволн от земной и водной поверхности 45
1.3.1 Модель отражения радиоволн от земной поверхности 45
1.3.2 Модель движения носителя РСА космического базирования 49
1.3.3 Модель относительного движения многопозиционного комплекса РСА космического базирования 58
1.3.4 Относительные изменения отраженных от поверхности сигналов
ивыбор параметров многопозиционного комплекса 63
1.3.5 Относительные изменения отраженных от поверхности сигналов МК
при влиянии местного рельефа 71
1.3.6 Коррекция модели отражённого сигнала при наличии уклона поверхности 75
1.3.7 Модель сигнала РСА при сверхширокополосном зондирующем сигнале 82'
1.3.8 Модель отраженияфадиоволн от морской поверхности 91
2 Синтез квазиоптимальных алгоритмов оценивания местного рельефа земной поверхности 100
2.1 Общая постановка задачи синтеза и основные подходы к ее решению. 100
2.1.1 Формулировка задачи синтеза алгоритмов оценивания 100
2.1.2 Синтез алгоритмов с помощью общей теории статистических решений 103
2.1.3 Теория оценивания случайных процессов 107
2.2 Синтез квазиоптимальных алгоритмов фильтрации (оценивания) местного рельефа земной поверхности при многопозиционном построении РЛК ПО
2.3 Синтез квазиоптимальных алгоритмов фильтрации (оценивания) местного рельефа земной поверхности при однопозиционном построении РЛК 125
2.3.1 Синтез алгоритмов пространственно-фазовой фильтрации уклонов земной поверхности 125
2.3.2 Синтез алгоритмов частотно - фазовой фильтрации уклонов земной поверхности 130
3 Синтез квазиоптимальных алгоритмов оценивания сдвигов земной поверхности 136
3.1 Постановка задачи оценивания сдвигов земной поверхности 136
3.2 Модель изменений рельефа земной поверхности 137
3.3 Синтез квазиоптимальных алгоритмов фильтрации (оценивания) сдвигов рельефа земной поверхности при многопроходном построении РЛК ... 139
4 Синтез квазиоптимальных алгоритмов оценивания параметров взволнованной морской поверхности 146
4.1 Синтез квазиоптимальных алгоритмов фильтрации (оценивания) параметров взволнованной морской поверхности. 146
4.1.1 Синтез квазиоптимальных алгоритмов пространственно-фазовой фильтрации (оценивания) параметров взволнованной морской поверхности 146
4.1.2 Синтез квазиоптимальных алгоритмов частотно-фазовой фильтрации (оценивания) параметров взволнованной морской поверхности 159
4.2 Синтез квазиоптимальных алгоритмов фильтрации (оценивания) рельефа взволнованной морской поверхности при многопозиционном приёме. 162
5 Исследование алгоритмов интерферометрического оценивания 170
5.1 Точность оценивания относительного рельефа земной поверхности 170
5.1.1 Потенциальная точность оценивания относительного рельефа местности 170
5.1.2 Влияние априорной неопределенности рельефа земной поверхности 178
5.1.3 Геометрические искажения при дискретном формировании парных сигналов 183
5.1.4 Искажение интерферометрических измерений при движении на поверхности 188
5.2 Точность оценивания сдвигов земной поверхности 189
5.2.1 Потенциальная точность оценивания сдвигов земной поверхности 189
5.2.2 Реальная точность оценивания сдвигов земной поверхности 190
5.3 Точность оценивания параметров морской поверхности 192
5.3.1 Потенциальная точность оценивания параметров ветровой гравитационной волны 192
5.3.2 Потенциальная точность оценивания взволнованной морской поверхности при многопозиционном приёме 194
6 Практическая реализуемость алгоритмов интерферометрической обработки сигналов 201
6.1 Требования к цифровым системам обработки сигналов РСА при реализации алгоритмов и пути их снижения 201
6.2 Предложения по структуре, алгоритмам функционирования и параметрам системы интеферометрического оценивания рельефа местности 203
6.3 Предложения по структуре, алгоритмам функционирования и параметрам системы оценивания состояния взволнованной морской поверхности 209
6.4 Использование эмпирических оценок для определения характеристик и параметров априорных статистических распределений 211
6.5 Использование моноимпульсной информации для определения дальности до земной поверхности 213
6.6 Использование стереометрических измерений в качестве априорных данных интерферометрических измерений местного рельефа 227
6.7 Амплитудные измерители параметров состояния взволнованной морской поверхности 235
6.7.1 Измерители обратного рассеяния (скаттерометры) 235
6.7.2 Влияние различных типов волн на рассеяние ЭМВ морской поверхностью 239
6.8 Повышение точности измерения параметров земной (морской) поверхности за счёт коррекции навигационных данных с помощью PC А 249
7 Реализация алгоритмов интерферометрической обработки и проверка их работоспособности 268
7.1 Основные принципы работы программных пакетов имитационного моделирования 268
7.2 Математическое моделирование и интерферометрическая обработка
сигналов 272
7.2.1 Имитационное моделирование функции радиолокационного рассеяния 272
7.2.2 Интерферометрическая обработка радиоголограмм имитационного моделирования 274
7.3 Проверка алгоритмов оценивания по реальным сигналам 291
7.3.1 Оценивание местного рельефа с помощью алгоритмов интерферометрической обработки 291
7.3.2 Оценивание волновых параметров по реальным сигналам с помощью алгоритмов интерферометрической обработки 304
Заключение 311
Литература 315
Приложение
- Обработка данных ДЗЗ в геоинформационной системе
- Синтез алгоритмов с помощью общей теории статистических решений
- Синтез квазиоптимальных алгоритмов пространственно-фазовой фильтрации (оценивания) параметров взволнованной морской поверхности
- Геометрические искажения при дискретном формировании парных сигналов
Введение к работе
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 зондирования Земли 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 зондирования Земли решение следующих важнейших народохозяйственных задач: высокоточную оценку рельефа местности, 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.
Исходя их этого, одной из важнейших задач на современном этапе развития средств зондирования Земли, 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 научно-обоснованные в данной работе технические решения 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, 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 были созданы первые РЛС с синтезированием апертуры антенны 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. 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. 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 сочетании с возможностями современных цифровых процессоров позволили добиться впечатляющих результатов. Есть все основания предположить, что их использование позволит перейти на новый качественный уровень и вплотную приблизиться к достижению потенциальных возможностей и характеристик.
На сегодняшний день ситуацию, которая сложилась в теории и практике создания можно охарактеризовать следующими положениями:
-
Разработаны основные физические принципы построения РЛС с синтезированием апертуры антенны авиационного и космического базирования и приобретен опыт создания с аналоговой обработкой сигналов.
-
Предложены методы и способы цифровой обработки сигналов, 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 для самолетных и 10 ... 15 м 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 для РЛС X - диапазона.
-
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 РЛС с синтезированием апертуры антенны привело к тому, что уже существуют высокоэффективные комплексы 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, 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 синтезирования апертуры антенны, совместно с достижениями 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 позволит 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 радиолокационным комплексам, использующим многомерные сигналы, предназначенным для дистанционного зондирования поверхности Земли, высокоточного формирования рельефа местности, наблюдения за динамичными процессами на земной или морской поверхности и оценки параметров их состояния.
-
Разработка структуры и математических моделей многомерных сигналов, с учётом априорной неопределённости относительно местного рельефа и состояния морской поверхности.
-
Синтез оптимальных (квазилинейных) алгоритмов оценки рельефа местности, уклонов и сдвигов земной, параметров волнения морской поверхностей с использованием общей теории статистического оценивания и марковской теории фильтрации.
-
Разработка субоптимальных алгоритмов, обладающих вычислительными затратами, пригодными для реализации в бортовых процессорах сигналов современных цифровых радиолокационных комплексов 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 радиолокационных сигналов 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.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработаны принципы построения комплексов дистанционного зондирования Земли с интерферометрической обработкой многомерных сигналов с синтезированием апертуры антенны, предназначенных для высокоточного измерения рельефа местности, уклонов и сдвигов земной, оценки параметров волнения морской поверхностей.
-
Предложены математические модели формирования многомерных сигналов для радиолокационных комплексов 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.
3. На основе общей теории статистических решений и марковской теории фильтрации синтезированы алгоритмы оценивания рельефа местности, уклонов и сдвигов земной, параметров волнения морской поверхностей.
4. 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 оптимальные (квазилинейные) алгоритмы интерферометрической обработки многомерных сигналов в радиолокационных комплексах 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 радиолокационных комплексов.
-
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 многомерных сигналов радиолокационных комплексов 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 многомерных сигналов радиолокационных комплексов 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 дистанционного зондирования Земли.
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, 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 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», «Метеор-МП»), многофункциональных РЛС перспективных самолетов (ОКР «Су-30МКИ/БАРС», «Миг-29/ЖУК»). 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 дистанционного зондирования.
Апробация результатов исследований
Результаты исследований опубликованы в 43 научных публикациях, в том числе в 28 статьях (9 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, 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.
Обработка данных ДЗЗ в геоинформационной системе
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 ММ информационной подсистемы. Структура ММ информационной подсистемы (в нашем случае РСА) строится на основе всего предшествующего опыта создания подобных систем и считается известной, за исключением структуры ММ обработки сигнала, которая зависит от конкретной решаемой задачи и может претерпевать достаточно существенные изменения.
Каждая ММ информационной подсистемы ДЗЗ должна удовлетворять некоторым требованиям: - с необходимой точностью описывать, протекающие в-самой системе и ок ружающей ее среде физические процессы, - включать в себя модель передаваемого сообщения, модель сигнала - но сителя сообщения, модель датчиков, регистрирующих этот сигнал и, наконец, модель системы обработки сигнала с целью извлечения из него сообщения, - представлять информацию в стандартном виде. Алгоритмы обработки сигналов PC А является составляющей ММ и объектом оптимизации. Поэтому, разработка оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов обработки сигналов в PC А, учитывающих динамику полета, шумы; помехи и нестабильности параметров аппаратуры требует достаточно строгих математических методов и моделей, отражающих свойства наблюдаемых объектов. Эти модели, как правило, являются статистическими и базируются на основе пространственно-временных и корреляционно-спектральных методов. Математическая модель процесса формирования РЛИ в PC А включает модели следующих основных процессов и факторов: - модель отражения (рассеяния) ЭМВ земной (морской) поверхностью; - модель формирования траєкторного сигнала, несущего информацию об электромагнитном состоянии поверхности Земли; - модель шумов аппаратуры, помех и других искажающих факторов; - модель алгоритмов обработки траєкторного сигнала. С одной стороны, математическая модель должна отражать реальные физические процессы, протекающие в системе, с другой - иметь достаточно простой вид, пригодный для г синтеза радиотехнических систем и аналитических исследований. В теории? сложных систем-: наиболее полную; ММ системы называют. системной, а- упрощенную; предназначенную для аналитического; описания- ориентированной моделью системы. Как правило системные ММ используются для численного моделирования и анализа характеристик системы, а ориентированные ММ - для синтеза и анализа методами прикладных математических теорий;: Рассмотрим;подробнее каждую модель процесса формирования отражённого сигнала в PGA воздушного и космического базировании. Модели траєкторного сигнала; при наблюдении рельефной земной и взволнованной морской поверхности представлены во 2 и 4 разделе. Для описания процесса отражения ЭМВ от земной поверхности используют функцию радиолокационного рассеяния (РЛР) [1.13, 1.14, 1.15, 1.18, 1.21, 1.31, 1.33, 1.34, 1.38, 1.40, 1.42, 1.47, 1.56], или комплексного коэффициента где х,у- пространственные координаты, аго(х У) Ро(х у) удельная ЭПО и фаза переотражения, и определяют его как неоднородное случайное поле, зависящее от свойств поверхности и параметров комплекса РСА: ракурса наблюдения, поляризации, частоты и т.п. Для равномерной диффузно отражающей поверхности, при отсутствии доминирующей составляющей, плотность распределения вероятности модуля функции РЛР имеет вид закона Релея [1.12, 1.13, 1.15] при этом среднее значение и среднеквадратическое отклонение модуля функции РЛР связаны соотношением: Аср «1,2533 0 , В таком случае равномерной диффузно отражающей поверхности, квадратурные составляющие функции РЛР представляют собой случайные величины, подчиняющиеся нормальному закону распределения с нулевым математическим ожиданием. Многочисленные экспериментальные исследования выявили существенную особенность отражения радиоволн сантиметрового и дециметрового диапазонов от поверхностей и объектов сложной формы, заключающуюся в локальном характере отражений. Это послужило основой для появления множества упрощенных моделей [1.18, 1.21, 1.3Г, 1.33, 1.34, 1.38], в которых объекты земной поверхности описываются совокупностью участков зеркального отражения (фацетов), а растительный покров - множеством линейных отражателей. Поэтому, в качестве модели РЛР используем его дискретное представление в виде матрицы, каждый элемент которой трактуется как среднее значение функции РЛР на некоторой площадке пространственного разбиения: -n,Ay-m)- двумерная дельта-функция Дирака в ортогональных направлениях х,у. Шаг между элементами модели РЛР Ах,Ау определяет степень детальности воспроизведения функции РЛР и выбирается, исходя из физических и технических соображений [1.40, 1.42] (обычно количество элементов разбиения в элементе разрешения по каждой координате составляет 5... 10). Такая модель позволяет достаточно точно передать основные свойства реальной поверхности. Например, участки диффузного отражения с различной фактурой и удельной ЭПО могут быть смоделированы изменением плотности размещения и дисперсии коэффициентов переотражения отражателей при их нулевом МО. Отражателями с ненулевым МО коэффициента переотражения могут быть смоделированы отдельные "блестящие точки" искусственных объектов и природных образований: Отраженные от земной поверхности электромагнитные сигналы имеют явно выраженный многомерный характер, описываемый их поляризационными, частотными, пространственными характеристиками, которые определяются электрическими и геометрическими свойствами наблюдаемых поверхностей и углами их наблюдения. Все эти сигналы несут в себе важную информацию о подстилающей поверхности. Каждый объект, отражающий1 радиоволны, может быть описан так называемой поляризационной матрицей рассеяния (ПМР) [1.21, 1.40].
Синтез алгоритмов с помощью общей теории статистических решений
Первое слагаемое - чисто гравитационное, оно возрастает при увеличении длины волны. Второе слагаемое - чисто капиллярное - уменьшается с ростом длины волны.
Математическая модель должна отражать основные физические процессы, происходящие при отражении импульсного сигнала от взволнованной морской поверхности и быть простой и удобной при аналитических преобразованиях, поэтому далее будем рассматривать двухмасштабную модель водной поверхность в условиях больших глубин.
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 [1.29, 2.42]) на гравитационно-капиллярной ветровой волне; - доплеровское растяжение (сжатие) элемента разрешения по азимуту[2.3, 2.42]; - изменение разрешающей способности по дальности и азимуту за счет изменения уклонов на крупной волне [2.3, 2.42]; - суммирование сигналов, отраженных от ряда азимутальных участков поверхности, имеющих одинаковые доплеровские частоты [2.3]; - суммирование сигналов, отраженных от ряда участков морской поверхности, имеющих разную высоту, но одинаковую наклонную дальность [2.3]. При импульсном облучении РСА, на волновой динамичной структуре может быть не один участок поверхности, имеющий одинаковую дальность, или радиальную скорость. Участки морской поверхности с одинаковой дальностью или радиальной скоростью далее будем называть родственными. Конечно же, этот список можно дополнить, но будем считать, что учёт этих факторов при формировании модели отражённого сигнала, будет достаточным для адекватного описания физических процессов, а модель простой и прозрачной для постановки и решения задачи синтеза алгоритмов оценивания. Модель траєкторного сигнала РСА при исследовании взволнованной морской поверхности подробно будет рассмотрена в 4 разделе. 1. Радиолокационные комплексы дистанционного зондирования с фор мированием трёхмерных изображений, определением сдвигов и уклонов земной поверхности, оценкой состояния морской поверхности становятся одним из основных источников оперативной информации геоинформационных систем. 2. ДЗЗ в современных условиях почти целиком основано на многомерной (многополяриметрической, многочастотной, многопозиционной) радиолокации, с применением техники искусственного синтезирования апертуры антенны, совместно с достижениями СВЧ техники, что значительно расширяет спектр решаемых задач. 3. Многомерный РЛ комплекс должен оценивать рельеф местности с точностью, сравнимой с пространственной разрешающей способностью РСА, что может быть достигнуто за счёт использования одного носителя РСА при определенных условиях наблюдения или в разных проходах, а также нескольких носителей РСА, имеющих относительное пространственное смещение. 4. РЛ комплексы космического и авиационного базирования имеет свои специфические условия эксплуатации, которые при соответствующей стандартизации сопутствующей и выходной информацией, можно использовать совместно. 5. Особую роль следует отвести РЛ комплексам, достоинства которых проявляются в специфических российских условиях: априорная неопределенность, труднообозримая территория с учетом прилегающих морей, низкая среднегодовая освещенность, сложные метеоусловия, активная агропромышленная деятельность, освоение новых территорий и т.п. 6. Математическая модель комплекса РСА необходима, как для исполь зования в комплексной модели ДЗЗ, так и для использования в аналитических исследованиях процессов формирования, синтеза и анализа алгоритмов обработки сигналов. Математическая модель должна учитывать не только траекторию движения носителей РСА, вероятностный характер полезного сообщения и шумов наблюдения, но и факторы топографического и навигационного обеспечения, знание которых влияет на точность оценивания рельефа местности, уклонов и сдвигов поверхности, параметров волнения морской поверхности. 7. Модель движения авиационного или космического носителя РСА, приближенную к реальным условиям, необходимо применять при исследовании синтезированных алгоритмов на устойчивость к возмущенному движению и при оценке реальной точности оценивания местного рельефа, уклонов и сдвигов поверхности, параметров волнения морской поверхности.
В модели РЛК функция РЛР является случайной функцией не только пространственных координат зоны обзора, но и пространственных координат относительного положения носителей РСА. Наиболее простой моделью функции РЛР является дискретная модель в виде совокупности регулярно расположенных элементарных отражателей со случайными комплексными коэффициентами отражения. Изменения сигналов, обусловленных относительным смещением носителей в группе, зависит от размеров площадки разрешения, геометрии наблюдения за земной поверхностью, местного рельефа и уклона поверхности. Чтобы относительные изменения отраженных сигналов были несущественными, необходимо выбирать базовый параметр комплекса РСА в соответствии с условиями наблюдения, чему в работе уделяется особое внимание.
Модели сигналов, отраженных от земной поверхности с неизвестным местным рельефом имеют довольно сложный вид, которые условно можнофазделить на модели, зависящие от местного рельефа и модели, зависящие от уклонов поверхности. В первом случае существенным является изменение наклонной дальности или доплеровской частоты, а во втором случае, существенным является изменение ЭПР, смещение фазового центра по дальности внутри элемента разрешения. Относительные изменения наклонной дальности до объекта, имеющего относительное смещение по высоте, при использовании сверхширокополосных сигналов приобретают новый физический смысл, поскольку смещение по дальности относительно смещенных в пространстве носителей, может достигать сотен элементов разрешения и при двумерной обработке существенно повысить показатели качества при трехмерном формировании РЛ изображений
Отражение волн радиодиапазона от морской поверхности имеет сложный характер, в сильной степени зависящее от условий наблюдения и параметров динамического процесса на поверхности. Действие ветра, гравитации и поверхностного натяжения приводит к появлению на морской поверхности больших волн и ряби, располагаемой поверх больших волн. Даже приближённая модель отраженного от подобной динамичной поверхности сигнала для РСА, рассматриваемая в работе, имеет целый ряд весомых факторов, влияющих на процесс формирования отражённого сигнала и она должна адекватно, с достаточной точностью описывать происходящие физические процессы, но быть достаточно простой и удобной для аналитических исследований.
Синтез квазиоптимальных алгоритмов пространственно-фазовой фильтрации (оценивания) параметров взволнованной морской поверхности
Поляризационные характеристики отраженных сигналов определяются электрическими и геометрическими свойствами наблюдаемых объектов и заключают в себе важную информацию о подстилающей поверхности.
Алгоритм оценки сдвига земной поверхности для каждого элемента дискретной модели местного рельефа, в соответствии с (3.7), не одну, а фактически девять оценок, 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 [1.21, 2.27] (мелкомасштабная, средне/крупномасштабная).
Кроме того, методы поляриметрической интерферометрии [1.21, 2.27, 2.60] предоставляют возможность выбора оптимальной для конкретной задачи поляризации на этапе обработки данных. Задача состоит в том, чтобы из всего возможного найти ту комбинацию, при которой корреляция максимальна, и по этой информации определить сдвиги земной поверхности. 1. На земной поверхности проявляются изменения границ, площади и других географических параметров объектов, эволюционирующие во времени. Эти изменения требуется непрерывно отслеживать, для чего и служат разрабатываемые алгоритмы их оценки. 2. Наиболее адекватной моделью земной поверхности, постоянно подвергающейся изменениям с дискретно оцениваемыми изменениями, представляется марковская последовательность с временными интервалами, согласованными с интенсивность и скоростью изменений. 3. Разработанный алгоритм измерения сдвигов фрагментов земной поверхности относится к квазиоптимальным алгоритмам нелинейного оценивания. С его помощью возможно оценивание изменений границ, площади и других географических параметров с высокой точностью при сохранении корреляционных свойств парных сигналов. В п. 1.3.8 представлены основные факторы, при воздействии которых на морскую поверхность, формируются различные волновые структуры, определяющие отражённый сигнал РСА. На рисунке 4.1 представлена геометрическая схема наблюдения с помощью РСА за участком взволнованной морской поверхности, где присутствует мелкая ветровая волна (рябь) высотой h\, длиной L\, частотой wi, углом бега //, и начальной фазой р01, наложенная на крупную ветровую волну с параметрами hi, U, Мг т, Poi В случае рассмотрения космического комплекса РСА, необходимо учесть. в геометрической схеме угол J30 между направлением на космический аппарат от центра зоны обзора и плоскостью местного горизонта. Рассмотрение ведётся в нормальной земной системе координат Og,Xg,Yg,Zg с началом Og, совмещенным по вертикали с фазовым центром антенны (ФЦА) РЛС. Носитель РСА, летящий на высоте Н со скоростью1 V, начинает наблюдение в момент времени t = 0 при угле отклонения от нормали к линии пути а0 и угле падения в0. Наблюдение за выбранным участком земной поверхности производится некоторое время ДГ, определяемое тактическими условиями и необходимой точностью определения параметров волнения морской поверхности. Для удобства описания в рассмотрение дополнительно введена система координат синтезирования (СКС) Oc,XoYc,Zc, ось OcYc которой в начальный момент сеанса наблюдения направлена вдоль проекции луча, проходящего через ФЦА и центр исследуемого участка поверхности, а оси ОсХс и OZc образуют с ней правую ортогональную систему координат. Учитывая возможность пространственного разрешения импульсно-доплеровских РСА, облучаемую морскую поверхность разбиваем на элементы разрешения размером ду по горизонтальной дальности (вдоль оси OYc) и дх в азимутальном направлении (вдоль оси Ос Хс ) В общем случае сигнал, отраженный от морской поверхности, приходящийся на элемент разрешения РСА
Геометрические искажения при дискретном формировании парных сигналов
Ошибка оценивания местного рельефа многопозиционного комплекса РСА зависит как от отношения сигнал/шум, так и от дальности, пространственного парного смещения, углов наблюдения и длины волны ЭМВ. Для полноценного трёхмерного измерения, точность измерения местного рельефа должна быть величиной соразмерной с пространственной разрешающей способностью РСА, поэтому выбор параметров наблюдения и формирования парных сигналов необходимо производить, исходя из потенциальной точности.
Неточное знание среднего уровня и уклонов поверхности серьезно влияет на точность оценивания местного рельефа, поэтому начальные условия: разрешающая способность, размер базового параметра и т.п. выбираются из условия возможной априорной неопределённости, с последующим повышением точности и детализации представления местного рельефа. 3. Ожидаемая потенциальная точность оценивания относительного рельефа поверхности при определённых условиях соразмерна с разрешающей способностью РСА и может достигать единиц метров, 4. При дискретном формировании парных сигналов возникает проблема пространственного совмещения, которую можно решить, обеспечив избыточность выборки, с тем условием, чтобы за счет интерполяции сопрягать по поверхности дискретные выборки парных сигналов. Точность сопряжения должна быть значительно выше величины разрешающей способности. 5. Потенциальная точность оценивания сдвигов земной поверхности может достигать десятых долей длины волны излучения, при условии точного повторения смежных проходов носителя РСА.
Реальная точность оценивания сдвигов земной поверхности будет определяться 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 потенциальной.
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 Ю-2...Ю-4, что, например, 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 и разрешающую способность, а, следовательно, 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.Требования по производительности к системе обработки сигналов РСА зависят от объема вычислительных затрат, необходимых для реализации используемых в ней алгоритмов оценки рельефа местности (АОРМ), и времени-формирования этой оценки. В свою очередь вычислительные затраты напрямую связаны с размерностью оцениваемого в этих алгоритмах вектора неизвестных параметров. Очевидно, что реализация АОРМ потребует больше вычислительных затрат, чем алгоритмы картографирования того же участка мест ности, хотя бы потому, что оценке подвергается РЛР em = p0m...enm...emW минимум с двух позиций [1.12, 1.28, 1.40, 1.64, 2.8, 2.9, 2.11, 2.16, 2.52] и относительный рельеф поверхности hffl =fy)m"Am— v каждой из М полоски дальности.
Число отсчетов РЛИ в одной строке N (т.е. длина каждого из векторов ет в стробах дальности) должна быть равна как минимум числу элементов разрешения синтезированной апертуры антенны. Например, при угловом разрешении РСА SJ3 = 0,0017 и ширине ДНА 0О = 1,7 (авиационные РСА) или бр = 0,00017и вй= 0,17(космические РСА), N = 103. Число строк М, которые можно обрабатывать с одной опорной функцией, в общем случае определяется состоянием атмосферы, дальностью выноса полосы обзора, интенсивностью маневра носителя и разрешением по дальности. Для определенности выберем М =500.
Основываясь на этих цифрах и учитывая, что К = 2NM «106, приблизительно оценим вычислительные затраты Q, необходимые для реализации АОРМ в соответствии с (2.25). Самой трудоемкой частью алгоритма является вычисление корреляционной матрицы ошибок фильтрации R m, которое требует на каждом шаге вычислений приблизительно [1.19]: операций комплексного умножения (КУ). Реализация же соотношения (2.25), описывающего непосредственно процесс формирования вектора оценок hmv, требует существенно меньшее число
Для упрощения реализации фильтра часто изменяющуюся во времени-корреляционную матрицу ошибок фильтрации заменяют постоянной и равной своему стационарному значению. В этом случае При многопозиционном (многопроходном) наблюдении должно быть обеспечено условие высокой корреляции парных сигналов, что определяет требование к минимальной разрешающей способности РСА по азимуту. Для этого сигнал необходимо накапливать интервал времени, называемый временем предфильтрации Тпф (см. п.п. 2.1.3).
Тактовая частота работы АОРМ определяется частотой следования отсчетов на выходе предварительного фильтра, которая должна более чем в 1,5...2 раза превышать верхнюю частоту спектра траєкторного сигнала. Поэтому для того, чтобы алгоритм АОРМ осуществлял оценку в реальном времени, необходимо обеспечить производительность вычислителя
Таким образом, при частоте Fnij порядка сотен Герц вычислитель должен иметь производительность порядка 5x1014 операций КУ в секунду для обработки сотни полосок дальности (с учётом интерфейса и других издержек, производительность вычислителя необходимо увеличить на 10...20%). Разработка бортового вычислителя, обладающего такой производительностью, в настоящее время представляет достаточно сложную техническую проблему.
Выход следует искать в применении быстрых вычислительных алгоритмов (например, алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ)) или в применении субоптимальных алгоритмов (2.26), обладающих значительно меньшей трудоемкостью при точности оценок, близкой к точности АОРМ.
