Введение к работе
Актуальность темы
В связи с развитием проектов разработки нефтегазовых месторождений на арктическом шельфе России актуальной становится проблема контроля морских ледовых полей непосредственно в районе буровых платформ. Для наблюдения за ледовыми покровами широко применяются радиолокационные станции (РЛС) с синтезированием апертуры антенны (РСА) самолетного и космического базирования. При этом интенсивно развиваются радиолокационные интерферометрические методы построения высотной топографии подстилающей поверхности. Однако, известные аэрокосмические методы не обеспечивают требуемой точности и оперативности поступления важнейшей информации о ледовых полях в районах буровых платформ, а именно, их степени торосистости, толщины, скорости и направлении дрейфа. Без этой информации невозможна безопасная эксплуатация морских арктических месторождений. Особенно остро стоит задача разведки ледовой обстановки в районах эксплуатации нефтегазовых объектов с использованием радиолокационных комплексов морского базирования одновременно с аэрокосмическими системами. Быстро разворачиваемые, гораздо более дешевые и более точные по сравнению с космическими и авиационными системами, радиолокационные комплексы морского базирования позволяют эффективно решить задачу непрерывного мониторинга небольших близлежащих пространств.
Следует отметить, что в настоящее время предпочтение при решении задач контроля ледовой обстановки отдается, в основном, аэрокосмическим методам. В то же время информация о методах интерферометрической радиолокационной оценки ледовой обстановки с морских нефтедобывающих буровых платформ или с берега в научно-технической литературе практически не встречается.
Таким образом, на современном этапе развития радиолокационных методов оценки ледовой обстановки одной из важнейших научных задач, является непрерывное, в любых метеоусловиях формирование цифровой модели рельефа (ЦМР) ледового поля с высокой точностью, а также оценка скорости и направления его движения. Данная информация, благодаря использованию известных эмпирических соотношений высоты рельефа ледового поля над уровнем моря, его толщины и рельефа подводной части, может использоваться для качественной оценки состояния, толщины и потенциальной опасности ледовых полей.
Степень разработанности проблемы
Серьезный вклад в развитие теории РЛС бокового обзора и РСА для задач оценки ледовой обстановки внесли такие известные ученные, как Ю.А. Мельник, П.И. Дудник, М.И. Финкельштейн, А.И. Калмыков, Л.М. Митник, J.D. Johnson, R. D. Ketchum, L. D. Farmer, V. H. Anderson, A. Biache, C. A. Bay, R. Bradie, R. T. Lowry, J.F. Vesecky, B. Holt и др. В первую очередь благодаря их усилиям были созданы радиолокационные комплексы оценки ледовой обстановки, разработанные в рамках: отечественной программы «Океан» (КА «Космос-1500», «Океан» и др.), программы европейского космического агентства «ERS-1» и «ERS-2», японской программы «JERS-1», американских программ «STAR-1», «LANDSAT», «SEASAT», канадской миссии «RADARSAT-1, 2» и др.
Развитие получили методы построения высотной топографии, которые используют пару радиолокационных изображений для построения высокоточной карты высот рельефа с помощью алгоритмов измерения интерферометрической разности фаз (ИРФ) сигналов, приходящих на разнесенные в пространстве антенны системы. Данное направление развивали такие ученые, как А.И. Захаров, Л.Б. Неронский, R. M. Goldstein, H. A. Zebker, S. N. Madsen, М. A. Richards, C. V. Jakowatz, W. G. Carrara, W. G. Goodman, S. H. Zisk, L. C. Graham и др. Результатом проведенных исследований и разработок стали такие комплексы, как отечественный РСА для малого космического аппарата «Кондор-Э», GLISTIN (США), CCRS C/X SAR (Канада), SRTM (США), RTV (США), IFSARE/STAR-3i (США), ENVISAT ASAR (Европа) и др. Таким образом, развитие теории и принципов построения РЛС оценки ледовой обстановки позволило создать высокоэффективные комплексы авиационного и космического базирования, способные решать задачи получения детального рельефа ледовой поверхности с достаточно высокой пространственной разрешающей способностью (на уровне 0,45...2 м для авиационных и 6...8 м для космических систем) и точностью (порядка единиц метров) при боковом и переднебоковом обзорах.
Направление, связанное с применением интерферометрических комплексов наземного базирования, было исследовано такими учеными, как G. Luzi, C. Werner, D. Tarchi, A. Martinez-Vazquez и др. Из интерферометрических комплексов наземного базирования можно выделить «GRPI» (Швейцария), который был разработан для мониторинга состояния поверхности гор и ледников.
В настоящее время не разработаны полноценные средства радиолокационной оценки ледовой обстановки морского базирования. Отсутствуют представления о требуемых параметрах РЛС, предпочтительных для решения задачи обеспечения безопасной эксплуатации буровых платформ арктического шельфа, о наборе задач, которые может решить радиолокационный комплекс.
Таким образом, в настоящие время требуется решить задачу получения детального рельефа ледовой поверхности при работе РЛС по настильным траекториям (РЛС морского базирования).
В интерферометрической радиолокации наиболее эффективно используется информация, содержащаяся в пространственно-временном сигнале, что позволяет по ИРФ сигналов, приходящих с разнесенных в пространстве антенн системы, оценить распределение топографических высот отражающих элементов неровностей поверхности и построить ЦМР, исследовать пространственно-распределенные процессы и их проявления во времени.
Цель диссертации
В диссертационной работе поставлена цель – разработать эффективный метод радиолокационной оценки ледовой обстановки с буровых платформ арктического шельфа, методы и алгоритмы обработки сигналов при решении задач получения ЦМР и скоростей ледовых полей для оценки ледовой опасности.
Задачи, требующие исследования
Для достижения сформулированной цели в представленной диссертационной работе решаются следующие основные задачи:
-
Формулировка, анализ и обоснование принципов построения радиолокационного комплекса высокоточной оценки ледовой обстановки морского базирования и научно обоснованных технических требований к такому комплексу, использующему сложные сигналы, предназначенному для дистанционного зондирования морской и ледовой поверхности, формирования высокоточной ЦМР и оценки скоростей исследуемой поверхности.
-
Определение ключевых параметров радиолокационного комплекса морского базирования и разработка методов их оптимизации с целью повышения точности измерения рельефа.
-
Анализ современных подходов к решению вопроса получения из пары радиоизображений высокоточной карты рельефа с использованием методов фазовой интерферометрии, демонстрация возможностей методов разворачивания фазы для исключения неоднозначности измерений. Разработка алгоритма получения ЦМР по интерферометрической разности фаз сигналов, приходящих на разнесенные в пространстве антенны системы радиолокационного комплекса морского базирования.
-
Разработка структуры и математических моделей отраженных сигналов от априорно неизвестного ледового рельефа. Анализ характеристик разработанных алгоритмов с демонстрацией возможностей радиолокационного комплекса с помощью имитационного моделирования.
Методы исследования
При решении поставленных в диссертационной работе задач был использован современный математический аппарат статистической теории радиолокации, теории оптимальной фильтрации и радиофизики. Проверка эффективности разработанных алгоритмов проводилась с использованием имитационного моделирования в программно-математической среде «Matlab».
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
-
Проведен анализ решаемых радиолокационным комплексом оценки ледовой обстановки морского базирования задач, объектов наблюдения и обоснованы параметры комплекса. Впервые предложена концепция использования интерферометрической РЛС морского базирования для решения задач оценки ледовой обстановки при настильном зондировании.
-
Разработан способ реализации высокоточной радиолокационной оценки ледовой обстановки, использующий два режима работы радиолокационного комплекса морского базирования, один из которых одновременно оценивает дальность, скорость и направление дрейфа ледовых полей, а другой формирует ЦМР.
-
Проанализированы основные соотношения, определяющие параметры радиолокационного комплекса, и предложена методика их оптимизации с целью повышения точности измерения рельефа.
-
Исследованы известные алгоритмы двумерного разворачивания фазы, проведен их оригинальный сравнительный анализ для применения в радиолокационном комплексе морского базирования, и на их базе разработан алгоритм разворачивания интерферометрической разности фаз сигналов, приходящих на разнесенные в пространстве антенны радиолокационной системы.
-
Проведен сравнительный анализ эффективности применения сложных сигналов с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ) и фазовой манипуляцией (ФМн) в интерферометрическом режиме работы радиолокационного комплекса оценки ледовой обстановки морского базирования, который показал предпочтительность использования ЛЧМ сигнала.
-
Разработаны математические модели отраженных от ледовой поверхности сигналов для радиолокационных комплексов оценки ледовой обстановки в условиях априорно неизвестного рельефа зондируемой поверхности, ориентированные на проверку разработанных алгоритмов построения ЦМР.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Радиолокационный комплекс морского базирования, использующий поочередно интерферометрический режим и режим одновременного измерения дальности, скорости и направления дрейфа ледовых полей, может эффективно решать задачи оценки ледовой обстановки.
-
Алгоритм интерферометрической обработки в радиолокационных комплексах морского базирования для решения задач оценки ледовой обстановки путем анализа ЦМР.
-
Методика определения оптимальных параметров радиолокационного комплекса морского базирования с целью повышения точности измерения рельефа.
-
Сигналы с ЛЧМ в связи с низким интегральным уровнем боковых лепестков и низкой чувствительностью к доплеровскому сдвигу частоты являются предпочтительным видом зондирующих сигналов (ЗС) для решения задач разностно-фазовой интерферометрии. В то же время сигналы с фазовой псевдослучайной манипуляцией в связи с высокой чувствительностью к доплеровскому сдвигу частоты являются предпочтительным видом ЗС для решения задач оценки скорости движения ледовых полей и могут быть использованы в разработанном алгоритме оценки скорости ледовой поверхности.
-
Принципы построения и технология использования программно-математических пакетов для моделирования, анализа и обработки пространственно-временных сигналов, предназначенных для внедрения новых алгоритмов интерферометрической обработки, совмещенных с алгоритмами оценки дальности и скорости ледовых полей при решении задач оценивания ледовой обстановки.
Достоверность научных положений подтверждается совпадением теоретических результатов с экспериментальными данными, имеющимися в литературе, отсутствием противоречий между новыми теоретическими положениями, разработанными в диссертации, и результатами проведенного имитационного моделирования, апробацией диссертационной работы на научно-технических конференциях и публикациями автора, одобренными научной общественностью.
Практическая ценность результатов диссертационной работы:
-
Совместное применение интерферометрического режима и режима одновременного измерения скорости и дальности в радиолокационных комплексах морского базирования позволит повысить безопасность работы буровых платформ арктического шельфа.
-
Предложены и оптимизированы основные параметры радиолокационного комплекса оценки ледовой обстановки.
-
Разработаны алгоритмы обработки сигналов радиолокационного комплекса оценки ледовой обстановки, пригодные для реализации на существующей элементной базе. Разработан действующий макетный образец цифрового устройства обработки и формирования сигналов, проведены его приёмочные испытания.
-
Сформированы принципы построения и разработана технология использования программно-математических пакетов для моделирования, анализа и обработки пространственно-временных сигналов, предназначенных для внедрения новых алгоритмов интерферометрической обработки, алгоритмов одновременной оценки дальности и скорости при решении задач оценки ледовой обстановки.
Практическая направленность диссертационной работы заключается в обосновании структуры, состава радиолокационного комплекса высокоточной оценки ледовой обстановки морского базирования и алгоритмов обработки информации. Реализация результатов диссертационной работы проводилась на кафедре РТП «НИУ «МЭИ» в рамках проектирования и создания новых радиолокационных комплексов оценки ледовой обстановки (ОКР «Разработка технического проекта и действующего макетного образца системы высокоточной оценки ледовой обстановки с применением сверхширокополосных, наносекундных радиолокационных технических средств» шифр «Панцирь-2», НИР «Разработка радиолокационных методов дистанционного зондирования и мониторинга морской поверхности и ледовой обстановки для обеспечения безопасности разработки новых энергоэффективных северных морских месторождений углеводородов и их добычи»). По итогам диссертационной работы получен акт о внедрении результатов от промышленной организации ОАО «НПП «Салют». Разработанные в диссертации алгоритмы обработки сигналов использовались в перечисленных работах в качестве базовых при разработке специализированного программно-математического обеспечения.
Апробация результатов диссертационной работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2011 и 2012), «Наука и образование» (г. Мурманск, 2012), Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь» ИРЭ РАН (г. Москва, 2012), «Цифровая обработка сигналов и ее применение – DSPA’2013» (г. Москва, 2013).
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах, среди которых три статьи (две – в научно-технических журналах, входящих в перечень ВАК РФ), а также в трудах шести научно-технических конференций. Материалы диссертации изложены в 4 научно-технических отчетах по НИР и ОКР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 131 наименование. Работа изложена на 236 страницах машинописного текста, включая два приложения на 21 странице, содержит 101 рисунок и 9 таблиц.
