Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ размеров зон фокусировки космической многопозиционной системы ДЗЗ ОВЧ диапазона частот с учетом влияния ионосферы на зондирующий сигнал РСА
1.1 . Математическая модель пространственно-временного канала многопозиционногог РСА с учётом влияния атмосферы 21
1.2. Анализ статистических характеристик пространственно- временного сигнала бистатического РСА 29
Глава 2. Разработка методов фокусировки радиолокационных изображений ОВЧ диапазона частот
2.1 Разработка математической модели алгоритма автофокусировки
2.2 Моделирование алгоритма непараметрической автофокусировки РЛИ
Глава 3. Экспериментальная отработка разработанных алгоритмов автофокусировки на изображениях РСА ОВЧ диапазона, установленного на авиационном носителе с высокой динамикой полёта
3.1 Моделирование процесса формирования радиолокационного изображения при манёврах носителя РСА 53
3.2 Синтез многопараметрической модели траекторной фазы сигнала РСА, размещённого на динамично маневрирующем носителе 55
Заключение 69
Список использованных источников 70
Приложение А 76
- Математическая модель пространственно-временного канала многопозиционногог РСА с учётом влияния атмосферы
- Анализ статистических характеристик пространственно- временного сигнала бистатического РСА
- Моделирование алгоритма непараметрической автофокусировки РЛИ
- Синтез многопараметрической модели траекторной фазы сигнала РСА, размещённого на динамично маневрирующем носителе
Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
В настоящее время эффективность радиолокационных систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), построенных по принципу синтезирования апертуры (РСА), не вызывает сомнений. Такие системы активно используются как на авиационных носителях, так и в составе целевой аппаратуры космических аппаратов (КА).
На авиационных носителях используются РСА, работающие в диапазонах частот, начиная от 20 МГц (например, система «CARABAS-I, II») и заканчивая 94 ГГц (например, система «RAMSES»). Используются все комбинации линейной поляризации на передачу и приём.
На околоземной орбите в настоящее время функционируют КА с РСА X-диапазона (TerraSAR, SARLupe, COSMO Skymed, TechSAR, Lacrosse), L-диапазона (ALOS), С-диапазона (Radarsat).
Перспективы дальнейшего повышения информативности космических радиолокационных систем ДЗЗ требуют от разработчиков космических РСА освоения новых частотных диапазонов (Р, VXF, UHF) и уровней разрешения при работе в них порядка единиц метров.
Принципиально новым направлением развития радиолокационных средств ДЗЗ становится в последнее время технология многопозиционных РСА. Этот вид радиолокационного ДЗЗ предполагает разнесение приёмной и передающей позиции на разные носители (или размещение приёмника или передатчика на наземном пункте).
Основополагающие исследования информативности, оценки реализуемости РСА ОВЧ диапазона (космического базирования), и первые практические результаты (полученные с РСА самолётного базирования) связаны с именами таких ученых, как А.И. Калмыков, В.Б. Штейншлейгер, В.Н. Цымбал, Л.Б. Неронский, Г.С. Кондратенков, Н.В. Кретов, Т.Е. Рыжкина, В.Ф. Кравченко, В.К. Волосюк, В.Т. Горяинов Б.Г. Кутуза, А.П. Реутов Н.И. Буренин, В.Г. Коберниченко, О.В. Горячкин, В. Larson, L.M.H. Ulander, Н. Hellsten, A. Freeman и др.
Одной из перспектив развития РСА самолётного базирования является размещение их на беспилотных носителях. Такие носители характеризуются высокой динамикой центра масс (а, значит, и фазового центра антенны), что затрудняет получение РЛИ ОВЧ диапазона требуемого качества.
Развитие РСА по указанным направлениям сдерживает наличие деструктивного влияния на широкополосный сигнал РСА траекторных и атмосферных ошибок, неидеальности тракта, которые приводят к существенным ограничениям пространственного разрешения РСА, и рабочей длины волны [ЛІ, Л2]. Особенно эти ограничения заметны при реализации в космосе РСА имеющих длину волны больше 30см и размещении РСА ОВЧ диапазона на беспилотных летательных аппаратах.
В случае сильных искажений в тракте или атмосфере, характерных для рассматриваемого класса систем, особенно в условиях значительных вариаций фазы на интервале синтеза РЛИ, обусловленных высокой динамикой перемещения в пространстве фазового центра антенны или атмосферными флуктуациями, параметрические модели пространственно временного сигнала РСА могут быть неадекватны характеру искажений. В этом случае задача обработки радиолокационной информации ставится как одна из задач «слепой» обработки сигналов (СОС).
В общем случае задача СОС формулируется как цифровая обработка неизвестных сигналов, прошедших линейный канал с неизвестными характеристиками на фоне шумов.
Следует отметить, что «слепые» алгоритмы не требуют знания входного сигнала для идентификации импульсной характеристики пространственно-временного канала РСА, однако при их построении и использовании налагаются условия на статистику входных сигналов и в зависимости от этого находится вид функционала, подлежащего оптимизации.
Исследования по созданию эффективных (в том числе «слепых») алгоритмов восстановления радиолокационных изображений, полученных РСА ОВЧ диапазона в условиях деструктивного влияния ионосферных эффектов, а также их оптимальная, с точки зрения вычислительной сложности, реализация составили одно из направлений данной диссертационной работы.
Одним из путей реализации радиолокационного наблюдения Земли в ОВЧ диапазоне частот является преодоление влияния атмосферных эффектов при использовании бистатических и мультистатических РСА. Анализ характеристик такой системы составляет другое направление исследований в рамках данной работы.
Цель диссертационной работы.
Разработка эффективных методов и алгоритмов преодоления деструктивного влияния ионосферы на зондирующий сигнал при восстановлении радиолокационных изображений моностатических и бистатических РСА ОВЧ диапазона.
Анализ особенностей реализации радиолокационного наблюдения в ОВЧ диапазоне частот с космических носителей в случае бистатической схемы наблюдения.
Поиск вариантов оптимальной, с точки зрения вычислительной сложности, алгоритмической реализации найденных методов.
Основные задачи исследования.
Определение основных характеристик и разработка алгоритмов формирования радиолокационных изображений трансионосферного бистатического РСА ОВЧ диапазона частот.
Разработка параметрических и непараметрических («слепых») алгоритмов автофокусировки радиолокационных изображений, не требующих стационарности характеристик пространственно-временного канала РСА. Исследо-
вание и оптимизация параметров алгоритмов фокусировки радиолокационных изображений.
Математическое моделирование и экспериментальная отработка разработанных алгоритмов на реальных радиолокационных изображениях в том числе полученных с РСА ОВЧ диапазона частот, установленных на динамично маневрирующих носителях.
Методы исследования.
Задачи проведенных исследований решены на основе методов статистической радиотехники, численных методов оптимизации с применением пространственно-временных моделей сигналов, а также компьютерного имитационного моделирования и натурного эксперимента.
Научная новизна.
Получены оценки размеров радиолокационного изображения (кадра) для трансионосферного бистатического РСА ОВЧ диапазона с приёмной позицией, размещённой на поверхности Земли, основанные на анализе пространственной когерентности сигналов РСА.
Разработан вычислительный алгоритм автофокусировки на основе критерия минимума энтропии с использованием метода градиентного спуска и ядерного оценивания плотности вероятности отсчётов радиолокационного изображения и проведена его оптимизация.
Предложена параметрическая модель траекторной фазы сигнала РСА ОВЧ диапазона частот, размещённого на быстроманеврирующем летательном аппарате.
Практическая ценность работы.
Полученные результаты открывают возможность реализации радиолокационного наблюдения поверхности Земли из космоса в ОВЧ диапазоне частот с высоким пространственным разрешением.
Разработанные алгоритмы могут быть использованы для оценки пространственного разрешения РСА, построения радиолокационных изображений в условиях высокой динамики фазового центра антенны РСА, проверки работоспособоности.
Реализация результатов работы.
Работа проводилась в обеспечении разработки космической системы радиолокационного мониторинга в ОВЧ диапазоне частот, проводимой ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс». Проведённый анализ зон фокусировки трансионосферного бистатического РСА ОВЧ диапазона использован для расчёта размера кадра такой системы.
Результаты проведенных исследований и разработок являются частью научно-исследовательских, и опытно-конструкторских работ проводимых в ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г. Самара) по созданию перспективных космических систем ДЗЗ.
Разработанные алгоритмы и программы автофокусировки РЛИ использовались НИИ ТП (г. Москва) в рамках НИОКР по размещению ОВЧ-канала PC А на беспилотном летательном аппарате.
Материалы диссертационной работы использованы в ПГУТИ при проведении НИР «Автофокусировка», «Поиск», «СОС», а также в учебном процессе на кафедре ТОРС ПГУТИ в курсе «Радиотехнические системы» по специальности «Радиотехника».
Использование результатов работы подтверждено соответствующими документами о внедрении.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на Европейской конференции по радиолокаторам с синтезированной апертурой EUSAR'2008 (г. Фридрихсхаффен, Германия, 2008 г.), на Всемирной конференции по системотехнике, кибернетике и информатике, (г. Орландо, США, 2007г.), на Всероссийской НТК «Радиолокация, навигация, связь» (г. Воронеж, 2006 г., 2007 г), на Всероссийском симпозиуме «Радиолокационное исследование природных сред» (г. Санкт-Петербург, 2006, 2009 г.), на Международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов" (г. Самара 2006 г., г. Казань, 2007 г.).
Структура и объем работы.
Математическая модель пространственно-временного канала многопозиционногог РСА с учётом влияния атмосферы
Первым РСА космического базирования стал радиолокатор проекта SEASAT, выведенный на околоземную орбиту в 1978 году. Изображения, полученные в результате работы SEASAT, подтвердили уникальную информативность РСА и преимущества размещения их в космосе. Вехой в развитии космических средств ДЗЗ стал проект SRTM, предполагавший использование однопроходного космического интерферометра С- и X-диапазона частот с базой 60 м на Space Shuttle Endeavour.
За прошедшие со времени запуска SEASAT годы РСА космического базирования получили бурное развитие. На сегодняшний день на орбите функционируют РСА L (PALSAR), С (Radarsat-2), X (SAR-Lupe, TerraSAR-X, COSMO 8ку-Ме 1-1,2)-диапазона, поляриметрические и многорежимные РСА. Разрешение космических РСА сегодня приближается к разрешению самолётных и составляет десятки сантиметров (SAR-Lupe, TerraSAR-X).
На сегодняшний день все крупные государства обладают группировками космических аппаратов радиолокационного наблюдения. При этом легко прослеживается тенденция наращивания числа КА радиолокационного наблюдения. Например, существует проект создания КА RadarSAT-З, который должен обеспечить совместную работу с уже существующим RadarSAT-2. Готовится к запуску (2008-2009 г.г.) проект Indian Space Re search Organization (ISRO) с поляриметрическим РСА L-диапазона частот RISAT-I [21]. Существует проект создания РСА L-диапазона и в рамках группировки TerraSAR (Тег-raSAR-L). Рассматривается вариант радиолокационного КА S-диапазона, разработанный в Великобритании, получивший название BritSAT.
Отдельно нужно отметить, что все крупные предприятия космической отрасли России имеют проекты РСА для размещения на космических платформах (в большинстве относящихся к классу маломассогабаритных) [21,22]. НПО Машиностроения разработан проект космического РСА S-диапазона Кондор-Э. ФГУП «Московский НИИ Приборостроения» предлагает РСА S-диапазона «Корсар». Кооперация предприятий РКК «Энергия» им. СП. Королёва, НПО им. С.А. Лавочкина и Концерн радиостроения «Вега» разработан проект размещения на малых аппаратах, построенных на базе разработанной космической платформы, РСА S-диапазона (Корсар- S) и Х-диапазона (Корсар- X). ГКНПЦ им. М.В. Хруничева разработан проект Монитор-Р с РСА Х-диапазона частот. Интересен проект ФГУП «Московский НИИ Приборостроения» «Корунд-1» (РСА L-диапазона) и «Корунд-2» (РСА UHF-диапазона) [21]. ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» предложен проект КА с РСА Х-диапазона частот [23]. При существующем на сегодняшний день разнообразии технологий наблюдения на базе РСА эти системы ДЗЗ продолжают бурно развиваться. Об этом свидетельствует большое число перспективных проектов и публикаций по тематике РСА. Анализ современного состояния группировки КА радиолокационного наблюдения, а также направленность проектов создания РСА позволяет выделить среди перспективных направлений развития технологий РСА несколько основных. 1. Создание орбитальных группировок космических аппаратов (КА) радиолокационного ДЗЗ. Данное направление получило развитие за счёт использования в качестве носителей РСА малых космических аппаратов (МКА) с массой до 1200 кг. В рамках ограничений по массе и энергопотреблению МКА проектируются РСА для решения конкретных задач, что символизирует переход к активному коммерческому использованию РСА. Информативность РСА при таком уровне организации рассматривается в рамках группировки, куда могут входить РСА различных диапазонов частот, с различной организацией режимов съёмки. Кроме того, такой подход позволяет реализовать ряд специфических режимов. Например, интерферометрический режим, когда интерферометрическая база образуется за счёт пролёта двух КА по близким траекториям, а также даёт возможность построения би- и мультистатических систем ДЗЗ. Кроме того, обеспечивается высокая периодичность наблюдения и высокая оперативность доставки информации за счёт наличия у каждого КА ретрансляционного канала передачи информации. При этом требования к размеру полосы обзора бортового РСА снижаются, что значительно упрощает и удешевляет бортовую аппаратуру, а требуемая оперативность и производительность системы обеспечивается за счёт количества КА в группировке.
На сегодняшний день завершено формирование группировки малых аппаратов (МКА) SAR Lupe (5 КА) и COSMO SkyMed (4 КА). В ближайшее время должен быть выведен на орбиту второй КА TerraSAR (проект TanDEM-X).
Многопозиционная система с синтезированием апертуры (МПРСА) представляет собой многопозиционную радиолокационную систему с разнесёнными в пространстве передающими и приёмными позициями, в которой извлечение полезной информации осуществляется с использованием алгоритмов синтезирования апертуры [24].
Такие системы могут иметь всевозможную организацию. Например, приёмная часть может быть размещена на авиационном носителе, а зондирующими сигналами могут служить сигналы навигационных КА. В данном случае особенно привлекательным фактором является использование не принадлежащего непосредственно к данной системе ДЗЗ («чужого») передатчика для получения информации (такие системы получили название «паразитические» РСА) [25,26].
Проведен ряд успешных экспериментов по построению бистатических МПРСА на основе РСА авиационного базирования [27,28]. Например, с использованием шведской системы CARABAS-II [12] и австралийской системы INGARA [27]. Планируются эксперименты по организации бистатического режима после запуска RadarSAT-З (при совместной работе с RadarSAT-2) и двух КА BritSAT.
Использование Ku-диапазона частот в космической радиолокации позволит достичь высокого пространственного разрешения за счёт возможности выбора в этом диапазоне более широкой полосы частот зондирующего сигнала. Однако в этом диапазоне частот неблагоприятное влияние на траекторный сигнал РСА оказывают атмосферные (тропосферные) возмущения (приводящие к значительным фазовым флуктуациям траєкторного сигнала) и затухание сигнала [4-6], сложной задачей (но решаемой на сегодняшний день) также является обеспечение линейности широкополосного приёмо-передающего тракта.
РСА ОВЧ диапазона это уникальное средство для решения ряда народнохозяйственных (наблюдение, классификация, оценка биомассы растительного покрова, мониторинг состояния подземных трубопроводов) и военных задач (обнаружение подземных бункеров, подпочвенных объектов, мин и т.п.). В отличие от коротковолновых Ки-, Ка-диапазонов, основные искажения в сигнал ОВЧ диапазона частот вносит ионосфера [4-6]. Ионосферные эффекты приводят к разрушению когерентности траєкторного сигнала РСА, что делает невозможным формирование изображений. Поэтому на сегодняшний день космические РСА этого диапазона частот существуют только в проектах.
За последние десятилетия опубликовано множество работ по оценке степени деградации радиолокационных изображений ОВЧ диапазона [5,6,29-40], предложены пути их преодоления [29,30,35,41]. Активно ведутся экспериментальные исследования возможностей компенсации влияния ионосферы на самолётных аналогах (например, эксперимент по наблюдению Space Shuttle методом инверсного синтеза апертуры аппаратурой CARA-BAS-II).
Анализ статистических характеристик пространственно- временного сигнала бистатического РСА
За последние десятилетия опубликовано множество работ по оценке степени деградации радиолокационных изображений ОВЧ диапазона [5,6,29-40], предложены пути их преодоления [29,30,35,41]. Активно ведутся экспериментальные исследования возможностей компенсации влияния ионосферы на самолётных аналогах (например, эксперимент по наблюдению Space Shuttle методом инверсного синтеза апертуры аппаратурой CARA-BAS-II).
На характеристики трансионосферных РСА ОВЧ диапазона деструктивное влияние оказывают следующие факторы [38,39]: - нелинейность приёмо-передающего тракта РСА; - неоднородности регулярного коэффициента преломления тропосферы и ионосферы вдоль пути распространения зондирующего сигнала; - флуктуации коэффициента преломления тропосферы и ионосферы. Ввиду важности этого вопроса для дальнейших рассуждений, далее приведём характеристику основных факторов, искажающих траекторный сигнал РСА. При анализе деструктивного влияния ионосферы необходимо учитывать следующие её свойства: - дисперсию, то есть зависимость коэффициента преломления от частоты и неравенство групповой и фазовой скоростей э/м волны; - поглощение, диссипативный процесс перевода энергии волны в тепло; - двойное лучепреломление, то есть расщепление волны на две составляющие с различными фазовыми скоростями; - анизотропию, то есть зависимость коэффициента преломления от направления распространения волны. Регулярный коэффициент преломления атмосферы можно представить как сумму показателя преломления тропосферы, зависящего от высоты (распределения по высоте давления, температуры, концентрации паров) и показателя преломления ионосферы, зави сящего от частоты распространяющейся электромагнитной волны и высоты (от распределения электронной плотности по высоте) [6,40].
В зависимости от масштаба неоднородности электронной плотности можно выделить три вида ионосферных эффектов [38,39]. 1. Первое семейство содержит эффекты, зависящие от интегральной плотности электронов вдоль пути распространения электромагнитной волны. Это групповая задержка, дисперсия и Фарадеевское вращение плоскости поляризации. Это семейство эффектов определяется концентрацией электронов в очень больших горизонтальных масштабах, поэтому проявляется, начиная с L-диапазона частот, и максимальное влияние оказывает на сигналы ОВЧ диапазона. 2. Второй эффект является результатом помех, от обратного рассеяния на неравномерностях электронной плотности в самых малых масштабах (сопоставимых длине волны РСА, обычно метры или меньше). Шум Е-слоя ионосферы (например, для «утренних» КА), наиболее вероятно, поступает через боковой лепесток диаграммы направленности (ДН) РСА и иногда через главный лепесток. Такое обратное рассеяние происходит часто в высоких широтах и иногда (при условии геомагнитных волнений) в средних широтах. В экваториальных широтах, шум весьма вероятно поступает или через главный лепесток или через боковой лепесток из-за обратного рассеяния в Е-слое. Менее известный из наблюдений, но потенциально опасный для работы РСА шум из-за обратного рассеяния от иррегулярностей малого масштаба в F-слое. В отличие от иррегулярностей Е-слоя, которые заключены приблизительно между 105-и 120-километровой высотой, неравномерности F-слоя являются достаточно протяжёнными по высоте. Они будут представлять более опасную угрозу, чем известные структуры Е-слоя.
Третий вид эффектов - семейство эффектов, встречающихся под названием мерцания, которое выражается в пространственных и временных колебаниях в любом параметре сигнала: амплитуде, фазе, угле прихода и поляризации. Мерцания порождаются рассеянием от структур промежуточного масштаба (от десятков метров до десятков километров). Мерцания является одной из наиболее существенных угроз для работы РСА, особенно на низких частотах и/или при низких скользящих углах относительно ионосферы.
Учёт регулярного коэффициента преломления атмосферы при оценке времени распространения сигнала позволяет выделить зависимость времени распространения от ориентации вектора наклонной дальности относительно атмосферных слоев и частоты несущей зондирующего сигнала [42]. Необходимо учитывать анизотропию ионосферы, порождающую эффект вращения плоскости поляризации при распространении э/м волны (эффект Фарадея). В [42] показано, что влияние неоднородности регулярного коэффициента преломления и эффекта Фарадея на качество РЛИ проявляется в геометрических искажениях РЛИ и порождают априорно неизвестную модуляцию комплексной огибающей зондирующего сигнала, которая может служить причиной значительного ухудшения разрешающей способности по дальности.
Флуктуации коэффициентов преломления тропосферы и ионосферы носят различный характер. Для тропосферных флуктуации, являющихся следствием турбулентных процессов, характерно резкое снижение интенсивности с ростом высоты [5,40]. Интенсивность ионосферных флуктуации зависит от широты и времени суток. Влияние флуктуации коэффициента преломления атмосферы, который может быть представлен теперь суммой регулярной и флуктуационной компонент, на характеристики РСА рассмотрены в [42]. Показано, что, поскольку флуктуации коэффициента преломления влекут за собой флуктуации амплитуды, фазы и частоты сигнала, то, соответственно, флуктуирует и пространственное разрешение РСА. Наиболее тяжёлые последствия флуктуации имеют для азимутального разрешения РСА, работающих в диапазонах волн Р, VHF, UHF.
Для количественной оценки характеристик трансионосферных РСА с учётом эффектов распространения электромагнитных волн необходимо проанализировать статистические свойства флуктуации коэффициента преломления, то есть, в конечном счёте, флуктуации траекторной фазы сигнала РСА. Для описания свойств атмосферных флуктуации используют экспоненциальные модели корреляционных функций [40]. Для флуктуации тропосферы это корреляционная функция, описываемая формулой Буккера-Гордона. Для флуктуации ионосферы это экспоненциальная функция, зависящая от высотного распределения среднеквадратического отклонения (СКО). флуктуации электронной плотности [43]. Используя модели корреляционных функций флуктуации тропосферы и ионосферы, можно получить, например, частотную зависимость СКО флуктуации траекторной фазы [42]. Интересно, что такая зависимость имеет экстремум -минимум для длин волн от 3 см до 23 см (СКО траекторной фазы порядка 20-30 угловых градусов, считаются допустимыми). Для длин волн от 70 см СКО превышает 200 угловых градусов. Такие флуктуации представляют большие трудности для компенсации.
Анализ корреляционных функций фазовых флуктуации траєкторного сигнала РСА и частотных зависимостей временных и пространственных интервалов корреляции траекторной фазы проведён в [42]. Он позволяет говорить о резком увеличении скорости фазовых флуктуации и одновременном увеличении площади зон корреляции на отражающей поверхности для низкочастотных диапазонов (Р, VHF, UHF).
В [42] показано, что допустимая ширина полосы частот зондирующего сигнала РСА, а, значит, и разрешение по дальности резко падает в метровом диапазоне (ширина полосы составляет порядка 15-20 МГц, а разрешение порядка 100 м), что вызвано дисперсионными искажениями в ионосфере.
Частотные зависимости азимутального разрешения представлены в [42] и показывают, что на разрешение РСА, работающих в диапазоне длин волн до 10 см, атмосфера практически влияния не оказывает. По-другому обстоит дело с сигналами длинноволновых диапазонов. Начиная с длин волн порядка 20 см и более влияние атмосферы существенно снижает разрешение, которое для Р, VHF, UHF диапазонов может падать до сотен метров.
Моделирование алгоритма непараметрической автофокусировки РЛИ
Частотные зависимости азимутального разрешения представлены в [42] и показывают, что на разрешение РСА, работающих в диапазоне длин волн до 10 см, атмосфера практически влияния не оказывает. По-другому обстоит дело с сигналами длинноволновых диапазонов. Начиная с длин волн порядка 20 см и более влияние атмосферы существенно снижает разрешение, которое для Р, VHF, UHF диапазонов может падать до сотен метров.
Всё вышесказанное говорит о необходимости разработки алгоритмов автофокусировки РЛИ с учётом задачи компенсации эффектов распространения зондирующего сигнала РСА в атмосфере Земли. На сегодняшний день предложен ряд алгоритмов автофокусировки для компенсации траекторных нестабильностей носителей РСА, ошибок в знании навигационных параметров (параметров движения центра масс) носителя [например, 44]. Однако использование их для компенсации деструктивного влияния ионосферы на траекторный сигнал РСА УКВ диапазона не приносит желаемого результата.
Пожалуй, основной идеей всех алгоритмов автофокусировки является поиск экстремума некоторого функционала качества, зависящего от качественных характеристик изображения. Такой функционал должен иметь экстремум при получении в качестве аргумента сфокусированного изображения. Все алгоритмы можно поделить на две большие группы: 1) Алгоритмы параметрической автофокусировки. Используются, если возможно построить достаточно простую параметрическую модель опорной функции РСА. При этом задачей фокусировки является нахождение (подстройка) оптимальных параметров автофокусировки. 2) Алгоритмы непараметрической автофокусировки. Используются, когда невозможно построить параметрическую модель опорной функции (например, при сильных флуктуациях фазы). В этом случае задача автофокусировки ставится как задача определения непосредственно отсчётов опорной функции. Решению проблемы формирования изображений трансионосферных РСА ОВЧ диапазона посвящен ряд работ как зарубежных, так и российских учёных. В [35,45] показана возможность использования алгоритма фазовой градиентной автофокусировки (Phase Gradient Autofocus (PGA)) для компенсации влияния ионосферных фазовых флуктуации. Для проверки работоспособности алгоритма была проведена фокусировка изображений ОВЧ канала авиационного РСА «ИМАРК». Основная идея алгоритма PGA заключается в анализе фазовой структуры в окрестности ярких точечных целей РЛИ. Реализация алгоритма представляет собой итеративный процесс. Изображение фокусируется с расчётными параметрами фокусировки (начальное приближение), затем вычисляется градиент (изменение) фазы по времени, значение которого определяется ошибками в начальном приближении. Найденное значение градиента учитывают как поправку к параметрам фокусировки. Затем процедура повторяется. Достоинством алгоритма PGA является чувствительность к фазовым ошибкам высоких степеней (квадратичным, кубичным). К недостаткам этого алгоритма можно отнести необходимость наличия ярких точечных целей на изображении и достаточно сильное предположение о стационарности ядра искажающего функционала. Ряд работ посвящен исследованию алгоритмов на основе методов слепой обработки сигналов (СОС) [42,46]. Это относительно новая область цифровой обработки сигналов, предметом которой является обработка сигналов, искажённых каналом с неизвестными характеристиками. Алгоритмы такого типа не требуют априорного знания структуры сигнала и искажающего оператора, поэтому являются адекватными для решения задач фокусировки РСА, где невозможно какое-либо исследование канала прохождения сигнала испытательными сигналами. Исследования по созданию эффективных (в том числе «слепых») алгоритмов восстановления радиолокационных изображений, полученных РСА ОВЧ диапазона в условиях деструктивного влияния ионосферных эффектов, а также их оптимальная, с точки зрения вычислительной сложности, реализация составили одно из направлений данной диссертационной работы. Одним из путей реализации радиолокационного наблюдения Земли в ОВЧ диапазоне частот является преодоление влияния атмосферных эффектов при использовании бистатических и мультистатических РСА [25,26]. Анализ характеристик такой системы составляет другое направление исследований в рамках данной работы. Цель диссертационной работы. Разработка эффективных методов и алгоритмов преодоления деструктивного влияния ионосферы на зондирующий сигнал при восстановлении радиолокационных изображений моностатических и бистатических РСА ОВЧ диапазона. Анализ особенностей реализации радиолокационного наблюдения в ОВЧ диапазоне частот с космических носителей в случае бистатической схемы наблюдения. Поиск вариантов оптимальной, с точки зрения вычислительной сложности, алгоритмической реализации найденных алгоритмов. Основные задачи исследования. Определение основных характеристик и разработка алгоритмов формирования радиолокационных изображений трансионосферного бистатического РСА ОВЧ диапазона частот. Разработка параметрических и непараметрических («слепых») алгоритмов автофокусировки радиолокационных изображений, не требующих стационарности характеристик пространственно-временного канала РСА. Исследование и оптимизация параметров алгоритмов фокусировки радиолокационных изображений. Математическое моделирование и экспериментальная отработка разработанных алгоритмов на реальных радиолокационных изображениях в том числе полученных с РСА ОВЧ диапазона частот, установленных на динамично маневрирующих носителях. Методы исследования. Задачи проведенных исследований решены на основе методов статистической радиотехники, численных методов оптимизации с применением пространственно-временных моделей сигналов, а также компьютерного имитационного моделирования и натурного эксперимента.
Синтез многопараметрической модели траекторной фазы сигнала РСА, размещённого на динамично маневрирующем носителе
Можно выделить две большие группы РСА ДЗЗ: это РСА авиационного и космического базирования. Тип носителя РСА определяет многие его характеристики. Каждый из вариантов размещения имеет свои достоинства и недостатки. Так РСА космического базирования обеспечивают большие полосы захвата и обзора, более низкую стоимость радиолокационного изображения, высокую оперативность и глобальность охвата поверхности Земли. К недостаткам размещения РСА в космосе можно отнести усложнение конструкции аппаратуры для компенсации специфических условий эксплуатации (механические воздействия, ионизирующие излучения космического пространства (ИИКП), высокие требования к надёжности), большие габариты антенны, большую мощность передатчика. Кроме того, зондирующий сигнал космических РСА при распространении дважды проходит сквозь ионосферу Земли, что вносит искажения в структуру траєкторного сигнала [4-6].
Авиационные РСА требуют меньших габаритов антенны, имеют на сегодняшний день более высокое, чем космические РСА, пространственное разрешение (до единиц сантиметров), требуют меньшей мощности передатчика. Недостатками РСА, размещаемых на авиационных носителях, является высокая стоимость изображений земной поверхности, небольшие размеры полосы обзора, высокая динамика полёта (в большей степени характерно для беспилотных летательных аппаратов).
Отличительной чертой современного этапа развития РСА авиационного базирования является всё большее распространение в качестве носителей РСА беспилотных летательных аппаратов (как самолётного, так и вертолётного типов). Такие системы используются для разведывательных целей, для мониторинга труднодоступных участков хозяйственной деятельности и т.п. Особенностью таких систем является высокая динамика центра масс летательного аппарата, а, следовательно, и фазового центра антенны. Особенно это свойство критично для размещения на таких носителях РСА ОВЧ диапазона, интервалы синтеза которых имеют порядок десятка секунд.
История развития PCA началась в 50-х годах 20 века с появления самолётных систем, которые стали развитием традиционных панорамных радиолокаторов, бомбоприцелов и радиолокаторов бокового обзора. Радар с синтезированием апертуры, вероятно, бьш предложен Карлом Веелем (Carl Wiley) сотрудником «Авиастроительной компании ГудИр» (Goodyear) (сейчас компания называется Lockheed Martin) в г. ГудИр, Аризона, США в 1951 г. [10]. Надо сказать, что PC А, реализующие всепогодное, круглосуточное наблюдением поверхности Земли с высоким пространственным разрешением, являются привлекательными для использования в разведывательных целях (первый полёт над территорией СССР был выполнен уже в 1955 году). Поэтому большое количество авиационных РСА имеют военное назначение (AN/APY, P-3/SAR, AN/APG-76). Такое использование РСА обусловило их совершенствование в части пространственного разрешения, которое достигает у современных РСА десятков сантиметров. Высокое разрешение достигается в диапазонах, где, согласно выражению (В.2), возможно реализовать большую полосу частот зондирующего сигнала (X, Ки).
Однако высокая информативность радиолокационных систем определяется, прежде всего, тем, что отражённый радиосигнал несёт в себе информацию о таких характеристиках подстилающей поверхности, как влажность почв, тип подстилающей поверхности и растительности. Поэтому РСА нашли широкое применение для решения народно-хозяйственных и научных задач.
Для растительных покровов в зависимости от диапазона волн возможны разные механизмы формирования отраженного сигнала. Для волн Ки (к—2 см), X (А.=3 см), С (Х=5 см) диапазонов основное отражение формируется зелёной массой, причем в случае интенсивной растительности ее верхним слоем. В диапазонах волн S- и L (к-23 см) уменьшается уровень отражения и затухание в листве. Отраженный сигнал формируется объемным рассеянием, частично от листвы, частично от древесной массы, а также отражением от поверхностного слоя почвы. В длинноволновых дециметровых и метровых диапазонах отражение формируется в основном древесной массой, почвой, а также подпочвенным слоем [2,11].
Большую роль также играет вид поляризации сигнала на излучение и приём. Например, хвойные растения дают больший уровень отражённого сигнала на вертикальной поляризации, а лиственные — на горизонтальной.
Все эти свойства обусловили развитие многочастотных многополяризационных РСА авиационного базирования. Особенно интересны проекты со сверхширокополосными РСА ОВЧ диапазона (например, CARABAS-I, II с полосой зондирующего сигнала от 20 МГц до 90 МГц [12]), поскольку радиосигналы этого диапазона несут в себе информацию о распределении коэффициента обратного рассеяния в толще Земной поверхности (на глубину в десятки и сотни метров в зависимости от типа и влажности почвы).
Важно отметить, что первые эксперименты с РСА авиационного базирования УКВ диапазона (РСА «МАРС») были проведены в СССР в 1990 г. в рамках работ, проводимых ИРЭ НАН УССР (в настоящее время Исследовательский Центр Радиофизических методов дистанционного зондирования Земли им. Калмыкова А.И.) под руководством профессора Калмыкова А.И. при активном участии ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» с 1989 года. Тематика работ носила в основном оборонный характер. Предполагалось оснастить РСА УКВ диапазона (А,=1,8 м) разведывательный КА для наблюдения подповерхностных объектов. Деструктивное влияние ионосферы на когерентность траєкторного сигнала, характерное для этого диапазона частот предполагалось снизить за счёт выбора сильноэллиптической орбиты с минимальной высотой порядка 100 км («заныривание» под ионосферу).
Одно из первых изображений местности в УКВ диапазоне получено в декабре 1990 г. в рамках испытательного полёта над г. Самара. Впоследствии работы по этой программе были свёрнуты из-за распада СССР [13,14]. Нельзя не сказать об отечественном самолётном многочастотном РСА «Компакт», разработка которого велась с начала 90-х годов 20 века ФГУП НИИ ТП (г. Москва) по ТЗ ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г. Самара). Предполагалось, что данный комплекс будет основой космической системы ДЗЗ по многим характеристикам аналогичной современной германской системе TerraSAR. Изначально это был детальный РСА Х-диапазона частот носивший в те годы название «ИК-ВР» (измерительный комплекс высокого разрешения), основной особенностью которого является конструкция антенны. Антенна Х-диапазона частот РСА «Компакт» представляла собой рупорную антенну (впоследствии замененную на фазированную антенную решётку), которая располагалась внутри летательного аппарата у штатного иллюминатора, что позволяет использовать этот комплекс практически на любом типе носителя без доработок. В конце 90-х годов «Компакт» был дополнен аппаратурой для работы в L-диапазоне частот [8,9], а в 2007 г аппаратурой ОВЧ диапазона частот. На сегодняшний день РСА «Компакт» оснащён и каналом Р-диапазона частот (длина волны 70 см).
Анализ полученных РЛИ [11] подтверждает большой потенциал ОВЧ радиолокации для мониторинга лесных ресурсов, а также возможность обнаружения подповерхностных объектов и структур.
