Введение к работе
Формулировка проблемы и ее актуальность. Задачи, стоящие перед хозяйством страны, по освоению ресурсов Земли и океана требуют разработки принципиально новых средств и методов исследования Космические системы дистанционного зондирования в радиодиапазоне позволяют обеспечить глобальный мониторинг поверхности Земли вне зависимости от состояния атмосферы и времени суток. Один из наиболее информативных бортовых комплексов активных средств дистанционного зондирования состоит из радиолокационной системы с синтезированным раскрывом антенны (РСА) и прецизионного радиовысотомера (ПРВ). При этом РСА приобретает все большее значение при решении задач наблюдения за земной и морской обстановкой, ледовой развязки, обнаружении малоразмерных объектов и проведении оперативного картографирования больших участков подстилающей поверхности с высокой разрешающей способностью. ПРВ обеспечивает прецизионные точностные измерения при работе по морской поверхности, давая информацию для широкого круга задач: уточнение морского геоида, картирование гравитационных аномалий, контроля уровня поверхности (приливов, отливов, штормовых нагонов, вихрей, цунами), контроля морских течений, определение высоты морских волн, и скорости поверхностного ветра и многих других процессов в Мировом океане, связанных изменением уровня морской поверхности.
Проблема оперативного решения указанных задач, решаемых комплексом данных радиоприборов безусловно актуальна для исследования природных ресурсов Земли, экологического мониторинга, метеорологии, океанографии, судовождения и т.д.
В то же время функциональные возможности и информативность комплекса бортовых средств дистанционного радиозондирования чрезвычайно возрастают при получении трехмерных изображений местности в широкой полосе обзора и сохранении необходимой разрешающей способности. Исследования, связанные с восстановлением рельефа земной поверхности по данным космических съемок, проводятся в настоящее время в большинстве стран, имеющих свои космические программы и использующих информацию,- полученную со спутников дистанционного зондирования. Однако, ПРВ обеспечивают прецизионную точность измерения высоты (а при известной орбите топографии морской поверхности) только в подспутниковой области, шириной не более I... 1,5 км.
Находящиеся в настоящее время на стадии интенсивных исследований и разработки интерферомегрическне радиосистемы с синтезированной апертурой антенны (ИРСА) позволяют одновременно с картографированием поверхности получить информацию о вариациях ее уровня в широкой зоне обзора. При этом прецизионный контроль высоты орбиты и ориентации платформы с аппаратурой комплекса относительно локальной нормали обеспечивается ПРВ над морской поверхностью. В интервалах между измерениями параметры орбиты могут интерполироваться.
Интерферометрический метод предполагает получение информации о возвышениях рельефа в каждом элементе разрешения путем измерения разности фаз отраженных сигналов на входах двух разнесенных антенных систем. При этом рассматриваются два варианта ИРСА: с "жесткой" базой, при которой расстояние между двумя антеннами не более 50...60м, и может быть реализовано на одном КА, и с "мягкой" базой.
В настоящее время применяется интерферометрический метод космического картографирования на основе данных, полученных с РСА "SEASAT", "SIR-A/B", "ERS-1" и "АЛМАЗ-1*', т.е. используется обычный РСА на платформе, имеющей синхронную орбиту, что дает возможность производить съемку одной и той же области поверхности дважды с близко расположенных точек последовательно следующих орбит с некоторым временным интервалом. Это ИРСА с "мягкой" базой, требующая применения системы высокоточного определения параметров орбиты и допускающая расстояние между антеннами до нескольких
сотен метров и даже нескольких километров. Однако, фазовый шулі, обусловленный изменениями структуры поверхности в интервале между съемками, значительно превосходит изменения фаз, характеризующих возвышения поверхности, поэтому восстановление рельефа по данным разнесенных по времени съемок с однопозишюнного РСА возможно только на отдельных участках поверхности Земли. Кроме того, данная методика не годится для наблюдения быстропротекаюших процессов, например, изменчивости структуры мезомас-штабньгх течений в океане. Поэтому часто оказывается невозможным применить "последовательную" интерферометрию с одного аппарата. В связи с этим актуальна проблема создания комплекса дистанционного радиозондирования на орбитальном космическом аппарате (КА), включающим ИРСА с антеннами, установленными на одном аппарате и ПРВ. При этом чрезвычайно важно проанализировать точностные характеристики ИРСА по оценке высоты элемента разрешения, а ПРВ, кроме решения ряда самостоятельных задач, о которых говорилось выше, в данном комплексе используются также для прецизионного измерения высоты КА над средним уровнем морской поверхности с флуктуационной погрешностью не более 10см. В случае, когда параметры орбиты КА известны, топографические данные о рельефе подстилающей поверхности, полученные с ПРВ в подспутниковой области используются для привязки возвышений рельефа, полученных ИРСА из трехмерных изображений поверхности на соседних витках.
Состояние вопроса. Основное влияние на точностные характеристики комплекса по оценке характеристик рельефа подстилающей поверхности оказывают погрешности, связанные с оценкой разности фаз сигналов, приходящих на две антенны от каждого элемента разрешения и погрешности по оценке высоты орбиты КА. В тоже время в известной литературе отсутствуют обобщающие работы, посвященные:
теоретическим исследованиям точностных характеристик ИРСА с "жесткой" базой, размеры которых таковы, что могут быть реализованы на практике;
теоретическому и экспериментальному исследованию статистических характеристик отраженных импульсных СВЧ радиосигналов ПРВ с наносекундной разрешающей способностью, и методам их оптимальной обработки во временной или частотной области;
вопросам выбора параметров и конструирования ИРСА с "жесткой" базой и наносе-кундных океанографических ПРВ.
Первые результаты, полученные с помощью ПРВ с наносекундной разрешающей способностью, установленных на ИСЗ "Skylab", "Geos-C", "Seasat", "Poseidon" подтвердили перспективность их использования для дистанционных океанографических измерений Но преобразование полученных радиоотражений в информацию по характеристикам исследуемой поверхности потребовало точных знаний об особенностях отраженных радиосигналов, а также о принципах реализации оптимальных алгоритмов и устройств обработки этих сигналов в ПРВ, обеспечивающих наносекундное временное разрешение. В России аналогов этим океанографическим ПРВ пока не имеется, а опыт создания и эксплуатации ИРСА с "жесткой" базой в мире пока вообще отсутствует. Поэтому актуальной проблемой является выбор параметров бортового комплекса, состоящего из ИРСА с "жесткой" базой и ПРВ, для получения приемлемых точностных характеристик при проведении трехмерного глобального мониторинга поверхности Земли го космоса.
Цель диссертационной работы. На основе теоретического обобщения решена научная проблема выбора параметров комплекса, состоящего из ИРСА с "жесткой" базой и ПРВ, и обеспечивающего необходимые точностные характеристики для глобального трехмерного мониторинга поверхности Земли из космоса.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием методов математической статистики, теории статистических решений, статистической радио-
техники, современной теории РСЛ и радновысотомстрин. Экспериментальные исследования выполнены метолами физического и математического моделирования, в том числе и в реальных эксплуатационных условиях.
Основные nojюжения. выносимые на защиту:
- в направлении создания ИРСА с "жесткой" базой:
-
Получение и анализ взаимной пространственной корреляционной функции отраженных сигналов, принятых па разнесенные антенны.
-
Анализ зависимости точностных характеристик ИРСА от режима облучения, параметров радиосистемы и характеристик поверхности при широкой вариации исходных данных и выработка на этой основе рекомендаций по созданию перспективной системы ИРСА с "жесткой" базой.
-
Анализ зависимости точностных характеристик ИРСА от введения различных корректирующих функций в амплитудно-частотную характеристику тракта обработки эхо-сигнала.
-
Исследование возможности повышения точностных характеристик ИРСА за счет увеличения числа некогерентных накоплений (усреднений).
-
Методика обработки радиоголограмм с РСА "АЛМАЗ-І" для получения интерферо-грамм.
- в направлении создания океанографического ПРВ:
-
Уточненная модель отражения СВЧ радиосигналов с наносекундной разрешающей способностью, учитывающая асимметрию и эксцесс закона распределения неровностей поверхности и анизотропию морской поверхности, проявляющуюся в асимметрии диаграммы обратного рассеяния (ДОР) моря, связанную с направлением действия ветра.
-
Анализ статистических характеристик отраженных радиосигналов ПРВ при широком варьировании исходных данных, связанных с выбором параметров ПРВ, режимом облучения и состоянием морской поверхности.
-
Синтез и анализ алгоритмов и устройств оптимальной обработки во временной и частотной области отраженных от морской поверхности радиосигналов.
4 Оценки потенциальной точности измерения высоты в зависимости от выбранных параметров ПРВ, режима облучения и состояния морской поверхности.
-
Повышение эффективности традиционных способов реализации квазиоптимальных дискриминаторов ПРВ в зависимости от отношения сигнал/шум (С/Ш), режима облучения и состояния морской поверхности.
-
Разработка новых алгоритмов и устройств квазиогггималыюй, локальной обработки отраженных сигналов ПРВ, позволяющих осуществить одновременную оценку высоты КА над средним уровнем морской поверхности и высоты морских волн, защищенных авторским свидетельством и проверенных в летных экспериментах.
-
Разработка алгоритмов расчета точностных характеристик для различных типов дискриминаторов ПРВ.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
-
Получено выражение для взаимной пространственной корреляционной функции отраженных сигналов для ИРСА в аналитическом виде, справедливое для любых зондирующих сигналов.
-
Доказана возможность повышения точностных характеристик ИРСА с "жесткой" базой путем применения специально подобранных корректирующих функций к амплитудно-частотной характеристике тракта обработки сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ).
-
Разработана методика учета статистических характеристик неровностей рельефа в пределах элемента разрешения на точностные характеристики ИРСА, при этом введен гаус-совский закон распределения ординат неровностей поверхности.
-
Проведен анализ влияния на точностные характеристики ИРСА параметров системы, режима облучения и характеристик поверхности, а также обоснована методика выбора оптимальных параметров радиосистемы и режима облучения для ИРСА с "жесткой" базой.
-
Разработана и экспериментально проверена модель отражения импульсных сигналов с наносекунднои разрешающей способностью от взволнованнон морской поверхности при углах облучения близких к вертикальным применительно для задач прецизионной радиовы-сотометрии..
-
Получены основные статистические характеристики отраженных от морской поверхности СВЧ радиосигналов с наносекунднои разрешающей способностью в режиме ПРВ, а именно: корреляционные функции быстрых и межпериолных флуктуации, усредненная мощностная огибающая при временном способе обработки с помощью согласованной фильтрации и усредненный спектр сигнала биений при частотном способе обработки с помощью корреляционно-фильтровой схемы; сделана оценки интервала корреляции быстрых и межпериолных флуктуации.
-
Проанализирована зависимость данных статистических характеристик от параметров ПРВ, режима облучения и состояния 'морской поверхности при широком диапазоне варьирования исходных данных.
-
Синтезированы оптимальный обнаружитель и оптимальный дискриминатор океанографического ПРВ, работающего с зондирующим радиосигналом, обладающим наносекунд-ным временным разрешением.
-
Дана оценка потенциальной точности измерения высоты, которая позволяет оценить предельно достижимую границу точности определения высоты КА над морской поверхностью в зависимости от параметров ПРВ, режима облучения и состояния морской поверхности.
-
Предложены новые алгоритмы и устройства квазиоптималыгой обработки отраженных от морской поверхности сигналов в ПРВ, по точности близкие к оптимальным.
-
Предложено ввести переменную частоту повторения зондирующих импульсов в ПРВ, перестраивая ее в зависимости от степени морского волнения, что позволит с одной стороны исключить корреляционную межпериоднуто связь отраженных сигналов в случае слабого волнения, а за счет увеличения частоты повторения в случае сильного волнения заметно уменьшить флуктуационную погрешность измерителя ПРВ.
Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты позволяют:
1. Расширить функциональные возможности и информативность комплекса бортовых
средств дистанционного радиозондирования за счет получения трехмерных изображений ме
стности в широкой полосе обзора и сохранении необходимой разрешающей способности.
2. Впервые обосновать возможность реализации интерферометрической РСА с
«жесткой» базой с приемлемыми точностными характеристиками.
-
Провести выбор параметров и рассчитать основные характеристики перспективных ИРСА с "жесткой" базой и наносскундных океанографических ПРВ для глобального мониторинга поверхности Земли из космоса.
-
Проанализировать и сравнить по точностным показателям различные квазиоптимальные способы реализации устройств обработки в задачах прецизионной оценки высоты.
Нракпгісск.ія пенноеіь реэулыаюп подтверждается авторским свидетельством, жепс-римсніа.'іі.ш.іми регутиаіамн самолетных испытаний, проходившими в течении ряда лет из самолете IIJI-IN - jici.iioiiicii лаборагории Института Радиотехники и Электроники (ИРЭ) РАМ. а также рсіулмаїами обработки экспериментальных данных, полученных с РСЛ "АЛМАЗ-Г'.
Результаты, полученные в диссертационной работе, являются теоретической и реализационной основой для разработки радиотехнических систем и устройств, служащих для обработки сигналов, отраженных от поверхностно-распределенных объектов, применяемых в различных областях хозяйствования, в частности, например, в авиации.
Реалиjamijг^боты. Проведенные в диссертационной работе исследования отражены в межвузовских научно-исследовательских работах, выполненных в Московском энергетическом институте по программе "ФИЗМАТ1 с 1993 по 1996 гг. по техническим заданиям Московского фтико-технического института.
Основные результаты работы внедрены в разработки Особого конструкторского бюро Московски о энергетического института. По результатам диссертационной работы сделаны и приняты предложения по разработке перспективного варианта ПРВ космического базирования, мрелпашаченною к установке на международную станцию "АЛЬФА". Результаты исследований использованы в учебном процессе в курсах "Локационные методы космической радиофизики". "Дистанционное радиозондирование в задачах исследования природных ресурсов Земли". "Системы локации и навигации" читаемых автором на Радиотехническом факультете Московского Энергетического Института (МЭИ), по результатам диссертации написано 4 учебных пособия.
Достоверность результатов основана на корректном применении статистических методов, использовании современной теории РСА и теории радиовысотометрии, на экспериментальных данных, полученных в самолетных испытаниях ПРВ и на экспериментальных данных, полученных с РСА "АЛМАЗ-Г*.
Апробация работы. Основные результаты были доложены и одобрены: на научно-технических семинарах в МЭИ. ГАСБУ, Институте океанологии им П.П. Ширшова РАН, Институте радиотехники и электроники РАИ, Особом конструкторском бюро (ОКБ) МЭИ, на научно-технических конференциях Московского Энергетического Института (МЭИ, 1975, 1978. 1980. I9S:. 1985. 1988. 1990, 1992гг.); на заседании подсекции "Радиофизические исследования земных покровов" научного совета по комплексной проблеме "Распространение радиоволн" (ИРЭ РАН. 1982г. ); на Межведомственных семинарах "Неконтактные методы измерения океанографических параметров*' (Ленинградское отделение Государственного океанографического института, 1978г.; Москва, ВДНХ, 1983г.); на Всесоюзном семинаре "Технические средства для государственной системе контроля природной среды" (АН СССР, г. Обнинск. 1981г.); на международном симпозиуме по использованию СВЧ радиоволн в дистанционном зондировании (Тулуза, Франция, 1984г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы радиоэлектроники" (Москва, МЭИ, 1988г.); на советско-американском симпозиуме "Исследования океана из космоса" (Москва, институт океанологии им. П.П. Ширшова, АН СССР, июнь 1991г.); на IV Международной конференции "Распространение радиоволн" (Вологда, июнь 1994г.); на Международной конференции 100-летие начала использования радио (Москва, май, 1995г.); на Международном симпозиуме по космическим системам связи и дистанционному зондированию (Сиань, Китай, сентябрь, 1995г.); на научно-технической конференции "Современные научно-технические проблемы гражданской авиации" (28-29 мая 1996г. Москва, Московский государственный технический университет гражданской авиации); на XVIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн (17-19 сентября 1996г., С. Петербург, Российская академия наук, Научный совет по комплексной проблеме "Распространение радиоволн"); на Международной конфе-
ретши "Проблемы фуидамеитальной физики" (7-12 октября 1996г., Саратов, Саратовский государственный университет).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовало 42 печатных работы в том числе 4 учебных пособия и одно авторское свидетельство на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы и четырех приложений; диссертация содержит 250 страниц текста, 226 рисунков, 14 таблиц, списка литературы на 12 страницах и 156 страниц приложений.
