Методы дистанционного зондирования Земли радарами с синтезированной апертурой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

ЗАХАРОВ Александр Иванович

МЕТОДЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ РАДАРАМИ С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ

Специальность 01.04.03 — «Радиофизика»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук

1 я ДПР 2013

Фрязино - 2012

005052134

Работа выполнена во Фрязинском филиале Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН (ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН)

Официальные оппоненты: Неронский Леон Богуславович,

доктор технических наук, профессор, ОАО «Концерн радиостроения «ВЕГА», главный научный сотрудник отдела 7

Кутуза Борис Георгиевич,

доктор физико-математических наук, профессор, ФГБУН Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, зав. лабораторией радиофизических методов в аэрокосмических исследованиях природно-техногенной среды

Переслепш Сергей Владимирович,

доктор физико-математических наук, ФГБУН Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, ведущий научный сотрудник лаборатории оптики океана

Ведущая организация: ФГУП "Центральный научно-исследовательск

институт машиностроения"

Защита состоится «Д» мая 2013 г. в 10-00, на заседании диссертационного совета Д 002.231.02 при ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН по адресу: 125009, Москва, ул. Моховая, д. 11, к.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ им. ВА. Котельникова РАН.

Автореферат разослан «Л$>

Учёный секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук ' А.А.Потапов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящее время вопросы создания и эксплуатации спутниковыхрадаров с синтезированной апертурой (РСА) для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) пользуются заслуженным вниманием во всё мире. Основными достоинствами этих систем съёмки являются нетребовательность к условиям освещенности исследуемого района и нечувствительность к погодпым условиям в зоне съемки в сочетании с достаточно высоким пространственным разрешением.

В отличие от оптических снимков, радиолокационные изображения содержат фазовую информацию, которая может быть полезна в неменьшей степени, нежели широко используемая интенсивность обратного рассеяния радиосигнала. Так, разность начальных фаз сигналов элементов радиолокационных изображений в схеме интерферометрической съемки с повторяющихся траекторий носителя содержит информацию о рельефе поверхности и мелкомасштабных изме-нениях'смещениях подстилающих покровов за время между съемками.

Современные результаты исследований применимости данных РСА показывают, что извлечь наиболее полную информацию о структуре отражающего слоя поверхности можно путём привлечения двух или более информационных каналов, отличающихся различными параметрами зондирующего сигнала, поляризацией радиоволны на излучении/приеме, ракурсами съемки. Использование многоканальных радиолокационных данных, получепныхна разных поляризациях и длинах волн, несет качественно новую информацию по сравнению с о дно канальной радиолокационной системой. Интерферометрические наблюдения поверхности Земли с помощью РСА —также одно из самых современных направлений исследования в ДЗЗ.

Среди созданных ранее, а также работающих в настоящее время можно назвать такие радары, как 8ЕА8АТ, 81Я-А, 81Я-В (США), 81Я-С/Х и вЯТМ (США, Германия), Е118-1, ЕЯ8-2, Е1ЧУ18АТ (Европейское Космическое Агентство), ЯАОАЯ8АТ-1, 2 (Канада), ЛЕКБ-1 и РА Е8А Я (Япония), Тегга8АЯ-Х (Германия), Совшо-ЗкуМЕО (Италия). Среди успешно эксплуатировавшихся отечественных РСА можно упомянуть «Космос-1870» и «Алмаз-1».

В России к настоящему времени нет полноценного средства радарного наблюдения Земли из космоса в виде РСА. Нет также единого представления о требуемых параметрах радара, предпочтительных для решения отечественных прикладных и научных задач, о наборе задач, которые может решать радар в

зависимости от таких параметров, как длина волны несущей, состав поляриза-ционныхизмерений и др.

Актуальность исследований обусловлена необходимостью уточнения возможностей космических РСА, разработки новых методов обработки информации и поиском новых приложений радиолокационных данных, определением и уточнением возможностей РСА в решении задач дистанционного зондирования Земли, а также необходимостью выработки рекомендаций по предпочтительным параметрам перспективного отечественного РСА.

Основной целью данного исследования является определение возможностей РСА в дистанционной зондировании Земли и выработка требований к перспективному космическому РСА, предназначенному для решения научных и при-кладныхзадач сучетом интересов отечественных потребителей. Основными задачами, решаемыми в работе, являются:

- рассмотрение основных соотношений в радиолокационной системе и определение ключевых параметров РСА, позволяющих эффективно решать задачи наблюдения Земли;

-демонстрация возможностей РСА при решении различных тематических задач ДЗЗ;

- анализ метода интерферометрической съемки рельефа поверхности Земли, разработка новых алгоритмов обработки информации, демонстрация новых возможностей интерферометрической съемки;

- исследование возможностей радарной поляриметрии при съемке поверхности Земли, сравнение различных схем организации поляриметрических измерений, теоретическое обоснование выбора наиболее эффективной схемы, демонстрация новыхвозможностей поляриметрических измерений;

- исследование влияния атмосферы на искажение радиолокационной информации, разработка метода компенсации эффекта Фарадея при измерениях полной матрицы рассеяния земных покровов;

- разработка новых методов внешней калибровки космического РСА, демонстрация возможностей новых калибровочных целей па примере обработки данных экспериментов с современными РСА;

- сравнение различных схем построения РСА и выбор параметров перспективного отечественного РСА.

Научная новизна. В диссертационной работе проанализированы основные соотношения, определяющие параметры РСА и характеристики получаемой информации, влияние интегрального уровня боковых лепестков на свойства полу-

чаемого радарного изображения. Исследована возможность решения различных тематических задач в зависимости от параметров используемого РСА, продемонстрированы новые возможности радиолокационных измерений при ком-плексировании радиолокационных измерений, в том числе при разновременном картировании, интерферометрической съемке и измерении полной матрицы рассеяния естественных покровов. Разработаны новые методы обработки данных в интерферометрической схеме съемки рельефа, получены новые результаты по наблюдению динамики подстилающей поверхности. Отмечена важность калибровочного обеспечения современных РСА и исследованы принципиально новые средства внешней калибровки. Проведен анализ списка решаемых задач и обоснованы предпочтительные параметры перспективного РСА, предназначенного для решения научных и прикладных задач отечественного потребителя. Выполнен расчет влияния атмосферных пеоднородностей па характеристики радиолокационного материала, разработана методика измерения эффекта Фарадея на измерения полной матрицы рассеяния и коррекции искажений по измерениям поляриметрического РСА. Исследованы различные варианты структуры перспективного РСА в зависимости от способа разделения поляризационных изм е-рений, проведен сравнительный анализ этих схем и даны рекомендации по наиболее предпочтительной структуре и параметрам перспективного поляриметрического РСА.

Достоверность и обоснованность полученных соискателем результатов достигнута корректной постановкой проблем, строгостью выполненного физико-математического анализа и используемого математического аппарата. Результаты подтверждаются физическими представлениями о механизме рассеяния сигнала отражающими объектами, анализом экспериментальных данных современных зарубежных космических радаров, материалами других авторов, коллег по совместным работам и из смежных отраслей, а также выводами исследований, проводившихся в нашей стране и за рубежом, апробацией работы па междуна-родпыхи Российских конференциях и публикациями соискателя. Методы анализа, принят!,те в диссертации, базируются па устоявшихся физических представлениях о механизме рассеяния радиоволн поверхностью, принципах организации и функционирования радиолокационных систем дистанционного зондирования Земли, на строгих математических методах анализа когерентности рассеянных сигналов и исследовании составляющих параметра де-корреляции, позволяющих оценивать степень влияния различных источников искажения информации.

Основные положения, вынесенные на защиту

По степени мешающего влияния интегрального уровня боковых лепестков автокорреляционной функции, сигналы с линейной частотной модуляцией являются предпочтительным видом сигналов при радарном картировании протяженных покровов.

Радиолокационная интерферометрия - эффективный метод измерения рельефа поверхности и обнаружения динамики поверхности за время между съемками с субсантиметровой точностью.

Радиолокационная поляриметрия — эффективный метод изучения свойств подстилающей поверхности при условии корректной организации измерений матрицы рассеяния.

Искажающее влияние фарадеевского вращения плоскости поляризации сигнала калиброванного поляриметрического радара с синтезированной апертурой при зондировании подстилающих покровов можно определить по измерениям полной матрицы рассеяния поверхности и скомпенсировать. Результаты многолетнего эксперимента показывают, что новые средства внешней радиометрической калибровки — искусственные постоянные отражатели на базе параболических антенн ОКБ МЭИ обладают высокой временной стабильностью, сравнимой со стабильностью лучших образцов калибровочных целей типа уголковых отражателей или транспондеров. - Поляриметрический радар Ь-диапазона является наиболее предпочтительным перспективным поляриметрического радаром с синтезированной апертурой для решения отечественных научных и прикладных задач ДЗЗ. Прикладная значимость работы заключается в создании новых методов обработки информации РСА, демонстрации возможности решения новых тематических задач, развитии методов внешней калибровки РСА, обосновании параметров перспективного РСА для России.

Научно-практическое значение работы состоит в следующем:

- показано, что интегральный уровень боковых лепестков двумерной функции неопределенности может оказывать существенное влияние на качество радиолокационных измерений, особенно на измерения начальной фазы сигнала при интерферометрической съемке рельефа; сигнал с линейной частотной модуляцией является наиболее предпочтительным в дистанционном зондировании Земли по сравнению с другими используемыми в радиолокации сигналами;

- рассмотрены различные методы тематического анализа амплитудной радиолокационной информации, полученной в различных диапазонах волн и на

разных поляризациях сигнала, и приведены примеры её использования при решении ряда задач ДЗЗ. Приведенные примеры дают представление о зависимости эффективности решения тематических задач от параметров радиолокационной съемки;

- предложен новый метод выявления естественных постоянных отражателей для ограниченного набора радиолокационных снимков и проведена успешная обработка данных радара ТеггаЗАЯ-Х для опасных карстовых и оползневых участков в зоне железных дорог и газопроводов, в результате которой показана возможность измерения подвижек почв с миллиметровой точностью. Отмечено, что использование длинноволновых радаров типа японского радара РЛЬЭЛЯ Ь-диапазона позволяет снизить остроту проблемы временной декорреляции;

- предложен новый подход к оценке искажения элементов полной матрицы рассеяния естественных покровов для поляриметрического РСА, проведено сравнение различных схем разделения измерений элементов полной матрицы рассеяния с точки зрения потери информации, потоков данных, аппаратурных требований, и даны рекомендации по наиболее перспективным схемам.

- показана возможность оценки угла фарадеевского вращения по разности фаз внедиагопальныхэлементов матрицы рассеяния в круговом базисе. Отмечено преимущество кругового базиса для решения этой задачи, заключающееся в том, что уклоны рельефа поверхности не вносят искажений в измерения угла фарадеевского вращения и могут быть в свою очередь оценены через разность фаз диагональныхэлементов матрицы рассеяния в круговом базисе;

- исследован новый тип калибровочных целей - параболические антенны с диаметром зеркала 4.7 м калибровочного полигона ОКБ МЭИ «Медвежьи Озера», имеющие ЭПР 49дБм2 в С-диапазоне, показана высокая радиометрическая стабильность этих калибровочных целей. По результатам анализа радарных снимков полигона ОКБ МЭИ получена оценка параметров искажающих матриц этого поляриметрического РСА на излучении и приеме;

- разработана методика поиска наземных естественных стабильных отражателей и в результате обработки серии из полусотни снимков радара РЛЬБАЯ показано, что существуют стабильные естественные отражатели со стабильностью лучшей, чем у калибровочных антенн ОКБ МЭИ;

- проведено исследование списка решаемых с помощью РСА задач дистанционного зондирования в зависимости от таких его параметров, как разрешение, длина волны несущей, поляризация сигнала, точность калибровки. Обосновано преимущество Ь-диапазона для работы перспективного Российского РСА, пред-

ложены его основные параметры, такие как состав поляризационных измерений, режимы работы, разрешающая способность и др.;

- рассмотрены варианты организации поляризационных измерений, проведено их сравнение и предложены наиболее предпочтительные параметры перспективного отечественного РСА.

Апробация работы: результаты работы, изложенные в диссертации, докладывались на международных, всероссийских, отраслевых конференциях и симпозиумах: на международных семинарах по калибровке радаров с синтезированной апертурой CEOS SAR Workshop в Нидерландах, США, Японии в 1993, 1994, 1998, 2001 гг.; на Генеральных ассамблеях URSI во Франции и Индии в 1996 и 2004 гг.; на Европейских конференциях по радарам с синтезированной апертурой EU SAR в 2000, 2004, 2006, 2008, 2010 гг.; на Международных симпозиумах по дистанционному зондированию IGARSS в 1999, 2000, 2003, 2011, 2012 гг.; на XIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн., Санкт-Петербург, 1996 г.; на Всероссийских симпозиумах «Радиолокационное иследо-вание природных сред», Санкт-Петербург, в 2002, 2004, 2006, 2007, 2009 гг.; на Международной научно-технической конференции "К.Э.Циолковский - 140 лет со дня рождения", Рязань, 1997 г.; па Всероссийской научной конференции "Физические проблемы экологии (физическая экология)", Москва,1997 г.; на II Всероссийском совещании "Аэрокосмические методы и геоинформационные системы в лесоведении и лесном хозяйстве", Москва, 1998 г.; на III Всероссийской научной конференции "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды", Муром, 1999 г. ;на 3й Международной научно-технической конференции "Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоэкоинфор-матика", Рязань, 2000; на Всероссийской научной конференции "Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими методами", Муром, 2001 г.; на V Международной конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации - ПТСПИ'2003», г.Владимир, 2003 и 2004 гг.; на Всероссийских открытых конференциях «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.; на Симпозиуме ERS-Envisat Symposium, Sweden, 2000; на Симпозиуме ENVISAT-ERS Symposium, Austria, 2004 г.; на XXII Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (РРВ-22), Ростов-на-Допу, 2008 г.; на Всероссийской научной школе и конференции "Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред", Муром. 2009, 2010, 2012 гг.; па X Всероссийской конференции «Проблемы монито-

ринга окружающей среды (ЕМ-2009)», Кемерово, 2009 г.; на Первой молодежной тектонофизической школе-семинаре, Москва, ИФЗ им. О.Ю.Шмидта РАН,

2009 г.; на Всероссийских конференциях «Радиолокация и радиосвязь». Москва, ИРЭ РАН, 2009, 2010 гг.; на Российской научной конференции «Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой». Улан-Удэ, 2010; на II Всероссийском семинаре «Геодинамика. Геомеханика и геофизика»., п. Новый Энхалук, Республика Бурятия, 2011 г.; на IX Международном симпозиуме по проблемам инженерного мерзлотоведения, г. Мирный, 2011 г.; на Международной IEEE Сибирской Конференции по управлению и связи SIBCON, Красноярск, 2011 г.; на 21-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2011 г.; на 5-ом Белорусском космическом конгрессе, Минск, 2011 г.; на Международных семинарах по научным и прикладным задачам радарной поляриметрии и поляриметрической интерферометрии (POLINSAR), Италия, 2007, 2009 гг.; на Симпозиумах руководителей научных проектов A LOS PI Symposium, Япония, 2001, Греция 2008, Япония

2010 гг.

Личный вклад автора заключается в развитии методов анализа радиолокационной информации, организации измерений, обработке радиолокационной информации и демонстрации новых возможностей РСА при решении задач ДЗЗ. Автор руководил основными этапами выполненных работ, проводил конкретные исследования. Им проработаны теоретические вопросы организации поляриметрической съемки естественных покровов, разработаны новые методы обработки данных интерферометрической съемки поверхности Земли, проведено исследование возможностей РСА при решении задач ДЗЗ в зависимости от его параметров.

В работе были использованы данные современных зарубежных радаров космического базирования ERS-1/2, ENVISAT, PALSAR, JERS-1, SIR-C, TerraSAR-X, полученных в рамках научных проектов, во многих из которых автор был научным руководителем:

• АОЗ-246: "The ecological consequences of the accident at the Chernobyl power plant in 1986 based on the analysis of ERS archival data",

• АОЗ-276 Observation of flooding of Caspian sea shore process based on the analysis of ERS-1 AND ERS-2 data,

• A03-343: "Research and development of highly efficient calibration techniques for spaceborne SAR systems on the base of ground based reflector antennas",

• INTAS № 97-1040«Establishing a Regional System for Ecological Monitoring in the Lake Baikal Region»,

• ENVISAT-AO-549 "Observation of Caspian coastal area evolution caused by rise of the sea level",

• ENVISAT-A0-702 "Research of tectonic activity in the Tien-Shan and Caucasus areas based on the ENVISAT ASAR repeated orbits interferometry",

• ENVISAT-AO 774: "Research of ENVISAT ASAR full Polarimetrie capability in the repeated orbits mode of observations",

• ERS Pilot Projects -1472 "Evaluation of applicability of ERS INSAR data for monitoring of Yamburg gas pipeline state",

• ERS Pilot Projects -3394 "ISLAND: Interferometric Study of Landslides-Associated Nowadays Displacements in urban territories located on the Volga River banks (Ulyanovsk city)",

• ERS Pilot Projects - 6320 "Evaluation of the natural and man-caused hazard around North-Muya railway tunnel (North Muya ridge, Siberia)",

• ALOS-102: "Study of new calibration techniques and applications for PALSAR Polarimetrie mode",

• ALOS-570 "Seasonal variations of Polarimetrie properties of forests backscatter on PALSAR data",

• ALOS-595 "PALSAR observations for determination of oil and gas in the geological reconnaissance activities "INFOTERRA Pilot project "TerraSAR-X Data Evaluation (Railway Monitoring and Oil & Gas Applications)",

• FP-6 Project INTEGRAL "Interferometric Evaluation of Glaciers Rheology and Alterations",

• Международный комплексный целевой проект "Природа".

В результате анализа большого объема радиолокационной информации получен ценный фактический материал по радиофизическим свойствам подстилающей поверхности, использованный автором для демонстрации возможностей РСА при решении тематических задач и выработке рекомендаций по параметрам отечественного перспективного космического РСА. Автор выражает признательность ESA, JAXA, NASA, INFOTERRA заданные современных РСА, предоставленные в рамках перечисленных выше научныхпроектов. Публикации: по теме диссертации соискателем опубликовано более 140 статей и докладов; основные результаты диссертации достаточно полно отражены в приведённых ниже 55 публикациях, включая монографию, 2 патента на изобретения, 32 статьи, 29 из которых входят в Перечень изданий, определенный ВАК

РФ, и 20 докладов на конференциях. Соискателем были сделаны доклады па коллегиях, семинарах и научных советах ряда научных центров, в том числе в Федеральном космическом агентстве, ЦНИИМАШ, ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН и др.

Структура и объем диссертации: диссертационная работа состоит из введения, семи глав и заключения. Работа изложена на 370 страницах, содержит 133 рисунка, 36 таблиц и библиографический список из 255 наименований.

СОДЕРЖАНИ Е РАБОТЫ Во введении показана актуальность выполненного исследования, обоснована важность и необходимость применения спутникового радиолокационного зондирования для мониторинга состояния земных покровов. Сформулированы цели и задачи диссертационной работы, обозначены объект и предмет исследования, изложены методы исследования, показан личный вклад автора в изучение данной проблемы, представлены научная новизна и практическая значимость полученных результатов и обоснована их достоверность. Сформулированы основные положения, вынесенные на защиту.

В первой главе приведены сведения об организации измерений космическими радиолокаторами с синтезированной апертурой (РСА), даны основные соотношения, позволяющие судить о параметрах получаемого радиолокационного изображения. Выведены точные выражения для расчета фокусирующей функции, используемой при синтезе радиолокационного изображения.

Особое внимание уделено свойствам двумерной функции неопределенности сложного зондирующего сигнала, поскольку интегральный уровень боковых лепестков двумерной функции неопределенности может оказывать существенное влияние на качество радиолокационных измерений, особенно на измерения начальной фазы сигнала при интерферометрической съемке рельефа. Проведено сравнение уровня боковых лепестков двух видов сигналов: с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) и фазокодомапипулированных (ФКМ) сигналов на примере реализаций длиной 127 элементов. На рис.1 показан интегральный уровень боковых лепестков 5/ в зависимости от их удаленности от главного лепестка автокорреляционной функции (АКФ) сигналов, которая вычислена по формуле

126

5/, = %АК¥гп ,

п=к

где АКРп - отсчеты АКФ сигнала. Этот параметр позволяет оценить суммарный уровень дальних боковых лепестков, начиная с элемента к до конца АКФ.

На рис. 1 видно, что у ЛЧМ-сигнала основной вклад вносят несколько первых лепестков. Начиная с 5-го лепестка интегральный уровень мешающих отражений не превышает —20 дБ. У ФКМ-сигнала интегральный уровень начинается с -8 дБ и держится выше -10 дБ практически до середины АКФ. Видно, что по этому показателю ФКМ-сигнал хуже ЛЧМ-сигнала примерно на 10 дБ. о

Б1, дБ

10 -20 -30 -40

0 20 40 60 80 100 120 140

к

Рис. 1. Интегральный уровень удаленных боковых лепестков Л ЧМ (сплошная линия) и ФКМ (прерывистая линия) сигналов

Следствием этой особенности АКФ ФКМ-сигнала будет сильное влияние весьма удаленных протяженных объектов на качество выделения полезного сигнала в главном лепестке АКФ. Проведем сравнение ЛЧМ- и ФКМ-сигналов на примере радиолокационной съемки модельной поверхности с удельной эффективной площадью рассеяния (УЭПР) /-го элемента поверхности сг и случайной начальной фазой распределенной равномерно на интервале [0;2 К). Выражение для реализации сигнала поверхности может быть записано в следующем виде:

где /- номер отражающего элемента поверхности.

Пусть сравниваемые зондирующие ЛЧМ- и ФКМ-сигналы имеют длину 8191 отсчет, длительность элементарного импульса ФКМ-сигнала и девиация частоты ЛЧМ-сигнала обеспечивают разрешение по поверхности 1 м. Зададим снимаемую поверхность в виде трех участков различной яркости, так что для элементов 12000-20000 сг =0 дБ, а для участков слева и справа — на некоторую величину 8 меньше.

Отраженный сигнал поверхности г1 при использовании длинного зондирующего импульса можно записать в виде свертки

п = '

7=0

где от/-отсчеты зондирующего импульса.

Стандартной процедурой при получении высокого разрешения является согласованная фильтрация отраженного сигнала с использованием копии зондирующего сигнала в качестве импульсной характеристики фильтра. Эта операция обычно выполняется в частотной области с использованием алгоритма БПФ. Восстановленное таким образом изображение с высоким разрешением можно сравнить по интенсивности и фазе с исходным, чтобы оцепить искажающее влияние свойств зондирующего сигнала. На рис. 2 и 3 ниже приводятся графики УЭПР отражающей поверхности и ошибки начальной фазы сигнала поверхности как разности фаз исходного сигнала и полученного после съемки и согласованной фильтрации, для ЛЧМ- и Ф1Ш-сигналов с длиной реализации 8191 элемент. В данном примере УЭПР центрального участка длиной 8192 отсчета на 8=8 дБ больше, чем соседних участков.

На графиках фазовой ошибки особенно хорошо виден недостаток ФКМ-сишала по сравнению с ЛЧМ. Если в пределах ярко отражающей поверхности (пиксели 12000-20000) боковые лепестки ЛЧМ-сигнала приводят к фазовым ошибкам порядка 3°, то у ФКМ они достигают 20°, что означает семикратно худшую точность измерений фазы. Наиболее разительно влияние боковых лепестков ФКМ-сигнала на слабо отражающей поверхности по соседству с которой имеется ярко отражающая. Если у ЛЧМ на участке с пикселами 5000-12000 фазовая ошибка возрастает до 5°, то у ФКМ - до 60°, что делает фазовые измерения практически неинформативными. На графиках УЭПР также заметно деструктивное влияние боковых лепестков, приводящее к сильному зашумлению участка изображения с низкой яркостью по соседству с ярким участком.

Можно утверждать, что при использовании М-последовательности длиной 8191 отсчет для радара с разрешением 1 м качество измерений в полосе слабо отражающей поверхности шириной более 4 км по соседству с яркой протяженной областью становятся заметно хуже.

УЭПР реальных объектов поверхности, равно как и структура поверхности могут меняться в больших пределах. Для иллюстрации результатов исследования в условиях, приближенных к реальным, можно взять радарные изображения в X-диапазоне, полученные с борта аппарата Шаттл в 1994 г. Нами использованы радарные изображения ряда участков по Подмосковью, района Чернобыльской АЭС, побережья Каспийского моря, Забайкалья с различными формами

рельефа поверхности и значениями УЭПР в широком диапазоне. В ходе моделирования реальные значения УЭПР поверхности на этих изображениях были подставлены в (1) ю

сШоО

о -10

о 5000 МО4 1.5-104 2-Ю4 2.5 104

ISO

Лф 120 60 О -60 -120 -ISO

0 5000 МО4 1.5-m4 2-Ю4 2.5-104

i

Рис. 2. УЭПР и ошибки фазы для ЛЧМ-сигнала при скачке УЭПР 8 дБ.

dBaO

lili

ff^l 1 1 Pfff 1 f1y 1 ¡fff-

1S0

Лф 120 60 0 -60 -120 -180

0 5000 1104 1.5 104 2-Ю4 2.5 104

i

Рис. 3. УЭПР и ошибки фазы для ФКМ-сигнала при скач ке УЭПР 8 дБ.

Оказалось, что перепады УЭПР естественных покровов равнинных районов находятся чаще всего в пределах 5-7 дБ, что приводит к заметному усилению искажений информации при использовании М-последователыюстей. Более сильные перепады УЭПР характерны для урбанизированных и хозяйственных территорий. Вследствие этого сигнал поверхности виутриквартальпых территорий серьезно искажается из-за просочившегося сильного отраженного сигнала соседних домов и других построек. Слабый сигнал гладких естественных объектов типа невспаханных полей или искусственных - автодорог, полос аэродромов - в значительной степени перекрывается сигналом более яркого окружения. Наиболее серьезными являются искажения сигнала для пересеченного рельефа в гористой местности, когда сильный сигнал обращенных к радару ярких склонов просачивается через боковые лепестки и добавляется в сигнал слабо отражаю-щихобратиых склонов.

Проведённые исследования позволяют сделать следующий вывод: высокий интегральный уровень равномерно распределенных по дальности боковых лепестков ФКМ-сигналов делает невозможными качественные измерения УЭПР и фазы отраженного сигнала для слабо отражающих поверхностей по соседству с яркими. Последнее обстоятельство делает применение фазокодоманипулиро-ванныхсигналов в иптерферометрическихсхемахизмерепий неприемлемым.

Глава завершается проведением анализа параметров существующих и перспективных зарубежных радиолокационных проектов и основных направлений совершенствования технологии радиолокационных наблюдений Земли.

Вторая глава посвящена исследованию различных методов тематического анализа амплитудной радиолокационной информации, полученной в различных диапазонах воли и на разных поляризациях сигнала. Приведены примеры тематической обработки данных радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА) при решении ряда задач ДЗЗ. Для целей демонстрации возможностей радиолокационной съемки использованы данные таких радаров как SIR-C, ERS, ENVISAT, PALSAR по ряду тестовых полигонов на территории России. Для верификации результатов тематического анализа привлечены данные наземных подспутниковых наблюдений, в сборе которых автор принимал непосредственное участие. Показано преимущество данных L-диапазона для различения и картирования хвойныхи листвеиныхлесов по сравнению с данными С-диапазона.

В ходе обработки данных по району Чернобыльской АЭС отмечено преимущество более длинноволнового диапазона для изучения состояния лесных массивов. Однако отмечено, что данные С-диапазона могут быть пригодны для вы-

явления участков погибшего леса и гарей при условии анализа серии разновременных измерений, охватывающей различные сезоны года и при использовании снимков, полученных в различных метеоусловиях во время проведения измерений. Особенно эффективным оказалось использование разновременных радиолокационных изображений С-диапазона при картировании лесных гарей в Забайкалье и почв различной степени и временной динамики увлажненности в Баргузинской долине.

На примере обработки серии разновременных радиолокационных изображений С-диапазона по побережью Каспийского моря отмечена эффективность этого диапазона при картировании видов луговой растительности, сделано заключение о том, что использование радиолокационных снимков дает более широкие возможности для классификации типов поверхности в этом районе, чем использование оптических снимков. Приведенные во второй главе примеры подтверждают зависимость эффективности решения тематических задач от параметров радиолокационной съемки.

В третьей главе обсуждается один из перспективных методов комнлексиро-вания радиолокационной информации — интерферометрическая обработка радарных данных. Изложены основы метода интерферометрической съемки поверхности радарами с синтезированной апертурой, предложен новый алгоритм разворота разности фаз на интерферограмме, базирующийся на оценке локальной пространственной частоты, и на примере обработки большого набора дан-ныхразличных космическихаппаратов продемонстрированы возможности этого метода для решения задачи измерения рельефа и выявления подвижек подстилающей поверхности.

Интерферограмма как исходный материал для измерений рельефа или динамики поверхности является результатом поэлементного комплексного перемножения сигналов (У/ и иотражённых одним и тем же элементом поверхности и принятыхв точках пространства А] и Аг соответственно:

ихи*2 = щи2 ехр(./<?/?1 -(р2)) = щи 2 ехр(у27г2ЛгЛ~'), (2)

где и1 и и2 — амплитуды сигналов, Аг — разность расстояний от точек съемки до выбранного элемента поверхности, Л — длина волны. Разность фаз на интерферограмме А(р — (рх~ (р2 из (2), зависящая от разности наклонных дальностей, характеризует не только рельеф поверхности. На величину разности фаз влияют также мелкомасштабные площадные смещения поверхности (динамика поверхности) А(р^ за время между съемками, атмосферные

флуктуации электрической длины пути сигнала радара Афа , шумы системы измерений А(рп и неизвестная начальная разность фаз Д<Ро :

Аср = А<р, + А(ра + А<ра + А <рп + А<р0

Особое внимание должно быть уделено ошибкам измерений рельефа и динамики поверхности методам" дифференциальной радарной интерферометрии. Ошибка измерения иптерферометрической разности фаз СГр может быть оценена с помощью выражения для плотности вероятности распределения разности фаз двух коррелированных случайных процессов. Известно, что разность фаз гауссовых сигналов (р имеет распределение, зависящее от нормированного коэффициента корреляции, или когерентности ^сигналов, определяемого как

где и г2 -сигналы, Е{} - операция усреднения.

Различают несколько источников декорреляции / потери когерентности отраженных сигналов. Декорреляция сигналов может быть следствием выпадения осадков, деформации микрорельефа поверхности вследствие ветровых колебаний растительных покровов и других причин, что может бы-Л, обнаружено на карте когерентности изображений. Свой вклад вносят геометрия съемки и шумы системы приема и обработки.

Зависимость нормированного коэффициента корреляции от геометрии съемки и параметров радиотехнических бортовой системы может быть получена исходя из представлений о некоррелированности шумов системы приема и обработки Уы И шумов декорреляции отраженного сигнала выбранного элемента поверхности при приеме с различных точек наблюдения у5р, вследствие чего у = УИ • узр• Более общее выражение для уровня декорреляции учитывает временную декорреляцию отражений у1етр ПРИ измерениях проводимых с повторяющихся орбит космического аппарата за время между съемками, а также объемную декорреляцию, наблюдающуюся, например, при зондировании слоев растительных покровов ууо1- В этом случае у = уы • У ер • угапр- Ууо1-

Приведенное в работе выражение для пространственной декорреляции показывает, что с увеличением размера пространственной базы интерферометра (её перпендикулярной распространению сигнала компоненты) растет степень пространственной декорреляции и увеличивается уровень шумов измерений разно-

сти фаз. В то же время, при решении задачи измерения высот рельефа с увеличением базы интерферометра растет чу ветви те льность к вариациям высот рельефа. Исходя из этого, оптимальный размер базы выбирается с учётом решаемой задачи (динамика поверхности или измерения рельефа) и заданных точностей измерений.

Временная декорреляция у(етр является слабо формализуемым фактором. Опыт работы с данными современных радаров показывает, что увеличение интервала времени между съемками приводит к росту временной декорреляции. При этом для сигналов радарной съемки в длинноволновом диапазоне (например, Ь-диапазоне) характерна меньшая степень временной декорреляции.

Таким образом, наличие пространственно-временной декорреляции, а также присутствие шумов измерений является фактором, ограничивающим точность проведения интерферометрических измерений рельефа и динамики подстилающей поверхности. В то же время, временная декорреляция является ценным источником информации о типах подстилающей поверхности и широко используется для целей тематического анализа радарных данных.

Приведены результаты пионерских работ автора по обработке данных РСА методами интерферометрии. Па рис. 4 приведены изображение и интерферо-грамма для ледовых покровов в заливе Алашеева у побережья Антарктиды, построенные автором в 1992 году по данным отечественного РСА «Алмаз-1», где впервые в России была показана возможность наблюдения динамики ледовых покровов вследствие приливных явлений.

Рис. 4. Фрагмент изображения (А) и интерферограмма (Б): залив Алашеева.

На интерферограмме полутома передают информацию о разности фаз: уровень черного соответствует пулевой разности фаз, а уровень белого — 2л. Вытянутое по вертикали ледяное возвышение (1) на побережье (левый край изображения) выделяется на рис. 4Б благодаря замкнутому контуру равных разностей фаз на интерферограмме. Измеренный по интерферограмме полный фазовый набег в Зя для этого ледяного возвышения означает наличие перепада высот от края к центру на 63 м. Более темная правая часть изображения относится к поверхности залива, покрытой льдом (2). Пять интерференционных полос на участке ледовой поверхности залива длиной в 1 км, наблюдаемые в правой части интерферограммы, не могут быть обусловлены рельефом, поскольку относятся к ледовой поверхности залива. В то же время, смещение дальнего края ледового покрова относительно береговой линии на 33 см может привести к такому фазовому набегу. Это предположение хорошо подтверждается оценками колебаний уровня водной поверхности в заливе из-за лунных приливов. Согласно численной модели приливов, различие между уровнем воды в заливе па моменты съемки составляло 38 см.

С помощью метода радарной интерферометрии автором в 1997 году показана возможность выявления подвижек поверхности в Баргузинской долине вследствие землетрясения, продемонстрированы возможности интерферометрии для обнаружения динамики инфраструктуры газопроводов маршрута Ямбург-Ныда в зоне вечной мерзлоты в виде сантиметровых перемещений, вызванной сезонными циклами таяния/замерзаиия почв. По результатам обработки данных радара ЕК8-1/2 в 1998 году впервые показана возможность выявления колебаний уровня водной поверхности на примере прибрежной зоны тростниковых зарослей у побережья Каспийского моря. Продемонстрирована возможность мониторинга криогенных деформаций болотистых почв в дельте Селенги, оползневых деформаций железнодорожного полотна на БАМе, а также просадок почвы над лавами вследствие активной подземной выработки угля в Кузнецком бассейне.

Предложен новый метод выявления естествен пых постоянных отражателей в условиях ограниченного набора радиолокационных снимков, и по результатам обработки данных радара Тегга8А11-Х для опасных карстовых и оползневых участков в зоне железных дорог (Нижегородская область) и газопроводов (Черноморское побережье) показана возможность измерения подвижек почв с миллиметровой точностью. Обоснованы размеры уголкового отражателя, необходимого для получения заданной точности измерения подвижек почв.

Отмечено, что явление временной декорреляции при съемках с повторяющихся орбит космического аппарата сильно ограничивает возможности радарной интерферометрии, особенно в области коротковолновых диапазонов, что использование более длинноволновых радаров типа японского радара РАЬЗАЯ Ь-диапазона позволяет снизить остроту проблемы временной декорреляции.

Четвертая глава посвящена организации другого метода комплексирования информации — поляриметрической съемке естественных покровов Земли. Поляриметрический режим съемки поверхности является перспективным режимом работы, поскольку существенно расширяет возможности применения РСА для исследования земных покровов. Изложены основы радарной поляриметрии, подробно исследован и систематизирован список задач, решаемых с помощью поляриметрических РСА.

Поскольку одновременное измерение всех элементов матрицы рассеяния радаром в моностатической геометрии съемки и при одинаковых условиях наблюдения невозможно, на практике применяют разделение измерений во времени. При этом, например, сначала излучают горизонтально поляризованный сигнал, принимая отраженный на согласованной и ортогональной поляризациях, что даёт комбинацию поляризаций НН, НУ. Затем излучается вертикально поляризованный сигнал, и приём происходит снова на обеих поляризациях, при этом формируются каналы УН,УУ. В результате получается матрица рассеяния, первая строка которой относится к первому измерению, а вторая — ко второму:

51

5 =

(3)

>НН °НУ

-,2 о2

V// ¿уу

где нижние индексы указывают на поляризацию сигнала па передаче/приёме, а верхние — номер измерения.

В дополнение к классическому способу разделения измерений в работе изучены и другие способы — частотное разделение, пространственное и др. Основным критерием качества измерений является степень декорреляции измерений элементов матрицы рассеяния естественных покровов, по аналогии с декорреля-цией сигналов в схеме интерферометрической съемке рельефа, детально рассмотренной в главе 3. Проведено сравнение схем разделения измерений с точки зрения потери информации, потоков данных, аппаратурных требований, даются рекомендации по наиболее перспективным схемам.

Достоинством классического метода временного разделения является возможность корректного выполнения всех преобразований матрицы рассеяния

при решении разнообразных тематических задач, основанных на амплитудной и фазовой информации о протяженной отражающей поверхности. Недостатком -необходимость проводить измерения на удвоенной частоте повторения импульсов, следствием чего является сужение ширины полосы снимаемой поверхности.

Формирование полной матрицы рассеяния возможно путем комбинации элементов матрицы рассеяния при съемке с повторяющихся орбит, аналогично радиолокационной интерферометрии с повторяющихся орбит, описанной в главе 3. В этом случае в одном из проходов может выполняться съемка двух компонент матрицы рассеяния, скажем, НН и НУ, а во втором проходе - УН и УУ. Ограничением для такой схемы является необходимость весьма точного повторения орбит космического аппарата, как и в радарной интерферометрии с повторяющихся орбит. В противном случае пространственная декорреляция снижает точность измерения фазовыхсоотношений, а также уровней УЭПР.

Проанализирован способ разделения измерений на основе частотного разнесения сигналов, основанный на том, что зондирующие импульсы разных поляризаций излучаются одновременно (или практически одновременно) на разных частотах. Проведенное в работе исследование взаимной корреляционной функции сигналов, отраженных от протяженной цели, показало, что, будучи свободным от искажения амплитудных соотношений между элементами матрицы рассеяния, этот способ не обеспечивает правильных фазовых соотношений при съемке протяженных объектов. Только при наблюдении точечных целей с размерами, меньшими элемента разрешения на изображении, возможно правильное измерение полной матрицы рассеяния.

Проанализирован метод компактной поляриметрии, которая является современной альтернативой классической поляриметрической съёмке. Один из вариантов измерений в этой схеме предполагает одновременное излучение сигналов двух поляризаций с приемом эхо-сигналов также на двух поляризациях (режим л/4). Несмотря на смешивание элементов полной матрицы рассеяния на приеме, при определенных допущениях о свойствах и геометрии рассеивателей поверхности оказывается возможным выполнять поляриметрическую декомпозицию эхо-сигнала и выделять компоненты с различными механизмами рассеяния поверхности.

Сделано заключение, что наиболее предпочтительным может оказаться способ разнесения измерений на основе так называемыхортогональных кодов. Этот способ можно проиллюстрировать па примере ЛЧМ-сигналов с наклоном разного знака. Например, если растущая пила используется в канале Н, а падающая -

в канале V. Предполагается, что зондирующие импульсы излучаются одновременно, или с небольшим разнесением во времени. Прием смеси из согласованной и ортогональной поляризаций в каждом из поляризационных каналов и дальнейшая оцифровка смеси приводят к тому, что поток данных здесь всего лишь в два раза больше потока данных одноканальной схемы. Разделение данных различных поляризационных каналов может быть выполнено при наземной обработке, на этапе сжатия отраженных сигналов по дальности. Единственным ограничением в данном случае может оказаться уровень поляризационной развязки между каналами.

Проведено сравнение различных схем разделения измерений с точки зрения потери информации, потоков данных, аппаратурных требований. Сделано заключение, что схемы измерения с разделением по времени и ортогональным кодированием являются преимущественными при построении радиолокационной системы, предназначенной для измерения полной матрицы рассеяния. Режим с ортогональным кодированием (и похожий на него по организации режим компактной поляриметрии) позволяет получать вдвое более широкую полосу захвата и вдвое более низкий поток данных.

Даны рекомендации по наиболее перспективным режимам измерений, предполагающие возможность одновременного излучения сигналов разных поляризационных каналов, причем необходимо заложить режимы излучения как одинаковых импульсов (компактная поляриметрия), так и ортогонально кодированных импульсов (схема измерения полной матрицы рассеяния с ортогональным кодированием сигналов).

Рассмотрены различные методы преобразования и представления поляриметрической информации. Показано, что для изучения растительных покровов методами радарной поляриметрии предпочтительно использование более длинноволнового диапазона, например, Ь-диапазона.

Приведены примеры тематического анализа данных поляриметрического РСА на основе поляризационных сигнатур поверхности, поляризационной разности фаз и методов поляриметрической декомпозиции в задачах картирования , растительных покровов Московской области, дельты реки Селенги в Забайкалье и на побережье Каспия. Отмечено влияние сезонных вариаций отражательных свойств земной поверхности, приводящих к изменению радиофизических свойств растительных покровов, в том числе изменению механизмов рассеяния.

В пятой главе исследовано влияние атмосферы на прохождение сигнала РСА, приводящее к искажению синтезированного радиолокационного изобра-

жеиия в виде снижения пространственного разрешения и искажения поляриза-ционныхизмерепий. Отмечено, что на более коротких длинах волн существенно влияние тропосферных неоднородностей, индуцирующих в основном случайные флуктуации начальной фазы сигнала, что может приводить к ошибкам измерения рельефа и оценки динамики подстилающей поверхности. На примере обработки снимков побережья Каспийского моря радарами ERS-1/2 показано, что флуктуации длины пути сигнала радара порядка 2-3 см, вызванные наличием кучево-дождевых облаков в зоне съемки, могут ошибочно интерпретироваться как вариации высот рельефа поверхности порядка километра (при данной геометрии интерферометрической съемки).

На более длинных волнах сильнее сказывается влияние ионосферы. Ионосферные неоднородности, в дополнение к тропосферным, вносят искажения в .измерения радаров L-диапазона. Однако вследствие существенно большего пространственного масштаба ионосферных неоднородностей возможно оценить их влияние описанными в литературе фазоградиснтными методами и скомпенсировать.

Следует отметить, что измерения отражательных свойств зондируемых сред подвержены искажениям различной природы. Среди них аппаратурные искажения, влияние среды распространения, а также особенности геометрии съемки, в первую очередь, крупномасштабные уклоны рельефа. Для правильного использования измерений поляриметрического радара требуется коррекция измерений.

Рассмотрим последовательно влияние этих эффектов. Материалом для такого рода оценок могут служить измерения полной матрицы рассеяния S земной поверхности (3), выполненные в полном поляризационном базисе для различных комбинаций, например, горизонтальной (h) и вертикальной (v) поляризаций сигнала на излучении и приеме.

Пусть матрица вращения описывающая влияние геометрии съемки и

уклонов рельефа, имеет вид

eos О sin О — sin ¿7 cos в

W{0)--

Угол в называется сдвигом угла ориентации. Результат влияния сдвига угла ориентации на исходную матрицу рассеяния Б записывается в линейном базисе в виде матрицы М:

М = ^(-0)5040).

Преобразовав измерения матрицы рассеяния из линейного в круговой базис и рассмотрев разность фаз диагональных элементов, можно заметить, что она содержит информацию об угле ориентации 0:

Аг&{МггМ*и) = Ав-тг,

а разность внедиагональных элементов от угла в не зависит. Для измеренной матрицы М существует следующая зависимость разности фаз диагональных элементов в круговом базисе отэлементов матрицы в линейном базисе:

Агё{МггМи) = "2КС ^ '--^/Л .

| +|мАу+л/уА|

Поскольку числитель и знаменатель являются действительными числами,это позволяет провести некогерентное пространственное усреднение для улучшения статистических свойств разности фаз при измерении угла ориентации.

Фарадеевское вращение плоскости поляризации волны на угол 4^/2 (при одностороннем прохождении волны) приводит к следующему преобразованию матрицы рассеяния 8 в линейном базисе:

М = ]¥(х¥ 12)8\У(Я> 12).

Следует отметить, что знаки угла в матрицах поворота XV совпадают, что является следствием невзаимности среды распространения сигнала.

Разность фаз внедиагональных элементов матрицы М в круговом базисе составляет

Ащ(МггМ*и) = -Т¥,

и на основе последней формулы производится вычисление угла фарадеевского вращения в пределах ±90°.

Для измеренной матрицы М существует следующая зависимость разности фаз внедиагональных элементов в круговом базисе отэлементов матрицы в линейном базисе:

Аг0(Л/Х)=

\МШ+МУА -\Mfo-Mj

Поскольку числитель и знаменатель являются действительными числами, это позволяет провести некогерентное пространственное усреднение для улучшения статистических свойств оценок разности фаз.

Таким образом, разность фаз внедиагональныхэлементов матрицы содержит информацию о фарадеевском вращении. Разность фаз диагональных элементов нечувствительна к фарадеевскому вращению. Очевидным преимуществом кругового базиса для решения этой задачи, продемонстрированным здесь, является следующее: уклоны рельефа поверхности не вносят искажений в измерения угла .фарадеевского вращения, содержащиеся в разности фаз внедиагональных элементов, и могут быть в свою очередь оценены через разность фаз диагональных элементов матрицы рассеяния в круговом базисе.

В шестой главе особое внимание уделено вопросам калибровки РСА. Калибровка аппаратуры необходима для полноценного использования радиолокационной информации, включая получение предсказуемых результатов при проведении измерений в одних и тех же условиях, выявление временных вариаций геофизических параметров за время между измерениями, а также возможность сравнивать и обрабатывать совместно данные различных систем дистанционного зондирования. В этой главе проведены исследования возможности использования новых нестандартных средств калибровки РСА, предложенных специалистами ОКБ МЭИ в дополнение к стандартным устройствам внешней калибровки типа у толковых отражателей и активных калибраторов.

В качестве искусственных постоянных отражателей исследованы параболические антенные рефлекторы с диметром зеркала 4.7 метра, расположенные на полигоне ОКБ МЭИ «Медвежьи Озера». Калибровочный полигон «Медвежьи Озера» находится на северо-востоке Московской области, недалеко от МКАД. Основу калибровочного сценария составили 3 параболические антенны, конструкция которых была доработана в ОКБ МЭИ путем установки проводящих дисков и дифракционных решеток в фокальной области, что позволило расширить диаграмму антенн до 5° и снизить требования к точности наведения антенн.

Ценной информацией о радиометрических свойствах калибровочных антенн полигона были данные об уровне ЭПР и стабильности отражения, полученные в результате более чем 40 экспериментов с помощью радара ЕЯ8-2 в 1999-2004 годах (рис. 5). Видно, что стабильность уровня отражения антенны №1 очень высока. Если отбросить измерения зимы 2003-2004 года, искаженные наличием корки льда на зеркале антенны, то средняя ЭПР составляет 59 дБм2. При этом

среднеквадратичное отклонение ЭПР составило около 0.067 дБ, что сравнимо со стабильностью лучших образцов зарубежныхактивных калибраторов.

Показано, что при соответствующей модернизации антенн в виде установки дифракционной решетки в фокальной области антенны возможно проведение калибровки поляриметрического РСА.

дБм2

Рис. 5. ЭПР, дБм2, антенны №1 по данным радара ERS в 1999-2003 гг.

Приведены результаты экспериментов с японским радаром PALSAR в 20062010 годах, в которых получена оценка радиометрической стабильности работы этого радара порядка 0.5 дБ. ЭПР параболических антенн ОКБ МЭИ в L-диапазоне оказалась равной 43 дБм2.

Проведены исследования качества поляриметрической калибровки радара PALSAR. По результатам анализ радарных снимков полигона ОКБ МЭИ дана оценка параметров искажающих матриц этого поляриметрического РСА на излучении и приеме.

Показана возможность использования наземных естественных стабильных отражателей. В результате обработки серии из полусотни снимков радара PALSAR выявлены естественные отражатели со стабильностью, лучшей, чем стабильность калибровочных антенн ОКБ МЭИ. Важным требованием для выявления таких отражателей является повторяемость условий наблюдений, что приводит к тому, что на серии повторяющихся изображений можно выявить стабильные яркие точечные объекты. Возможные механизмы формирования отражения других ярких отражателей: однократное отражение (крыши домов), двойное переотражение (стена дома + поверхность земли), уголковое отражение

трехгранным уголковым отражателем (стены внутреннего угла дома + поверхность земли), диполыюе рассеяние (линейные элементы конструкции мачт ЛЭП).

Наиболее вероятной причиной изменения ЭПР конструкций типа уголкового отражателя может быть изменение коэффициента отражения нижней грани, образованной почвой. График на рис. 6 дает сведения об ЭПР наиболее стабильных точечных целей, найденных в пределах снимка. Две естественные цели (на территории промзоны во Фрязино и населенного пункта в Медвежьих Озерах) демонстрируют лучшую стабильность, чем калибровочная антенна полигона. Небольшой провал ЭПР этих целей 4 марта 2007 года может быть объяснен искажающим влиянием мокрого снега на синфазность отражения сигнала поверхностью земли. Эти же два естественных отражателя позволили контролировать стабильность работы радара 23.09.08 и 08.11.08, когда антсшш полигона не вы-

- Медвежы! озера, антенна

--Медвежьи озера, естественная цель

.....Фрязгаю,естественная цшь

Рис. 6. Измерения ЭПР наиболее стабильных естественных целей в районе полигона ОКБ МЭИ «Медвежьи Озера» по данным радара Ь-диапазона РАЬЗАЯ

В седьмой главе проведено исследование списка решаемых с помощью РСА задач дистанционного зондирования в зависимости от таких его параметров, как разрешение, длина волны несущей, поляризация сигнала, точность калибровки.

Обоснован выбор частотного диапазона для работы перспективного российского РСА, предложены его основные параметры, такие как состав поляризационных, измерений, режимы работы, разрешающая способность и др.

На основе анализа международного опыта работы с радиолокационной информацией и собственного опыта обработки сделан вывод, что РСА Ь-диапазона наиболее полно отвечает специфике задач ДЗЗ для России, позволяет решать более успешно больший круг задач ДЗЗ. Вместе с тем, есть ограниченный круг важных для России задач ДЗЗ, для решения которых считается использование РСА другого диапазона более эффективным. К таким задачам относятся, например, ледовая разведка и навигация во льдах, где однокапальные РСА X-диапазона оказались предпочтительным средством картирования ледовых полей и определения возраста льда. Однако с помощью РСА Ь-диапазона может быть решен существенно более широкий класс задач.

В области исследования растительных покровов, таких, как лесные массивы, в Ь-диапазоне можно более надежно проводить классификацию типов лесов, измерения биомассы растительности вследствие большей проникающей способности радиоволн под кроны деревьев и регистрации отражения от стволов и крупных ветвей. При этом обеспечивается изучение состояния почвы под лесными покровами, контроль степени влажности и обнаружение подтоплений. Выделение границ лесных массивов и областей открытых почв также надежнее выполняется по изображениям, полученным в Ь-диапазоне.

Оценка параметров состояния почв в хозяйственной деятельности, таких как влажность, также более надежно осуществляется в Ь-диапазоне вследствие меньшего влияния растительности и большей глубины подповерхностного зондирования, хотя классификация типов ландшафтов по степени мелкомасштабной шероховатости поверхности (масштаба длины волны несущей) предпочтительна в Х- или С-диапазонах, где почти все типы поверхности являются шероховатыми в разной степени.

В геологии в Ь-диапазоне возможно наблюдать геологические структуры под осадочными слоями, а также растительными покровами. По этой же причине в этом диапазоне более информативно изучение засушливых, пустынных районов. В гидрологии длинноволновый диапазон предпочтителен при изучении влажности подстилающих покровов вследствие меньшего влияния шероховатости поверхности почв и чувствительности к влажности большего по толщине поверхностного слоя. Более надежно выделяются водоемы вследствие меньшего влияния ветровой ряби на водной поверхности. Исследование зон подтоплений и их

динамики в областях, покрытых лесом, также реализуется в Ь-диапазоне вследствие прохождения радиоволны сквозь толщу леса.

В гляциологии Ь-диапазон лучше обеспечивает изучение структуры ледовых покровов мелководных пресноводных бассейнов вследствие проникновения сигнала сквозь толщу льда и взаимодействия с донным рельефом, однако для классификации типов морского льда классическим решением до сих пор считается одноканальный РСЛ Х- диапазона. В то же время, согласно современным исследованиям, использование данных поляризационных измерений в Ь- диапазоне позволяет спять проблему худшей различимости молодых и однолетних льдов от многолетних, а меньшая чувствительность наблюдений РСА в Ь-диапазоне к ветровому волнению открытой поверхности улучшает возможность картирования границ ледовых полей на морской поверхности. Изучение ледников и структур ледниковых покровов под снежными покровами, зон вечной мерзлоты также предпочтительно проводить в Ь- диапазоне. В океанографии радиоволны Ь-диапазона менее чувствительны к мелкомасштабной ветровой ряби на морской поверхности, что позволяет наблюдать волновые процессы большего масштаба, такие, как течения, фронты, внутренние волны, проявления батиметрических деталей на поверхности, а также возмущения поверхности, вызванные порывами ветра и тайфунами.

При интерфероме ¡прической съемке поверхности с повторяющихся орбит предлагаемый диапазон обеспечивает меньшую чувствительность измерений к временной декорреляции отраженного радиосигнала, улучшая точность измерений рельефа и динамики мелкомасштабного рельефа, особенно при больших интервалах между съемками, когда измерения на более коротких волнах практически невозможны.

При мониторинге хозяйственной деятельности, в том числе и в арктических регионах, более длинноволновый Ь-диапазон оказывается предпочтительным из-за меньшего влияния отражений мелкомасштабного рельефа поверхности, что позволяет лучше наблюдать промышленную инфраструктуру и контролировать ведение хозяйственной деятельности в тундре.

Наличие структур с четко выделенной ориентацией на поверхности, а также структур в объемном слое подстилающих покровов является основой и основанием для использования поляризационных измерений, что расширяет возможности классификации объектов поверхности и измерения их характеристик.

В гляг/иологии предпочтительны согласованные ГГ или ВВ поляризации, имеющие повышенный уровень отражения по сравнению с перекрестной. Их одновременное использование в виде отношения поляризаций улучшает возможности различения поверхностного рассеяния от объемного. Перекрестная поляризация также желательна, так как несет информацию об объемном рассеянии сигнала мелкомасштабными объектами в слое льда, отвественными за -деполяризацию отражения.

В гидрологии согласованные поляризации ВВ и ГГ предпочтительны для изучения влажности почв и морфологии поверхности. Их совместное использование в виде отношения позволяет отделить составляющую рассеяния, обусловленную диэлектрическими свойствами поверхности от той, что обусловлена уровнем мелкомасштабной шероховатости. Разность фаз сигналов согласованных поляризаций позволяет судить о степени влажности почвы под покровами леса - через наличие двойного переотражения сигнала от системы почва - ствол дерева. Сигнал на перекрестной поляризации несет дополнительную информацию при больших углах обзора, так как его уровень спадает не так быстро, как уровень сигналов согласованных поляризаций. Изучение растительных покровов требует наличия всех поляризаций. ВВ поляризация несет информацию о плотности биомассы стволов, в то время как ГГ поляризация характеризует биомассу ветвей с горизонтальной ориентацией. Перекрестная поляризация является индикатором многократного переотражения на ветках кроны и считается наиболее точным показателем уровня общей биомассы леса.

В океанографии предпочтение отдается согласованным поляризациям вследствие повышенного отражения их по сравнению с перекрестной поляризацией На больших углах обзора ВВ поляризация является предпочтительной по сравнению с ГГ из-за заметно большей УЭПР морской поверхности на этой поляризации.

В геологии предпочтительно использование согласованных поляризаций, хотя перекрестная поляризация наиболее информативна при изучении тектонических структур.

Таким образом, одночастотный поляриметрический спутниковый РСА Ь-диапазона в состоянии решать практически весь ряд важных научных и хозяйственных задач в интересах России. На настоящем этапе желательно создание компактного РСА Ь-диапазона со следующими характеристиками:

Поляризация — несколько режимов, включая работу на одной поляризации, измерение полной матрицы рассеяния, а также режим работы с гибридной поляризацией, с возможностью излучения ортогональных сигналов в разных поляризационных каналах.

Проведение съемки в двух режимах - обзорном и детальном. Разрешение в детальном режиме - ~5-10 м в полосе захвата 25-70 км. Разрешение в обзорном режиме - 50-200 м в полосе захвата 300-500 км. Период точного повторения орбиты для задач интерферометрического наблюдения поверхности порядка 16-30 дней.

В Заключении приводятся основные выводы по результатам выполненных исследований:

Моделированием отражений сигналов подстилающих покровов показано, что по степени мешающего влияния интегрального уровня боковых лепестков автокорреляционной функции сигналы с линейной частотной модуляцией являются предпочтительным видом сигналов при радарном картировании протяженных покровов. При использовании сигналов с фазокодовой модуляцией мешающие сигналы боковых лепестков могут превышать сигнал главного лепестка, что искажает амплитудные измерения и делает невозможными фазовые измерения в интерферометрии.

Показано, что радиолокационная интерферометрия с повторяющихся орбит является эффективным методом измерения рельефа поверхности и обнаружения динамики поверхности за время между съемками с субсантиметровой точностью. Возможности этого метода впервые продемонстрированы на примере выявления колебаний ледовых покровов моря, обнаружении подвижек газовой инфраструктуры в районах вечной мерзлоты, криогенных деформациях болотистых почв, просадок почв в области интенсивной подземной добычи угля. Субсантимеровая точность измерений динамики верифицирована с помощью перемещения уголковых отражателей в зоне съемки. Радарная поляриметрия является эффективным средством изучения свойств подстилающей поверхности при условии корректной организации измерений матрицы рассеяния. Показаны новые возможности классификации подстилающих покровов, предполагающие когерентность элементов полной матрицы рассеяния. Отмечено, что схема разделения измерений полной матрицы рассеяния по времени и схема с использованием ортогональных кодов предпочтительны при создании поляриметрического радара.

- Показано, что искажающее влияние фарадеевского вращения плоскости поляризации сигнала калиброванного поляриметрического РСА можно оценить по измерениям полной матрицы рассеяния поверхности и эффективно скомпенсировать. Разность фаз внедиагональпых элементов содержит информацию об угле вращения плоскости поляризации сигнала, а разность фаз диагональных элементов - об угле ориентации, характеризующем крупномасштабные азимутальные уклоны рельефа. Выведены формулы для вычисления этихуглов, позволяющие проводить усреднение по поверхности, что позволяет улучшить статистику измерений.

Новые средства внешней радиометрической калибровки — искусственные-постоянные отражатели на базе параболических антенн ОКБ МЭИ, а также естественные отражатели обладают высокой временной стабильностью, сравнимой со стабильностью лучших образцов калибровочных целей типа уголковых отражателей или трапспондеров. На примере многолетних измерений с помощью радара ERS показано, что стабильность ЭПР антенн в С-диапазоне составляет лучше 0.1 дБ. Измерения ЭПР с помощью радара PALSAR показали, что стабильность антенн в L-диапазоне порядка 0.5 дБ.

- Поляриметрический радар L-диапазона является наиболее предпочтительным перспективным РСА для решения отечественных научных и прикладных задач ДЗЗ.

Список основных публикаций по теме диссертации

Статьи в журналах из рекомендованного перечня ВАК РФ

1. Арманд, H.A. Перспективные отечественные спутниковые радары с синтезированной апертурой / Н.А.Арманд, А.М.Волков, А.И.Захаров и др. // Радиотехника и Электроника. - 1999. - Т.44.- №4.- С. 442-447.

2. Арманд, H.A., Исследование отражательных характеристик лесов Подмосковья по данным РСА SIR-C / Н.А.Арманд, А.И.Захаров, И.Л.Кучерявенкова// Радиотехника, - 1998. - №8 - С. 27-31.

3. Арманд, H.A. Применение радаров с синтезированной апертурой для измерения угла поворота плоскости поляризации из-за эффекта Фарадея / H.A. Арманд, А.И. Захаров // Радиотехника и Электроника. - 2006. - Т. 51. - № 10,- С. 1210-1217.

4. Арманд, Н. А. Космические радары с синтезированной апертурой в дистанционном зондировании Земли — современные системы и перспективные

проекты / H.A. Арманд, А. И. Захаров, Л. Н. Захарова. // Исследование Земли из космоса. - 2010. - № 2. - С. 3-13.

5. Арманд, H.A. О возможностях совместной обработки радиолокационных изображений L - диапазона и спектрозональных снимков оптического диапазона для классификации лесных массивов / Н.А.Арманд, Т.Н. Чимитдоржиев, В.В. Ефременко, А.И. Захаров, A.A. Семенов, A.B. Мошков // Радиотехника и Электроника. - 1998. - Т. 43. - № 9. -С. 1070-1075.

6. Захаров, А.И. Влияние параметров зондирующего сигнала радиолокатора с синтезированной апертурой на качество измерений при решении задач дистанционного зондирования Земли, Космонавтика и Ракетостроение, №3 (68), 2012, с 118-124.

7. Захаров, А.И. Радиометрическая и фазовая стабильности зеркальных антенн как калибровочных целей для космических РСА / А. И. Захаров и др. // Радиотехника. 2003. - №11. - С. 60-62.

8. Захаров, А.И. Значимость информации о фазе отражённого сигнала при радиолокационном картировании земных покровов / А.И. Захаров, Л.Н. Захарова/Радиотехника. -2003.-№12.- С. 70-73.

9. Захаров, А.И. Классификация типов лесов на основе анализа текстурных характеристик радиолокационных изображений РСА SIR-C/ А.И. Захаров, Л.Е. Назаров//Исследование Земли из космоса. — 1998.— №2.— С. 102-109.

10. Захаров, А.И. Внешняя калибровка поляриметрического радиолокатора с синтезированной апертурой при ограниченном числе типов эталонных отражателей / А.И. Захаров, М.В. Сорочинский // Радиотехника и электроника,-2010,-Т. 55.-№ 10,-С. 1178-1 184.

11. Захаров, А.И. Исследование динамики ледовых покровов побережья Антарктиды по данным интерферометрической съемки РСА "Алмаз-1" / А.И. Захаров, П.В. Тугаринов// Радиотехника.- 1998. -№8. - С. 27-31.

12. Захаров, А.И. Радиолокационные интерферометрические методы наблюдения Земли в задаче мониторинга подвижек газопроводов / А.И. Захаров, H.H. Хренов // Газовая промышленность. - 2004. - №3. - С. 44-48.

13. Захарова, Л.Н. Сравнение некоторых современных методов разворота разности фаз в радиолокационной интерферометрии / Л.Н. Захарова, А.И.Захаров // Радиотехника и электроника. — 2003. — Т.48. — №10. — С. 1208-1213.

14. Захарова Л.Н., Захаров А.И., Сорочинский М.В., Рябоконь Г.П., Леонов В.М. Совместный анализ данных оптических и радиолокационных сенсоров: возможности, ограничения и перспективы // Радиотехника и электроника. 2011.'Т. 56. № 1.С. 5-19.

15. Кучерявенкова, И.Л. Применение радарной интерферометрии для исследования динамики земных покровов и тропосферы / И.Л. Кучерявенкова, А.И. Захаров// Исследование Земли из Космоса. - 2002/- №3.- С.35-43.

16. Кучерявенкова, И.Л. Сезонные изменения па северо-западном побережье Каспийского моря по результатам дешифрирования разновременных радиолокационных снимков / И.Л. Кучерявенкова, В.И. Кравцова, А.И. Захаров // Геоинформатика. — 2002. — №1. — С. 9-18.

17. Сорочинский, М.В. Совместная линейная обработка изображений в задаче обнаружения очагов поражения лесных массивов / М.В. Сорочинский, А.И. Захаров // Радиотехника и электроника. - 2005. - т.50. -№9. - С.1077—-1084.

18. Трофимов, Д.М. Возможности и результаты практического использования спутниковой радиолокационной съемки и интерферометрии при геологоразведочных работах на нефть и газ. / Д.М. Трофимов, Д.Б. Никольский, А.И.Захаров // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. - 2009. - №1,- С.25-29.

19. Чимитдоржиев, Т.Н. О возможном ограничении по пространственному разрешению радарных данных при изучении текстуры леса / Т.Н. Чимитдоржиев, А.И.Захаров // Исследование Земли из космоса. -2008,-№4. - С. 25-28.

20. Чимитдоржиев, Т.Н. Исследование криогенных деформаций грунта в дельте реки селенга с помощью спутниковой РСА- интерферометрии и наземного георадарного зондирования / Т.Н. Чимитдоржиев, А.И. Захаров, Г.И. Татьков и др. // Исследование Земли из космоса. - 2011. - №5. — С. 5863.

21. Эпов, М.И. Наблюдение просадок поверхности земли в районе подземных угольных выработок Кузбасса по данным радиолокационной интерферометрии ALOS PALSAR / М.И. Эпов, В Л. Миронов, Т.Н. Чимитдоржиев, А.И.Захаров, Л.Н.Захарова, В.С.Селезнев, А.Ф. Еманов, A.A. Еманов, A.B. Фатеев// Исследование Земли из Космоса. 2012. — №4. - С. 26-29.

22. Захаров, А. И. Зондирование земныхпокровов радарами с синтезированной апертурой. Итоги научной конференции [Электронное издание] / А. И. За-

харов, Т. Н. Чимитдоржиев // Журнал Радиоэлектроники, №10. - 2010. (http://ire.cplire.rU/ire/octl0/4/text.pdf)

23. Захаров, А.И. Применение РСА-интерферометрии для мониторинга транспортной инфраструктуры в зонах с опасной динамикой земных покровов [электронный документ] / А.И. Захаров, J1.H. Захарова, М.А. Лебедева // Журнал радиоэлектроники. — 2010. № 10. -(http://jre.cplire.ru/jre/libraiy/Ulan-Ude-2010/pdffiles/cl_4.pdf)

24. Захаров, А.И. Теория внешней калибровки поляриметрических радиолокаторов с синтезированной апертурой [Электронный ресурс] / А.И.Захаров, М.В. Сорочинский, Ю.Г. Тищенко // Журнал Радиоэлектроники. - 2010. — № 10 ( http://jre.cplire.i-u/jre/library/Ulan-Ude-2010/pdfnies/cl_6.pdf)

25. Захарова, J1.H. Динамика поляриметрических свойств естествен ных покровов на разносезонных данных ALOS PALSAR [Электронное издание] / JI.H. Захарова, А.И.Захаров // Журнал радиоэлектроники. — 2010. — №10. (http://jre.cplire.ru/jre/libraiy/Ulan-Ude-2010/pdfnies/cl_5.pdf)

26. Захарова, J1.H. Совместный анализ данных оптических и радиолокационных сенсоров: возможности и ограничения [Электронное издание] / Л.Н.Захарова, А.И. Захаров, М.В.Сорочинский, Г.П. Рябоконь, В.М. Леонов // Журнал Радиоэлектроники. - 2010. - № 10. (httpy/jre.cpli're.ru/jre/libraiy/Ulan-Ude-2010/pdffiles/cl_3.pdf)

27. Лебедева, М.А. Эндогенные и экзогенные деформации в зонах активных разломов Верхнеангарско-Муйской междувпадинной перемычки по данным дифференциальной РСА-интерферометрии [Электронное издание] / М.А.Лебедева, В.А. Саньков, А.И.Захаров, Л.Н.Захарова // Журнал Радиоэлектроники. — 2010. — № 10 (http://jre.cplire.ru/jre/library/Ulan-Ude-2010/pdffiles/c l_7.pdf)

28. Т.Н. Чимитдоржиев, А.И. Захаров, Г.И. Татьков. Предварительные результаты оценки reo динамических процессов в центральной части Байкальского рифта по данным радарной интерферометрии ALOS PALSAR и оптическим изображениям SPOT. // Журнал Радиоэлектроники, № 10, 2010. (http://ire.cplire.ru/ire/librarv/Ulan-Ude-2010/pdffiles/cl 17.pdf)

29. Чимитдоржиев Т.Н., Хаптанов В.Б., Захаров А.И. и др. Использование данных радиолокационной интерферометрии ALOS PALSAR и георадарного зондирования для исследования криогенных деформаций фунтов. // Журнал Радиоэлектроники, № 10, 2010 (http://jre.cplire.ru/ire/librarv/Ulan-Ude-2010/pdlTiles/c l_16.pdf )

Статьи и публикации в других изданиях

30. Захаров, А.И. Применение интерферометрии для мониторинга районов добычи и транспортировки нефти и газа/ А. Захаров, JI. Захарова / А. Zakharov, L. Zakharova. Applications of satellite radar interferometry for monitoring of oil/gas production and transportation areas, ROGTEC: Российские нефтегазовые технологии, — 2006. — Вып. 5 — С. 58-67.

31. Жердев, П.А. Вопросы калибровки многополяризационных космиче-скихРСА / П.А. Жердев, А.Б.Соколов, В.И. Гусевский, М.М.Борисов, С.Е. Чадов, А.И. Захаров, Хонг Чжун, Ван Хонки // Радиотехнические тетради,- 2000. -№19,- С. 37-40.

32. Захаров А.И., Разработка методов цифровой обработки сигналов радиовысотомера ИСВ "Венера-15,16" и ее применение для измерения рельефа поверхности Венеры/Дисс. к.т.н.; 05.12.01, ИРЭ РАН, 1985, 167с.

Патенты на изобретения

33. Захаров, А.И. Способ дистанционного контроля состояния трубопровода в зоне вечной мерзлоты / А.И. Захаров, Н.Н. Хренов. Патент на изобретение №: 2260742,-Дата публикации: 20 Сентября, 2005.

34. Машуров, С.С. Способ мониторинга опасных карстовых и/или оползневых" участков магистральных газопроводов, железных и автомобильных дорог / С.С. Машуров, А.И.Захаров, М.М. Красногорский. - Патент РФ на изобретение №2333506 от 10.09.2008.

Монографин

35. Захаров, А.И. Спутниковый мониторинг Земли. Радиолокационное зондирование поверхности / А.И.Захаров, О.И.Яковлев, В.М. Смирнов. — М. : КРАСАНД, 2012.- 248 с.

Доклады на конференциях

36. Арманд, Н.А. Космические радары с синтезированной апертурой в ДЗЗ-современные системы и перспективные проекты [Электронный ресурс] / Н.А. Арманд, А.И. Захаров, J1.H. Захарова // Сб. докл. 4ой Всеросс. научн. шк. и конф. "Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред". Муром, 30 июня - 3 июля 2009 г.-Муром. - 1 CD.

37. Арманд, Н.А. Исследование отражательных свойств лесных покровов РСА SIR-C / Н.А. Арманд, А.И. Захаров, И.Л. Кучерявенкова, А.И. Сидоренко // Сб. тез. докл. XIII Всеросс. конф. по распространению радиоволн. - Санкт-Петербург, 17-19 сент. 1996г. - М. - 1996. изд-во ИРЭ РАН. - Т. 1. - С. 265.

38. Арманд, Н.А. Дистанционные исследования Земли спутниковыми радарами с синтезированной апертурой / Н.А. Арманд, А.И. Захаров, А.С. Шмалешок // Сб. тез. докл. XIII Всеросс. конф. по распространению радиоволн. -Санкт-Петербург, 17- 19 септ. 1996г. - М. - 1996. изд-во ИРЭ РАН. - Т. 1. -С. 242.

39. Захаров, А.И. Методика цифровой обработки информации радиовысотомера ИСВ " Венера-15,16" / А.И. Захаров и др. // Сб. тез. докл. 4 Всесоюз. шк. мол. уч., Звенигород, 1985.

40. Захаров, А.И. Разделение влияния фарадеевского вращения и рельефа для данных поляриметрического РСА / А.И. Захаров // Сб. тр. XXIV симп. по радиолокационному зондированию природных сред, С.-Петербург, 18-20 апр. 2006 г. - 2006.

41. Захаров А. И., Влияние интегрального уровня боковых лепестков сигнала РСА па качество измерений, II Всероссийские Армандовские чтения. V Всероссийская научная конференция «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред», Муром, 26.06-28.06. 2012 г. - CD-ROM.

42. За>аров, А.И. Применение метода РСА интерферометрии для мониторинга оползневой активности на Северо-Муйском участке железной дороги/ А.И. Захаров и др. //Сб. докл. III всеросс. иауч.-тех. конф. «Радиолокация и радиосвязь», Москва, ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН - 2009, — Т. 1. — С. 230233.

43. Захаров, А.И. Использование метода РСА интерферометрии для мониторинга зон техногенной опасности с помощью радара TerraSAR-X / А.И.Захаров, Л.Н.Захарова, С.С.Машуров // Сб тр. VII всеросс. откр. конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», Москва, ИКИ РАН, 16-20 ноября 2009 г. - CD-ROM.

44. Amiand, N.A. Today's State and Plans for Future Space SARMissions in Russia / N.A. Armand, A.I. Zakharov, V.V. Viter // Abstract presented to XXV URSI General Assembly, Lille, France, August 28, 1996. - P. 609.

45. Zakharov, A.I. SAR interferometry from neighboring orbits of Almaz-1 space-

craft in Antarctic coastal area // Abstr. CEOS SAR Calibration Workshop, ESTEC, Noordwijk, Netherlands, September 20-24, 1993.

46. Zakharov, A.I. Ice fields motion in the Antarctic area from Almaz-1 repeated or-

bit SAR interferometry // Proc. of SAR calibration workshop, University of Michigan, Ann Arbor, USA, September 1994.-P. 191-200.

47. Zakharov, A.I. On the influence of Chernobyl nuclear disaster on the coniferous forests state in the surrounding area using SIR-C/X SAR data // IEEE Proc. of IGARSS, Hamburg, Germany, June 28 - July 2 1999. - Vol. 4. - P. 2128-2130.

48. Zakharov, A.I. Comparison of mult ¡polarization SAR systems depending on the way of the full scattering matrix measurements // IEEE Proc. of IGARSS, Toulouse, France, June 21-25, 2003. - Vol.7. - P. 4419-4421.

49. Zakharov, A.I. On the construction of the prospective Polarimetrie SAR systems // Proc. 5th European Conference on Synthetic Aperture Radar, Ulm, Germany, May 25-27, 2004.

50. Zakharov, A.I. Short-term stability of Caspian coastal covers characterized by repeat pass SAR interferometiy [Электронное издание] // Proc. 28th General Assembly URSI, New Delhi, India, October 22-29, 2005 (http://www.ursi.org/Proceedings/ProcGA05/pdf/Fl OP. 10(0522).pdf)

51. Zakharov, A. Separate Estimation of Faraday Rotation and Topography Effects from Polarimetrie SAR Data // Proc. 6th European Conference on Synthetic Aperture Radar, Dresden, Germany, May 16-18, 2006. - CD-ROM.

52. Zakharov, A.I. Ionosphere perturbation effects in repeated orbits SAR interfer-ometry // Proc. of the 7th European Conf. on Synthetic Aperture Radar (EUSAR-2008), Fried rich shafen, Germany, June 2-6, 2008,- Vol. 3.- P. 269-272.

53. Zakharov, A.I. Application of TerraSAR-X Data for Monitoring of Potential Landslide and Karst Areas in Railway and Pipeline Corridors / A.I. Zakharov, S.S. Mashurov, A.G. Dragunov // Proc. of the 8th European Conference on Syn-~ thetic Aperture Radar (EUSAR-2010), Aachen, Germany, 7-10 June 2010. - CD.

54. Zakharov, A.I.; Shimada, M.; Sorochinsky, M.W.; Zherdev, P.A.; Sokolov, A.B., Study of PALSAR radiometric stability with passive calibration targets// Proc. of 2011 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS-2011), Vancouver, Canada, 24-29 July 2011, P. 910- 913.

55. Zakharov, A.I. On the use of FFT for phase unwrapping of interferogram with poor quality / A.I. Zakharov, P.V. Tugarinov // Proc. of the 3rd European Conference on Synthetic Aperture Radar (EUSAR-2000), Munich, Germany, May 2026, 2000,- P. 509-512.

000«Мещёра+». ИНН 5050098880, г. Щёлково, ул. Свирская, д.8а. Тираж 110 экз. Формат 60x84/16. Заказ №046. 2013 г.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (Фрязинский филиал)

На правах рукописи

05201350844

Захаров Александр Иванович

МЕТОДЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ РАДАРАМИ С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ

01.04.03 — «Радиофизика»

Диссертация

на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Фрязино, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

1. Радиолокация поверхности радарами с синтезированной апертурой 26

1.1.. Основы РСА. Разрешение по дальности и азимуту 26

1.2. Двумерная функция неопределенности сигнала. Виды сигналов. 33

1.3. Фокусированный синтез радиолокационного изображения 47

1.4. Режимы съемки радара с синтезированием апертуры 57

1.5. Энергетические соотношения 64

1.6. Современные радары для наблюдения Земли из космоса 68

Выводы к главе 1 80

2. Методы тематической обработки амплитудных радиолокационных 82

данных

2.1. Картирование лесов Подмосковья 90

2.2. Классификация растительных покровов зоне ЧАЭС 99

2.3. Картирование подстилающих покровов в Забайкалье 106

2.4. Мониторинг долговременных изменений состояния растительных 111 покровов северного побережья Каспия

Выводы к главе 2 128

3. Методы радиолокационной интерферометрии 130

3.1. Основы радиолокационной интерферометрии 13 0

3.2. Геометрия интерферометрической съемки и основные соотношения 132

3.3. Картирование рельефа поверхности 136

3.4. Выявление динамики подстилающей поверхности 137

3.5. Разворот разности фаз на интерферограмме 138

3.6. Ошибки измерения разности фаз. Когерентность сигналов 149

3.7. Методика постоянных отражателей в интерферометрии 155 3.8 Решение задач ДЗЗ с помощью методов интерферометрической 161 съемки поверхности

3.8.1. Динамика ледовых покровов в Антарктиде 164

3.8.2. Просадки земных покровов в Кузнецком бассейне 167

2

3.8.3. Криогенные деформации почвы в дельте Селенги 169

3.8.4. Мониторинг оползневой активности на Северомуйском 171 участке железной дороги

3.8.5. Мониторинг газопроводов на трассе Ямбург-Ныда 173

3.8.6. Исследование состояния земных покровов в Баргузинской долине 177

3.8.7. Наблюдение динамики отражающей водной поверхности у 179 северного побережья Каспия.

3.8.8. Наблюдение опасных карстовых и оползневых участков 182 методом постоянных отражателей.

Выводы к главе 3 193

4. Методы радиолокационной поляриметрии 195

4.1. Базовые понятия 195

4.2. Требования к поляризации сигнала при решении тематических задач 198

4.3. Методы организации поляризационных наблюдений 202

4.3.1. Разделение измерений по времени 203

4.3.2. Разделение измерений в съемке с повторяющихся орбит 206

4.3.3. Разделение измерений по частоте 208

4.3.4. Разделение измерений при съемке с одной орбиты 210

4.3.5. Разделение измерений с использованием ортогональных кодов 211

4.3.6. Компактная поляриметрия 214

4.4. Сравнение различных схем построения поляриметрического РСА 217

4.5. Методы комплексирования поляриметрических измерений 219

4.5.1. Поляризационные сигнатуры поверхности 219

4.5.2. Поляризационная разность фаз 226

4.5.3. Поляриметрическая декомпозиция 234 Выводы к главе 4 240

5. Атмосферные эффекты в радарных измерениях и методы их коррекции 242

5.1. Влияние атмосферы на разрешающую способность РСА и методы 242 коррекции искажений

5.2. Флуктуации фазы на неоднородностях в тропосфере 251

3

5.3. Фарадеевское вращение плоскости поляризации сигнала РСА и 252 методы коррекции

Выводы к главе 5 265

6. Методы калибровки РСА 267

6.1. Методы и средства радиометрической калибровки 271

6.2. Радиометрическая калибровка с помощью параболических 278 антенных рефлекторов

6.3. Методы и средства поляриметрической калибровки 284

6.4. Использование антенных рефлекторов в поляриметрической 287 калибровке

6.5. Калибровка с помощью естественных и искусственных 296 ярких отражателей

6.6. Показатели качества радиолокационного изображения 299

Выводы к главе 6 304

7. Выбор параметров перспективного РСА для решения отечественных 306 задач ДЗЗ

7.1. Обзор требований к параметрам РСА в зависимости от решаемых задач 306

7.1.1. Разрешение на радарном изображении 306

7.1.2. Требования к частоте несущей 306

7.1.3. Требования к поляризации сигнала 308

7.1.4. Требования к точности калибровки 310

7.2. Перспективный РСА для решения отечественных задач ДЗЗ 316

7.3. Структура перспективного поляриметрического РСА 322

Выводы к главе 7 331

Заключение 332

ЛИТЕРАТУРА 337

ВВЕДЕНИЕ

Вопросам создания и эксплуатации спутниковых радаров с синтезированной апертурой (РСА) для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) уделяется в настоящее время большое внимание во всем мире [6,158,178,201,216]. Основными достоинствами этих систем являются нетребовательность к условиям освещенности исследуемого района и нечувствительность к погодным условиям в зоне съемки в сочетании с достаточно высоким пространственным разрешением. К указанным положительным моментам следует добавить сравнительно высокую проникающую способность радиоволн, позволяющую, в частности, преодолеть экранирующее влияние растительного покрова и, в некоторых случаях, обнаруживать подповерхностные образования. В силу этого РСА являются важнейшим инструментом оперативного контроля, а также средством долгосрочных регулярных наблюдений глобальных и региональных геофизических процессов, обеспечения национальной безопасности.

В отличие от оптических изображений, радиолокационные изображения содержат фазовую информацию, которая может быть использована наравне с амплитудными данными. Так, разность начальных фаз сигналов элементов синтезированных изображений в схеме интерферометрической съемки с повторяющихся траекторий носителя содержит информацию о рельефе поверхности и мелкомасштабных изменениях/смещениях подстилающих покровов за время между съемками.

Данные РСА обеспечивают уникальные сведения о состоянии планеты и

ее биологическом разнообразии, а также информацию о природных

катастрофах и природных ресурсах. Глобальной целью исследования

растительных покровов Земли с помощью РСА является изучение их влияния

на гидрологию, биохимию и климатические процессы. Для этого необходима

информация о пространственном распределении типов растительных покровов,

их биомассе и состоянии, наблюдение динамики, т.е. колебаний массы и

5

энергии внутри экосистемы. Данные РСА, как и оптические данные, полезны для определения влажности и структуры поверхности.

Международный опыт использования спутниковых РСА и анализа полученной радиолокационной информации показывает возможность решения задач дистанционного зондирования в следующих областях [201]:

• гляциология: типы ледовых покровов, динамика ледовых покровов морей, ледников, айсбергов, границы и влагозапас снежных покровов;

• геология: морфология поверхности земной коры, тектоника, исследование засушливых регионов, подповерхностное зондирование;

• гидрология: влажность почв, шероховатость поверхности, эрозия и засоление почв, границы водоемов;

• экология: эрозия почв, выветривание, опустынивание земель, контроль антропогенного воздействия на окружающую среду,

• растительные покровы: классификация типов растительности, границы лесов и их состояние, объем биомассы, влажность;

• океанография: течения, фронты, внутренние и поверхностные волны, батиметрия;

• мониторинг районов чрезвычайных ситуаций: наводнения, последствия природных катастроф, районы кризисных ситуаций;

• хозяйственная деятельность: навигация во льдах, мониторинг шельфовых зон и зон разработки полезных ископаемых, контроль состояния нефтепроводов, контроль рыболовства в прибрежной зоне и загрязнений морей, сельское хозяйство, лесное хозяйство, транспорт;

• картография: создание и обновление карт различного масштаба, построение детальных цифровых карт рельефа;

• военно-прикладные задачи по разведке, слежению, обнаружению различных объектов характеризующиеся высокими требованиями по разрешению, полосе обзора, производительности и оперативности получения информации.

Возможность решения тех или иных задач зондирования Земли существенно зависит от таких параметров радара как длина волны зондирующего сигнала его поляризация.

Среди созданных ранее, а также работающих в настоящее время можно назвать такие радары, как SEASAT, SIR-A, SIR-B (США), SIR-C/X и SRTM (США, Германия), ERS-1, ERS-2, ENVISAT (Европейское Космическое Агентство), RADARSAT-1, 2 (Канада), JERS-1 и PALS AR (Япония), TerraSAR-X (Германия), Cosmo-SkyMED (Италия). Среди успешно эксплуатировавшихся отечественных РСА можно упомянуть, например, «Космос-1870» и «Алмаз-1».

Современные результаты исследований применимости данных РСА показывают, что измерения отражательных характеристик подстилающих покровов в различных информационных каналах — при различных параметрах зондирующего сигнала, поляризации радиоволны на излучении/приеме, ракурсах съемки — позволяют извлекать наиболее полную информацию о структуре отражающего слоя поверхности. Совместное использование многоканальных радиолокационных данных, полученных на разных поляризациях и длинах волн, несет качественно новую информацию по сравнению с одноканальной радиолокационной системой. Интерферометрические наблюдения поверхности Земли с помощью радиолокатора с синтезированной апертурой — также одно из самых современных направлений исследования в ДЗЗ. Данная схема измерений предоставляет принципиально новые возможности в дистанционном зондировании, включая возможность измерения рельефа и мелкомасштабной динамики подстилающих покровов.

Вместе с тем, космическая система с радиолокационным

поляриметрическим инструментом не является окончательным решением: в

научном сообществе широко обсуждается идея и полным ходом идёт

осуществление интегрированных орбитальных систем радиолокационного

наблюдения на основе конфигурации из нескольких сенсоров [181]. Причиной

повышенного внимания к созданию группировки радиолокационных спутников

7

в последнее время является возможность получения качественно новых характеристик получаемой информации (интерферометрические измерения рельефа, обнаружение движущихся целей, новые способы формирования полной матрицы рассеяния, повышение разрешающей способности изображения, помехозащищенность), снижения интервала повторной съемки при повышенной экономической эффективности наблюдений [191].

Среди эффективно работающих многоспутниковых миссий с активными элементами одним из первых стоит немецкий TanDEM-X (TerraSAR-X add-on satellite for Digital Elevation Measurements) который сформирован после вывода на орбиту в 2009 году радара, идентичного действующему TerraSAR-X. Второй аппарат с аналогичным РСА на близкой орбите к исходному позволяет выполнять съёмку в режиме однопроходной интерферометрии с выбором ориентации базы интерферометра вдоль или поперёк трассы полёта и варьируемой величиной базы. Несмотря на то, что из названия следует первостепенность задачи построения цифровых моделей рельефа при помощи конфигурации TanDEM-X, разработчики не ограничиваются одним приложением, а предусматривают широкий спектр решаемых задач: интерферометрия с базой, ориентированной вдоль трассы, детектирование движущихся целей, поляриметрическая интеферометрия, цифровое формирование диаграммы направленности, супер-разрешение.

Итальянская спутниковая конфигурация COSMO-SkyMed (COnstellation of Small satellites for the Mediterranean basin Observation) также находится в стадии разворачивания: в 2007 году был запущен первый из космических аппаратов, к настоящему времени на орбите находятся три спутника. В финале конфигурация будет состоять из четырех идентичных спутников с поляриметрическими РСА Х-диапазона на борту, равномерно распределённых на орбите с угловым расстоянием 90° между соседними спутниками.

Канадская система на базе радара RADARSAT-2, запущенного в 2007 году,

по замыслам проектировщиков, будет состоять из трёх малых спутников,

распределённых равномерно вдоль орбиты. Спутники RADARS AT

8

Constellation-1,2,3 планируют к запуску в 2012-2014 гг. Кроме того, система позволит в случае надобности увеличить количество спутников, распределённых на орбите, до шести, что обеспечит сокращения интервала между повторными съёмками в два раза.

Идут интенсивные исследования в области новых технологий радарного наблюдения Земли, позволяющие преодолеть фундаментальные ограничения, свойственные классической радарной системе, получить новое качество радиолокационной информации. За всем этим виден нарастающий интерес к радиолокационному наблюдению Земли вследствие разработки всё новых методов наблюдения и обработки данных.

В России имеется большой опыт разработки, создания РСА для дистанционного зондирования Земли. В качестве фундаментального труда, содержащего и обобщающего разнообразные детальные сведения по этой проблематике, достаточно указать монографию [27]. Однако в России в течение длительного времени не существует полноценного средства радарного наблюдения Земли из космоса в виде радара с синтезированной апертурой. Нет также единого представления о требуемых параметрах радара, предпочтительных для решения отечественных прикладных и научных задач, о наборе задач, которые может решать радар в зависимости от таких параметров, как длина волны несущей, состав поляризационных измерений и др.

Актуальность исследования

Актуальность исследований обусловлена необходимостью уточнения возможностей космических РСА, разработки новых методов обработки информации и поиском новых приложений радиолокационных данных, определением и уточнением возможностей РСА в решении задач дистанционного зондирования Земли, а также необходимостью выработки рекомендаций по предпочтительным параметрам перспективного отечественного РСА.

Цели и задачи исследования

Основной целью данного исследования является определение возможностей РСА в дистанционной зондировании Земли и выработка требований к перспективному космическому РСА, предназначенному для решения научных и прикладных задач с учетом интересов отечественных потребителей. Основными задачами, решаемыми в работе, являются:

- рассмотрение основных соотношений в радиолокационной системе и определение ключевых параметров РСА, позволяющих эффективно решать задачи наблюдения Земли;

- демонстрация возможностей РСА при решении различных тематических задач ДЗЗ;

- анализ метода интерферометрической съемки рельефа поверхности Земли, разработка новых алгоритмов обработки информации, демонстрация новых возможностей интерферометрической съемки;

- исследование возможностей радарной поляриметрии при съемке поверхности Земли, сравнение различных схем организации поляриметрических измерений, теоретическое обоснование выбора наиболее эффективной схемы, демонстрация новых возможностей поляриметрических измерений;

- исследование влияния атмосферы на искажение радиолокационной информации, разработка метода компенсации эффекта Фарадея при измерениях полной матрицы рассеяния земных покровов;

- разработка новых методов внешней калибровки космического РСА, демонстрация возможностей новых калибровочных целей на примере обработки данных экспериментов с современными РСА;

- сравнение различных схем построения РСА и выбор параметров перспективного отечественного РСА.

Научная новизна.

В диссертационной работе проанализированы основные соотношения,

определяющие параметры РСА и характеристики получаемой информации,

10

влияние интегрального уровня боковых лепестков на свойства получаемого радарного изображения. Исследована возможность решения различных тематических задач в зависимости от параметров используемого РСА, продемонстрированы новые возможности радиолокационных измерений при комплексировании радиолокационных измерений, в том числе при разновременном картировании, интерферометрической съемке и измерении полной матрицы рассеяния естественных покровов. Разработаны новые методы обработки данных в интерферометрической схеме съемки рельефа, получены новые результаты по наблюдению динамики подстилающей поверхности. Отмечена важность калибровочного обеспечения современных РСА и исследованы принципиально новые средства внешней калибровки. Проведен анализ списка решаемых задач и обоснованы предпочтительные параметры перспективного РСА, предназначенного для решения научных и прикладных задач отечественного потребителя. Выполнен расчет влияния атмосферных неоднородностей на характеристики радиолокационного материала, разработана методика измерения эффекта Фарадея на измерения полной матрицы рассеяния и коррекции искажений по измерениям поляриметрического РСА. Исследованы различные варианты структуры перспективного РСА в зависимости от способа разделения поляризационных измерений, проведен сравнительный анализ