Авиационные и космические комплексы дистанционного зондирования Земли с интерферометрической обработкой многомерных сигналов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.14, доктор технических наук Бабокин, Михаил Иванович

• Бабокин, Михаил Иванович
• доктор технических наук
• 2010

Оглавление диссертации доктор технических наук Бабокин, Михаил Иванович

Список применяемых сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЗЗ.

1.1 Основные требования к информационным и техническим характеристикам перспективных комплексов ДЗЗ.

1.1.1 Характеристики основных объектов ДЗЗ.

1.1.2 Анализ возможностей и основные требования к РСА как источнику информации ДЗЗ.

1.2 Структура математической модели перспективного комплекса ДЗЗ.

1.2.1 Обработка данных ДЗЗ в геоинформационной системе.

1.2.2 Модель РСА как информационной составляющей комплекса ДЗЗ.

1.3 Модели отражения радиоволн от земной и водной поверхности.

1.3.1 Модель отражения радиоволн от земной поверхности.

1.3.2 Модель движения носителя РСА космического базирования.

1.3.3 Модель относительного движения многопозиционного комплекса РСА космического базирования.

1.3.4 Относительные изменения'отраженных от поверхности сигналов и,выбор параметров многопозиционного комплекса.

1.3.5 Относительные изменения отраженных от поверхности сигналов МК при влиянии местного рельефа.

1.3.6 Коррекция модели отражённого сигнала при наличии уклона поверхности.

1.3.7 Модель сигнала РСА при сверхширокополосном зондирующем сигнале. .82'

1.3.8 Модель отражения«радиоволн от морской поверхности.

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ

2 СИНТЕЗ КВАЗИОПТИМАЛЬНЫХ АЛГОРИТМОВ ОЦЕНИВАНИЯ

МЕСТНОГО РЕЛЬЕФА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ.

2.1 Общая постановка задачи синтеза и основные подходы к ее решению.

2.1.1 Формулировка задачи синтеза алгоритмов оценивания.

2.1.2 Синтез алгоритмов с помощью общей теории статистических решений.

2.1.3 Теория оценивания случайных процессов.

2.2 Синтез квазиоптимальных алгоритмов фильтрации (оценивания) местного рельефа земной поверхности при многопозиционном построении РЛК.

2.3 Синтез квазиоптимальных алгоритмов фильтрации (оценивания) местного рельефа земной поверхности при однопозиционном построении РЛК.

2.3.1 Синтез алгоритмов пространственно-фазовой фильтрации уклонов земной поверхности.

2.3.2 Синтез алгоритмов частотно - фазовой фильтрации уклонов земной поверхности.

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 2.

3 СИНТЕЗ КВАЗИОПТИМАЛЬНЫХ АЛГОРИТМОВ ОЦЕНИВАНИЯ СДВИГОВ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ.

3.1 Постановка задачи оценивания сдвигов земной поверхности.

3.2 Модель изменений рельефа земной поверхности.

3.3 Синтез квазиоптимальных алгоритмов фильтрации (оценивания) сдвигов рельефа земной поверхности при многопроходном построении РЛК.

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 3.

4 СИНТЕЗ КВАЗИОПТИМАЛЬНЫХ АЛГОРИТМОВ ОЦЕНИВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЗВОЛНОВАННОЙ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ.

4.1 Синтез квазиоптимальных алгоритмов фильтрации (оценивания) параметров взволнованной морской поверхности.

4.1.1 Синтез квазиоптимальных алгоритмов пространственно-фазовой фильтрации (оценивания) параметров взволнованной морской поверхности.

4.1.2 Синтез квазиоптимальных алгоритмов частотно-фазовой фильтрации (оценивания) параметров взволнованной морской поверхности.

4.2 Синтез квазиоптимальных алгоритмов фильтрации (оценивания) рельефа взволнованной морской поверхности при многопозиционном приёме.

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 4.

5 ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОГО ОЦЕНИВАНИЯ.

5.1 Точность оценивания относительного рельефа земной поверхности.

5.1.1 Потенциальная точность оценивания относительного рельефа местности.

5.1.2 Влияние априорной неопределенности рельефа земной поверхности.

5.1.3 Геометрические искажения при дискретном формировании парных сигналов.

5.1.4 Искажение интерферометрических измерений при движении на поверхности.

5.2 Точность оценивания сдвигов земной поверхности.

5.2.1 Потенциальная точность оценивания сдвигов земной поверхности.

5.2.2 Реальная точность оценивания сдвигов земной поверхности.

5.3 Точность оценивания параметров морской поверхности.

5.3.1 Потенциальная точность оценивания параметров ветровой гравитационной волны.

5.3.2 Потенциальная точность оценивания взволнованной морской поверхности при многопозиционном приёме.

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 5.

6 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗУЕМОСТЬ АЛГОРИТМОВ

ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ.

6.1 Требования к цифровым системам обработки сигналов РСА при реализации алгоритмов и пути их снижения.

6.2 Предложения по структуре, алгоритмам функционирования и параметрам системы интеферометрического оценивания рельефа местности.

6.3 Предложения по структуре, алгоритмам функционирования и параметрам системы оценивания состояния взволнованной морской поверхности.

6.4 Использование эмпирических оценок для определения характеристик и параметров априорных статистических распределений.

6.5 Использование моноимпульсной информации для определения дальности до земной поверхности.

6.6 Использование стереометрических измерений в качестве априорных данных интерферометрических измерений местного рельефа.

6.7 Амплитудные измерители параметров состояния взволнованной морской поверхности.

6.7.1 Измерители обратного рассеяния (скаттерометры).

6.7.2 Влияние различных типов волн на рассеяние ЭМВ морской поверхностью.

6.8 Повышение точности измерения параметров земной (морской) поверхности за счёт коррекции навигационных данных с помощью РСА.

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 6.

7 РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ПРОВЕРКА ИХ РАБОТОСПОСОБНОСТИ.

7.1 Основные принципы работы программных пакетов имитационного моделирования.

7.2 Математическое моделирование и интерферометрическая обработка сигналов

7.2.1 Имитационное моделирование функции радиолокационного рассеяния.

7.2.2 Интерферометрическая обработка радиоголограмм имитационного моделирования.

7.3 Проверка алгоритмов оценивания по реальным сигналам.

7.3.1 Оценивание местного рельефа с помощью алгоритмов интерферометрической обработки.

7.3.2 Оценивание волновых параметров по реальным сигналам с помощью алгоритмов интерферометрической обработки.

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 7.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Авиационные и космические комплексы дистанционного зондирования Земли с интерферометрической обработкой многомерных сигналов»

К определяющим факторам использования комплексов дистанционного зондирования Земли для России следует отнести протяженный характер территории с запада на восток (-10 тыс. км) в Северном полушарии, имеющей большую протяженность прибрежных районов с морским климатом (устойчивым облачным покровом, туманами и ветрами) и прилегающей к ней акватории.

Это, и не только это [1.10, 1.17, 2.59], определяет актуальность использования над территорией России в качестве системы ДЗЗ группировки авиационных и космических PJI датчиков с применением техники синтезирования апертуры, способных формировать изображения, близкие по качеству к оптическим изображениям, которые формируются независимо от освещенности, погодных условий, на большой дальности (с широкой полосой обзора).

Большое количество гор, морей и рек на территории России, в труднодоступных местах, возлагает на перспективные средства ДЗЗ решение следующих важнейших народохозяйственных задач: высокоточную оценку рельефа местности, формирование трёхмерных изображений земной поверхности, исследование динамических процессов на земной и морской поверхности и т.п.

Исходя их этого, одной из важнейших проблем на современном этапе развития средства ДЗЗ, как составляющей геоинформационных систем, является круглогодично и круглосуточно, в любых метеоусловиях, на больших удалениях с высокой точностью и разрешающей способностью формирование трёхмерных изображений земной поверхности, оценивание уклонов, сдвигов земной, параметров волнения морской поверхности.

Поэтому научно-обоснованные в данной работе технические решения проблемы получения с помощью авиационных и космических PJI комплексов дистанционного зондирования Земли высокоточных цифровых карт местности и мониторинг земной и морской поверхности являются актуальными для повышения эффективности экономической деятельности и использования природных ресурсов России. Собственно решение этой проблемы, через разработку принципов построения авиационных и космических комплексов РСА, методов и алгоритмов обработки многомерные сигналов, при решении задач получения детального рельефа местности, оценивания состояния земной и морской поверхности и является основной целью диссертационной работы.

Автор занимается решением этих проблем около 15 лет. За это время был опубликован ряд научных работ [1.8, 1.23, 1.31, 1.38, 1.39, 1.41], в значительной степени, затрагивающих заявляемые проблемы.

Прежде всего, к этим работам необходимо отнести три издания учебного пособия «Радиовидение» под ред. Г.С. Кондратенкова [1.23, 1.24, 1.36], монографию зарубежных авторов [1.64], а также публикации В.И. Тихонова, М.С. Ярлыкова, М.А. Миронова, В.М. Харисова по оптимальным статистическим методам обработки сигналов [1.48-1.53, 1.61-1.63].

Развитие в последнее время теории и принципов построения РСА привело к тому, что уже существуют высокоэффективные комплексы РСА авиационного и космического базирования, которые способны получать высокую разрешающую способность (единицы метров и выше) при боковом и пе-реднебоковом обзорах и производить детальное картографирование местности.

В то же время требуется решить ряд новых научных задач и, прежде всего, задачи получения детального рельефа местности, формирования трёхмерного изображения, оценивания состояния земной и морской поверхности. Работы в этих направлениях активно ведутся во всем мире, но только в последнее время, благодаря разработке многомерной радиолокации, с применением РСА, совместно с достижениями СВЧ техники и созданию мощных бортовых цифровых процессоров, появились реальные условия для решения этих задач.

В многомерной радиолокации более эффективно используется информация, содержащаяся в пространсвенно-временной структуре электромагнитного поля, что позволяет повысить информативность и помехозащищенность РЛ и комплексов, формировать трехмерные карты местности, исследовать пространственные процессы и их проявления во времени.

Поэтому для достижения поставленной в работе цели - разработка принципов построения авиационных и космических комплексов РСА, методов и алгоритмов обработки многомерные сигналы, при решении задач получения детального рельефа местности, формирование трёхмерного изображения, оценивание состояния земной и морской поверхности, были определены следующие взаимосвязанные научно-технические задачи, которые последовательно решаются в диссертационной работе:

1. Анализ и обоснование требований к перспективным РЛ комплексам с применением многомерных сигналов, предназначенным для дистанционного зондирования поверхности Земли, высокоточного формирования рельефа местности и детальных трехмерных изображений, наблюдения за динамичными процессами на земной и морской поверхности и оценки параметров их состояния.

2. Разработка структуры и математических моделей РЛ комплексов с синтезированной апертурой антенны, с учётом априорной неопределённости относительно местного рельефа.

3. Синтез оптимальных (квазиоптимальных) алгоритмов, оценки рельефа местности, уклонов и сдвигов земной, параметров морской поверхности с использованием общей теории статистического оценивания и марковской теории фильтрации.

4. Разработка субоптимальных алгоритмов, обладающих небольшими вычислительными затратами и пригодных для. реализации в бортовых процессорах сигналов современных цифровых комплексах РСА авиационного и космического базирования-.

5. Реализация алгоритмов в программных пакетах, предназначенных для разработки программно-алгоритмического обеспечения цифровых систем обработки многомерных сигналов, комплексов РСА, а также для моделирования и обработки реальных сигналов РСА с целью проверки его работоспособности в различных условиях и окончательной отладки.

Сформулированные тема, проблема и цель исследований позволяют выделить их объект и предмет.

Объектом исследований. являются когерентно-импульсные авиационные и космические радиолокационные комплексы с синтезированием апертуры антенны, использующие многомерные сигналы.

Предмет исследований: режимы функционирования авиационных и космических радиолокационных комплексов и алгоритмы обработки отраженных многомерных сигналов при оценивании рельефа местности и параметров состояния земной и морской поверхности.

Рамки исследований. Достижение цели исследований и решение задач научной проблемы предполагается при определенных рамках и ограничениях. Исследования проводились в рамках классических положений теории радиолокации:

- информация, поступающая на вход антенны PJIC, формируется за счёт эффекта отражения радиоволн от подстилающей земной или морской поверхности;

- вид зондирующего сигнала и диаграмма направленности передающей антенны считались заданными;- между полезным^ сигналом и помехами (шумами) имеются детерминированные и статистические различия.

Структура диссертации. Диссертация: состоит из введения, семи разделов,, заключения и: приложения; Материалы распределены по разделам следующим образом.

Заключение диссертации по теме «Радиолокация и радионавигация», Бабокин, Михаил Иванович

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 6

1. Для реализации в реальном времени квазиоптимальных алгоритмов оценки местного рельефа вычислительная система комплекса РСА должна иметь производительность порядка 5x1014 операций КУ в секунду. Разработка бортового вычислителя, обладающего такой производительностью, в настоящее время представляет достаточно сложную техническую проблему. Выход следует искать в применении быстрых вычислительных алгоритмов (например, алгоритма БПФ) или в применении субоптимальных алгоритмов оценки местного рельефа, имеющих значительно меньшую трудоемкость.

2. Упрощение структуры квазиоптимального алгоритма позволило получить экономичный нерекуррентный алгоритм оценки рельефа местности. Недостатком полученного субоптимального алгоритма оценивания рельефа местности является его относительная чувствительность к априорной неопределённости.

3. Структура системы оценивания рельефа местности при ББО характеризуется сложными межбортовыми обменами, которые должны обеспечить несколько типов синхронизации для реализации интерферо-метрической обработки.

4. В структуре системы оценивания параметров волнения морской поверхности, для однопозиционной РСА, особенно важно выбрать параметры работы РЛС: период повторения и длительность зондирующего импульса, разрешающую способность и шаг дискретной обработки, который в значительной мере определяет объём данных.

5. Практическое значение для устранения априорной неопределённости имеют методы обработки сигналов угломестного интерферометра с малой базой, которая применяется для определения средней высоты рельефа местности и может быть использована в алгоритмах оценивания местного рельефа.

Использование стереометрической информации о рельефе местности является способом устранения априорной неопределённости и сокращения вычислительных затрат. Стереометрические измерения не обладают высокой точностью, но в ряде случаев её хватает для существенного сокращения вычислений в алгоритмах интерферометриче-ской обработки и повышения точности оценивания. Априорные данные РЛ комплексов с амплитудной обработкой отражённых от морской поверхности сигналов, например, скаттерометров, позволяют значительно сократить объёмы вычислений при высокоточном интерферометрическом оценивании параметров взволнованной морской поверхности.

Точность измерения местоположения носителя (носителей) РСА непосредственно влияет на точность оценивания рельефа местности, уклонов, сдвигов поверхности и параметров волнения морской поверхности, поэтому, в ряде случаев, необходимо корректировать навигационные данные методами интерферометрической обработки сигналов в многопозиционных комплексах РСА.

7 РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ПРОВЕРКА ИХ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

7.1 Основные принципы работы программных пакетов имитационного моделирования

Конечной целью разработки оптимальных (квазиоптимальных) алгоритмов обработки сигналов является введение созданных на их основе программ в состав специального программного обеспечения образцов существующих и перспективных комплексов дистанционного зондирования Земли.

В настоящее время технология внедрения нового программного обеспечения в вычислительную систему современных РЛ комплексов имеет несколько этапов, основными из которых являются [1.28, 2.17, 2.28, 2.29]:

- выбор конкретных алгоритмов, позволяющих решать поставленную задачу, и проверка их функционирования в заданных условиях;

- разработка технического задания на программирование выбранных алгоритмов обработки сигналов и управления комплексом;

- написание программ для сигнальных процессоров и управляющих ЭВМ и их отладка на эмуляторе вычислительной системы;

- отладка программного обеспечения в наземных условиях на стенде математического моделирования (СММ) и стенде главного конструктора (СГК);

- регистрация РГЛГ в реальном полёте с последующей отладкой программного обеспечения в наземных условиях;

- доводка программ в ходе летно-конструкторских испытаний (ЛКИ) и подтверждение заявленных характеристик.

От качества и времени реализации каждого из этапов в большой степени зависит эффективность всей проектно-конструкторской работы и, в конечном счете, стоимость и конкурентоспособность РЛК в целом.

Для оптимизации процесса внедрения новых режимов работы РЖ и снижения материальных и временных затрат на их отладку, используют имитационное моделирование, представляющее программные пакеты моделирования.

Прежде всего, с помощью этих пакетов программ моделируются траек-торные многомерные сигналы (радиоголограммы) различного уровня сложности, в различных тактических ситуациях для рассматриваемых вариантов построения многомерного комплекса РСА.

Наиболее полная проверка и отладка возможна по сигналам, записанным в схожих условиях на борту реального носителя (носителей).

Если подобной записи сделать невозможно, или для поэтапной отладки, по заданной геометрии обзора и параметрам движения носителей формируется с определенной детализацией модель РЛР, местный рельеф и, собственно, тра-екторные сигналы для каждой РСА, или для каждого сеанса наблюдения. Должна быть предусмотрена возможность добавления' в модель траекторных фазовых искажений, вызванных траекторными нестабильностями и средой распространения. Шум наблюдения также должен быть добавлен в модель траек-торного сигнала.

Следующая задача заключается в моделировании различных алгоритмов интерферометрической обработки, в том* числе алгоритмов, описанных в разделах 2, 3 и 4. Входными данными для программного модуля, реализующего решение этих задач, могут служить модели траекторных сигналов, полученные в результате работы предыдущего этапа. Кроме того, модуль обработки сигналов должен работать с реальными сигналами, записанными в результате стендовых и летных испытаний.

Для реализации работы с реальными сигналами, в штатном или дополнительном сервисном оборудовании, должно быть устройство, способное регистрировать сигналы в цифровом виде.

Примером такого устройства может служить универсальный бортовой регистратор, собранный на базе конструктива РХ1, разработанного фирмой Каtional Instruments специально для задач промышленного управления и связанных с ним измерений. Прибор, собранный на этой базе, может иметь как плату ввода цифровой информации с программируемым интерфейсом, так и плату ввода аналоговой информации, имеющую собственный двухканальный АЦП с высокой частотой дискретизации.

Подробное описание этого устройства на платформе PXI, которое с участием автора широко использовалось для регистрации реальных сигналов при отладке программного обеспечения многофункциональных PJIC типа «Жук» и «Барс», приводится в Приложении А.

Следующей задачей является анализ данных, который необходим на всех этапах обработки сигналов и дает возможность контролировать не только работу тестируемых алгоритмов.

Поскольку исходный массив сигнала, все последующие его модификации и выходной массив имеют вид двумерной цифровой матрицы, то визуализацию удобно осуществлять с помощью программы просмотра изображений. Интер-ферометрическая обработка во многих случаях предопределяет визуализацию трехмерных данных, когда анализируемая величина преобразуется в третью координату (высоту) трехмерного графика. Для анализа качества работы исследуемых алгоритмов интерферометрической обработки и аппаратуры PJIK в целом в пакете имитационного моделирования должна быть предусмотрена функция оценки выходных параметров.

В структуре пакета имитационной модели комплекса РСА можно выделить две основные группы файлов: файлы пользовательского графического интерфейса и собственно файлы исходных программ, написанные на языке высокого уровня (например, СИ). Файлы интерфейса программируются с помощью специального редактора, имеющегося в составе всех современных сред программирования.

Для создания пакета имитационной модели комплекса РСА использовалась среда программирования CVI, разработанная фирмой National Instruments.

Основной задачей функции main, с которой начинается выполнение программы в языке СИ, является запуск графического интерфейса. Далее с его помощью осуществляется управление работой пакета. Для этого используются функции обратного вызова, назначение которых заключается в вызове из панели управления интерфейса той или иной функции моделирования, обработки и преобразования данных. Для пользователя это выглядит как выбор того или иного пункта меню на панели управления.

Помимо панели управления, графический интерфейс пакета содержит панель параметров и вспомогательные панели. Панель параметров служит для внесения необходимых изменений в хранящийся на жестком диске файл параметров. Вспомогательные панели предназначены для вывода оператору в виде сообщений и графиков текущей информации о ходе вычислений и необходимых промежуточных результатов. Файлы данных, которые создаются в программе (в процессе моделирования) ?или подвергаются различным преобразованиям (в процессе обработки) также хранятся на жестком диске. Через эти файлы осуществляется обмен данными между всеми основными функциями программы.

В основных функциях программных пакетов имитационной модели комплекса РСА реализованы некоторые модели, описанные в, разделе 1, а также квазиоптимальные и субоптимальные алгоритмы интерферометрической обработки, полученные в разделах 2, 3 и 4 данной работы. Дальнейшее содержание 7 раздела посвящено описанию результатов моделирования и обработки сигналов РЛК с помощью этих алгоритмов:

7.2 Математическое моделирование и интерферометрическая обработка сигналов

7.2.1 Имитационное моделирование функции радиолокационного рассеяния

Первым шагом в процессе моделирования траекторных сигналов многомерных комплексов РСА и алгоритмов их обработки является создание цифровой модели функции радиолокационного рельефа наблюдаемого участка рельефной земной, со сдвигами во времени или взволнованной морской поверхности. При этом к моделям функции РЛР на различных этапах научных исследований и (или) отладки программного обеспечения предъявляются довольно противоречивые требования. С одной стороны, модель функции РЛР должна обладать простотой, обеспечивающей наглядность протекающих физических преобразований при формировании и обработке сигнала, с другой - модель должна как можно точнее отражать физику реальных процессов. Чтобы разрешить эти противоречия обычно используют несколько моделей местного рельефа земной или взволнованной морской поверхности, каждая из которых ориентирована на решение своего круга задач.

Можно ввести следующую иерархию моделей отражений от земной или морской поверхности, используемых для моделирования и отладки алгоритмов интерферометрической обработки:

1. Модель из одного точечного отражателя на абсолютно поглощающем фоне с учётом местного рельефа или состояния взволнованной морской поверхности;

2.Модели из одного или нескольких отражателей, расположенных на местности с равномерным фоном отражений с учётом местного рельефа или состояния взволнованной морской поверхности;

3.Модели поверхности с неравномерным фоном отражений, с учётом местного рельефа или состояния взволнованной морской поверхности.

Простейшей в этой иерархии является модель в виде одиночного точечного отражателя. Такая модель функции РЛР позволяет учесть все тонкости формирования траекторного сигнала, законы его фазовой и амплитудной модуляции, изменения при смене ракурса наблюдения. Эта модель незаменима на первых шагах моделирования и при отладке любого нового алгоритма.

Очевидно, что простейшие модели функции РЛР, состоящие из отдельных отражателей, не передают всей полноты реальной физической картины. Даже специально подготовленный радиометрический полигон не исключает отражений от подстилающей поверхности. В реальной обстановке суммарный сигнал этих отражений, как правило, составляет существенную часть энергетики траекторного сигнала, а порой превышает сигналы уголковых отражателей.

Статистические свойства сигналов, отраженных от простейших отражателей, далеки от реальных отражённых сигналов. В то же время многие алгоритмы интерферометрической обработки, полученные статистическим синтезом, чувствительны к этим свойствам. Для получения достоверных оценок их характеристик предлагается использовать вторую группу моделей, в которых точечные отражатели располагаются на равномерно отражающем фоне.

В полном соответствии с материалами, изложенными в первом разделе, в качестве модели равномерно отражающего (однородного) фона использовалась модель в виде шумоподобного сигнала с постоянной дисперсией. С целью достижения большей достоверности, на каждый элемент разрешения моделируемой радиолокационной системы должно приходиться не менее 4.8 элементов дискретного шума - т. е. точечного отражателя со случайной амплитудой и фазой.

Дальнейшее усложнение модели функции РЛР земной или взволнованной морской поверхности предполагает использование пространственной модели с неравномерным фоном отражения. Эти модели важны для исследования алгоритмов интерферометрической обработки, работающих по критерию минимума среднего квадрата ошибки, и представляют собой массивы дискретных отсчетов неоднородного шумоподобного сигнала. Дисперсия отсчетов такого шума меняется по пространству полигона.

7.2.2 Интерферометрическая обработка радиоголограмм имитационного моделирования

Для примера, имитационное моделирование интерферометрической обработки далее будет рассматриваться для космического варианта построения комплекса РСА.

Основные параметры РЛК и условия наблюдения, при которых производилось имитационное моделирование, были следующими:

• длина волны PJIC - Я= 3 см;

• наклонная дальность — г0= 800 км;

• путевая скорость — vx0= 7500 м/с;

• частота повторения3000 Гц;

• разрешающая способность по наклонной дальности - Sr= 5 м:

• разрешающая! способность по путевой дальности (линейная разрешающая способность по азимуту) - 5 м;

РСА космического базирования с заявленными выше параметрами, наблюдения, как правило, имеет зондирующий сигнал большой длительности с большой базой. Поэтому для проверки алгоритмов интерферометрической обработки была сформированафадиоголограмма с зондирующимсигналом в виде сигнала с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). Из-за большой длительности; зондирующего сигнала, сигналы отражателей накладываются, интерферируя между собой.

На рисунках 7.1, 7.2, 7.3, 7.4, 7.5 представлены результаты обработки для первого • и второго типа модели РЛР,. полученных имитацией интерферометрической обработки парных сигналов для восстановления местного рельефа при

Для измерения уклонов необходимо одновременно иметь парные сигналы на разных несущих частотах, причём частотное смещение их должно быть менее четверти полосы зондирующего сигнала. Сигналов с подобными характеристиками в банке данных нет, поэтому в работе использовался метод искусственного выделения из исходного спектра двух узких спектров со смещёнными центральными частотами для формирования разночастотных парных сигналов.

На первом этапе, находится спектр по дальности принятого сигнала, затем спектр в необходимой пропорции «обрезается» слева (обнуляется) и, при возврате во временную область, формируется сигнал со смещенной несущей частотой.

На втором этапе, исходный спектр в той же пропорции «обрезается» справа (обнуляется) и, при возврате во временную область, формируется сигнал также со смещенной несущей частотой. У смещения по частоте, в этом случае, противоположный знак. Таким образом, формируется два одинаковых по длительности и форме сигналы со смещенными центральными частотами, которые можно использовать в качестве парных разночастоных сигналов.

Подобные сигналы использовались для отладки алгоритмов оценивание уклонов земной поверхности.

Далее представлены результаты в виде карты уклонов поверхности, полученные с применением этого метода для получения парных сигналов и совместной их обработкой в соответствии с (2.34).

На рисунке 7.21 а,б представлены два радиолокационных изображения, полученные в результате обработки зарегистрированных радиоголограмм методом «быстрой свёртки» и трёхмерные изображения карты уклонов в районе горных массивов, полученных в результате совместной обработки разночастотных парных сигналов при однопроходном боковом обзоре.

И в первом, и во втором случае имеем значительные перепады и по яркости, и по высоте, что отражается на РЛИ и картах уклонов поверхности. К сожалению, нет возможности получить карту местности, чтобы сопоставить их с

7.3.2 Оценивание волновых параметров по реальным сигналам с помощью алгоритмов интерферометрической обработки

На рисунках 7.24, 7.25, 7.26, 7.27, 7.28 представлены радиолокационные (амплитудные) изображения, полученные методом «быстрой свёртки» радиоголограмм РСА «Меч - КУ» морской и водной поверхности, а также две амплитудные матрицы волновых параметров (12х,с12у (см. п.п. 4.1.1). Размеры этих матриц совпадают с размерами РЛИ, а яркость соответствует значению волнового параметра.

Волновые параметры оценивались для каждой точки дискретного представления изображения в соответствии с выражением (4.10). Каждое значение волнового параметра зависит от динамики волнового процесса (отношения вы

К\ соты к длине волны — ) и соответствующей проекции среднего направления движения гравитационной ветровой волны ¡л2у = соэ(//2), ц2х - Бт(//2).

О правдоподобности оценок волновых параметров можно судить, сравнивая на представленных изображениях участки повышенной гидродинамической активности и смены направления движения волн с амплитудными изображениями тех же участков.

На рисунке 7.24 представлено поверхностное движение в прибрежной области островной гряды.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Бабокин, Михаил Иванович, 2010 год

1. Аверьянов В. Я. Разнесенные радиолокационные станции и системы. — Минск: Наука и техника, 1978.- 182с.

2. Алексеев К. Б., Бейнин Г. Г. Управление космическим летательным аппаратом. / Под ред. В.А. Бонера. М.: Машиностроение, 1964.-512с.

3. Баллистика и навигация космических аппаратов: Учебник для вузов/ Н.М. Иванов, Н.Л. Лысенко. М.: Дрофа, 2004. - 544с.

4. Балк М.Б. Элементы динамики космического полёта. М.: Наука, 1965.

5. Бартон Д., Вард Г. Справочник по радиолокационным измерениям. Пер. с англ. /Под ред. М. М. Вейсбейна. М.: Сов. Радио, 1976.

6. Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М. Наука, 1972, -424с.

7. Белоцерковский С.М., Кочетков Ю.А., Красовский A.A., Новицкий В.В. Введение в аэроавтоупругость. М.: Наука, 1980.-384с.

8. Буренин Н. И. РЛС с синтезированной антенной. — М.: Сов. радио, 1972.— 160 с.

9. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции. Т. 1. Теория обнаружения, оценок и линейной модуляции. Пер. с англ. /Под ред. В. И. Тихонова. М.: Сов. радио, 1972.-512с.

10. Геоинформатика: в 2кн. /Е.Г. Капралов, A.B. Кошкарев, B.C. Тикунов и др.; Под ред. B.C. Тикунова.- М.: Издательский центр «Академия»,2008.-384с.

11. Голд Б., Рейдер Ч., Теория и применение цифровой обработки сигналов. Пер. с англ., под ред. А. М. Трахтмана. М.: Сов. радио, 1973 .-350с.

12. Дудник П.И. Многофункциональные радиолокационные системы: учебное пособие для вузов / П.И. Дудник, А.Р. Ильчук, Б.Г. Татарский; под. ред. Б.Г. Татарского. -М.: Дрофа, 2007.-3 Юс.

13. Дистанционное зондирование в метеорологии, океанографии и гидрологии. Пер. с англ. / Под ред. А. Крэкнелла. М.:Мир, 1984. - 535с.

14. Замятин A.B., Марков Н.Г. Анализ динамики земной поверхности по данным дистанционного зондирования Земли. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. -176с.

15. Зубкович С.Г. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности. М.: Советское радио, 1968.-224с.

16. Злобин В.К., Еремеев В.В. Обработка аэрокосмических изображений. -М.: Физматлит,2006-288с.

17. Иванов В.А., Показеев К.В., Шрейдер A.A. Основы океанологии: Учебное пособие. СПб: Издательство «Лань», 2008. -576с.

18. Караваев В.В., Сазонов В.В. Основы теории синтезированных антенн. -М.: Советское радио, 1974.-168с.

19. Карпов O.A., Вашкевич С.А. Оптимальная адаптивная обработка сигналов в РЛС с цифровым синтезированием апертуры антенны. Смоленск, Изд-во ВА ВПВО ВС РФ, 2005.-300с.

20. Китайгородский С. А. Физика взаимодействия атмосферы и океана. -Л.: Гидрометеоиздат, 1970. — 372 с.

21. Козлов А.И., Логвин А.И., Сарычев В.А. Поляризация радиоволн. Кн.2. Радиолокационная поляриметрия. — М.: Радиотехника, 2007.-520с.

22. Коллинз Дж. М. Военная география для профессионалов и непрофессионалов./ Пер. с англ. В.В. Русиновича. М.: Научная книга, 2005.-568с.

23. Кондратенков Г. С., Фролов А. Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для вузов/ Под. ред. Г. С. Кондратенкова. М.: «Радиотехника», 2005. -368с.

24. Кондратенков Г. С., Фролов А. Ю. Теоретические основы построения радиолокационных систем дистанционного зондирования Земли. Учебник

25. Ярлыков М. С., Миронов М. А. Марковская теория оценивания случайных процессов. -М.: Радио и связь, 1993.-464с.

26. Ярлыков М.С. Применение марковской теории нелинейной фильтрации в радиотехнике. -М.: Сов. радио, 1980.-360с.

27. Ярлыков М.С. Статистическая теория радионавигации. М.: Радио и связь, 1985.-302с.

28. Walter G. Carrara, Ron S. Goodman, Ronald M. Majewski. Spotlight Synthetic Aperture Radar. Signal Processing Algorithms. Artech House, Boston, London, 1995.2. Статьи:

29. Ахметьянов В. P., Пасмуров А, Я., Пономаренко А. П. Цифровые методы получения изображений с помощью космических радиолокационных станций с синтезированной апертурой// Зарубежная радиоэлектроника. — 1985,№ 5, с. 24—35.

30. Бабокин М.И. Алгоритмы оценки относительного рельефа местности в многопозиционных комплексах РСА. М: Радиотехника, №7,2009, с.65-72.

31. Бабокин М.И. Оценка состояния взволнованной морской поверхности с помощью РСА. М: Радиотехника, №11,2009, с.5-14.

32. Бабокин М.И. Оценка топографического рельефа местности в РСА при переднебоковом обзоре // Цифровая обработка сигналов в РСА / Под ред. Е.Ф. Толстова. Смоленск: Изд-во ВА ВПВО РФ, 2005, с.171-181.

33. Бабокин М.И. Интерферометрические измерения топографического рельефа местности при переднебоковом обзоре: Труды XXIII Всероссийского симпозиума «Радиолокационное исследование природных сред». Санкт-Петербург, 2005, с.250-261.

34. Бабокин М. И., Бекирбаев Т. О., Карпов О. А. Экспериментальные исследования селектора наземных движущихся объектов вмоноимпульсных РСА: Цифровая обработка сигналов в РСА / Под ред. Е. Ф. Толстова. Смоленск, Изд-во ВА ВПВО ВС РФ, 2005, с.221-226.

35. Бабокин М.И., Ефимов A.B., Титов М.П., Цветков O.E. Интерферометрическая обработка радиолокационных сигналов: Труды XXIV Всероссийского симпозиума «Радиолокационное исследование природных сред». Санкт-Петербург, 2007,с. 177-185.

36. Бабокин М. И., Карпов О. А. Алгоритм автофокусировки РСА по оценке приращения фазы траекторного сигнала. Научно-методические материалы. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1995.

37. Бабокин М.И., Карпов O.A. Обнаружение сигнала подстилающей поверхности в PJIC с учетом его флуктуаций на интервале синтезирования // Вопросы радиоэлектроники, серия PJIT, №1, 2008, с.36-43.

38. Бабокин М. И., Карпов О. А., Леонов Ю. И. Учет регулярного движения элементов местности и объектов в моделях сигнала для РСА с ФАР: Цифровая обработка сигналов в РСА./Под ред. Е. Ф. Толстова. Смоленск, Изд-во ВА ВПВО ВС РФ, 2005, с. 17-31.

39. Бабокин М.И., Карпов O.A., Толстов Е.Ф. Адаптивная обработка сигналов при синтезировании апертуры антенны в многофункциональных РЛС // Радиотехника, 2000, №7, с.39-46.

40. Бакалов П.В., Ерохин М.Ю. Коррекция неконтролируемых фазовых искажений траекторного сигнала радиолокационной станции с синтезированной апертурой антенны. // Радиотехника и электроника, 2000, т. 45, №2, с. 191-195.

41. Баскаков А.И. Корреляционная функция и усредненная мощность радиолокационного сигнала, отраженного от взволнованной морской поверхности//Радиотехника, 1979,№ 1.

42. Баскаков А.И., Ка Мин Хо. Анализ влияния фазовых шумов на точностные характеристики интерферометрических РСА с «жесткой» базой. -М: Исследование Земли из космоса, 1998,№2., с.43-50.

43. Лавров A.A., Толстов Е.Ф. Радиолокационный мониторинг земной поверхности и океана // Радиотехника, 1997, №1, с 55-62.

44. Миронов М. А. Оптимальная дискретная обработка сигналов, зависящих одновременно от нескольких отсчетов оцениваемого случайного процесса. //Радиотехника и электроника, 1992, т. 37, № 1, с. 107-116.

45. Мур Р.К., Фэн А.К. Радиолокационное определение параметров ветра над морем. ТИИЭР, 1979, т. 67, №11, с. 40-63.

46. Независимое военное обозрение. Полный архив за 5 лет. СДНВО-5, версия 1.1,2000.

47. Переслегин C.B. О пространственно-временном усреднении вариаций высот, уклонов и скоростей развитых ветровых волн при дистанционном зондировании поверхности океана. // Исследование Земли из космоса. 1985 г. № 6, с 66-72.

48. Переслегин C.B., Синицын Ю.П. Восстановление мезомасштабного поля уровня океана в космическом радиолокационном интерферометре бокового обзора. М: Электромагнитные волны и электронные системы,1998,№5,т.З,с.44-50.

49. Поздышев В.Ю. Поляризационное обнаружение-распознавание в радиовидении. М: Радиотехника,2003,№6. с.64-66.

50. Попов С.М., Баскаков А.И., Гусевский В.И., Терехов В.А. Вопросы построения интерферометрического радиолокатора с синтезированной апертурой. М: Радиотехнические тетради,2000,№22.-С.26-28.

51. Поспелов М.Н., Кузьмин A.B., Трохимовский Ю.Г. Применение радиополяриметрии в дистанционном зондировании поверхности океана. -М: Изв. АН. 1999.Т.63,№ 12, с.2396.

52. Титов М.П. Синхронизация периодов зондирования при регистрации сигналов в бистатических РСА / Под ред. Е. Ф. Толстова. Смоленск, Изд-во ВА ВПВО ВС РФ, 2005, с.85-92.

53. Толстов Е. Ф. Общие требования к сигнальному процессору многофункциональной PJIC при синтезировании апертуры антенны: Цифровая обработка сигналов в РСА/ Под ред. Е. Ф. Толстова. Смоленск, Изд-во ВА ВПВО ВС РФ, 2005, с. 92-105.

54. Толстов Е. Ф., Саблин В. Н. Особенности цифровых PJIC с синтезированной апертурой антенны. — Зарубежная радиоэлектроника, 1978, № 1, с. 25—42.

55. Толстов Е.Ф., Карпов O.A. Квазиоптимальный адаптивный алгоритм формирования изображения в РСА при полете по неизвестной траектории. Научно-методические материалы под ред. В.Т. Горяинова. М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1987, с. 18-30.

56. Толстов Е. Ф., Карпов О. А. Синтез оптимального нестационарного фильтра обработки сигналов в РСА. Научно-методические материалы под ред. В. Т. Горяинова. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1987, с55-68.

57. Толстов Е. Ф., Яковлев А. М., Карпов О. А. Радиолокационный комплекс аппаратуры наблюдения в программе "Открытое небо" // Радиотехника, 1995. №11, с. 55-68i.

58. Филатов В.Н., Присяжнюк С.П., Зиновьев B.F., Полетаев A.M. Тенденции в дистанционном зондировании Земли и проблемы стандартизации данных.-М: Информация и космос, 2005,№2, с.66-75.

59. F.Lombardini. «Differential Tomography: A New Framework for SAR Interferometry», IEEE Transactions. Geoscience and Remote. Sensing, Vol:43-, NO.l, January 2005, pp.3 7-45.

60. Ярлыков M.C., Швецов В.И. Учет рельефа подстилающей поверхности при обработке радиосигналов. в бортовых комплексных радионавигационных системах для определения скорости и дальности. -М: Радиотехника, 1994; №2, с.З-18.