 |
|
П.И. Нейман, ж-л «Геоматика» №3(11), стр.30-33, 2011 г. |
|
Особенности характеристик и применения авиационных РСА Радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА) широко используются при дистанционном зондировании Земли (ДЗЗ), так как обладают высоким разрешением, возможностью получать информацию круглосуточно и практически в любую погоду. Более того, РСА позволяют обнаруживать цели под растительным покровом и даже в подповерхностной среде. Последнее качество наиболее полно может быть реализовано в авиационных РСА (АРСА). Авиационные РСА используются на летательных аппаратах всех типов: самолеты крупногабаритные, среднего класса и легкие, вертолеты, дирижабли. Также АРСА устанавливаются на беспилотные летательные аппараты (БЛА).
Можно выделить четыре класса АРСА:
1. РСА высокого разрешения.
2. Малогабаритные РСА.
3. Многодиапазонные РСА.
4. Подповерхностные РСА.
Авиационные РСА высокого разрешения предназначаются, в основном, для обнаружения и распознавания наземных целей. Предел разрешения 0,3–0,5 м, к которому только приближаются современные космические РСА, давно преодолен их авиационными аналогами. Наилучшие образцы достигли уровня разрешения менее 10–15 см — РСА PAMIR (Германия), LYNX (США) и др.
Малогабаритные АРСА находят применение для воздушного мониторинга, проводимого с малогабаритных БЛА при поисково-спасательных операциях, чрезвычайных ситуациях и т. п. Для этого в первую очередь должна обеспечиваться всепогодность и круглосуточность получения информации. Основная характеристика таких АРСА — минимальная масса. Здесь также получены выдающиеся результаты. Например, АРСА NanoSAR (США) с разрешением меньше 1 м имеет массу менее 1 кг (рис. 1).
Многодиапазонные АРСА в основном используются для важных исследовательских задач: проведение экспериментов для обеспечения новых информационных технологий ДЗЗ, создания банков радиолокационных характеристик, совершенствования методик и алгоритмов обработки (дешифрирования) радиолокационных изображений. АРСА данного класса работают сразу в нескольких частотных диапазонах (от 2–3 и более), имеют совершенное метрологическое обеспечение для проведения сложных измерений радиолокационных характеристик земных покровов и объектов. В данном классе можно отметь: американский AIRSAR (Airborne Synthetic Aperture Radar; диапазоны P, L и C) с полной поляриметрией и однопроходной интерферометрией в С-диапазоне (рис. 2), немецкий F-SAR (диапазоны X, C, S, L и P) с реализацией однопроходной интерферометрия в X- и S-диапазонах, французский RAMSES с 8 частотными диапазонами — от Р-диапазона до W-диапазона (l@3,2 мм). Авиационные подповерхностные РСА составляют наиболее специфический класс, так как они предназначаются для обнаружения скрытых в лесах и под землей объектов (мин, военной техники, транспортных средств, сооружений, средств коммуникаций и т. п.). Важность этой задачи определило специальное название таких АРСА — FOPEN SAR (Foliage Penetration Synthetic Aperture Radar), т. е. РСА для обнаружения под растительным покровом и GPR (Ground Penetration Radar — радиолокатор для подповерхностного зондирования) (рис. 3). Основными характеристиками подповерхностных АРСА являются пространственное разрешение и проникающая способность радиоволн. Для сочетания таких важных качеств необходимо использовать радиолокационные сигналы с большим отношением ширины спектра к несущей частоте (так называемые сверхширокополосные сигналы — СШПС). Например, в одном из РСА с СШПС (английское обозначение UWB SAR — Ultra-wideband SAR) фирмы Sandia (США) используется сигнал с шириной спектра от 125 до 950 МГц. Средняя длина волны такого сигнала составляет около 50 см, потенциальное разрешение по дальности около 15 см. Так как рабочая полоса сигнала РСА с СШПС обычно лежит в диапазонах VHF и UHF, для обозначения рабочего диапазона принято обозначение VHF/UHF. На рис. 4 приведены примеры радиолокационных изображений (РЛИ), полученных в коротковолновом Ku диапазоне (длина волны около 2 см) и в диапазоне VHF/UHF. Хорошо видна принципиальная разница коротковолновых и длинноволновых РЛИ. Коротковолновые РЛИ имеют квазиоптический характер с присущими боковому обзору радиолокационными тенями (в данном случае от деревьев). Яркостная картина РЛИ искажена спекл-эффектом. Длинноволновое РЛИ значительно отличается, во-первых, отсутствием теней, так волны VHF/UHF проходят через листву деревьев, а, во-вторых, другой текстурой РЛИ, что связано с высоким пространственным разрешением, близким к длине волны зондирующего сигнала. Разработкой и испытаниями подповерхностных РСА в США занимается ряд известных научно-исследовательских организаций (Sandia National Laboratories, SRI International, US Army Research Laboratory). В результате начального этапа экспериментальных исследований было установлено, что для интерпретации (дешифрирования) длинноволновых РЛИ требуются новые технологии, основанные на методе обработки change detection (обнаружение изменений) и учитывающие поляризационные особенности радиолокационного сигнала, проникающего в растительную среду. В ходе экспериментальных исследований было также установлено, что обнаруживать изменения на РЛИ следует в нескольких проходах при различных углах визирования и на разных высотах, в результате чего можно создавать трехмерные изображения целей, используя технологию реконструкции 3D РЛИ. Дальнейшим развитием работ по обнаружению и распознаванию скрытых целей является программа FORESTER (FOPEN Reconnaissance, Surveillance, Tracking and Engagement Radar — радиолокационный комплекс для разведки и слежения за целями, скрытыми в растительности). В системе FORESTER используется радиолокатор VHF/UHF диапазона, позволяющий обнаруживать людей и транспортные средства под растительностью. РСА Система FORESTER разработана для использования на беспилотном вертолете (БВ) A-160 (рис. 5) и прошла натурные испытания в различных условиях для подтверждения и отработки информационной технологии. Подповерхностные РСА позволяют получить высокую производительность съемки и обнаружения подземных объектов. Однако глубина проникновения в подповерхностную среду сигнала у таких РСА ограничивается мешающими отражениями от поверхности, которые маскируют заглубленные цели. Типичное значение глубины проникновения в сверхширокополосных РСА может доходить до 2–5 м, что позволяет использовать подповерхностные РСА в поисково-спасательных задачах, для обнаружения малозаглубленных военных целей, выявления минных полей, для различных гражданских применений (обнаружение нефтегазопроводов и пр.). Типичными примерами авиационных подповерхностных РСА можно считать системы Mineseeker (Великобритания) и CARABAS II (Saab, Швеция). Первая система предназначается для обнаружения мин с воздуха. Система размещается на дирижабле и обеспечивает обнаружение мин со скоростью до 100 м2/с, в то время как саперы могут обеспечить обнаружение мин со скоростью до 40 м2 в день. Для обнаружения мин РСА имеет очень высокое разрешение (порядка 5 см). Обзор местности с целью обнаружения мин осуществляется в три этапа - предварительный обзор, технический и завершающий обзор. На первом этапе производится сбор необходимой информации по обследуемому участку местности и ее анализ с целью выявления наиболее важных участков для второго этапа решения задачи. На втором этапе к анализу информации и процессу идентификации подозрительных объектов привлекаются специалисты, прошедшие необходимую подготовку. На данном этапе производится маркировка участков, которые далее подлежат расчистке от мин и неразорвавшихся боеприпасов. Третий этап проводится совместно с бригадами саперов. Система CARABAS-II работает в VHF диапазоне и использует зондирующий сигнал со спектром в пределах от 20 до 90 МГц (длины волн 3,3…15 м) с горизонтальной поляризацией. Разрешающая способность РСА может лежать в пределах от 3,3 до 15 м. Указанные параметры выбраны с целью обеспечения максимального проникновения радиолокационного сигнала под растительный покров и в земную поверхность. По сравнению с космическими комплексами авиационные РСА расширяют возможности дистанционного зондирования Земли, благодаря своим специфическим свойствам: возможности получения более высокого разрешения, возможности одновременного использования для съемок нескольких частотных диапазонов, возможности установки радиолокационной аппаратуры на малогабаритных БЛА, возможностью обнаруживать различные объекты в растительности и под земной поверхности. Все указанные особенности авиационных РСА делают их хорошим дополнением известным космическим РСА и значительно расширяют круг их возможного применения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Нейман П.И., Нейман И.С. «Особенности построения и основные характеристики радиолокаторов с синтезированной апертурой. Часть 1. Космические РСА, часть 2. Авиационные РСА. Научно-технический отчет ОАО «НИИ ТП», 2010 г.
2. M. Glaccum «High Altitude Reconnaissance: Concepts for Complementary Manned and Unmanned Operations». SMi Conference, 1 March 2004, London, UK.
3. M. Murray «Taking Reconnaissance to Taking Reconnaissance to Another Level Another. UAVs: The Way Ahead» Sandia National Laboratories, Washington, October 2004. http://www.sandia.gov
4. A.R. Brenner, J.H. G. Ender «Airborne SAR Imaging with Subdecimeter Resolution». Proceedings of EUSAR 2006.
5. H. Cantalloube, P. Dubois-Fernandez «Airborne X-band SAR imaging with 10 cm resolution – Technical challenge and preliminary results». Proceedings of EUSAR 2004.
6. www.sandia/gov/radar/SAR
7. R.Horn, A.Nottensteiner, R.Scheiber, «F-SAR – DLR’s advanced airborne SAR system onboard DO228», Proceedings EUSAR-2008, Friedrichshafen, Germany, 2008.
8. P. Dubois-Fernandez, O. Ruault du Plessis, D. le Coz, J. Dupas, B. Vaizan, X. Dupuis, H. Cantalloube, C. Coulombeix, C. Titin-Schnaider, P. Dreuillet, JM. Boutry, JP. Canny, L. Kaisersmertz, J. Peyret, P. Martineau, M. Chanteclerc, L. Pastore, JP. Bruyant «The ONERA RAMSES SAR system», Proc. IGARSS'02, Toronto, 2002.
9. Anti-Personnel Landmine Detection Technology Survey and Assessment. Wide-Area Detection in Support of Arm Control. Technical Report, March 1999. http://www.estcp.org 10. Unmanned Aircraft Systems (UAS) Roadmap, 2005-2030 (Appendix B, Sensors), http://www.uav.ru
П.И. Нейман, ж-л «Геоматика» №3(11), стр.30-33, 2011 г.
Гидрометеорологический и океанографический космический комплекс четвертого поколения «Метеор МП» 
WorldView-2: революционное изменение подхода к получению, анализу и использованию данных космической съемки 
Картографическое обеспечение региональных информационно-аналитических систем 
Европейская программа GMES и перспективная группировка спутников ДЗЗ Sentinel 
Проекты регионального масштаба. Опыт использования программного обеспечения INPHO 