СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕКТОРНОГО ПОЛЯ СКОРОСТИ ОКЕАНСКИХ И РЕЧНЫХ ТЕЧЕНИЙ В КОСМИЧЕСКОМ РСА
METHOD OF MEASURING VECTOR FIELD SPEED OF OCEAN AND RIVER STREAMS IN SPACE SAR

x
Изобретение относится к радиолокации поверхности Земли с летательных аппаратов и может быть использовано для формирования скоростных портретов протяженной поверхности - океанских и речных течений. Различные алгоритмы обработки сигнала, принятого антенной радиолокатора с синтезированной апертурой (РСА), обеспечивают не только высокое пространственное разрешение r по продольной оси (оси перемещения антенны), но и возможность раздельного формирования яркостного и скоростного радиолокационных изображений (РЛИ). При этом свойства синтезирующего алгоритма не должны препятствовать формированию «четырехмерного» радиолокационного изображения местности, где на обычную (яркостную) картину, отображающую положение неподвижных (природных и искусственных) объектов накладывается изображение движущихся объектов. Направление движения обычно обозначается ориентированной по странам света стрелкой, а модуль скорости - цветом. Подобная задача относится и к формированию в РСА изображений морских и речных течений на фоне береговой линии и стационарных объектов на суше.
В работах [1, 2] предлагаются способы обработки, позволяющие определять вектор скорости локального отражателя с самолета,- но только при высоких значениях скорости, достаточных для смещения отражателя на десятки элементов продольного и поперечного разрешения за время синтезирования. Известны и способы обработки сигналов в РСА, позволяющие измерять малые скорости объектов на поверхности Земли. В том числе способ, позволяющий восстанавливать радиальную скорость морских мезомасштабных течений по смещению медианы доплеровского спектра [3, 4]. В этом случае измеряемая скорость составляет (1-100) см/с, и для ее измерения необходимо накапливать отсчеты сигнала на километровых площадках, включающих несколько тысяч независимых элементов разрешения. Разработан и введен в действие космический аппарат TerraSAR-X, использующий интерферометр с продольной антенной базой [5] для формирования скоростных портретов при малых скоростях объектов с лучшим пространственным разрешением - но только для радиальной составляющей скорости. В работе [6] рассматривались различные аспекты и особенности интерференционного метода. Имеются и патенты [7, 8], где радиальная составляющая скорости измеряется в интерференционном РСА (ИРСА) с продольной базой при традиционном (разностно-фазовом) алгоритме синтеза. Разностно-частотный алгоритм синтеза для ИРСА предложен в недавно полученном патенте [9], где осуществляется некая оптимизации алгоритма обработки при формировании скоростного портрета поверхности, но опять-таки для радиальной составляющей скорости.
В данной заявке предлагается двухлучевой способ, позволяющий измерять обе составляющие скорости при использовании различных алгоритмов обработки сигнала. Сам же по себе многолучевой способ векторных радиолокационных измерений известен - например, он издавна применяется в космических СВЧ скаттерометрах при измерении вектора скорости ветра над морской поверхностью, используя пространственную анизотропию морских волн [10].
Прототипом предлагаемого метода может служить патент [8] для ИРСА.
В работе [6] показано, что азимутальный отклик скоростного канала ИРСА, в первом приближении и без использования оптимизации [9], имеет вид:
0
x
x
r
x
x
r
x
n
x
n
V
y
n
n
x
y
n
n
dy
r
dy
y
n
n
n
dy
r
y
r
y
y
x
V
-3
где U - амплитуда сигнала при реальной (несинтезированной) апертуре; N=L/WT - число когерентно накапливаемых импульсов при размере синтезированной апертуры L, скорости аппарата W и периоде следования импульсов T; r=λR/L - продольная (азимутальная) разрешающая способность при длине волны сигнала λ и наклонной дальности R визируемой площадки; x=VR(sinγ)/W - пространственный сдвиг, обусловленный радиальной скоростью V площадки, визируемой под углом γ; ψ=arctg(2πfT) - регистрируемый фазовый сдвиг внутри амплитудного пика, где f=2Vsinγ/λ - радиальный доплеровский сдвиг. При измерении малых скоростей с космического аппарата допустимо принять sinψ: ψ=2πfT. Видно, что измеряемая скорость V в данном случае влияет как на фазу синтезированного сигнала, так и на его пространственный (азимутальный) сдвиг. При типовых значениях T=(0,1-0,3)·10 с для космического ИРСА и малых измеряемых скоростей V<3 м/с доплеровский сдвиг не превышает 100 Гц, а фазовый не превышает 10 град. Что же касается пространственного сдвига, то в данных условиях он значителен, составляя ~200 м при скорости V=3 м/с. Это означает, что пренебречь им можно, измеряя скорость слабых течений при соответствующем азимутальном разрешении (r>>x).
x
x
n
Формирование яркостного РЛ изображения в РСА или ИРСА определяется экспоненциальным множителем в выражении (1), который может быть представлен в функции пространственной координаты (x), а также временной координаты (t=x/W) и частотной координаты (f=2xW/λR). В последнем случае амплитудный пик в выражении (1) выглядит следующим образом:
dy
где величина  играет роль разрешающей способности по частоте. Таким образом, можно измерить сдвиг f и без помощи интерферометра, что известно из работ [3, 4].
x
y
x
E
x
E
E0
E0
Для измерения обеих составляющих вектора скорости предлагается использовать азимутальный разворот плоскости излучения на небольшой угол (β~15°), т.е. искусственный угол сноса. Решение заключается в формировании двух лучей, на каждый из которых проектируются как измеряемые скорости отражателя (V, V), так и подлежащие компенсации скорость аппарата (W) и скорость вращения Земли (W) (фиг. 1). Как следует из фиг. 1, суммарные радиальные доплеровские сдвиги с учетом скорости аппарата W и скорости вращения Земли W=W cosα (W=462 м/с, α - широта места) - для левого и правого лучей антенны составляют
E
x
Введем компенсацию скорости вращения Земли W и скорости аппарата W путем соответствующих частотных сдвигов сигнала в левом и правом приемных каналах:
и .
Тогда, в соответствии с выражением (2), на выходах двух независимых каналов ИРСА получим фазовые сдвиги
Складывая и вычитая эти сдвиги, можно получить обе составляющие скорости для каждой площадки с достижимой точностью при заданном разрешении:
x
x
x
Имеются и определенные ограничения. Задержка во времени между измерениями в двух лучах составляет , что в космических условиях составляет ~30 с, т.е. на два порядка превышает время синтеза. При малой скорости площадки, когда соблюдается условие V<r/Δt, данный метод, по-видимому, позволяет измерить вектор скорости течения. Расчеты показывают, что современный космический ИРСА сможет измерить вектор скорости течения с точностью ~3 см/с - при достижимом в этом случае размере симметричной площадки d=r~100 м [6]. Такие параметры являются намного лучшими по сравнению с параметрами, реализованными с использованием сдвига доплеровского спектра в РСА [3].
x
E
Тем не менее, предлагаемый двухлучевой метод выгоден для использования не только в ИРСА, но и в обычном РСА. Помимо рассмотренного эффекта, т.е. измерения обеих составляющих скорости вместо одной, оказывается ненужным сравнение измеренного доплеровского сдвига со сдвигом неподвижной площадки, ибо эту роль выполняет второй луч антенны. В этом случае, используя выражение (3) при такой же компенсации скоростей аппарата (W) и вращения Земли (W), находим для левого и правого лучей их суммарный и разностный доплеровские сдвиги: , , а затем - составляющие скорости
Функциональная схема предлагаемого способа измерений вектора скорости течений в РСА представлена фиг. 2, где обозначены: 1 - двухлучевая антенна, 2 - смесители левого и правого каналов; 3 - синтезаторы левого и правого каналов; 4 - генератор опорного сигнала; 5 - вычислители выходных параметров левого и правого каналов; 6 - вычислитель измеряемых параметров с формированием азимутальной строки яркостного и скоростного изображений; 7 - многомерный дисплей; 8 - временной синхронизатор; 9 - датчик навигационных параметров, 10 - ввод навигационных параметров, 11 - ввод заданных параметров РЛ изображения.
E
x
x
y
E
x
Формирование азимутальной строки яркостного и векторно-скоростного изображений происходит следующим образом. Сигналы от двухлучевой антенны (1) поступают в смесители (2), где им придаются компенсирующие частотные сдвиги F и F. Затем каждый из этих сигналов поступает на синтезатор (3), куда также поступает опорный сигнал от генератора (4). Затем в каждом из каналов вступает в действие вычислитель (5), вырабатывающий видеосигналы с амплитудами, пропорциональными амплитуде и доплеровскому сдвигу отклика движущейся площадки. В результате для левого и правого лучей образуются по две пары сигналов, определяющих, помимо интенсивности отраженного сигнала, модуль и направление скоростного вектора. В вычислителе (6) производится разделение составляющих скорости (V, V), их калибровка, калибровка интенсивности сигнала и формирование строки яркостного и скоростного изображений с учетом задержки при зондировании одной и той же площадки левым и правым лучами. Сформированные таким образом сигналы поступают на многомерный дисплей (7), тем или иным способом отображающий одновременно интенсивность (яркость) каждого элемента изображения, величину и направление скорости элемента. Для обеспечения согласованности и точности измерений служат временной синхронизатор (8) и датчик навигационных параметров (9), управляющие азимутальной разверткой дисплея, меняющимися по дальности задержкой Δt, частотой опорного сигнала и вырабатывающие частотные сдвиги F и F. При измерении вектора скорости в ИРСА, где антенна имеет две секции, функциональная схема фиг. 2 не изменяется - конечно, при более сложных принципиальных схемах собственно антенны (1), синтезаторов (3) и блока синхронизации (8), что известно из литературы [6].
Источники информации
1. Объекты радиолокации. Обнаружение и распознавание, п/ред. А.В. Соколова / М., Радиотехника, 2007, глава 4: Радиолокационное изображение цели при апертурном синтезе со сверхвысоким разрешением радиолокатора с синтезированной апертурой, с. 117-128.
2. Pettersson M.I. Detection of Moving Targets in Wideband SAR // IEEE Trans, on Aerospace and Electronic Systems, 2004, v. 40, №3, pp. 780-786.
3. Достовалов М.Ю., Неронский Л.Б., Переслегин С.В. Исследование поля скорости океанских течений по фазометрическим данным, полученным РСА космического аппарата «ERS» // Океанология, 2003, т. 43, №3, с. 473-480.
4. Neronsky L.B., Dostovalov M.Ju., Pereslegin S.V. The extended algorithms for Doppler centroid estimation // Proc. EUSAR-2004, Ulm, Germany, May 2004, v. 2, pp. 709-712.
5. Romeiser R., Suchand S., Hartmut R., Steinbrecher U., Grimier S. First Analysis of TerraSAR-X Along-Track InSAR-Derived Current Fields // IEEE Trans, on Geoscience and Remote Sensing, v. 48, No 2, pp. 820-829.
6. Переслегин С.В., Халиков З.А. Обработка сигналов в радиолокаторах с синтезированной апертурой при восстановлении скоростных полей поверхности Земли // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2014, №1, с. 1-13.
7. Martin Suss, Werner Wiesbeck. Side-looking synthetic aperture radar system / ER Patent, Number 1.241.487. B1, Data of filing 15.03.2001.
8. Takashi Fujimura. Along-track interferometric synthetic aperture radar / US Patent, Number 5.945.937, Data of patent Aug. 31, 1999.
9. Переслегин С.В., Захаров А.И., Халиков З.А., Ивонин Д.В., Достовалов М.Ю., Шапрон А. Способ измерения радиальной скорости отражателя в радиолокаторе бокового обзора с синтезированной апертурой // Патент на изобретение №2537788, приоритет 10.09.2013.
10. А.И. Баскаков, Т.С. Жутяева, Ю.И. Лукашенко. Локационные методы исследования объектов и сред / М., ИЦ «Академия», 2011, глава 5.