РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ СПОСОБ ОПЕРАТИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ ОКЕАНСКИХ ЯВЛЕНИЙ ИЗ КОСМОСА
RADAR METHOD FOR RAPID DIAGNOSIS OF OCEAN PHENOMENA FROM SPACE

изобретение относится к радиолокации поверхности океана и может быть использовано как для глобального мониторинга изменчивых океанских явлений (например, геострофических течений), так и для оперативного прогноза опасных явлений - волн цунами, штормовых волн и экстремальных волн зыби (т.н. «волн-убийц»). В использовании изобретения заинтересованы гидрометеослужба и организации, связанные с хозяйственным освоением морских акваторий (например, с навигацией судов, проектированием и эксплуатацией морских платформ), а также организации, занятые изучением Мирового океана.
Известен двухпозиционный принцип радиолокации морской поверхности [1], известны также работы по однопозиционной РЛ-интерферометрии морской поверхности [2, 3]. Однопозиционные самолетные радары, использующие радиоинтерферометры с синтезированной апертурой, успешно применяются для диагностики параметров морских волн и течений [4, 5]. Что же касается космических РЛ интерферометров с наклонным зондированием поверхности, то на сегодня известен проект Tandem Terra SAR-X [5], где два одинаковых аппарата на близких орбитах используются как интерферометр с «жесткой» антенной базой, что и требуется для мониторинга морской (нестационарной) поверхности. Однако наклонное зондирование с двух аппаратов «в одну сторону» приводит к тем же проблемам, что и в обычных (однопозиционных) РСА: малая отражательная способность поверхности и невозможность обеспечения ширины зоны обзора порядка 2000 км при диагностике мезомасштабных океанских явлений.
Известны патенты, предшествующие созданию системы Tandem TerraSAR-X [6, 7, 8]. В первом из трех патентов предлагается схема размещения (на круговых орбитах) большого количества спутников, поочередно составляющих «бистатические пары», где один из аппаратов облучает поверхность Земли, а второй аппарат принимает отраженный сигнал, используя при этом синтезированную антенную апертуру. Особенности предлагаемого способа радиолокационного обзора поверхности заключаются в том, что при синтезировании апертуры приемной антенны необходимо вводить с необходимой точностью как параметры облучающего сигнала, так и параметры орбит.
Во втором патенте (очевидно, как развитие первого) предлагается состав и метод бистатической радиолокационной интерферометрии, где само расстояние между излучающим и принимающим космическими аппаратами используется в качестве антенной базы для интерференционного радиолокатора с синтезированной апертурой (ИРСА), причем это расстояние принимается большим по сравнению с размерами области обзора, судя по приведенным рисункам, - порядка многих тысяч км. Мы считаем данный патент неосуществимым, если автор понимает под словом «holography» - именно формирование радиолокационных изображений рельефа Земли. Из дальнейшего будет видно, что «жесткая» антенная база интерферометра, работающего по протяженной поверхности, состоящей из множества независимых отражателей, не может быть больше определенной величины. В нашем случае (длина волны сигнала порядка сантиметра, высота орбиты порядка 1000 км, ширина спектра сигнала порядка 100 МГц) - максимальный размер «жесткой» поперечной антенной базы получается порядка единиц км.
В третьем патенте, поданным с участием германской фирмы-разработчика упомянутой выше РЛ системы Tandem TerraSAR-X (Deutsches Zentrum fur Luft-und Raumfahrt, DLR), предлагается схема визирования поверхности Земли, использующая два независимых космических аппарата с РСА, при их выводе на близко расположенные эллиптические орбиты с малым эксцентриситетом и центром, сдвинутым относительно центра Земли. Расстояние между аппаратами («база») при этом мало изменяется, а проекции этой базы на поверхность изменяются сильно. Нам представляется, что этот патент пригоден для «мягкой» интерферометрии, где оба аппарата независимо создают «фазовые портреты» стационарной поверхности. Пригодность патента для «жесткой» интерферометрии морской (нестационарной) поверхности еще следует доказать экспериментально.
Прототипом предлагаемого способа является патент [9]. В этом патенте предлагается способ, который заключается в использовании одного космического аппарата для независимого формирования полей скорости и уровня поверхности океана при помощи интерферометра, состоящего всего из двух антенн, разнесенных в горизонтальной плоскости. При небольших углах визирования здесь образуются левая и правая зоны обзора, каждая из которых при высоте орбиты Н имеет ширину порядка 0,2H.
Таким образом, в четырех известных патентах поля скорости и уровня предлагается измерять при помощи интерферометров, расположенных либо на двух независимых космических аппаратах при больших антенных базах, либо на одном аппарате при малых антенных базах (прототип). Представляется, что в прототипе может использоваться как вблизи-надирный (квазизеркальный) режим рассеяния морской поверхности, так и брэгговский (при не очень далеких от вертикали углах визирования) - однако ширина зоны обзора в любом случае остается узкой, что не обеспечивает требований диагностики протяженных (мезомасштабных) океанских явлений, а также надлежащей оперативности.
Целью предлагаемого изобретения является создание космического радиолокационного средства для оперативной диагностики мелко и мезомасштабных полей волнения, скорости течений и уровня океанской поверхности, что требует существенного расширения зоны бокового обзора при сохранении режима синтезирования и существенного увеличения энергетического потенциала при выделении разностно-фазового сигнала.
0
1
0
2
Поставленная цель в данном способе, заключающаяся в радиолокационной оперативной диагностике океанских явлений из космоса, использующей подсвет поверхности океана с одного аппарата, интерференционный прием отраженного сигнала другим аппаратом и вдольтрассовое синтезирование апертуры приемных антенн, достигается тем, что применяют квазизеркальный режим рассеяния СВЧ сигнала морской поверхностью, используя протяженный «радиоблик» при соосной горизонтальной поляризации излучения и приема, центр зоны обзора выбирают в зеркальной точке при одинаковых углах падения и отражения γ, близких к углу Брюстера, зону обзора вблизи зеркальной точки исключают из полезной информации, применяют поперечно-трассовый интерферометр с антенной базой l при угле наклона базы относительно горизонта θ=γ, применяют вдольтрассовый интерферометр с антенной базой l, минимальные размеры антенных баз выбирают из соотношений
2
c
x
1
2
где λ - длина волны излучения, Н - высота орбиты приемного аппарата, Δf - ширина спектра излучаемого сигнала, с - скорость света, L - размер синтезированной апертуры, β(q) и β(q) - безразмерные коэффициенты, определяемые параметрами радара и располагаемым минимальным отношением фон/шум q, при обработке разностно-фазовых сигналов высоты крупных волн и вариации среднего уровня вычисляют из соотношения
n
n
1
где N - число независимых отсчетов случайной разности фаз φ, измеряемой на площадке заданного размера, расположенной под углом визирования γ с приемного аппарата,  - априорный фазовый набег на базе l, орбитальную скорость крупных волн и скорость течения вычисляют из соотношения
x
2
где W - скорость космического аппарата,  - априорный фазовый набег на базе l.
Новизна предлагаемого метода заключается в использовании «квазизеркального» режима рассеяния морской поверхности («бликовой дорожки») при соответствующей оптимизации ИРСА - интерференционного радиолокатора с синтезированной апертурой - именно под этот режим. Такая система, как показывают расчеты, в принципе способна обеспечить формирование калиброванных широкоформатных изображений трех важнейших полей: а) локальных высот крупных волн и вариаций среднего уровня поверхности океана; б) локальной орбитальной скорости поверхностных волн и средней скорости приповерхностного течения; в) локальных и средних уклонов поверхностных волн. Перечисленные поля должны формироваться в виде независимых РЛИ (калиброванных радиолокационных изображений) при необходимых параметрах чувствительности, пространственного разрешения и ширины зоны обзора (до 2000 км), и, что очень важно, при небольшом количестве малых аппаратов в группировке.
Возможность практической реализации.
1
2
x
1
0
01
02
n1
n2
n1
x
y
x
y
1
2
′
Обратимся непосредственно к обоснованию предлагаемого изобретения, т.е. двухпозиционного «морского» ИРСА (интерференционного радиолокатора с синтезированной апертурой) использующего облучение морской поверхности с одного аппарата, «квазизеркальный» режим рассеяния и прием отраженного сигнала интерферометром, установленным на другом аппарате. Геометрия двухпозиционного РЛ визирования поверхности иллюстрируется чертежом - Фиг.1, где обозначены: H, H - высоты орбит, W - вектор скорости приемного аппарата, l, θ - размер и угол наклона поперечной антенной базы, γ - зеркальный угол, R, R - дальности зеркальной точки, R, R - дальности текущей точки, дальности точек для приемных антенн обозначены штрихом (R  и т.д.). Площадка разрешения имеет размеры r, r, площадка осреднения - размеры d, d. Показанная на рисунке поперечная антенная база l служит для измерения либо высот волн (при высоком разрешении), либо вариаций среднего уровня поверхности (при осреднении на мезомасштабных площадках). Продольная антенная база l, необходимая для измерения скоростных полей, на Фиг.1 не показана.
Практическая реализация способа при расположении «жестких» антенных баз на одном приемном аппарате, представляется в двух вариантах. В первом варианте предлагается синхронно запустить на равновысотные полярные орбиты два аппарата, траектории которых отстоят по долготе - чертеж на Фиг.2. В полярных областях углы наклона орбит будут сильно отличаться, однако по нашим расчетам режим квазизеркального рассеяния взволнованной поверхностью при таких орбитах может сохраняться вплоть до широт ±75°. При переходе с восходящего на нисходящий виток передающий аппарат становится приемным, а приемный - передающим, для чего слабонаправленная передающая антенна и приемные антенны ИРСА устанавливаются на обоих аппаратах как по правому, так и по левому борту. Для обеспечения малого времени повторяемости изображений вся группировка по нашим расчетам должна состоять из 5-6 пар подобных аппаратов.
2
x
y
Анализ соотношений, характеризующих параметры предлагаемого способа радиолокационного обзора взволнованной морской поверхности, приводит к следующим результатам. Прежде всего выяснено, что практически выполнимые варианты космического двухпозиционного радара, использующие «квазизеркальный» режим рассеяния при наклонном зондировании, действительно обеспечивают высокую отражательную способность поверхности: УЭПР от -5 до +5 дБ в зоне обзора шириной порядка 2H (удвоенной высоты орбиты приемного аппарата), в широком диапазоне скоростей приводного ветра. Даже в штилевых условиях «бликовая дорожка» сохраняется, что следует не только из наших расчетов (в основе которых находились эмпирические пространственные спектры уклонов волн), но и из ряда публикаций по физике волн в открытом океане. Расчетные диаграммы квазизеркального рассеяния, соответствующие данному варианту визирования и скоростям приводного ветра 4 м/с и 10 м/с, приведены на чертежах - Фиг.3 и Фиг.4. Замкнутые линии отображают уровни УЭПР от +5 дБ до -20 дБ. Безразмерные координаты m и m определяются расстоянием от рабочей площадки до центральной (зеркальной) точки, отнесенным к высоте орбиты. Расчеты показывают, что при использовании в ИРСА 3-см диапазона, высоте орбиты H=800 км, обеспечивается ширина зоны обзора ±Н (относительно зеркальной точки) по уровню УЭПР, равному 0 дБ. Если рабочее отношение фон/шум в каналах ИРСА составляет 30 дБ, то необходимая средняя мощность излучения составляет ~40 Вт. При расчетах учтена кривизна Земли.
Второй вариант реализации предназначен для обеспечения региональной диагностики океанских явлений. Он предусматривает облучение заданной обширной океанской акватории с геостационарного аппарата (ГСКА) и установку ИРСА на малых приемных аппаратах (Фиг.5). Прием отраженных сигналов, как и в первом варианте, производится группировкой малых низкоорбитальных аппаратов, оснащенных антеннами ИРСА, но только по одному борту. При этом необходимо согласовать между собой параметры орбит и углы визирования поверхности с обоих аппаратов. Расчетные диаграммы квазизеркального рассеяния для этого варианта (с учетом кривизны Земли) также имеются, и при том же отношении фон/шум в каналах ИРСА необходимая средняя мощность излучения с ГСКА составляет ~10 кВт.
0
y
0
Выяснено, что в зеркальной точке y и в некоторой зоне вокруг нее резко ухудшается поперечная разрешающая способность r - если ее сравнивать с разрешением однопозиционного радара при том же угле визирования. Для наших целей оказывается достаточным исключить из зоны обзора всего 20% ее ширины, однако взамен мы получаем чрезвычайно полезный эффект, а именно - растяжение по всей зоне обзора масштаба горизонтальной дальности (y-y) по отношению к суммарной наклонной дальности . Этот эффект позволяет использовать режим синтезирования апертуры приемных антенн при сохранении высокой частоты следования импульсов - тогда как в однопозиционных РСА для расширения зоны обзора приходится применять сложные многолучевые антенны на базе управляемых ФАР (фазированных антенных решеток). Выяснено также, что режим синтезирования апертуры, несмотря на иную физику рассеяния (по сравнению с брэгговской), не претерпевает существенных изменений.
Таким образом, необходимая широкая зона обзора обеспечивается с приемлемым поперечным разрешением, диктуемым шириной спектра излучаемого сигнала, продольное разрешение обеспечивается синтезированием апертуры приемных антенн, а формирование уровенных и скоростных полей поверхности океана обеспечивается интерферометром с поперечной и продольной базами, установленным на приемном аппарате. При этом именно высокая УЭПР «квазизеркальной» поверхности, на 3 порядка превышающая УЭПР морской поверхности при брэгговском рассеянии, позволяет существенно уменьшить размеры антенных баз, размещаемых на приемном аппарате.
В результате проведенного анализа и расчетов, выполненных применительно к интерферометрам, работающим в режиме «квазизеркального» облучения со второго аппарата, были получены соотношения для предельно достижимых уровенной и скоростной флуктуационной чувствительности, из которых и выбираются (при заданных орбитальных и аппаратурных параметрах системы) минимальные размеры антенных баз.
1
Зависимость нормированной уровенной флуктуационной чувствительности от располагаемого энергетического потенциала q (отношение фон/шум) и параметров радара (безразмерный коэффициент β) представлена на фиг.6, она записывается в виде
где
а нормирующая величина (уровенная чувствительность при q→∞) составляет
1
n
c
2
0
2
В выражениях (1-3) обозначены: q - энергетический потенциал (минимальное отношение фон/шум); l - размер поперечной антенной базы; с - скорость света; θ - угол наклона антенной базы к горизонту; γ - угол визирования площадки с приемного аппарата; λ - длина волны излучения; Δf - ширина спектра сигнала; Н - высота орбиты приемного аппарата; m=(y-y)/H - параметр, определяющий положение визируемой площадки на горизонтальной оси; d - размер визируемой (симметричной) площадки;
2
1
1
мин
1
мин
(m=0,2-2) - удельное (на 1 м) число независимых отсчетов сигнала в пределах визируемой площадки. Из графиков фиг.6 видно, что с ростом энергопотенциала q растет и область рабочих величин β, при которых потеря чувствительности относительно предельной (3) еще допустима. Принимая за допустимую величину потерь 1 дБ, при q=10 (20 дБ) получим (β)~0,6, а при q=100 (40 дБ) получим (β)~0,1.
2
Зависимость нормированной скоростной флуктуационной чувствительности от располагаемого энергетического потенциала и параметров радара (безразмерный коэффициент β) представлена на фиг.7, и записывается в виде
где
а нормирующая величина (скоростная чувствительность при q→∞) составляет
2
x
2
x
2
1
2
мин
2
мин
В выражениях (4-6) обозначены: Ф(β) - интеграл вероятностей, L - размер синтезированной апертуры, l - размер горизонтальной антенной базы, W - скорость аппарата, остальные обозначения не отличаются от приведенных выше. Из графиков Фиг.7 видно, что выбор параметра β более благоприятен по сравнению с β: при q=10 (20 дБ) можно выбрать (β)~0,4, а при q=100 (40 дБ) имеем (β)~0,05.
0
Таким образом, используя выражения (2) и (5), можно найти минимальные размеры устанавливаемых на приемном аппарате антенных баз, где угол визирования площадки можно заменить на угол визирования зеркальной точки γ:
Оптимальный алгоритм обработки квадратурных сигналов, образующихся на выходе коррелятора, известен и заключается в независимом накоплении разностно-фазовых отсчетов синусной и косинусной составляющих с последующим их делением друг на друга и введением априорного (изменяющегося по углу визирования) коэффициента. При этом в сильной степени подавляются вариации интенсивности сигнала, однако, для точного воспроизведения измеряемой величины (уровня или скорости) необходима еще и компенсация априорного фазового набега на антенной базе. Высоты крупных волн (при осреднении на малых площадках) и вариации среднего уровня (при осреднении на мезомасштабных площадках) находятся из соотношения
2
0
n
n
1
где N=dN - число независимых отсчетов случайной разности фаз φ, измеряемой на симметричной площадке заданного размера d, расположенной под углом визирования γ с приемного аппарата,  - априорный фазовый набег на базе l. Орбитальная скорость крупных волн и скорость течения (на соответствующих площадках) находятся из соотношения
2
где  - априорный фазовый набег на базе l.
Источники информации
1. Рубашкин С.Г. и др. Отражение радиоволн поверхностью океана при бистатической радиолокации с использованием двух спутников // Радиотехника и электроника, 1993, вып.3, с.447-453.
2. Переслегин С.В., Синицын Ю.П. Восстановление мезомасштабного поля уровня океана в космическом радиолокационном интерферометре бокового обзора // Электромагнитные волны и электронные системы, 1998, №5, с.44-50.
3. Синицын Ю.П., Переслегин С.В. Потенциальная точность и оптимальный алгоритм восстановления мезомасштабного рельефа морской поверхности космическим радиолокатором бокового обзора // Исследование Земли из космоса, 2000, №1, с.51-57.
4. Shulz-Stellenfleth I. and others. Sea Surface Imaging with an Across-Track Interferometric Radar: The SINEWAVE Experiment // IEEE Trans. on Geosc. Rem. Sens., 2001, v.39, № 9, pp.2017-2028.
5. Siegmund R., Vinguan Bao, Lehner S., Mayerle R. First Demonstration on Surface Currents Imaging by Hybrid Along- and Cross-Track Interferometric SAR // IEEE Trans, on Geosc. Rem. Sens., 2004, v.42, No 3, pp.511-519.
6. Krieger G., Moreira A., Fiedler H., HajnsekL, Werner M., Younis M., ZinkM. "TanDEM-X: A Satellite Formation for High-Resolution SAR Interferometry," IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sewnsing, Vol.45, No 11, Nov. 2007, pp.3317-3341.
7. US Patent G01S 13/90, No 4.602.257, July 22, 1986. Method of satellite operation using synthetic aperture radar addition holography for imaging, inventor Grisham W.H.
8. US Patent G01S 13/90, No 6.452.532, September 17, 2002. Apparatus and method for microwave interferometry radiating incrementally accumulating holography, inventor Grisham W.H.
9. US Patent G01S 13/90, No 6.677.884, January 13, 2004. Satellite configuration for interferometric and/or tomographic remote sensing by means of synthetic aperture radar (SAR), inventors Moreira A., Krieger G., Mittermaier J.
10. US Patent G01S 13/90, No 11.235.42, May 18, 2005. Method for producing map images of surface sea current velocity vectors and altimetric radar system using the method, inventor Buck C.H.