Получение количественных оценок образования крупных айсбергов и взаимосвязи температуры воздуха Южного полушария

курсовая работа

2.3 Основные принципы функционирования РСА

Радиолокационные станции с синтезированной апертурой собирают информацию о поверхности Земли путем измерения и обработки отраженных ею сигналов в СВЧ-диапазоне и тем самым расширяют возможности изучения свойств поверхности Земли в некотором новом направлении. Кроме того, поскольку такие системы используют свою собственную энергию излучения и работают на относительно длинных волнах, они способны выполнять съемку поверхности круглосуточно и в любую погоду.

Разрешающая способность изображения в пассивных датчиках равна их угловой разрешающей способности (т.е. количеству длин волн, приходящихся на размер апертуры), умноженной на расстояние между датчиком и исследуемым участком или объектом. Таким образом, размер элемента разрешения прямо пропорционален длине волны излучения и высоте расположения датчика и обратно пропорционален размеру апертуры. При наблюдении с орбиты ИСЗ в оптическом и ИК-диапазонах достигается очень высокое разрешение при сравнительно умеренных размерах апертуры, что обусловлено малой длинной рабочих волн. В диапазоне СВЧ длины волн относительно велики, и для достижения высокого разрешения (не более десятков метров) требуется апертуры размерами порядка сотен метров и даже километров. Получить реально такие апертуры в настоящее время, разумеется, невозможно.

В радиолокационных системах с синтезированной апертурой указанные трудности преодолеваются за счет использования когерентных РЛС измерять расстояние и доплеровские частоты, что позволяет получить изображение поверхности с высоким разрешением при наблюдении с орбиты. Две соседние цели разрешаются благодаря различиям во временных задержках отраженных сигналов и в доплеровских частотах, изменяющихся во времени, причем эти различия не зависят от расстояния до цели. Таким образом, разрешающая способность РСА не зависит от высоты их расположения. Такое уникальное достоинство сопровождается, правда, появлением некоторых ограничений на ширину полосы обзора, размер антенны и требуемую мощность излучения.

Поскольку в РСА для достижения высокого разрешения по одной из пространственных координат используется зависимость доплеровской частоты от времени, каждый элемент изображения формируется в результате обработки большого количества последовательных отраженных сигналов, что при формировании полного изображения приводит к большому числу арифметических операций. Сложность и объем арифметических операций находятся еще за пределами возможностей современных процессоров, работающих в реальном времени. Разборка цифровых процессов для космических РСА представляет собой многообещающую и интенсивно развивающуюся область исследований.

Для повышения эффективности использования информации, содержащейся в полученном радиолокационном изображении, прибегают к ряду операций обработки данных после формирования радиолокационного изображения. К таким операциям относятся, в частности, сопоставление (registration) радиолокационного изображения с изображениями, полученными многозональными и ИК-датчиками, автоматический анализ текстуры, статический анализ шума зернистости.

В радиолокационном методе синтезирования апертуры, для того чтобы получить изображение облучаемой поверхности Земли с высоким разрешением, используется одновременно информация о доплеровских частотах в отраженных сигналах и информация о времени задержки сигналов на дальность до цели. Обычно РЛС осуществляет обзор поверхности в боковом направлении с одной стороны от траектории движения летательного аппарата - носителя РСА (перпендикулярно его траектории), что необходимо для исключения неоднозначности получаемых данных, относящихся к левой и правой сторонам зоны обзора. При этом РЛС излучает короткие когерентные импульсы электромагнитных колебаний по направлению к поверхности Земли. Геометрическое место точек, равноудаленных от РЛС, представляет собой концентрические сферы. Пересечение сфер с ровной (гладкой) поверхностью образует набор концентрических окружностей с общим центром в точке надир.

Сигналы, отраженные от объектов, расположенных на окружности, имеют вполне определенное время запаздывания, но различные доплеровские частоты. В свою очередь точки, расположенные на поверхности коаксиальных конусов, ось которых совпадает с линией полета, а вершина соответствует положению РЛС, дают одинаковые значения доплеровских частот в отраженных сигналах, но различные времена запаздывания. Пересечением этих конус с ровной поверхностью образуется семейство гипербол. Объекты на поверхности Земли, расположенные вдоль гиперболы, создают отраженные сигналы с одинаковыми значениями доплеровских частот. Таким образом, если одновременно обрабатывать отраженные сигналы, которые содержат информацию о времени задержки и доплеровской частоте, то на поверхности Земли можно нанести условную координатную сетку в виде концентрических окружностей и кофокальных гипербол и каждую точку на поверхности однозначно определить конкретной величиной задержки и доплеровской частоты. Яркость каждого разрешаемого элемента радиолокационного изображения пропорциональна энергии отраженного сигнала в элементах разрешения по доплеровской частоте и временной задержке, соответствующих определенной точке на отображаемой поверхности. Разрешающая способность такой системы съемки зависит, следовательно, от точности измерения разности времен запаздывания сигналов и разности доплеровских частот, соответствующих двум соседним точкам на отображаемой поверхности.

В действительности ситуация несколько сложнее. РЛС изучает импульсные сигналы, с тем чтобы получить информацию о запаздывании отражений. Для того чтобы иметь однозначную информацию о доплеровских частотах, требуется зондировать поверхность Земли большим количеством импульсов с частотой повторения, удовлетворяющей теореме отсчетов Найквиста, и принимать соответствующие отраженные сигналы. При перемещении носителя РЛС над определенным участком поверхности Земли поступают отраженные сигналы, которые содержат интересующие нас измерения доплеровской частоты и расстояния во времени для всех точек поверхности, облучаемой РЛС. Эти временные последовательности затем обрабатываются для однозначной идентификации каждой точки поверхности и в конечном счете для формирования полного радиолокационного изображения. Вот почему формирование каждого элемента радиолокационного изображения требует очень большого количества вычислительных операций. В оптических же датчиках ситуация иная. Проще говоря, в радиолокационной системе на первом этапе формируется эквивалент голограммы поверхности, а затем требуется последующая обработка голограммы для создания радиолокационного изображения. Такую обработку можно выполнить или оптически, или цифровыми методами.

Одна из характерных особенностей РСА для космической съемки поверхности - независимость разрешающей способности от высоты носителя РСА. Это обусловлено тем, что изображение формируется за счет использования изменений доплеровских частот во времени и разности времени запаздывания сигналов, т.е. параметров, которые не зависят от расстояния между РСА и отображаемой поверхностью. Такая уникальная особенность РСА позволяет получать радиолокационные изображения с высоким разрешением при орбитальных высотах, если, конечно, уровень принимаемых сигналов достаточно превышает уровень шума.

В настоящее время в оперативном режиме функционируют РСА, установленные на спутниках ERS-2 и ENVISAT Европейского космического агентства и на спутнике RADARSAT Канадского космического агентства. Наиболее распространенными бортовыми космическими РЛС являются системы, построенные по принципам РЛС бокового обзора и РЛС с синтезированной апертурой, исходя из методов задач применения каждого вида, РЛС имеются определенные недостатки и преимущества в оперативности получения данных, их объеме, достижение разрешающей способности и обеспечение полосы обзора в заданном районе проведения радиолокационного контроля. РЛС бокового обзора при относительно низкой разрешающей способности (от нескольких километров до сотни метров) позволяют получить большие полосы обзора при одном пролете космического аппарата. РЛС с синтезированной апертурой позволяют при достаточно широкой полосе обзора (сотни километров) получать данные при относительно узкой зоне обзора с высокой разрешающей способностью (от десятков до нескольких метров).

Делись добром ;)