автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Анализ точностных характеристик космического интерферометрического РСА с "жесткой" базой

На правах рукописи

КА МИН ХО

АНАЛИЗ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОСМИЧЕСКОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОГО РСА С "ЖЕСТКОЙ" БАЗОЙ

Специальность 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы и устройства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1996

Работа выполнена на кафедре Радиотехнических приборов Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель

Научный консультант

Официальные оппоненты

Ведущая организация

кандидат технических наук, профессор А. К. Нарышкин кандидат технических наук, лоцент А. И. Баскаков доктор физико-математических наук, профессор Д. С. Лукин кандидат технических наук, доцент Ю. А. Евсиков Институт океанологии им. И.Н.Ширшова Академии наук РФ, отдел Экспериментальной к космической океанологии

Защита диссертации состоится "¿о" декабря 1996 г. в Я» часов на заседании диссертационного совета К 05Л.16 П Московского энергетического института по адресу: 111250, Москва, Е-250, ул. Красноказарменная, д. 17, ауд. А-402.

С диссертацией можно .ознакомиться в иаучно-технической библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан " 11" декабря 1996 г.

11

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Т. И. Курочкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации: В настоящее время среди направлений исследований, связанных с обработкой данных дистанционного зондирования Земли из космоса, широкое распространение получает решение различных задач с использованием фазометрического метода. Интерферометри-ческие исследования основаны на данных, полученных радиолокаторами с синтезированной апертурой антенны (РСА) "8ЕА8АТ", "5!Я-А/В" и "ЕЯБ-Г' и "Алмаз-1". Однако, фазовый шум, обусловленный изменениями структуры поверхности в интервале времени между съемками, значительно превосходит изменения фаз, характеризующие возвышения поверхности, поэтому восстановление рельефа по данным разнесенных по времени съемок с однопозици-онного РСА возможно только на отдельных участках поверхности Земли. Кроме того, данная методика не годится для наблюдения быстро протекающих процессов, например, изменчивости структуры сильных мезомасштаб-ных течений в океане. Поэтому часто оказывается невозможным применить "последовательную" интерферометрию с одного аппарата. Как следствие, для получения прецизионных данных о картографируемом рельефе необходимо создание орбитального ингерфсрометрического РСА (ИРС'А) с антеннами, установленными на одном КА.

В известной литературе отсутствуют обобщающие работы, посвященные теоретическим исследованиям точностных характеристик ИРСЛ с "жесткой" базой, размеры которой таковы, что могут быть реализованы на практике, кроме того вопросы выбора параметров и конструирования ИРС'А также не освещены в отечественной и зарубежной печати. Все это делает актуальной тему исследований данной диссертационной работы и ставит ряд задач, требующих решения.

Цель диссертационной работы состоит в теоретическом и экспериментальном исследовании точностных характеристик и выбора параметров ИРСЛ с "жесткой" базой для применения полученных результатов к созданию систем глобального трехмерного мониторинга поверхности Земли из космоса.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Получение и анализ взаимной пространственной корреляционной функции отраженных сигналов, принятых на разнесенные антенны.

2. Зависимость точностных характеристик И РСА от режима облучения, параметров РЛС, характеристик поверхности и выдача рекомендаций по созданию перспективной системы ИРСА.

3. Анализ точностных характеристик ИРСА от вида зондирующего сигнала.

4. Зависимость точностных характеристик ИРСА от введения различных корректирующих функций к амплитудно-частотное характеристике тракта обработки эхо-сигнала.

5. Возможность повышения точностных характеристик ИРСА за счет увеличения числа некогерентных накоплений (усреднений).

6. Методика обработки радиоголограмм с РСА АЛМАЗ-1 для получения ин-тсрфсрограмм.

Научная новизна работы:

1. Впервые получена взаимная пространственная корреляционная функция отраженных сигналов для ИРСА в аналитическом виде, которая не зависит от типа зондирующих сигналов.

2. Впервые показана возможность повышения точностных характеристик ИК'Д с "жесткой" базой путем применения специально подобранных корректирующих функций к амплитудно-частотной характеристике тракта обработки ЛЧМ сигнала.

Л. Разработана методика учета статистических характеристик неровностей рельефа в пределах элемента разрешения на точностные характеристики ИРСА, при этом введен гауссово кий закон распределения ординат неровности поверхности. 4 Впервые подробно исследовано влияние на точностные характеристики ИРСА параметров системы, режима облучения и характеристик неровности поверхности и обоснована методика выбора параметров системы и режима облучения для ИРСА с "жесткой" базой.

Практическая ценность диссертационной роботы обусловлена тем, что полученные результаты являются основой для создания систем, выбора параметров и расчета основных характеристик ИРСА для глобального мониторинга Земли из космоса.

Достоверность результатов основана на применении статистических методов, использовании с современной теории РСА и на экспериментальных данных, полученных с РСА "Алмаз-1".

Публикации: По результатам диссертации опубликовано пять печатных работ.

Аиробация работы: Основные результаты диссертации были доложены и одобрены на научно-технических семинарах в Московском энергетическом институте (техническом университете) на кафедре Радиотехнических приборов и в Институте океанологии им. И. И. Ширшова Академии наук РФ в отделе Экспериментальной и космической океанологии, а также на конференциях:

1. II Международный научно-технический семинар "Сотрудничество" (18-19 мая 1995 г.. Москва, Корейско-русское общество по науке и технике в СНГ).

2. Современные научно-технические проблемы гражданской авиации (28-29 мая 1996 г., Москва, Московский государственный технический университет гражданской авиации).

3. XVIII Всероссийская конференция по распространению радиоволн (17-19 сентября 1996 г., С. Петербург. Российская академия наук, Научный совет по комплексной проблеме "Распространение радиоволн").

4. Международная конференция "Проблемы фундаментальной физики" (712 октября 1996 г., Саратов. Саратовский государственный универопет).

я

Структура н объем работы. Диссертация состоит ич введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений Содержи! сф.тник 142 текста, 89 рисунков, 4 таблицы, список литературы на баранинах и 5 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ведении дана общая хараю-еристика работы, сформулирована цель исследования и изложены основные положения, выносимые на защиту. Проведен обзор современног о состояния исследований, связанных с обработкой результатов дистанционного зондирования Земли из космоса с использованием фазометрических методов, основанных на ошосигельном различии фазы отраженных сигналов между изображениями, полученными двумя корректными РСА. разнесенными в вертикальной и горизонтальной плоскостях, что позволяет получить оценку высоты каждого элемента разрешения. I (оказано, что подобная информация о фазе отраженного поверхностью Земли сигнала может быть использована для получения данных о возвышениях поверхности для обнаружения изменений свойств и структуры зондируемой поверхности.

В первой главе рассмотрена модель поверхности - мелкомасштабные, крупномасштабные неровности и поверхность со смешанным характером шероховатостей. Приведены количественные соотношения удельной эффективной плошали рассеяния (ЭПР) ст„(0) в широком диапазоне углов визирования, для некоторых видов поверхностей (пашни, пустыни с барханами, травы, кустарника и морской поверхности), необходимые для дальнейших расчетов. Флуктуационная составляющая учитывалась в модели удельной ЭПР поскольку в большинстве случаев удельной ЭПР имеет значительную величину.

В разд.1.2, используя преобразования Фурье, получено выражение взаимной пространственной корреляционной функции (КФ) в частотной области, которое позволяет провести вычисления для любых импульсных характеристик РСА. В полученном выражении для взаимной пространственной КФ отраженных сигналов учитываются импульсная характеристика РСА, угол визирования, отсчитываемый от вертикали, высота орбиты КА, удельная ЭПР поверхности, параметры системы, закон распределения вероятностей ординат отражателей поверхности внутри элемента разрешения. В результате учета последнего получено более общее выражение, позволяющее анализировать влияние неровностей поверхности на КФ.

Рассмотрим интерферометрическую систему (см. рис.1) с базой В, наклоненной на угол (л/2-а) относительно локальной нормали, и с углом визирования 0. Будем считать, что Х| = х2 = х<,. Для удобства обозначим

^(х^у,,,?,,) = Я1(х,у,2) = Я, ; ^(х'.у'.г') = Л,';

К2(х,у,г) - Я2; Я2(х\у',г') = (V ; ^(х^у,,,^) =- К2„;

(1*1„ + 1*2оУ2 = Л,,.

На рис.1 координаты системы ИРСА А) и А2 соответствуют положениям антенн (Xi.yi.Zi) и (X2.y2.Z2), а Р(х4„у0,г„) - координаты центра выбранного элемента разрешения ИРСА, Р(х,у,7), Р'(х\у\г') -координаты элементарных отражателей внутри выбранного элемента разрешения.

Пусть антенна-1 используется передатчиком и приемником, а антенна-2 только приемником, тогда фазы отраженных сигналов из Р и Р' определяются соответственно

Рис I. Геометрические соотношения для элемента разрешения

ф, - -'-(Л, + К,)-2кИ, ; ф^ —(/?, ♦ Кг) = f П,) ;

2 л,

X 2л

(О

где

Х- длина волны, к = 2к/Х - волновое число. Вообще реальная поверхность является распределенной радиолокационной целью, в этом случае, обычно используется феноменологическая модель из набора большого количества независимых отражателей внутри элемента разрешения РСА. Это позволяет принять

Е{с(х,уу.)с*(х\у\г')) - а„(х,у,7,е)5(х-х')8(у-у')5(7.-7.'), (2)

где Е{ } - осреднение по ансамблю случайных отражений; с( ) - комплексная функция рассеяния: о„(х.у,г,0) - удельная ЭПР; 6( )- дельта-функция.

Функции рассеяния поверхности с(х,у,/) и с(х',у*,г') являются идентичными и получены одновременно, например, при использовании той же самой платформы и двух приемных антенн. Предположение о дельта-коррели-рованности (лражсмнй не противоречит теории отражения, которая применяется к поверхностям, чья среднеквадратичная высота неровности намного больше, чем длина волны.

Интсрферограмма РСА формируется умножением одного изображения РСА на комплексно сопряженное второе изображение. Модель системы ИРСА, использующего два комплексных изображении РСА показана на рис.2. На рис.2, ехр() представляет сдвиг фазы, который появляется из-за распространения радиоволн, д - импульсная характеристика радиолокационной системы, п - тепловой шум, g - комплексный выходной сигнал радиолокацион-

ной системы, В|, - задержка для компенсации запаздывания сигнала на базе. - интерферограмма.

Рис 2 Функциональная схема ИРСЛ

Следовательно, в каждом приемнике интерферометра, мы имеем когерентные сигналы и g2, определяемые следующими выражениями {?|(Х|,У|,г,) = А I с(х,у,г)ехр(^кН|) х

х <Дг-х„./г, -х„УЛу-+ : О)

2,7.2) - А с(х',у',7.')ехр[^к(К|'+ ЯЛ] х

* |</(хЧ„ №:•-:,) + »: , (4)

где Л - коэффициент, который зависит от РСА [В/м].

1хли когерентный отраженный сигнал РСА имеет гауссовскую статистику, что обычно наблюдается в экспериментах, полная характеристика ин-терферометрического отражения может быть получена вычислением комплексной корреляционной функции для g| и g2. При этом предполагается, чго шумовые компоненты П| и пг некоррелированны.

11а основе выбранной феноменологической модели отражения получено выражение взаимной пространственной корреляционной функции (КФ) отраженных сигналов |3], принятых на две разнесенные антенны:

= АЧ а.ехрЫк^гЪ)] </(*-дг„,я, - у/г -

А2ехр(-]Ф) с, ¿,0)ехГ

' К 4

(5)

1 I 1

где dV = с1(х-х<,)(1(у-у„)<1(г-7,,) = с1£ <к £ = х - х<,; е = у - у„; х = г- /0; ц - Я - К<„ С, ~ (у-у„)со80 + (г.-г^шО, Ф = 2кВр - разность фаз отраженных

сигналов на две антенны, Вр - ВБт(а-О), \У| Ч{(£,), Чп(л) - им-

пульсная характеристика РСА по азимуту, по наклонной дальности, =

Ч;(4) = Чп(П) =

и„>7.

я*

ЯГ]

, - разрешающая спо-

собность по азимуту и наклонной дальности,

Считаем, что в пределах элемента разрешения в окрестности (х„,у„А,). поверхность приблизительно однородная, а се рассеивающие свойства зависят только от высоты неровностей и угла визирования. В соответствии с этим, проводя осреднение по ансамблю неровностей внутри элемента разрешения, получим выражение КФ во временной области:

= д2

А ехр(-1Ф) а,

\51П в)

ехр

И.

м„ м

г '

(6)

где

(г1х) - плотность распределения вероятностей ординат отражателей поверхности внутри элемента разрешения.

'V

ехр

А

к

7 Л яп (9

К 1ап О <>Х

и,,

(7) (К)

(9)

При интегрировании (7) и (8), когда и яп(л) являются функцией типа втХ/Х или более сложной функцией, трудно получить аналитическое решение в общем виде. Используя преобразования Фурье получим выражение в частотной области:

Е(ё,Р2*} -А2ехр(^Ф)ап(е)[-У ДО,) МГ(П7) , (10)

где

к И.

= ——- геометрическая пространственная частота по п [1/м], (11) к Н

£1^ = -г-т^г - геометрическая пространственная частота по % [1/м], (12)

Ляп О 1

/(«„)* М„(П,) / I?,, = -Цс^О,) • СМО,,)] / К„;

¿Я"

- функция база-декорреляция, ' (13)

■-- 1/„(Х)ехР(".|!>\ ХК'х - характеристическая функция от закона распределения ординат неровностей поверхности по геометрической пространственной частоте 11,, = Лч-Д)]; О,,(«,,)" А"ТЧи<П>1: В„ - В С05(а-0);

] - преобразование Фурье, • - оператор свертки. Показано, что.важными составляющими в КФ являются функция база-декорреляция ./((2П), определяющая эффект "база-декоррелция", и характеристическая функция М;((£1(), представляющая ухудшение коррелированное™ отраженных сигналов на две антенны из-за неровности поверхности.

(14)

(15)

(16) (17)

У

Во второй главе сначала проведен анализ параметров, влияющих на точносгные характеристики ИРСА, таких как разность фаз отраженных сигналов на две антенны, высота орбиты, расстояние до центра элемента разрешения, наклон базы относительного горизонта и размер базы. Даны рекомендации по выбору параметров для уменьшения систематических погрешностей.

л Вд= в«Мя-е) На рис.3 показано, что

У , _ высота элемента разрешения

/__а^Всм<а-0) „

^ определяется ординатои г,

высота космического носителя Н, расстояния отражающего элемента на поверхности до антенны А| -до антенны А2 - угол визирования 0, наклон базы относительно горизонта а. Предположим, что земная Рис 3 Система визирования ИРСА сфера - плоская.

Радиолокационные сигналы, передаваемые из первой антенны и полученные в двух приемниках после отражения от поверхности и соответствующей обработки формируют интерферограмму, где фаза в каждом приемнике пропорциональна разности хода лучи Л с коэффициентом пропорциональности к = 2т0\. Из рис.3 следует выражение для высоты элемента разрешения над отчетным уровнем

г-Н-^совб; (18)

Ф= уО*,-К2)= кД,

(19)

где

Д^ 1*1-1*2 - разность хода лучей. Согласно следующей формуле получим соотношение между параметрами отклонения базы а, угла визирования 9 и разности хода лучей Д

К' I 8' НК2 +«'-(«, -л)'

*ш(м-е)- 2 н к, гни,

Используя выражение (18). (19) и (20) получено

7- II -И,

К +н

-(О'

2 НК,

К' + «2 - Л, -

■ТУ

2 НК

(20)

(21)

Из (21) ясно, что общую погрешность измерения высоты элемента разрешения, с предположением о некоррелированных параметрах, можно записать в виде

т; - <г1> » <т!.. • + < + <4 ; (22)

СТл!'

О/И I

С,J,

cost) Он I

слд = Н tgO ст„

с,н =- Ri sinO

О/Н

tin;

(23)

On

где «г:,,. а:и, а „, , rr„ - дисперсия оценки высоты элемента разрешения из-за hoi рсишостсй оценки разности фаз, юстировки угла наклоны базы, измерения высоты орбиты, измерения расстояния до элемента разрешения, неточного знания размера базы.

Используя (18), (19) и (20) получено Ш ¡¡¡О Z.iH.

М" О) ______1

Н ' К, cos(о - 0)

Важно отметить, при определении высоты элемента разрешения, систематические составляющие указанных погрешностей могут компенсироваться. Нел и этого не делать, то рельеф интересующей нас поверхности оценивается относительной величиной. В данной диссертационной работе далее М|н)|м>ли1сн анализ погрешности o,.j.. связанной с оценкой разности фаз Ф. поскольку остальные составляющие, входящие в общую погрешность (см. (22)). зависят от методики проведения эксперимента.

Чтобы получим, ищсрфсромсзричсское фа юное измерение, использован метод "оценки максимального правдоподобия. OMI1" ("maximum-likelihood estimation : MLli)", и проведено накопление в комплексной области. При пом подходе, получаются комплексную шггсрферометричсскую информацию о фазе, а данная обработка дает большее отношение сигнап-шу-м. В |3.4.5J показано, что. для однородной поверхности, OMI1 интерферо-мезрической фазы распределенных отражателей дает

Ф - arclg

4Z *..**:.)

У,. ?

(24)

1 де Ф- оцениваемая величина фазы, N - число некогерентных накоплений (усреднений).

В [3,4.5] показано, что возникающий в результате фазовый шум, а,т. (среднеквалратичсскос отклонение (СКО) оценки разности фаз), при данном коэффициентом корреляции, у. может быть записан как

■ 1 г' пъ

Г ^

Используя корреляционную функцию, получим общее выражение коэффициента корреляции у, который определяет СКО оценки разности фаз оц. и. следовательно, СКО оценки высоты элемента разрешения ст„1,:

I

О;-

f\4

У" -

(26)

I I

СПИ

Рассмотрены разные типы корректирующих функций Хэмминга, Гаусса и сравниваются эффективность подавления первых боковых лепестков, потери в разрешающей способности и потерн п отношении сигнал-шум для обычных РСЛ.

Показано, что при расчете коэффициента корреляции, отношение сигнал-шум на зависит от типа корректирующих функций, а зависит от удельной Г)Г1Р и угла визирования. Причем при малом уровне отношения сигнал-шум, оно почти пропорционально влияет на коэффициент корреляции, но выигрыш за счет увеличения ошошения сигнал-шум больше 25 ... 30 д!> незначителен.

Показано [2]. что для получения уровня первых боковых лепестков порядка -30 ... -40 дЬ при минимальном расширении главною лепеака необходимо использовать корректирующие функции Хэмминга и Гаусса.

Показано, что применение корректирующих функций дао выигрыш при малой неличине О,,(например, <п счс1 рашера базы). Для просимо прямоугольного импульса во всех областях получается выигрыш по сравнению с ЛЧМ сигнала (рис. 4)

Па рис.5 показано, что величина функции Му(Оу ) падаег с увеличением СКО ординат неровностей поверхности о, и £1Х (например, размера базы) Этот эффект при малой величине а, и £2, незначителен, а проявляется гем сильнее, чем больше и 12х.

Рис 4 ("равнение функции /Шп) Рис 5 Зависимость функции М,(П,) от П, и о,

Па рис. 6 и 7 показано, что СКО оценки разности фаз уменьшается с увеличением отношения сигнал-шум, особенно при малой величине а неровность поверхности незначительно влияет на СКО опенки разности фаз при "жесткой" базе.

Рис.6. Зависимость аФ для ЛЧМ сигнала Рис.7. Зависимость о® для ЛЧМ сигнала без без коррекции от С/Ш=10. . .20дБ коррекции от о«=0..,1,5м,при Ы=25,С/Ш=12дБ при о, = 0.75м. N = 25, С/Ш = 12 дБ

Рис 8 Зависимость Оф для ЛЧМ сигнала при ст7 = 0,75м. N = 25, С/Ш = 12 дБ

Рис.8 показывает, что применение корректирующих функций приводит к уменьшению СКО оценки разности фаз при малой величине П,,, т. е. для системы "жесткой" базы СКО оценки разности фаз можно уменьшить использованием корректирующих функций. Однако, при малой величине £2П, эффективность действия корректирующих функций примерно одинакова вне зависимости от типа корректирующей функции.

В третьей главе приведен анализ СКО оценки высоты элемента разрешения для перспективного космического ИРСА с "жесткой" базой. В начале главы рассмотрены соображения по выбору длины волны и высоты орбиты ИРСА. Выбраны длина волны X. = 6 см и высота орбиты Н = 350 км, что соответствует современным тенденциям построения обычного РСА. Для анализа СКО оценки высоты элемента разрешения ИРСА обоснован выбор параметров системы: угол визирования в = 30°; С/111 = 12 дБ; ^ х = 30 м х 15 м.

На рис. 9 показано, что для улучшения точностных характеристик по оценке высоты элемента разрешения необходимо увеличшъ N1, но при этом максимальное количество N ограничивается требуемым размером элемента разрешения на РЛИ, так как число некогерентно-усредняемых элементов N пропорционально ухудшает разрешение на РЛИ. Из рис.9 можно сказать, что эффективно-необходимое количество N составляет примерно до 20 ... 30.

во

05 1 15 2-ч>' относмтлымй рвпмр В«ы ЯЛ

Рис.9 Зависимость о?® (N>/0^ 1) от N Рис. 10 Зависимость а/о от типа зондирующих

сигналов при N'9, о, ~ 0,75 м

На рис.10 представлена зависимость СКО оценки высоты элемента разрешения от относительного размера базы для разных зондирующих сигналов. Подробно смотрено на рис.11 и 12,что при малом относительном размере базы, получается повышение точности по оценке элемента разрешения (за исключением гауссовской корректирующей функции с к1 = 0,7 тип корректирующих функций влияет мало), вне зависимости от типа применяемой корректирующей функции, а при большом, вплоть до В,Д = (3 . . . 5)10', выигрыш зависит от типа корректирующих функций.

М 4

простой прямоугольный шалульс 1000 1500 2000

ОТЧООГТ»ПЫ1»* Р«—Р С«Ы Вг/1

Рис.11 Зависимость а?® для малого относительного размера базы при N"9, а,-0,75м

^ГуОСТОЙ фщюугопыш*

2&00 МОО ""¿ООО 5000* в0С0'Т00в~ 8000 <тюатлыш«| рмм*р Олш ВЬ/И

Рис. 12. Зависимость а/о для большого относительного размера базы при N-9, о, -0,75м

Из рис. 13 ясно, что с ростом количества Ы, вид зондирующих сигналов и корректирующих функций меньше влияют на СКО оценки высоты элемента разрешения, т. е. при большом значении N. погрешность сг/ф определяется в основном количеством некогерентных усреднений N.

14 — - .,-------г-------.-----,---- ----

Í 124

i\ "V í i 1 i -

"•i M* ! 4 в; *\ Vi^-'L.. ; . i...... t ^ i лчм ; V.4, X í»l : • лчм ¡

i 2, 0! ï ' • г.". просто»*

прАмоуюльмы* i

t 3.2 10 32 100 316 Рис 13 Зависимость П/фОт N при Вп/Х - 1000 и о,-0.75 м

n

1000

25 M

ели да!

Рис.14. Зависимость О/ф от С/111 при N = 9. ст, = 0,75, RJX = 1000

M

Из рис. 14 ясно, что увеличение отношения сигнал-шум приводит к уменьшению <Т/ф , но для J14M сигнала без коррекции этот эффект меньше влияет, чем для ЛЧМ сигнала с коррекцией и простого прямоугольного импульса. Кроме того, при малом размере базы увеличение отношения сигнал-шум существенно уменьшает ст/^, следовательно, необходимо иметь большое отношение сигнал-шум. Однако, увеличение отношения сигнал-шум больше примерно 25 д!> не очень эффективно уменьшает <з/ф .особенно для ЛЧМ сигнала.

Из рис.15 ясно, что при а„ -30", где СКО минимально, график обладает симметрией от ai - 0 ° до а2 - 60 Отсюда можно сказать, что влияние наклона базы в диапазоне углов ai — 0„ + Да na¡= 0„ - Да одинаково Показано, что разрешающая способность по азимугу ИРСА не влияет на коэффициент о го 40 во во км корреляции за счет независимости

" отношения сигнал-шум от размера

Рис 15 Зависимость с*» от a при ВIX -

100О, 9 - 30 N = 9, 0,75м ™еме,гга Решения по азимугу.

Из этого следует необходимость высокой разрешающей способности ИРСА по азимуту.

Рис. 1.6 показывает, что СКО оценки высоты элемента разрешения возрастает с увеличением размера элемента разрешения по наклонной дальности вне зависимости от размера базы, причем это более сильно проявляется с ростом размера ба<ы. Показано, что при хорошей разрешающей способное!и по наклонной дальности, увеличение относительного размера базы больше IS00 незначительно уменьшает СКО оценки высоты элемента разрешения.

10 > 7 » Э

Рис 16 Зависимость а^. от И« при9 = 30°, о, - 0,75м

Рис 17. Зависимость от Кк от вида зондирующих сигналов при ВД = 1000

Из рис. 17 наглядно видно, что выигрыш в С1СО от применения корректирующих функций имеет место только при высокой разрешающей способности ИРСА по по дальности. Рис. 18 показывает, что увеличение угла визирования не желательно, потому, что при этом ухудшение отношения сигнал-шум играет больше роль, чем улучшение коррелированности отраженных сигналов на ИРСА. На рис.18 показано, что для поверхности суши при углах визирования больше примерно 25 ... 35 0 получается немалое значение С КО оценки высоты элемента разрешения.

Итак, для улучшения точностных характеристик ИРСА с "жесткой" базой требуются высокая разрешающая способность, большой запас в отношении сигнал-шум (особенно для большой флуктуации отражения) и небольшой угол визирования в„.

~ " 1 -А

.. /. 4 / |

'..... 1

|»1

«устарм* (янсотядо ¡■I

лустъмс Мртмн

40 45 (УТ>«]

1 1 ! 1

!..... 1 1 г В,П»«00 I \"" ■ ив!75?я5Г ___' ...../ • ^ / •

10

15

го

7Ь

30

35

40

Рис 18 Зависимость о*» от 9„ при о, = 0.75 м. ВД = 1000 отво

1 > 1} 17

Рис 19. Зависимость о*» для морской при стг = 0,75 м, ВД = 1000 и 2000,

На рис.19 (а - скорость ветра 2м/с, б - 16м/с) показано, что для морской поверхности лучший результат получается при малом угле визирования (примерно, 15 "... 20 ") потому, чзо повышение коррелированности отраженных сигналов и числа некогерентных усреднений с помощью увеличения угла визирования незначительно по сравнению с ухудшением отношения сигнал-шум и увеличением тангенса угла 0„. Необходимо отметить, что по-

|<>

скольку рассеяние радиосигналов поверхностью моря и кустарника сильно

I.IMIR'HI OI L'hl>|><)СIII MCIp;i, 'lloOl.l И14. A flI.IJIO mciicc чуиетшелии.ш к состоянию этих поверхностей необходимо иметь большое отношение сигнал-шум.

В четвертой главе разработана методика обработки радиоголограмм, полученных с обычного РСА на близких двух витках для получения интер-ферограмм, и в результате анализа интерферограмм показана необходимость создания ИРСА с "жесткой" базой. В качестве исходных массивов для получения интерферограмм использовались радиолокационные голограммы, полученные на РСА КА Алмаз-1, функционировавшего на орбите с 03.1991 г. по 10.1992 г. Представлены характеристики выбранного участка (широта: -67,15°, долгота: 45,4°, залив Алашеева): территории Антарктики: поверхность эгого района состоит, в основном, из льда, т. е. отраженные сигналы довольно слабы, и электропроводность слоя льда довольно сложна.

Амплитудные изображения показаны на рис. 20. Для получения ин-терферофамм сделано перемножение двух комплексных отсчетов и получены амплитудные и разностно-фазовые отсчеты, а также исходное разностно-фазовое изображение.

На нем наблюдаются интерферометрические полосы, расположенные под углом примерно 80 0 из-за азимутального фазового набега, вызванного непараллельностью орбит. Сделана компенсация фазовых набегов по азимуту, что показано на рис.21 совместно с амплитудным изображением.

При определении коэффициента фазового набега по дальности, опорная поверхность аппроксимировалась линейной зависимостью (плоским участком) за счет небольшою размера площади этого участка. Сделана компенсация фазовых набегов по дальности и показана на рис. 22, где более светлым участкам соответствуют возвышения рельефа, но вместо изменения раз-ностно-фазовых значений наблюдается, в основном, фазовый шум, характеризующий изменения отражающих свойств поверхности.

Приведен анализ СКО оценки разности фаз стф выбранного участка (х -1 ...200, у = 450) и показано, что ар составляет примерно 104,9 а соответствующее СКО оценки высоты элемента разрешения этого участка составляет примерно 12,4 м. Чтобы анализировать влияние некогерентного усреднения, проведено усреднение с N - 5, 7, 9 и получено, что стф = 48,1 38,7 " и 33,2 ", которые прибличительно совпадают с теоретическими расчетами a,¡, - 40,9 39,6 " и 35,0

Значение коэффициента корреляции, полученное из экспериментальных данных составило примерно у - 0,37, что обозначает малую коррелиро-ванность отраженных сигналов. Проведено сравнение коэффициента корреляции с теоретическими расчетами для ИРСА с "жесткой" базой, где значении функции база-декорреляция /(Оп) = 0,8, характеристической функции М^Пц)« 0,98 и у - 0,6 ... 0,7 при предположении малого отношения сигнал-шум (VIII - 5дБ. .. 10дБ.

I'l

Рис 21 Амплитудно-разностно-фатовое изображение после фазовой компенсации по азимуту

S0 100 150 200 250 300 350 400 450 500

50 100 150 200 250 300 150 400 450 500

Рис 22 Разностно-фазовое изображение после фазовой компенсации но азимуту и дальности

Разница между теоретическим расчетами и расчетами, полученными на основе экспериментальных данных объясняется, в основном, изменением структуры поверхности (льда), сложностью характеристики рассеяния льда и слабостью отраженных сигналов.

Показана необходимость построения ИРСА с "жесткой" базой, для которой отраженные сигналы принимаются одновременно на две антенны, т. е. для ИРСА с "жесткой" базой динамика поверхности не создаст шумового эффекта. Показана необходимость исследования отражающей характеристики льда для глобального мониторинга Земли с помощью ИРСА с "жесткой" базой.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Рассмотрены модели поверхности и приведены количественные соотношения удельной ЭПР для некоторых видов поверхностей. На основе выбранной модели отражения получено выражение взаимной пространственной корреляционной функции отраженных сигналов в частотной области, которое позволяет вычислять корреляционную функцию для любых импульсных характеристик РСА.

2. Проведен анализ параметров, влияющих на точностные характеристики ИРСА и даны рекомендации.

3. Получено выражение коэффициента корреляции и показано, что на него влияют отношение сигнал-шум, функция база-декорреляция ДО,,), определяющая некоррелированности отраженных сигналов из-за разноса двух антенн, и характеристическая функция МХ(ПХ), влияние которой незначительно на ИРСА с "жесткой" базой.

4. Показано, что эффективно-необходимое количество некогерентных усреднений N для уменьшения СКО оценки высоты элемента разрешения ом> составляет примерно до 20 ... 30 и увеличение отношения сигнал-шум примерно до 25 дБ эффективно уменьшает О/ф ИРСА с "жесткой" базой.

5. Показано, что для ИРСА с "жесткой" базой, оптимальным углом наклона базы является а = 0„ (угол визирования) и влияние наклона базы в диапазоне углов а| = 9„ + Ла иаг= 6„- Да одинаково.

6. Показано, что коэффициент корреляции имеет различные характеристики в зависимости от угла визирования и типа поверхностей: например, для пашни и пустыни с барханами (при хорошем отношении сигнал-шум), коэффициент корреляции более чувствителен к эффекту "база-декорреляция", а для поверхности травы, кустарника и моря (при малом отношении сигнал-шум) более чувствителен к изменению угла визирования.

7. Получено, что оптимальный утл визирования (минимум СКО оценки высоты элемента разрешения) для поверхности суши находится в пределах до 0„ - 25 "... 35 а дня поверхности моря, до 0„ - 15 " ... 20 " и отмечено, что для ИРСА с "жесткой" базой требуются высокая разрешающая способность и большой запас в отношении сигнал-шум.

8. В качестве исходных массивов использовались две радиолокационные голограммы участка территории Антарктики, полученные на РСА КА Алмаз-1 с интервалом времени 5 суток. Для получения интерферограмм приведены расчеты разности фаз и фазовой компенсации по азимуту и дальности и получено несколько видов разностно-фазовых изображений, показывающих фазовую информацию от этого участка.

9. Проведен анализ выбранного участка и получено, что СКО Оф «104,9 0 и ал,* 12,4 м. Для анализа влияния некогерентного усреднения, проведено усреднение с N = 5, 7, 9 и получено, что Оф = 48,1 38,7 0 и 33,2 которые приблизительно совпадают с теоретическими расчетами <Тф - 46,9 39,6 0 и 35,0 ° Значение коэффициента корреляции из эксперимента у * 0,37 и проведено сравнение с теоретическими расчетами, у * 0,6 ... 0,7. Разница объясняется, в основном, изменением структура поверхности (льда), сложностью характеристики рассеяния льда и слабостью отраженных сигналов.

10. Обсуждена необходимость построения ИРСА с "жесткой" базой, для которой отраженные сигналы принимаются одновременно на две антенны, и динамика поверхности не создаст шумового эффекта. Показана необходимость исследования отражающей характеристики льда для глобального мониторинга Земли с помощью ИРСА с "жесткой" базой.

Результаты диссертационной работы опубликованы в следующих

работ:

1. Ка Мин Хо, Нарышкин А. К. Исследование геометрических параметров РСА для повышения разрешающей способности II11 Международный научно-технический семинар "Сотрудничество", Материал семинара (Наука и техника Ыо. 2). М: 1995, с. 62-68.

2. Ка Мин Хо, Баскаков А. И. Влияние методов корректирующих функций боковых лепестков на энергетическое соотношение и разрешающую способность РСА // Международная научно-техническая конференция "Современная научно-технические проблемы гражданской авиации", Тезисы докладов. М.: МГТУГА, 1996, с. 160-161.

3. Ка Мин Хо, Баскаков А. И. Исследование влияния корректирующих функций на точностные характеристики интерферометрического РСА по оценке высоты рельефа поверхности II XVIII Всероссийская конференция по распространению радиоволн, Тезисы докладов. М.: Российская академия наук, научный совет по комплексной проблеме "Распространение радиоволн". 1996. с. 280-281

Ка Мин Хо. Баскаков А. И. Исследование возможности восстановления поля уровня поверхности Земли интсрфсрометрическим РСА космического базирования // Международная конференция "Проблемы фундаментальной физики". Тезисы докладов, Саратов, 1996.

Печ. л. ¿¡¿5" Тираж 400 .зака:)

Типография МЭИ, Красноказарменная. 13.