автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Радиолокационная оценка ледовой обстановки с буровых платформ арктического шельфа

На правах рукописи

РАДИОЛОКАЦИОННАЯ ОЦЕНКА ЛЕДОВОЙ ОБСТАНОВКИ С БУРОВЫХ ПЛАТФОРМ АРКТИЧЕСКОГО ШЕЛЬФА

Специальность 05.12.14 - «Радиолокация и радионавигация»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 ФЕВ 2014

Москва-2014

005545085

005545085

Работа выполнена на кафедре радиотехнических приборов федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»)

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент ЛУКАШЕНКО Юрий Иванович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

КОТОВ Александр Федорович,

доктор технических наук, профессор, профессор МГТУ МИРЭА

КОВАЛЕНКО Александр Иванович,

кандидат технических наук, начальник отдела по разработке радиолокационных комплексов космического базирования ОАО «НИИ ТП»

ОАО «Военно-промышленная корпорация «Научно-производственное объединение машиностроения» (г. Реутов)

Защита диссертации состоится «06» :• марта 2014 года, в 16-00 на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А-402.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ». Автореферат разослан « » 2014г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.05 кандидат технических наук, доцент

Т.И. КУРОЧКИНА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В связи с развитием проектов разработки нефтегазовых месторождений на арктическом шельфе России актуальной становится проблема контроля морских ледовых полей непосредственно в районе буровых платформ. Для наблюдения за ледовыми покровами широко применяются радиолокационные станции (РЛС) с синтезированием апертуры антенны (РСА) самолетного и космического базирования. При этом интенсивно развиваются радиолокационные интерферометрические методы построения высотной топографии подстилающей поверхности. Однако, известные аэрокосмические методы не обеспечивают требуемой точности и оперативности поступления важнейшей информации о ледовых полях в районах буровых платформ, а именно, их степени торосистости, толщины, скорости и направлении дрейфа. Без этой информации невозможна безопасная эксплуатация морских арктических месторождений. Особенно остро стоит задача разведки ледовой обстановки в районах эксплуатации нефтегазовых объектов с использованием радиолокационных комплексов морского базирования одновременно с аэрокосмическими системами. Быстро разворачиваемые, гораздо более дешевые и более точные по сравнению с космическими и авиационными системами, радиолокационные комплексы морского базирования позволяют эффективно решить задачу непрерывного мониторинга небольших близлежащих пространств.

Следует отметить, что в настоящее время предпочтение при решении задач контроля ледовой обстановки отдается, в основном, аэрокосмическим методам. В то же время информация о методах интерферометрической радиолокационной оценки ледовой обстановки с морских нефтедобывающих буровых платформ или с берега в научно-технической литературе практически не встречается.

Таким образом, на современном этапе развития радиолокационных методов оценки ледовой обстановки одной из важнейших научных задач, является непрерывное, в любых метеоусловиях формирование цифровой модели рельефа (ЦМР) ледового поля с высокой точностью, а также оценка скорости и направления его движения. Данная информация, благодаря использованию известных эмпирических соотношений высоты рельефа ледового поля над уровнем моря, его толщины и рельефа подводной части, может использоваться для качественной оценки состояния, толщины и потенциальной опасности ледовых полей.

Степень разработанности проблемы

Серьезный вклад в развитие теории РЛС бокового обзора и РСА для задач оценки ледовой обстановки внесли такие известные ученные, как Ю.А. Мельник, П.И. Дудник, М.И. Финкелыптейн, А.И. Калмыков, JIM. Митник, J.D. Johnson, R. D. Ketchum, L. D. Farmer, У. Н. Anderson, A. Biache, С. A. Bay, R. Bradie, R. Т. Lowry, J.F. Vesecky, В. Holt и др. В первую очередь благодаря их усилиям были созданы радиолокационные комплексы оценки ледовой обстановки, разработанные в рамках: отечественной программы «Океан» (КА «Космос-1500», «Океан» и др.), программы европейского космического агентства «ERS-1» и «ERS-2»,

японской программы «JERS-1», американских программ «STAR-1», «LANDSAT», «SEASAT», канадской миссии «RADARSAT-1,2» и др.

Развитие получили методы построения высотной топографии, которые используют пару радиолокационных изображений для построения высокоточной карты высот рельефа с помощью алгоритмов измерения интерферометрической разности фаз (ИРФ) сигналов, приходящих на разнесенные в пространстве антенны системы. Данное направление развивали такие ученые, как А.И. Захаров, Л .Б. Неронский, R. М. Goldstein, Н. A. Zebker, S. N. Madsen, М. A. Richards, С. V. Jakowatz, W. G. Carrara, W. G. Goodman, S. H. Zisk, L. C. Graham и др. Результатом проведенных исследований и разработок стали такие комплексы, как отечественный РСА для малого космического аппарата «Кондор-Э», GLISTIN (США), CCRS С/Х SAR (Канада), SRTM (США), RTV (США), IFSARE/STAR-3i (США), ENVISAT ASAR (Европа) и др. Таким образом, развитие теории и принципов построения PJIC оценки ледовой обстановки позволило создать высокоэффективные комплексы авиационного и космического базирования, способные решать задачи получения детального рельефа ледовой поверхности с достаточно высокой пространственной разрешающей способностью (на уровне 0,45...2 м для авиационных и 6...8 м для космических систем) и точностью (порядка единиц метров) при боковом и переднебоковом обзорах.

Направление, связанное с применением интерферометрических комплексов наземного базирования, было исследовано такими учеными, как G. Luzi, С. Werner, D. Tarchi, A. Martinez-Vazquez и др. Из интерферометрических комплексов наземного базирования можно выделить «GRPI» (Швейцария), который был разработан для мониторинга состояния поверхности гор и ледников.

В настоящее время не разработаны полноценные средства радиолокационной оценки ледовой обстановки морского базирования. Отсутствуют представления о требуемых параметрах РЛС, предпочтительных для решения задачи обеспечения безопасной эксплуатации буровых платформ арктического шельфа, о наборе задач, которые может решить радиолокационный комплекс.

Таким образом, в настоящие время требуется решить задачу получения детального рельефа ледовой поверхности при работе РЛС по настильным траекториям (РЛС морского базирования).

В интерферометрической радиолокации наиболее эффективно используется информация, содержащаяся в пространственно-временном сигнале, что позволяет по ИРФ сигналов, приходящих с разнесенных в пространстве антенн системы, оценить распределение топографических высот отражающих элементов неровностей поверхности и построить ЦМР, исследовать пространственно-распределенные процессы и их проявления во времени.

Цель диссертации

В диссертационной работе поставлена цель - разработать эффективный метод радиолокационной оценки ледовой обстановки с буровых платформ арктического шельфа, методы и алгоритмы обработки сигналов при решении задач получения ЦМР и скоростей ледовых полей для оценки ледовой опасности.

Задачи, требующие исследования

Для достижения сформулированной цели в представленной диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

1. Формулировка, анализ и обоснование принципов построения радиолокационного комплекса высокоточной оценки ледовой обстановки МОрСКОГО 08." зирования и научно обоснованных технических требований к такому комплексу, использующему сложные сигналы, предназначенному для дистанционного зондирования морской и ледовой поверхности, формирования высокоточной ЦМР и оценки скоростей исследуемой поверхности.

2. Определение ключевых параметров радиолокационного комплекса морского базирования и разработка методов их оптимизации с целью повышения точности измерения рельефа.

3. Анализ современных подходов к решению вопроса получения из пары радиоизображений высокоточной карты рельефа с использованием методов фазовой интерферометрии, демонстрация возможностей методов разворачивания фазы для исключения неоднозначности измерений. Разработка алгоритма получения ЦМР по интерферометрической разности фаз сигналов, приходящих на разнесенные в пространстве антенны системы радиолокационного комплекса морского базирования.

4. Разработка структурыё и математических моделей отраженных сигналов от априорно неизвестного ледового рельефа. Анализ характеристик разработанных алгоритмов с демонстрацией возможностей радиолокационного комплекса с помощью имитационного моделирования.

Методы исследования

При решении поставленных в диссертационной работе задач был использован современный математический аппарат статистической теории радиолокации, теории оптимальной фильтрации и радиофизики. Проверка эффективности разработанных алгоритмов проводилась с использованием имитационного моделирования в программно-математической среде «МаЙаЬ».

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Проведен анализ решаемых радиолокационным комплексом оценки ледовой обстановки морского базирования задач, объектов наблюдения и обоснованы параметры комплекса. Впервые предложена концепция использования интерферометрической РЛС морского базирования для решения задач оценки ледовой обстановки при настильном зондировании.

2. Разработан способ реализации высокоточной радиолокационной оценки ледовой обстановки, использующий два режима работы радиолокационного комплекса морского базирования, один из которых одновременно оценивает дальность, скорость и направление дрейфа ледовых полей, а другой формирует ЦМР.

3. Проанализированы основные соотношения, определяющие параметры радиолокационного комплекса, и предложена методика их оптимизации с целью повышения точности измерения рельефа.

4. Исследованы известные алгоритмы двумерного разворачивания фазы, проведен их оригинальный сравнительный анализ для применения в радиолокационном комплексе морского базирования, и на их базе разработан алгоритм

разворачивания интерферометрической разности фаз сигналов, приходящих на разнесенные в пространстве антенны радиолокационной системы.

5. Проведен сравнительный анализ эффективности применения сложных сигналов с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ) и фазовой манипуляцией (ФМн) в интерферометрическом режиме работы радиолокационного комплекса оценки ледовой обстановки морского базирования, который показал предпочтительность использования ЛЧМ сигнала.

6. Разработаны математические модели отраженных от ледовой поверхности сигналов для радиолокационных комплексов оценки ледовой обстановки в условиях априорно неизвестного рельефа зондируемой поверхности, ориентированные на проверку разработанных алгоритмов построения ЦМР.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Радиолокационный комплекс морского базирования, использующий поочередно интерферометрический режим и режим одновременного измерения дальности, скорости и направления дрейфа ледовых полей, может эффективно решать задачи оценки ледовой обстановки.

2. Алгоритм интерферометрической обработки в радиолокационных комплексах морского базирования для решения задач оценки ледовой обстановки путем анализа ЦМР.

3. Методика определения оптимальных параметров радиолокационного комплекса морского базирования с целью повышения точности измерения рельефа.

4. Сигналы с ЛЧМ в связи с низким интегральным уровнем боковых лепестков и низкой чувствительностью к доплеровскому сдвигу частоты являются предпочтительным видом зондирующих сигналов (ЗС) для решения задач разностно-фазовой интерферометрии. В то же время сигналы с фазовой псевдослучайной манипуляцией в связи с высокой чувствительностью к доплеровскому сдвигу частоты являются предпочтительным видом ЗС для решения задач оценки скорости движения ледовых полей и могут быть использованы в разработанном алгоритме оценки скорости ледовой поверхности.

5. Принципы построения и технология использования программно-математических пакетов для моделирования, анализа и обработки пространственно-временных сигналов, предназначенных для внедрения новых алгоритмов интерферометрической обработки, совмещенных с алгоритмами оценки дальности и скорости ледовых полей при решении задач оценивания ледовой обстановки.

Достоверность научных положений подтверждается совпадением теоретических результатов с экспериментальными данными, имеющимися в литературе, отсутствием противоречий между новыми теоретическими положениями, разработанными в диссертации, и результатами проведенного имитационного моделирования, апробацией диссертационной работы на научно-технических конференциях и публикациями автора, одобренными научной общественностью.

Практическая ценность результатов диссертационной работы:

1. Совместное применение интерферометрического режима и режима одновременного измерения скорости и дальности в радиолокационных комплек-

сах морского базирования позволит повысить безопасность работы буровых платформ арктического шельфа.

2. Предложены и оптимизированы основные параметры радиолокационного комплекса оценки ледовой обстановки.

3. Разработаны алгоритмы обработки сигналов радиолокационного комплекса оценки ледовой обстановки, пригодные для реализации на существующей элементной базе. Разработан действующий макетный образец цифрового устройства обработки и формирования сигналов, проведены его приёмочные испытания.

4. Сформированы принципы построения и разработана технология использования программно-математических пакетов для моделирования, анализа и обработки пространственно-временных сигналов, предназначенных для внедрения новых алгоритмов интерферометрической обработки, алгоритмов одновременной оценки дальности и скорости при решении задач оценки ледовой обстановки.

Практическая направленность диссертационной работы заключается в обосновании структуры, состава радиолокационного комплекса высокоточной оценки ледовой обстановки морского базирования и алгоритмов обработки информации. Реализация результатов диссертационной работы проводилась на кафедре РТП «НИУ «МЭИ» в рамках проектирования и создания новых радиолокационных комплексов оценки ледовой обстановки (ОКР «Разработка технического проекта и действующего макетного образца системы высокоточной оценки ледовой обстановки с применением сверхширокополосных, наносекундных радиолокационных технических средств» шифр «Панцирь-2», НИР «Разработка радиолокационных методов дистанционного зондирования и мониторинга морской поверхности и ледовой обстановки для обеспечения безопасности разработки новых энергоэффективных северных морских месторождений углеводородов и их добычи»). По итогам диссертационной работы получен акт о внедрении результатов от промышленной организации ОАО «НПП «Салют». Разработанные в диссертации алгоритмы обработки сигналов использовались в перечисленных работах в качестве базовых при разработке специализированного программно-математического обеспечения.

Апробация результатов диссертационной работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2011 и 2012), «Наука и образование» (г. Мурманск, 2012), Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь» ИРЭ РАН (г. Москва, 2012), «Цифровая обработка сигналов и ее применение - В5РА'2013» (г. Москва, 2013).

Публикации. Результаты диссертационной работы изложены в 9 печатных работах, среди которых три статьи (две - в научно-технических журналах, входящих в перечень ВАК РФ), а также в материалах шести научно-технических конференций. Материалы диссертации изложены в 4 научно-технических отчетах по НИР и ОКР.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 131 наименование. Работа изложена на 236 страницах машинописного текста, включая два приложения на 21 странице, содержит 101 рисунок и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации, обоснована важность и необходимость применения радиолокационного комплекса морского базирования для проведения оценки ледовой обстановки, проведен обзор комплексов и методов оценки ледовой обстановки. Сформулированы цели и задачи диссертационной работы, обозначены объект и предмет исследований, изложены методы исследований, представлены научная новизна и практическая ценность полученных результатов. Сформулированы основные положения, вынесенные на защиту.

В первой главе проводится анализ объектов наблюдения при дистанционном зондировании поверхности Земли в арктическом регионе радиолокационным комплексом оценки ледовой обстановки, способным эффективно решать такие задачи как определение динамики ледовых покровов, обеспечение оперативности поступления геопространственной информации о ледовых покровах.

Основным объектом наблюдения при дистанционном зондировании Земли в арктическом регионе является морской лед, айсберги и морская поверхность. При росте и разрушении льда условия на его поверхности и в толщине постоянно изменяются, что предопределяет разнообразие рельефа, форм шероховатости и наличие торосов. Торосы являются характерной особенностью ледовой поверхности в арктическом регионе. Торосы образуются при сжатии битого льда, который выдавливается на поверхность более ровного окружающего ледового покрова и в воду, образуя подводную и надводную части торосов, которые называются килем и парусом. Торосы могут играть роль якорей при внедрении их в морское дно, обеспечивая устойчивость припайных льдов. Припайные льды являются препятствием при движении судов в шельфовой зоне, значительно увеличивая прочность ледового покрова. Для подводных трубопроводов представляют опасность кили торосов, воздействие которых может привести к их пробою. Степень всторошенности ледовых полей, окружающих буровые платформы, и размеры консолидированного слоя льда внутри торосов определяет ледовые нагрузки на буровые платформы.

В силу вышеизложенных причин задача определения пространственных параметров торошения была определена как основная при проведении оценки ледовой обстановки. В главе приводятся известные из литературы эмпирически

полученные соотношения высоты паруса и глубины киля торосов относительно уровня моря и их ширины (см. рис. 1):

^=4,4, £=15,1, (1)

где Ь5 и Ьк - высота паруса и глубина киля тороса соответственно, Ьг - ширина тороса. Также существует зависимость высоты паруса и глубины киля торосов от толщины кусков льда к, из которых сложены торосы;

1 ь.

1 V

Ьг

Рис. 1. Осредненная форма вертикального сечения гряды торосов

hs = 5,24 ■ Vft, hk = 15,2-Vh. (2)

Проведенные исследования пространственных характеристик торосов позволяют сделать следующий вывод: для получения необходимой пространственной информации о торосах достаточно измерения высоты торосов относительно уровня моря, что позволит радиолокационному комплексу, использующему методы разностно-фазовой интерферометрии, эффективно решить задачу оценки ледовой обстановки.

Помимо всторошенной ледовой поверхности в арктическом регионе присутствуют айсберги, представляющие опасность для буровых платформ. Задача обнаружения, определения пространственного положения и скорости айсбергов является более простой по сравнению с задачей измерения торосов в связи с их существенными размерами.

Описанные выше объекты наблюдения для радиолокационного комплекса представляют собой поверхностно-распределенные цели, а величины отраженных сигналов зависят от удельной эффективной площади рассеивания (УЭПР) наблюдаемой поверхности. Величина УЭПР спокойной морской поверхности при настильных углах зондирования имеет весьма малую величину, порядка — 56 дБ (для длины волны 8,6 мм). Согласно экспериментальным данными УЭПР шероховатого, всторошенного льда и айсбергов лежит в пределах от 0,05 до 1,2. Значительное возрастание УЭПР можно объяснить совокупным действием эффекта фокусировки отражений от различных блестящих точек объекта.

Проведенные исследования позволяют сделать следующий вывод: для корректной оценки ледовой обстановки необходима пространственная информация о ледовых полях, такая как: дальность, скорость, направление дрейфа и высота неровностей рельефа.

Глава завершается формированием концепции радиолокационного комплекса оценки ледовой обстановки и тактико-технических требований к нему.

Вторая глава посвящена принципам построения высокоточной карты высот неровностей рельефа с использованием методов разностно-фазовой интерферометрии. Выведены основные соотношения согласно геометрии визирования, изображенной на рис. 2:

Д» —В ■ cos{Q + /S), h = Я - R • sin (arceos ^ - (3)

где Д - разность хода лучей, В - размер базы, в - угол места, /? - угол наклона базы, h - высота рельефа местности, Н — высота ведущей интерферометриче-ской антенны и R — наклонная дальность.

Рельеф местности определяется по разности хода лучей Д согласно (3), которую можно измерить по интерферометрической разности фаз эхо-сигналов, приходящих с разнесенных в пространстве на величину В антенн А1 и А2. Антенна А! работает на излучение и приём, а Аг работает только на приём.

Ошибка определения высоты рельефа пропорциональна ошибке измерения Д и определяется следующим выражением:

cosd /R\

где 5(4) - ошибка измерения разности хода лучей.

Для получения оптимальной оценки ИРФ можно воспользоваться алгоритмом оценки максимального правдоподобия (ОМП):

<РА1А2 = агад-

Рис. 2. Геометрия визирования

где - это комплексная амплитуда эхо-сигнала с каждого элемента дальности от А1, " это комплексно-сопряженная амплитуда от А2.

Измерение наклонных дальностей происходит в величинах двухстороннего фазового сдвига 4тт/Л в интервале от О до 2я, что приводит к возникновению проблемы «свернутой» фазы (см. рис. 3). В главе изложены принципы работы

основных методов «разворачивания» фазы, а также продемонстрирована работа агоритма Голдштейна-Зебкера-Вернера и метода наименьших квадратов.

Для уменьшения вариации фаз, а также выделения ненулевого рельефа производится операция фильтрации плоской составляющей ИРФ. На рис. 3 представлена интерферограмма для четырех трёхметровых холмов до фильтрации фазовой составляющей плоской поверхности и после.

2101

-•-г

2 1

я

¡1 га

О.

¡0 О

Рис. 3. Пример свернутой в интервале (-л, я] ИРФ; а) - с плоской составляющей; б) - с отфильтрованной фазой от плоской поверхности

Используя выражение (4), можно вывести зависимость изменениями ИРФ каждого пикселя и изменениями высоты рельефа:

<№(х,у) = ¿>А1А2(х,у) = сое/* 8(р'А1А2(х,у)

между

АпВБтв

где сое/ - коэффициентом масштабирования ИРФ, 2 - развёрнутая ИРФ с отфильтрованной плоской составляющей.

Данные, полученные с помощью уравнения (6), являются основным результатом работы интерферометрического комплекса. Для построения ре-

зультирующей ЦМР используются ИРФ соседних элементов, давая тем самым относительное изменение значения высоты рельефа:

Ь(Х1,Уг) - Ь(х2, у2) « сое/(<р'А1А2(х^у±) - <рА1А2(х2,у2)). (7)

Для получения абсолютных значений высот рельефа необходимо выбрать опорную точку (х0,у0), относительно которой (Ь(х0,у0) = Ьг) значения высот рельефа других точек будут абсолютными:

Я(х, у) = Ьг + сое/ (ср'А1Аг (Х-У) ~ <Ра1Л2 (хо.У0)) (8)

Если значение Ьг определено точно, то Я - это ЦМР с абсолютными значением высоты рельефа. Если условно принять значение Ьг=0, тогда с помощью выражения (8) будет получена ЦМР с относительной высотой рельефа.

Сформированная в результате ЦМР позволит проводить обнаружение изменений поверхности между съемками и оценивать скорость движущихся объектов.

Процесс построения ЦМР сильно затрудняют фазовые шумы, так как выбросы фазовых шумов могут быть случайно приняты за изменение рельефа, либо само изменение рельефа может быть подавлено шумом.

Источниками ошибок при проведении интерферометрических измерений может быть интерферометрическая декорреляция, наложение и затенение радиоизображений при работе по подстилающей поверхности, боковые лепестки диаграммы направленности антенны (ДНА) и двумерной автокорреляционной функции ЗС, шумы приёмопередающих устройств, ошибки калибровки и ошибки, связанные с флуктуацией электрической длины пути сигнала РЛС. Глава заканчивается анализом источников ошибок и их влияния на точность измерения высоты рельефа.

Третья глава посвящена разработке аппаратно-алгоритмических решений для радиолокационного комплекса оценки ледовой обстановки морского базирования. В связи с высокой стоимостью и сложностью систем с электронным сканированием луча ДНА, в диссертации предложено сканировать пространство по азимуту механически, а по углу места вся исследуемая поверхность зондируется одним лучом.

Требования, выдвинутые в первой главе к точности измерения рельефа ледовой поверхности (не хуже 5 см), являются наиболее труднодостижимыми. Потенциально данное требование может быть выполнено интерферометриче-ским комплексом, работающим по принципам, описанным во второй главе, но при условии оптимально выбранных параметров комплекса, которые бы минимизировали ошибку измерения высоты рельефа.

При определении высоты рельефа Н систематические составляющие погрешностей величин в выражении (3) должны компенсироваться. Поэтому основное внимание уделяется погрешности, связанной со среднеквадратичной оценкой ИРФ.

Реальная поверхность является распределённой радиолокационной целью, в этом случае, обычно используется феноменологическая модель из набора большого количества независимых отражателей внутри элемента разрешения с автокорреляционной функцией

</О.У.2)Г(*',У'.г')> = о0Лх.У,гЖх-х',у-у',г-2'), (9)

где (') - осреднение по ансамблю случайных отражений,/(■) - комплексная функция рассеяния, a0v - объёмная удельная эффективная площадь рассеивания (УЭПР), 5(-) - дельта функция.

Объемные функции рассеяния fix, у, z) и f*(x',y',z') являются идентичными и получены одновременно. Предположение о дельта-коррелированности отражений не противоречит теории отражения, которая применяется к повфхностям, чья среднеквадратичная высота неровности намного больше, чем длина волны.

Следовательно, в каждом приёмнике интерферометра мы имеем когерентные сигналы Si и s2, определяемые следующими выражениями

¿i(Ko.*o) = Aj dzf f{x,y,z)e-^ ■ Wa(x - x0)Wr(R1 - Ro)dxdy + щ s2(R0 + Д + Sr,xо + Sx) = A J dzjf(x',y',z') e~J¥R*

•Wa(x-x0- Sx)Wr(R2 - (й0 + Д + Sr))dxdy + n2 где сигнал со второй апертуры сдвинут на постоянное значение Д, которое определяется геометрией, А - коэффициент, который зависит от параметров PJ1C и режима облучения, щ и п2 - шумы РЛС, Wa и Wr - импульсные характеристики РЛС в азимутальной и плоскости наклонной дальности соответственно. Также были добавлены ошибки регистрации радиоизображения по дальности 8Г и азимуту 8Х.

Если отраженный эхо-сигнал имеет гауссову статистику, что обычно наблюдается в экспериментах, то полная статистика интерферометрического отражения может быть получена путём вычисления комплексной корреляционной функции для s\ и s2. При этом предполагается, что шумовые компоненты щ и п2 некоррелированы. Выражение для сигнальной компоненты взаимной пространственной корреляционной функции отражённых сигналов, принятых на две разнесённые антенны

<Si№0,*o)sa*№» + Д + + <У> = A2 J dz J f(x,y,z)

An (12)

- x0)Wr(R1 - R0)Wa'(x -x0- Sx)

Wr'(R2-{R0+A + Sr))dxdy, где (•) - осреднение по ансамблю случайных отражений.

Считаем, что в пределах элемента разрешения в окрестности (x0,y0,z0) поверхность приблизительно однородная, а ее рассеивающие свойства зависят только от высоты неровностей и угла визирования. Тогда уравнение (12) можно решить аналитически:

4тг

<Sl52*) = A2Sa0(R0, х0 )e-'-r^acoef, (13)

где acoef = ff0(az)( 1 - х sine{тг^(1- \arAR\)) (U)

(1 - \axme->™*s* x sinc{n^(l - |exA*|)J,

"z R0sin(,eо - Ту)' _ ctz tan ix

a*-~IT' (17)

где sine (x) = s'm(x)/x, AR - разрешение по дальности, AX - разрешение no азимуту, S - площадь разрешающего элемента на плоскости, aQ (az) - нормированное преобразование Фурье УЭПР как функции от высоты, Вх - проекция ин-терферометрической базы на плоскость перпендикулярную направлению зондирования, тх и Ту - угол наклона рельефа по оси г и у соответственно.

Среднеквадратичное отклонение (СКО) полученной по алгоритму О МП ИРФ зависит от коэффициента корреляции у между двумя сигналами s\ и s2 и кратности некогерентного накопления N согласно следующему выражению

= V<(ftnA2 " <<iW)2> = V^^T2^- (18)

Коэффициент корреляции между двумя сигналами и s2 определяется следующим выражением

KW)! = Кое/1 VttNW» i + w«-1' 1 J

где SNR - это отношение сигнал/шум РЛС. Предполагается, что шумовой компонент не коррелирован с сигналами и <||2) = (|s2|2)1 A2Sa0 + Ш, где Ш -средняя мощность шума.

Оценим потенциальную точность оценки высоты неровностей рельефа в пределах элемента разрешения, для этого запишем выражение (6) с учётом формул (14), (18), (19):

_ ЯН ctg в °h ~ AnBsind

И \aCOef\ \2\

1 л 1 +SNR-1) 1

V277 acoef

(20)

1 + SNR-

Методика выбора оптимальных параметров РЛС заключается в широкой вариации исходных данных с целью получения максимальной точности измерений. В качестве исходных данных были взяты характеристики радиолокационного комплекса оценки ледовой обстановки, введенные в первой главе, а именно Н от 20 до 37 м, разрешающая способность по наклонной дальности ДД=1 м, В от 0 до 80 м, ¡3 от 0 до 90° и несущая частота от 10 до 40 ГГц.

На рис. 4 изображена зависимость среднеквадратичной погрешности оценки ординат неровностей рельефа от различных длин баз на несущей частоте 35 ГГц, согласно которой длина базы равная 7 м является оптимальной по критерию минимума среднеквадратичной погрешности. На рис. 5 изображена зави-

симость от различных длин баз и несущих частот (от 10 ГГц до 40 ГГц с шагом 5 ГТц), согласно которой несущая частота 35 ГГц является оптимальной. 0,4р

¿Г % &0'05-

Б1 и § 0

Размер антенной базы, м

Рис. 4. Зависимость среднеквадратичной погрешности оценки ординат неровностей рельефа от различных длин баз (5А/Й=1 дБ, Н=30 м, /?=90°, Дй=1 м, N=16, ширина ДНА в азимутальной плоскости - 0,25°)

О. яГ сГ-е<

о «Я

и " & 0,05

с» 0

Ц I Ч I I и

Размер антенной базы, м Рис. 5. Зависимость среднеквадратичной погрешности оценки ординат неровностей рельефа от различных длин баз и несущих частот (5Мй=1 дБ, Н=30 м, /?=90°, ДД=1 м, N=16, ширина ДНА в азимутальной плоскости - 0,25°)

Особое внимание уделено выбору ЗС для радиолокационного комплекса оценки ледовой обстановки. Проведен сравнительный анализ эффективности применения сложных ЛЧМ и ФМн сигналов при проведении интерферометри-ческой съёмки и оценки скорости движения ледовых полей на примере сигналов, которые имеют длину 1023 отсчет при длительности элементарного дискрета ФМн сигнала и девиации частоты ЛЧМ сигнала обеспечивающих разрешение на поверхности 1 м. Пиковый уровень боковых лепестков невзвешенно-го ЛЧМ сигнала и ФМн с кодовой М последовательностью максимальной длины равен -13,2 дБ и -28,6 дБ соответственно. Также был подсчитан интегральный уровень боковых лепестков эхо-сигналов, который составил -9,7 дБ и -4,8 дБ соответственно. Сигналы с ЛЧМ, в связи с низким интегральным уровнем боковых лепестков и низкой чувствительностью к доплеровскому сдвигу частоты, являются предпочтительным видом ЗС для решения задач разностно-

фазовой интерферометрии. В то же время сигналы с фазовой псевдослучайной манипуляцией в связи с высокой чувствительностью к дошгеровскому сдвигу частоты являются предпочтительным видом ЗС для решения задач оценки дальности и скорости движения ледовых полей.

Как было отмечено выше, для проведения интерферометрических измерений предлагается использовать JI4M сигнал. Интерферометрическая обработка начинается после сжатия и когерентного накопления (усреднения) эхо-сигналов. Отличительной особенностью комплексов морского базирования, по сравнению с космическими и авиационными комплексами, является достаточно низкие значения угла места 0, а также ярко выраженная прямоугольная форма пикселей радиоизображений, вытянутых в азимутальной плоскости.

При дискретизации пространства с достаточно большим соотношением количества элементов по одной координате к количеству элементов по другой становится практически невозможным двумерное разворачивание фазы из-за недодискретизации одного из направлений. В связи с этим в диссертации разработан алгоритм разворачивания фазы по критерию минимума суммы квадратов ошибки, ориентированный на практическую реализацию при помощи дискретного косинусного преобразования. Данный алгоритм получен путем модификации двумерного метода наименьших квадратов.

Показано, что разворачивание фазы является одним из наиболее сложных этапов интерферометрической обработки. Не существует оптимального решения проблемы свернутой фазы для всех случаев, следует учитывать как особенности интерферограмм, так и особенности постановки задачи: допустимость искажений, допустимость наличия «пустых» областей, и т.д. В связи с этим, для оценки достоверности пространственно-временной информации о рельефе ледовой поверхности, предлагается поочередно использовать два режима работы радиолокационного комплекса оценки ледовой обстановки. В первом режиме формируется ЦМР и оценивается скорость ледовых полей по подвижкам рельефа между съёмками. Во втором режиме оценивается одновременно скорость по величине доплеровско-го сдвига частоты и дальность по времени прихода эхо-сигнала. Сформированные двумя независимыми способами карты скоростей ледовых полей могут служить средством подтверждения достоверности получаемых данных.

Для решения задачи определения скорости ледовых полей по величине до-плеровского сдвига частоты с разрешающей способностью 0,2 м/с в пределах от 0 до 2,2 м/с в диссертации было предложено использовать 12 фильтров сжатия (ФС) с применением алгоритма «быстрой свёртки». Опорная функция каждого из ФС рассогласована по доплеровской частоте на величину, соответствующую скорости цели 0,2 м/с. Требуемая разрешающая способность по скорости достигается путем когерентного накопления 128 периодов ФМн сигнала. Период повторения зондирующих импульсов соответствует рабочей дистанции равной 22 км.

Скорость дрейфа ледового поля в данных условиях проще определить путем фиксации номера канала накопления когерентных импульсов, в котором сжатые сигналы дают максимум в дискрете по дальности. Описанный выше алгоритм позволяет осуществить параллельное сравнение результатов пороговой

обработки всех 12 скоростных каналов и коммутацию результатов, направляемых на запоминающие устройство сектора обзора. Порог обнаружения выставляется в соответствии с заданными характеристиками обнаружения. Превышение установленного порога даёт номер дальностного и скоростного каналов, позволяющий определить яркость и адрес элементов вдоль строки обзора.

Структурная схема РЛС оценки ледовой обстановки представлена на рис.6.

Фильтрация

Оценка

ИРФ составляющей

О

Ргщиоинтерферометрический режим (в качестве ЗС ЛЧМ сигиал)

Формирование ... ЦМР ,

На индикацию

Запоминающее устройство

| Накопление сигналов | f|

Режим оценки скорости и далъносш (в качестве ЗС ФМн сигнал с М кодом)

АЦП ФД Конвертер

вниз и МШУ

Рис. 6. Структурная схема РЛС оценки ледовой обстановки, где АП - антенный

переключатель, Г1ГВ - привод горизонтального вращения, МШУ -малошумящий усилитель, УМ - усилитель мощности, ФД -фазовый детектор, АЦП -аналогово цифровой преобразователь, ЗС - зондирующий сигаал, ЦФС -

цифровой фильтр сжатия

В четвертой главе приводятся результаты имитационного моделирования разработанных алгоритмов обработки отраженных эхо-сигналов.

В имитационной модели проведено сравнение эффективности использования ЛЧМ и ФМн сигналов для решения задач разностно-фазовой интерферометрии, показавшее неприемлемость применения ФМн сигналов в интерферо-метрических схемах наблюдений. Пусть сравниваемые ЗС имеют базу сигнала 1023 и ширину полосы ЗС 150 МГц. На рис. 7 приводятся графики расчетной и полученной в имитационной модели ИРФ сигналов с ЛЧМ и ФМн (М код длительностью 1023 отсчета), отраженных от в среднем плоского рельефа, приходящих на разнесенные в пространстве на 7 м антенны РЛ системы, согласно геометрии изображенной на рис. 2 (Н=32 м, р =90°, несущая частота - 35 ГГц). А также график фазовых ошибок, полученный путем вычисления разности между смоделированной и расчетной ИРФ. Длина рабочей дистанции - 2046 разрешаемых элементов.

В главе приведены результаты имитационного моделирования многоканального алгоритма оценки скоростей ледовых полей с М кодом в качестве ЗС, которые подтвердили его работоспособность. А также приведены результаты приёмочных испытаний устройства цифровой обработки и формирования сигналов.

16

600 750 I ООО 1 aso 1 500 1 750 8000 Номер элемента

850 500 750 I ООО 1 250 1 500 1 750 2 000 Номер элемента

500 750 1 ООО 1 250 1 500 1 750 2 ООО

Номер элемента

500 750 1 ООО 1 250 I 500 1 750 2 ООО

Номер элемента

В) Г)

Рис. 7. ИРФ расчетная (жирным) и смоделированная (а) и фазовая ошибка (б) при использовании ЛЧМ в качестве ЗС и ФМн сигнал с М кодом (в)-(г)

Результаты имитационного моделирования интерферометрической обработки эхо-сигналов, отраженных от ледовой поверхности с заданным рельефом (см. рис. 8), приходящих на разнесенные в пространстве антенны системы, согласно геометрии визирования, изображенной на рис. 2 (В=7 м, Н=37 м, (3 =90°, ширина ДНА в азимутальной плоскости - 0,25° и в угломестной - 3°, шаг сканирования по азимуту - 0,25°, полоса ЗС - 150 МГц, несущая частота - 35 ГГц), представлены на рис. 9.

Имитационное моделирование подтвердило работоспособность разработанных в диссертации алгоритмов.

В заключении приводятся следующие основные выводы по результатам выполненных исследований:

1. Впервые предложено применять методы построения высотной топографии, которые используют пару радиолокационных изображений для формирования высокоточной карты высот рельефа с помощью алгоритмов измерения интерферометрической разности фаз сигналов, приходящих на разнесенные в

пространстве антенны системы, для проведения оценки ледовой обстановки радиолокационным комплексом морского базирования.

1 ............. |

I ___'

2.5

18001

X, М

-300

1000

У, м

Рис. 8. Рельеф имитируемой поверхности: три гряды торосов высотой 1 расстоянии 10 метров друг от друга, а также айсберг высотой 3 м

м

I

Л

©

а)

б)

Оч ©

В)

г)

Рис. 9. Фрагмент расчетной интерферограммы плоской поверхности (а), смоделированной в имитационной модели с заданным рельефом (б), с отфильтрованной фазовой составляющей плоской поверхности (в) и с развернутой ИРФ (г)

2. Показано, что радиолокационная интерферометрия является эффекгавным методом измерения рельефа ледовых полей даже при работе по близким к настильным траекториям. Сантиметровая точность измерений достигнута с помощью разработанной методики оптимизации параметров радиолокационного комплекса.

3. Имитационные модели радиолокационного комплекса, учитывающие факторы топографического характера, позволят отлаживать и проверять алгоритмы обработки отраженных от ледовой поверхности эхо-сигналов в условиях априорно неизвестного рельефа зондируемой поверхности.

4. Сигналы с JI4M являются предпочтительным видом ЗС для решения задач разностно-фазовой интерферометрии, что подтверждено моделированием отражений от подстилающих покровов. В то же время сигналы с ФМн, в связи с высокой чувствительностью к доплеровскому сдвигу частоты, являются предпочтительным видом ЗС для решения задач оценки дальности, скорости и направления дрейфа ледовых полей.

5. Использование двух режимов работы радиолокационного комплекса, один из которых одновременно оценивает скорость и дальность, а другой формирует ЦМР, позволяет иметь два источника информации о скорости движения ледовых полей, что может служить средством подтверждения достоверности получаемых данных о ледовой обстановке.

6. Проверка разработанных алгоритмов в имитационных моделях подтвердила работоспособность оценивания ординат неровностей рельефа, скорости и дальности ледовой поверхности.

В Приложение 1 вынесен исходный текст программы, демонстрирующий работу алгоритма Голдштейна-Зебкера-Вернера в среде «Matlab». В Приложение 2 вынесен исходный текст программы, демонстрирующий работу двумерного метода наименьших квадратов в среде «Matlab».

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Смирнов Е.П. Реализация многоканального устройства цифровой обработки сигналов для комплекса оценки ледовой обстановки// Вестник МЭИ, 2013, №4. - С. 124-129,

2. Смирнов Е.П., Баскаков А.И., Лукашенко Ю.И. Радиолокационный комплекс морского базирования для оценки ледовой обстановки. // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2013. N12. URL: http://jre.cplire.ni/jre/decl3/9/text.pdf.

3. Смирнов Е.П. Реализация алгоритмов цифровой обработки эхо сигналов радиолокационного комплекса оценки ледовой обстановки на плис ALTERA// Доклады 15-ой Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и её применение» (DSPA-2013, Москва). — М.: РСНТОРЭС им. А.С.Попова, 2013. Т.1, С. 291-295.

4. Смирнов Е.П., Лукашенко Ю.И. Повышение эффективности передачи данных между ПЛИС и ПК// Радиотехнические тетради. 2011. № 46. С. 28-32.

5. Смирнов Е.П., Баскаков А.И., Исаков М.В., Лукашенко Ю.И. Радиолокационные методы обнаружения опасных ледовых полей в районах нефтегазодобычи на шельфах арктических морей// Сборник докладов VI Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь». — Москва: JRE - ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН, 2012. — Т. 2. — С. 302-303.

6. Лукашенко Ю.И., Смирнов Е.П. Дистанционный контроль характеристик морских арктических ледовых полей при разработке шельфовых нефтегазовых месторождений // Матер, междунар. научно-техн. конф. «Наука и образование- 2012». - Мурманск: Мурманский гос. тех. ун-т, 2012. С. 1133-1137.

7. Смирнов ЕЛ, Лукашенко Ю.И. Метод повышения эффективности корабельных РЛС за счет точного измерения радиальной и тангенциальной скорости// Сборник тезисов докладов конференции РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА.—М.: Издательский дом МЭИ, 2011. — Т. 1. — С. 180.

8. Смирнов Е.П., Лукашенко Ю.И. Оптимальные методы организации непрерывной передачи радиолокационной информации между ПЛИС и ПК// Сборник тезисов докладов конференции РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА.—М.: Издательский дом МЭИ, 2012, —Т. 1, —С. 121.

9. Смирнов Е.П. Методы повышения эффективности передачи данных между устройствами первичной и вторичной обработки радиолокационных данных// Матер, междунар. научно-техн. конф. «Наука и образование - 2012». -Мурманск: Мурманский гос. тех. ун-т, 2012. С.1142-1147.

Подписано в печать ¿X 0(' № № Зак. Тир. ЩО П.л. 'I Полиграфический центр МЭИ, Красноказарменная ул.,д.13

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Радиолокационная оценка ледовой обстановки с буровых платформ арктического шельфа

05.12.14 - Радиолокация и радионавигация

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201455907

Научный руководитель

кандидат технических наук Лукашенко Ю.И.

Москва-2014

СОДЕРЖАНИЕ

Список сокращений.........................................................................................................5

Введение...........................................................................................................................7

Глава 1. Анализ возможностей и формирование требований к перспективным радиолокационным комплексам оценки ледовой обстановки.................................24

1.1 Анализ пространственных характеристик объектов наблюдения при дистанционном зондировании поверхности Земли в арктическом регионе... 24

1.1.1 Пространственный статистический анализ ледовой поверхности.....................................................................................................32

1.1.1.1 Размер гребней торосов......................................................33

1.1.1.2 Расстояние между гребнями торосов их объем и интенсивность.......................................................................................35

1.2 Анализ характеристик объектов наблюдения при дистанционном зондировании поверхности Земли в арктическом регионе с точки зрения радиолокационного комплекса............................................................................36

1.2.1 Основные определения..................................................................37

1.2.2 Геометрия импульсной характеристики элемента разрешения.......................................................................................................40

1.2.3 Пиксели, входящие в состав радиоизображения........................44

1.2.4 Характеристики рассеивания объектов наблюдения.................45

1.2.4.1 УЭПР квазигладких морских льдов..................................52

1.2.4.2 УЭПР морской поверхности..............................................55

1.2.4.3 УЭПР поверхностных объектов........................................56

1.2.5 Спёкл-шум......................................................................................58

1.3 Формирование концепции радиолокационного комплекса оценки ледовой обстановки и тактико-технических требований к нему.....................59

1.4 Выводы по главе........................................................................................65

Глава 2. Принципы построения цифровой модели рельефа с использованием методов разностно-фазовой интерферометрии..........................................................68

2.1 Обзор основ и методов обработки интерферометрических РЛС........68

2.2 Измерение высоты ландшафта................................................................71

2.3 Сравнение комплексов с «мягкой» и «жесткой» базой........................74

2.4 Сравнение космических и авиационных комплексов...........................75

2.5 Базовые соотношения ИРСА...................................................................76

2.5.1 Информация о высоте в фазе отраженного сигнала....................76

2.5.2 Неоднозначность при измерении наклонной дальности.............78

2.5.3 Информация о высоте в разности фаз отраженных сигналов.....79

2.5.4 Измерение интерферометрической разности фаз.........................84

2.5.5 Декорреляция базы..........................................................................85

2.6 Обработка в ИРСА....................................................................................88

2.6.1 Оценка интерферометрической разности фаз..............................88

2.6.2 Двумерное разворачивание фазы...................................................90

2.6.2.1 Метод, следящий за путями.................................................92

2.6.2.2 Метод наименьших квадратов...........................................100

2.6.2.3 Метод сетевого потока.......................................................105

2.6.2.4 Использование нескольких баз ИРСА..............................107

2.6.3 Оценка карты высот из развернутой фазы..................................108

2.7 Точность определения ординат неровностей рельефа........................110

2.8 Выводы по главе.....................................................................................112

Глава 3. Разработка аппаратно-алгоритмических решений для радиолокационного комплекса оценки ледовой обстановки....................................................................115

3.1 Оптимизация параметров радиоинтерферометрического комплекса............................................................................................................115

3.1.1 Выбор оптимального угла наклона базы.....................................121

3.1.2 Выбор оптимальной длины базы.................................................121

3.1.3 Выбор оптимальной длины радиоволны.....................................125

3.2 Разработка радиолокационного комплекса оценки ледовой обстановки.........................................................................................................127

3.2.1 Выбор зондирующего сигнала......................................................131

3.2.1.1 ЛЧМ сигнал.......................................................................133

3.2.1.2 Цифровая система обработки сигналов..........................137

3.2.1.3 ФКМ сигнал.......................................................................145

3.2.1.4 Сравнение ЛЧМ и ФКМ сигналов для решения задач оценки ледовой обстановки...............................................................148

3.2.2 Проведение оценки скорости ледового покрова........................150

3.2.3 Радиоинтерферометрическая обработка.....................................153

3.2.3.1 Алгоритмы разворачивания фазы для комплексов

наземного базирования...........................................................................156

3.3 Выводы по главе......................................................................................165

Глава 4. Результаты имитационного моделирования и натурных испытаний....................................................................................................................168

4.1 Сравнение характеристик ЛЧМ и ФКМ сигналов посредством имитационного моделирования, проверка высказанных предположений............168

4.2 Имитационное моделирование работы режима оценки скорости и дальности комплекса оценки ледовой обстановки..................................................175

4.3 Имитационное моделирование радиоинтерферометрического режима работы комплекса оценки ледовой обстановки.......................................................180

4.4 Результаты натурного испытания устройства цифровой обработки сигналов, реализующего алгоритм быстрой свертки и формирования ФКМ сигнала................................................................................................................193

4.5 Выводы по главе......................................................................................201

Заключение...................................................................................................................203

Список литературы......................................................................................................205

Приложение 1. Исходный текст программы, демонстрирующий работу алгоритма

GZW в среде Matlab....................................................................................................218

Приложение 2. Исходный текст программы, демонстрирующий работу алгоритма Ghiglia-Romero в среде Matlab...................................................................................234

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АКФ - автокорреляционная функция;

АЛ - антенный переключатель;

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь;

БПФ - быстрое преобразование Фурье;

ВРУ - временная регулировка усиления;

ДАФ - двумерная автокорреляционная функция;

ДНА - диаграмма направленности антенны;

ЗС - зондирующий сигнал;

ИРСА - интерферометрические радиолокационные станции с синтезируемой апертурой;

ИРФ - интерферометрическая разность фаз;

ИУБЛ — интегральный уровень боковых лепестков

КА - космический аппарат;

ЛЧМ - линейная частотная модуляция;

МШУ - малошумящий усилитель;

ОБПФ - обратное преобразование Фурье;

ОГ - опорный генератор;

ПГВ - привод горизонтального вращения;

ПЛИС - программируемые логические интегральные схемы;

ПП - подстилающая поверхность;

ПФ - полосовой фильтр;

ПЧ - промежуточная частота;

РЛС - радиолокационная станция;

РСА - радиолокационная станция с синтезированием апертуры;

УБЛ - уровень боковых лепестков;

УПЧ - усилитель промежуточной частоты;

УЭПР - удельная эффективная площадь рассеивания;

ФД - фазовый детектор;

ФКМ - фазокодовая манипуляция;

ЦМР - цифровая модель рельефа;

ЦФС - цифровой фильтр сжатия;

ЭПР - эффективная площадь рассеивания;

DCT - (англ. Discrete Cosine Transfomi) - дискретное косинусное преобразование; DEM - (англ. Digital Elevation Model) - цифровая модель рельефа; DTED - (англ. Digital Terrain Elevation Data) - цифровые данные о высоте местности;

DTM - (англ. Digital Terrain Model) -цифровая модель ландшафта; SAR - (англ. Synthetic Aperture Radar) - радиолокационная станция с синтезированием апертуры;

SRTM - (англ. Shuttle Radar Topography Mission) - радиолокационная топографическая съемка с борта «Шаттла»;

LID AR - (англ. Light Detection and Ranging) - световое обнаружение и определение дальности;

ВВЕДЕНИЕ

В связи с развитием проектов разработки нефтегазовых месторождений на арктическом шельфе России актуальной становится проблема контроля морских ледовых полей непосредственно в районе буровых платформ. При этом известные аэрокосмические методы не обеспечивают требуемой точности и оперативности поступления важнейшей информации о ледовых полях. Важнейшей оперативной информацией является: скорость и направление дрейфа льда, расстояние до кромки ледового поля, степень торосистости и толщина. Без этой информации невозможны эффективная и безопасная эксплуатация морских арктических месторождений.

Это, и не только это, определяет актуальность использования непосредственно в районах эксплуатации нефтегазовых объектов в качестве средств разведки ледовой обстановки радиолокационных комплексов морского базирования с применением техники интерферометрических измерений, которые способны формировать карту ледовой обстановки, близкую по качеству с наиболее распространенными и надежными не радиолокационными методами измерений. К таким методам относятся измерение толщины морского ледового покрова связанное с бурением скважин, использование гидроакустических локаторов, установленных на подводных лодках или пришвартованных в стационарном положении буях. Подобные методы не позволяют производить весь комплекс измерений автоматически и независимо от освещенности, погодных условий и на большой дальности в отличие от радиолокационных методов.

Большая протяженность богатого природными ресурсами арктического шельфа, а также большое количество планируемых к освоению нефтегазовых месторождений на территории арктического региона России в труднодоступных местах, возлагает на перспективные комплексы оценки ледовой обстановки решение важнейших задач, связанных с освоением природных богатств арктического региона.

Не менее актуальным для развития экономики России является получение материалов высокоточных радиолокационных измерений ледовой обстановки,

обеспечивающих создание и обновление ледовых карт, которые обладают важнейшими преимуществами радиолокационного метода — повторяемостью поступления информации и оперативность её обработки, что дает возможность фиксировать состояние быстро изменяющихся природных явлений в режиме реального времени. В результате автоматически создаются динамические карты ледовой обстановки с возможностями разделять лед по сплоченности, торосистости и выделять наиболее опасные для инженерных сооружений участки.

Таким образом, одной из важнейших задач на современном этапе развития средств оценки ледовой обстановки, является круглосуточное и ежечасное, в любых метеоусловиях, на больших удалениях с высокой точностью и разрешающей способностью формирование карты ледовой поверхности, оценка скорости и направления движения льда.

Поэтому научно-обоснованные в данной работе технические решения научной задачи получения с помощью радиолокационного комплекса морского базирования карт ландшафта и обеспечение мониторинга ледовой и морской поверхности являются актуальными для повышения эффективности экономической деятельности, связанной с использованием природных ресурсов России.

Степень разработанности проблемы

В промышленно развитых странах с начала 70-х годов 20 века ведутся работы по разработке теории и созданию принципов построения радиолокационной техники для наблюдения за ледовыми покровами, которые начались сразу же после проведения первых практических полетов с радиолокационной станцией (PJIC) бокового обзора и PJIC с синтезированием апертуры (РСА) самолетного и космического базирования, показавших принципиальную возможность дешифрирования радиолокационных изображений ледового покрова. Вклад в развитие теории PJIC бокового обзора и РСА для задач оценки ледовой обстановки внесли такие известные ученные как Ю.А. Мельник, П.И. Дудник, М.И. Финкелыптейн, А.И. Калмыков, JIM. Митник, J.D. Johnson, R. D. Ketchum, L. D. Farmer, V. H. Anderson, A. Biache, C. A. Bay, R. Bradie, R. T. Lowry, J.F. Vesecky, B.

Holt и др. В первую очередь благодаря их усилиям были созданы первые радиолокационные комплексы оценки ледовой обстановки авиационного и космического базирования с оптическими системами формирования радиолокационного изображения. С 1980-х годов, в связи с развитием элементной базы, были проведены исследования по принципам и методам цифровой обработки сигналов в РЛС бокового обзора и РСА, обеспечивающим возможность получать и обрабатывать информацию в реальном масштабе времени, которые полностью вытеснили оптические методы получения радиолокационного изображения.

Благодаря работам перечисленных выше ученых и других исследователей появились образцы радиолокационных комплексов для оценки ледовой обстановки, разработанные и произведенные в рамках отечественной программы «Океан» (КА «Космос-1500», «Океан» и др.), программе европейского космического агентства «ERS-1» и «ERS-2», японской миссии «JERS-1», американских миссий «STAR-1», «LANDSAT», «SEASAT», канадской миссии «RADARSAT-1, 2» и др.

Следующим этапом разработки теории радиолокационных комплексов с синтезированием апертуры авиационного и космического базирования явились исследования методов и алгоритмов обработки сигналов и радиолокационных изображений, что так же повлияло на развитие комплексов оценки ледовой обстановки. В частности, глубокое развитие получили методы построения высотной топографии, которые используют пару радиолокационных изображений для построения высокоточной карты высот рельефа с помощью алгоритмов измерения интерферометрической разности фаз (ИРФ) сигналов, приходящих на разнесенные в пространстве антенны системы. Данное направление развивали такие ученые, как А.И. Захаров, Л.Б. Неронский, R. М. Goldstein, Н. A. Zebker, S. N. Madsen, М. A. Richards, С. V. Jakowatz, W. G. Carrara, W. G. Goodman, S. H. Zisk, L. C. Graham и др. Результатом проведенных исследований и разработок стали такие интерферометрические комплексы как отечественный РСА для малого космического аппарата «Кондор-Э», GÜSTIN (США), CCRS С/Х SAR (Канада),

SRTM (США), RTV (США), IFSARE/STAR-3Í (США), ENVISAT ASAR (Европа) и др. Использование этих методов в сочетании с возможностями современных программируемых интегральных схем и цифровых процессоров позволили добиться впечатляющих результатов. Есть все предпосылки для того, чтобы предположить, что их применение позволит приблизиться к достижению потенциальных точностных характеристик.

Следует отметить, что предпочтение при решении задач контроля ледовой обстановки отдавалось, в основном, аэрокосмическим методам.

Состояние дел в теории и практике создания радиолокационных комплексов оценки ледовой обстановки на настоящий момент можно охарактеризовать следующим образом:

1. Разработаны основные физические принципы построения PJIC оценки ледовой обстановки авиационного, космического и морского базирования.

2. Предложены методы и способы цифровой обработки сигналов и радиолокационных изображений, обоснованы принципы построения специальных цифровых процессоров, а также получены алгоритмы построения высотной топографии, основанные на разработанных физических принципах.

3. К настоящему времени уверенно достигнута разрешающая способность отечественных и мировых PJIC бокового обзора и РСА на уровне 0.45 ...2 м для авиационных и 6 ... 8 м для космических систем.

Таким образом, развитие теории и принципов построения PJIC оценки ледовой обстановки позволило создать высокоэффективные комплексы авиационного и космического базирования, способные решать задачи получения детального рельефа местности с достаточно высокой пространственной разрешающей способностью и точностью (порядка единиц метров) при боковом и переднебоковом обзорах.

В то же время информация о радиолокационной оценке ледовой обстановки с морских нефтедобывающих буровых платформ или с берега в известной научно-технической литературе встречается очень редко по сравнению с комплексами

авиационного и космического базирования. Направление, связанное с применением интерферометрических комплексов наземного базирования было исследовано такими учеными как G. Luzi [1-4], С. Werner [5], D. Tarchi [6-7], А. Martinez-Vazquez [8-9] и др. Из комплексов оценки ледовой обстановки наземного базирования можно выделить программу «GRPI» (Швейцария) [5].

Использование радиолокационных комплексов космического базирования чрезвычайно эффективно при наблюдении за медленно развивающимися процессами. Необходимость использования комплексов морского базирования продиктована существующей потребностью в получении непрерывной информации о состоянии ледовой поверхности.

Быстро разворачиваемые, гораздо более дешевые по сравнению с космическими и авиационными системами, радиолокационные комплексы морского базирования представляют эффективное р