автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Точностные характеристики космического радиотехнического комплекса дистанционного зондирования для восстановления рельефа поверхности Земли

МОСКОВСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

Рг" ОД

,.,-,¡-17 На правах рукописи

БАСКАКОВ Александр Ильич

"ТОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОСМИЧЕСКОГО РАДИОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ"

Специальность: 05.12.17 - "Радиотехнические и телевизионные системы .ч устройства"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1997 г.

Работа выполнена на кафедре "Радиотехника и радиотехнические системы" Государственной академии сферы быта и услуг (ГАСБУ) и на кафедре "Радиотехнических приборов" Московского энергетического института (технического университета) (МЭИ).

Научный консультант: доктор технических наук,

академик Международной академии информатизации профессор Шелухин О.И.

Официальные оппоненты:

- Заслуженный деятель науки и техники, лауреат Государственной премии, доктор технических наук,

профессор Шахтарин Б.И.;

- Лауреат Государственной премии, доктор физико-математических наук, профессор Лукин Д.С.;

- Доктор технических наук Щербаков Г.Н.

Ведущая организация: Институт космических исследований РАН г.Москва

Защита состоится "_"_ 1997 г. в_часов на заседании диссертационного совета Д 072.05.03 по присуждению ученой степени доктора технических наук в Московском Государственном техническом университете гражданской авиации по адресу: 125838 г. Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУГА.

Автореферат разослан "_"_1997 г.

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

М.М. Шемаханов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Формулировка проблемы и ее актуальность. Задачи, стоящие перед хозяйством страны, по освоению ресурсов Земли и океана требуют разработки принципиально новых средств и методов исследования Космические системы дистанционного зондирования в радиодиапазоне позволяют обеспечить глобальный мониторинг поверхности Земли вне зависимости от состояния атмосферы и времени суток. Один из наиболее информативных бортовых комплексов активных средств дистанционного зондирования состоит из радиолокационной системы с синтезированным раскрывом антенны (РСА) и прецизионного радиовысотомера (ПРВ). При этом РСА приобретает все большее значение при решении задач наблюдения за земной и морской обстановкой, ледовой развязки, обнаружении малоразмерных объектов и проведении оперативного картографирования больших участков подстилающей поверхности с высокой разрешающей способностью. ПРВ обеспечивает прецизионные точностные измерения при работе по морской поверхности, давая информацию для широкого круга задач: уточнение морского геоида, картирование гравитационных аномалий, контроля уровня поверхности (приливов, отливов, штормовых нагонов, вихрей, цунами), контроля морских течений, определение высоты морских волн, и скорости поверхностного ветра и многих других процессов в Мировом океане, связанных изменением уровня морской поверхности.

Проблема оперативного решения указанных задач, решаемых комплексом данных радиоприборов безусловно актуальна для исследования природных ресурсов Земли, экологического мониторинга, метеорологии, океанографии, судовождения и т.д.

В то же время функциональные возможности и информативность комплекса бортовых средств дистанционного радиозондирования чрезвычайно возрастают при получении трехмерных изображений местности в широкой полосе обзора и сохранении необходимой разрешающей способности. Исследования, связанные с восстановлением рельефа земной поверхности по данным космических съемок, проводятся в настоящее время в большинстве стран, имеющих свои космические программы и использующих информацию,- полученную со спутников дистанционного зондирования. Однако, ПРВ обеспечивают прецизионную точность измерения высоты (а при известной орбите топо1рафии морской поверхности) только в подспутниковой области, шириной не более I... 1,5 км.

Находящиеся в настоящее время на стадии интенсивных исследований и разработки интерферометрическне радиосистемы с синтезированной апертурой антенны (ИРСА) позволяют одновременно с картографированием поверхности получить информацию о вариациях ее уровня в широкой зоне обзора. При этом прецизионный контроль высоты орбиты и ориентации платформы с аппаратурой комплекса относительно локальной нормали обеспечивается ПРВ над морской поверхностью. В интервалах между измерениями параметры орбиты могут интерполироваться.

Интерферометрический метод предполагает получение информации о возвышениях рельефа в каждом элементе разрешения путем измерения разности фаз отраженных сигналов на входах двух разнесенных антенных систем. При этом рассматриваются два варианта ИРСА: с "жесткой" базой, при которой расстояние между двумя антеннами не более 50...60м, и может быть реализовано на одном КА, и с "мягкой" базой.

В настоящее время применяется интерферометрический метод космического картографирования на основе данных, полученных с РСА "8ЕА5АТ", "БЖ-А/В", "ЕИЗ-Г' и "АЛМАЗ-1", т.е. используется обычный РСА на платформе, имеющей синхронную орбиту, что дает возможность производить съемку одной и той же области поверхности дважды с близко расположенных точек последовательно следующих орбит с некоторым временным интервалом. Это ИРСА с "мягкой" базой, требующая применения системы высокоточного определения параметров орбиты и допускающая расстояние между антеннами до нескольких

сотен метров и даже нескольких километров. Однако, фазовый шум, обусловленный изменениями структуры поверхности в интервале между съемками, значительно превосходит изменения фаз, характеризующих возвышения поверхности, поэтому восстановление рельефа по данным разнесенных по времени съемок с однопозиционного РСА возможно только на отдельных участках поверхности Земли. Кроме того, данная методика не годится для наблюдения быстро протекающих процессов, например, изменчивости структуры мезомас-штабных течений в океане. Поэтому часто оказывается невозможным применить "последовательную" интерферометрию с одного аппарата. В связи с этим актуальна проблема создания комплекса дистанционного радиозондирования на орбитальном космическом аппарате (КА), включающим ИРСА с антеннами, установленными на одном аппарате и ПРВ. При этом чрезвычайно важно проанализировать точностные характеристики ИРСА по оценке высоты элемента разрешения, а ПРВ, кроме решения ряда самостоятельных задач, о которых говорилось выше, в данном комплексе используются также для прецизионного измерения высоты КА над средним уровнем морской поверхности с флуктуационной погрешностью не более 10см. В случае, когда параметры орбиты КА известны, топографические данные о рельефе подстилающей поверхности, полученные с ПРВ в подспутниковой области используются для привязки возвышений рельефа, полученных ИРСА из трехмерных изображений поверхности на соседних ветках.

Состояние вопроса. Основное влияние на точностные характеристики комплекса по оценке характеристик рельефа подстилающей поверхности оказывают погрешности, связанные с оценкой разности фаз сигналов, приходящих на две антенны от каждого элемента разрешения и погрешности по оценке высоты орбиты КА. В тоже время в известной литературе отсутствуют обобщающие работы, посвященные:

- теоретическим исследованиям точностных характеристик ИРСА с "жесткой" базой, размеры которых таковы, что могут быть реализованы на практике;

- теоретическому и экспериментальному исследованию статистических характеристик отраженных импульсных СВЧ радиосигналов ПРВ с наносекундной разрешающей способностью, и методам их оптимальной обработки во временной или частотной области;

- вопросам выбора параметров и конструирования ИРСА с "жесткой" базой и наносе-кундных океанографических ПРВ.

Первые результаты, полученные с помощью ПРВ с наносекундной разрешающей способностью, установленных на ИСЗ "Skylab", "Geos-C", "Seasat", "Poseidon" подтвердили перспективность их использования для дистанционных океанографических измерений Но преобразование полученных радиоотражений в информацию по характеристикам исследуемой поверхности потребовало точных знаний об особенностях отраженных радиосигналов, а также о принципах реализации оптимальных алгоритмов и устройств обработки этих сигналов в ПРВ, обеспечивающих наносекундное временное разрешение. В России аналогов этим океанографическим ПРВ пока не имеется, а опыт создания и эксплуатации ИРСА с "жесткой" базой в мире пока вообще отсутствует. Поэтому актуальной проблемой является выбор параметров бортового комплекса, состоящего из ИРСА с "жесткой" базой и Г1РВ, для получения приемлемых точностных характеристик при проведении трехмерного глобального мониторинга поверхности Земли го космоса.

Цель диссертационной работы. На основе теоретического обобщения решена научная проблема выбора параметров комплекса, состоящего из ИРСА с "жесткой" базой и ПРВ, и обеспечивающего необходимые точностные характеристики для глобального трехмерного мониторинга поверхности Земли из космоса.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием методов математической статистики, теории статистических решений, статистической радио-

техник», современной теории РСЛ п радиовысотометрии. Экспериментальные исследования выполнены методами физического и математического моделирования, в том числе и в реальных эксплуатационных условиях.

Основные по.!южения. выносимые на защиту:

- в направлении создания ИРСА с "жесткой" базой:

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

2. Анализ зависимости точностных характеристик ИРСА от режима облучения, параметров радиосистемы и характеристик поверхности при широкой вариации исходных данных и выработка на этой основе рекомендаций по созданию перспективной системы ИРСА с "жесткой" базой.

3. Анализ зависимости точностных характеристик ИРСА от введения различных корректирующих функций в амплитудно-частотную характеристику тракта обработки эхо-сигнала.

4. Исследование возможности повышения точностных характеристик ИРСА за счет увеличения числа некогерентных накоплений (усреднений).

5. Методика обработки радиоголограмм с РСА "АЛМАЗ-1" для получения интерферо-грамм.

- в направлении создания океанографического ПРВ:

1. Уточненная модель отражения СВЧ радиосигналов с наносекундиой разрешающей способностью, учитывающая асимметрию и эксцесс закона распределения неровностей поверхности и анизотропию морской поверхности, проявляющуюся в асимметрии диаграммы обратного рассеяния (ДОР) моря, связанную с направлением действия ветра.

2. Анализ статистических характеристик отраженных радиосигналов ПРВ при широком варьировании исходных данных, связанных с выбором параметров ПРВ, режимом облучения и состоянием морской поверхности.

3. Синтез и анализ алгоритмов и устройств оптимальной обработки во временной и частотной области отраженных от морской поверхности радиосигналов.

4 Оценки потенциальной точности измерения высоты в зависимости от выбранных параметров ПРВ, режима облучения и состояния морской поверхности.

5. Повышение эффективности традиционных способов реализации квазиоптимальных дискриминаторов ПРВ в зависимости от отношения сигнал/шум (С/Ш), режима облучения и состояния морской поверхности.

6. Разработка новых алгоритмов и устройств квазиоптимальной, локальной обработки отраженных сигналов ПРВ, позволяющих осуществить одновременную оценку высоты КА над средним уровнем морской поверхности и высоты морских волн, защищенных авторским свидетельством и проверенных в летных экспериментах.

7. Разработка алгоритмов расчета точностных характеристик для различных типов дискриминаторов ПРВ.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

1. Получено выражение для взаимной пространственной корреляционной функции отраженных сигналов для ИРСА в аналитическом виде, справедливое для любых зондирующих сигналов.

2. Доказана возможность повышения точностных характеристик ИРСА с "жесткой" базой путем применения специально подобранных корректирующих функций к амплитудно-частотной характеристике тракта обработки сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ).

3. Разработана методика учета статистических характеристик неровностей рельефа в пределах элемента разрешения на точностные характеристики ИРСА, при этом введен гаус-совский закон распределения ординат неровностей поверхности.

4. Проведен анализ влияния на точностные характеристики ИРСА параметров системы, режима облучения и характеристик поверхности, а также обоснована методика выбора оптимальных параметров радиосистемы и режима облучения для ИРСА с "жесткой" базой.

5. Разработана и экспериментально проверена модель отражения импульсных сигналов с наносекундной разрешающей способностью от взволнованной морской поверхности при углах облучения близких к вертикальным применительно для задач прецизионной радиовы-сотометрии..

6. Получены основные статистические характеристики отраженных от морской поверхности СВЧ радиосигналов с наносекундной разрешающей способностью в режиме ПРВ, а именно: корреляционные функции быстрых и межпериодных флуктуации, усредненная мощностная огибающая при временном способе обработки с помощью согласованной фильтрации и усредненный спектр сигнала биений при частотном способе обработки с помощью корреляциоино-фильтровой схемы; сделана оценки интервала корреляции быстрых и межпериодных флуктуаций.

7. Проанализирована зависимость данных статистических характеристик от параметров ПРВ, режима облучения и состояния 'морской поверхности при широком диапазоне варьирования исходных данных.

8. Синтезированы оптимальный обнаружитель и оптимальный дискриминатор океанографического ПРВ, работающего с зондирующим радиосигналом, обладающим наносекунд-ным временным разрешением.

9. Дана оценка потенциальной точности измерения высоты, которая позволяет оценить предельно достижимую границу точности определения высоты КА над морской поверхностью в зависимости от параметров ПРВ, режима облучения и состояния морской поверхности.

10. Предложены новые алгоритмы и устройства квазиоптималыгой обработки отраженных от морской поверхности сигналов в ПРВ, по точности близкие к оптимальным.

11. Предложено ввести переменную частоту повторения зондирующих импульсов в ПРВ, перестраивая ее в зависимости от степени морского волнения, что позволит с одной стороны исключить корреляционную межпериодную связь отраженных сигналов в случае слабого волнения, а за счет увеличения частоты повторения в случае сильного волнения заметно уменьшить флуктуационную погрешность измерителя ПРВ.

Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты позволяют:

1. Расширить функциональные возможности и информативность комплекса бортовых средств дистанционного радиозондирования за счет получения трехмерных изображений местности в широкой полосе обзора и сохранении необходимой разрешающей способности.

2. Впервые обосновать возможность реализации интерферометрической РСА с «жесткой» базой с приемлемыми точностными характеристиками.

3. Провести выбор параметров и рассчитать основные характеристики перспективных ИРСА с "жесткой" базой и наносскундных океанографических ПРВ для глобального мониторинга поверхности Земли из космоса.

4. Проанализировать и сравнить по точностным показателям различные квазиоптимальные способы реализации устройств обработки в задачах прецизионной оценки высоты.

11ракIiT'iciк,1Я пеппосп, результатов подтверждается авюрскнм свидетельством. жспс-рименш.'н.нмми роуэмагамн самолетных испытании, проходившими в течении ряда лет на самолете IIJI-IN - летающей лаборатории Института Радиотехники и Электроники (ИРЭ) РА!!. а также ре(улыатами обработки -экспериментальных данных, полученных с РСД "АЛМАЗ-Г'.

Результаты, полученные в диссертационной работе, являются теоретической и реализационной основой для разработки радиотехнических систем и устройств, служащих для обработки сш палов, отраженных от поверхностно-распределенных объектов, применяемых в различных областях хозяйствования, в частности, например, в авиации.

Реалиjamijjia6oTu. Проведенные в диссертационной работе исследования отражены в межвузовских научно-исследовательских работах, выполненных в Московском энергетическом институте но программе "ФИЗМАТ1 с 1993 по 1996 гг. по техническим заданиям Московского фитико-технического института.

Основные результаты работы внедрены в разработки Особого конструкторского бюро Московски! о энергетического института. По результатам диссертационной работы сделаны и приняты предложения по разработке перспективного варианта ПРВ космического базирования. нрелпашаченною к установке на международную станцию "АЛЬФА". Результаты исследований использованы в учебном процессе в курсах "Локационные методы космической радиофизики". "Дистанционное радиозондирование в задачах исследования природных ресурсов Земли", "Системы локации и навигации" читаемых автором на Радиотехническом факультете Московского Энергетического Института (МЭИ), по результатам диссертации написано 4 учебных пособия.

Достоверность результатов основана на корректном применении статистических методов, использовании современной теории РСА и теории радиовысотометрии, на экспериментальных данных, полученных в самолетных испытаниях ПРВ и на экспериментальных данных, полученных с РСА "АЛМАЗ-1".

Апробация работы. Основные результаты были доложены и одобрены: на научно-технических семинарах в МЭИ. ГАСБУ, Институте океанологии им П.П. Ширшова РАН, Институте радиотехники и электроники РАН, Особом конструкторском бюро (ОКБ) МЭИ, на научно-технических конференциях Московского Энергетического Института (МЭИ, 1975, 1978. 1980, I9S1 1985, 1988. 1990, 1992гг.); на заседании подсекции "Радиофизические исследования земных покровов" научного совета по комплексной проблеме "Распространение радиоволн" (ИРЭ РАН. 1982г. ); на Межведомственных семинарах "Неконтактные методы измерения океанографических параметров" (Ленинградское отделение Государственного океанографического института, 1978г.; Москва, ВДНХ, 1983г.); на Всесоюзном семинаре 'Технические средства для государственной системе контроля природной среды" (АН СССР, г. Обнинск. 1981г.); на международном симпозиуме по использованию СВЧ радиоволн в дистанционном зондировании (Тулуза, Франция, 1984г.): на Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы радиоэлектроники" (Москва, МЭИ, 1988г.); на советско-американском симпозиуме "Исследования океана из космоса" (Москва, институт океанологии им. ГШ. Ширшова, АН СССР, июнь 1991г.); на IV Международной конференции "Распространение радиоволн" (Вологда, июнь 1994г.); на Международной конференции 100-летие начала использования радио (Москва, май, 1995г.); на Международном симпозиуме по космическим системам связи и дистанционному зондированию (Сиань, Китай, сентябрь, 1995г.); на научно-технической конференции "Современные научно-технические проблемы гражданской авиации" (28-29 мая 1996г. Москва, Московский государственный технический университет гражданской авиации); на XVIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн (17-19 сентября 1996г., С. Петербург, Российская академия наук, Научный совет по комплексной проблеме "Распространение радиоволн"); на Международной конфе-

ренции "Проблемы фундаментальной физики" (7-12 октября 1996г., Саратов, Саратовский государственный университет).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 42 печатных работы в том числе 4 учебных пособия и одно авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы и четырех приложений; диссертация содержит 250 страниц текста, 226 рисунков, 14 таблиц, списка литературы на 12 страницах и 156 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель и задачи диссертации. Проведен анализ состояния исследований, связанных с обработкой результатов дистанционного зондирования Земли из космоса, приведены основные положения, выносимые на защиту. Изложены полученные новые научные результаты и практическая ценность, дана структура диссертации и кратко показано ее содержание по разделам, указана форма апробации и внедрения результатов работы.

В первой главе под названием "Модель подстилающей поверхности и основные статистические характеристики отраженных от нее радиосигналов" на основании выбранной феноменологической модели поверхности из набора назависимых элементарных отражателей построена модель отражения СВЧ радиосигналов с высокой разрешающей способностью, отличающаяся тем, что в ней статистика поверхностных неровностей учитывается не только через удельную эффективную площадь рассеяния (ЭПР), ffn(6), но вводится и нормальный закон fo(z) распределения ординат z отдельных отражателей поверхности, хорошо удовлетворяющий в общем случае большинству встречающихся типов поверхностей.

Для режима работы ИРСА приведены количественные соотношения удельной ЭПР а0(в) в широком диапазоне углов визирования для разных видов поверхностей (пашня, пустыня с барханами, трава, кустарник и морская поверхность), необходимые для дальнейших расчетов. При этом учитывалась и флуктуационкая составляющая удельной ЭПР, поскольку в большинстве случаев она имеет значительную величину.

Используя преобразование 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 поверхностен на КФ [40].

Рассмотрим интерферомстрнческую систему (см. рис. 1) с базой В, наклоненной на угол (к/2-а) относительно локальной нормали, и с углом визирования в. Будем считать, что xi = х2 ~ хп- Для удобства обозначим

Ri(x0,yo,zcJ=Rln: Ri(x,y,z) = R/; R',(x'. у', z') - R',;

Ыхо. yo, z0) = R2„; R2(x, y, z) = R2; R '2(x', уz') = R '2;

(Rio + Rm)/2 = Ro-

Па рис. 1 координаты системы ИРСА Ai и Aj соответствуют положениям антенн (xi.yi.zj и (x2,y2,z2), а r(xfhy„.zn) - координаты центра выбранного элемента разрешения ИРСА, P(x.y.z), P'(x',y',z% координаты элементарных отражателей внутри выбранного элемента разрешения. Считаем также, что антенна радиовысотомера располагается в точке А/ и ориентирована в надир.

Пусть антенна-1 мспользуегся передатчиком и приемником, а антенна-2 только прием-пиком, тогда фазы отраженных сигналов из Р и Р'опредсляются соответственно

= ^(Л, +/?,) = 2/сЯ,; ф2 = +Л2) = *(Я, + Я2);

с/;

где Я - длина ноты, < ¿л/А - волновое число.

Ис[юльзуя феноменологическую модель из набора большого количества независимых отражателей внутри элемента разрешения РСЛ принимаем

{«х,у.:)с(х,у',г')) = о0(х,у,г,9)6(х-х')8(у-у')8(г-2'), (2) где { } - осреднение но ансамблю случайных отражений; с() - комплексная функция рассеяния; <То(х,у./,(?) - удельная ЭПР; 80 - дельта-функция.

Л|(\|.\1.2п

Функции рассеяния поверхности с(х,у,2) и с(х'.у'.г') являются идентичными. Предположение о дельта-коррслированности отражений не противоречит теории отражения, которая применяется к поверхностям, чья среднеквадратичная высота неровностей намного больше, чем длина волны.

Интсрферограмма РСА формируется умножением одного изображения РСА на комплексно сопряженное второе изображение. Модель системы ИРСА, использующей два комплексных изображения РСЛ показана на рис. 2. 11а рис. 2 ехр() представляет сдвиг фазы, который появляется из-за распространения радиоволн. Ч!: - импульсная характеристика радиолокационной системы, л -гепловон шум. <.- - комплексный выходной сигнал радиолокационной системы. Вг - задержка для компенсации ища пикания сигнала на базе (см. Рис. 4), ; - нптерфсро|рамма. схр/^/кя,)

Рис. I I еомс!рпчссм1с а-чиинмемия ддя кюменга ра (решения

X) ¿^2

Рис. 2 Функциональная схема ИРСА

Следовательно, в каждом приемнике интерферометра, мы имеем когерентные сигналы ¿1 и ¿2, определяемые следующими выражениями

¿1 (XI .у I > 2,) = А | ф,у,г) ехр(-2ДЯ,) х

х 4{х -х0Л, - Л10 )<1{х - х„ Щу - у0 Щг - г0) + и,;

(3)

(4)

кя(х'-х0,Кг ~Я20 Щх'-х0Щу'-у0Щг'-г0) + пг; где А - коэффициент, который зависит от параметров РСА и режима облучения.

Если когерентный отраженный сигнал РСА имеет гауссовскую статистику, что обычно наблюдается в экспериментах, полная статистика интерферометрического отражения может быть получена вычислением комплексной корреляционной функции для и • этом предполагается, чго шумовые компоненты п/ и л; некоррелированы.

Па основе выбранной феноменологической модели отражения получено выражение взаимной пространственной корреляционной функции (КФ) отраженных сигналов [40], принятых на две разнесенные антенны:

1 = /1:|о-„ехр[-Д'(Л, - Л2 )}/(* -х„,Я, - а,, )д(х - х0, Л, -П10)с11' = где с1У=11(х-хо)<1(у-У1})<1(2-2„) -<И, (¡е ¿х. = х - двд £ = у - уп, X ~1-

г\ ~ Я - Я«, С = (у - уо)со50 + (г - гп)^>пв, Ф = 2кВр - разность фаз отраженных сигналов на две антенны, Вр = Ня1п(а - в), V/, = —; = ~ д/г)) - импульсная характеристика РСА

К,

по азимуту, по наклонной дальности, 4(11,41=4 Чп(П) -

где !<,, Яц - разрешающая способность по азимуту и наклонной дальности

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

схр

где (п(х) - плотность распределения вероятностей ординат отражателей поверхности внутри элемента разрешения.

-у*

В.Ц

¿Т),

м.

:|/о(Ж)ехр

-]к

Я$тв

т

(9)

При интегрировании (7) и (8), когда и д^Ч) являются функцией типа хтХ/Х или более сложной функцией, трудно получить аналитическое выражение в общем виде. Используя преобразование Фурье получим выражение в частотной области:

( 1

где

к В.,

х К&т(в)

- геометрическая пространственная частота по 7 [1/м],

- геометрическая пространственная частота под; [1/м]

(11)

(12)

(13)

(14)

[(О) - Мц(£}п) / Ип - функция "база-декорреляция",

Мх ) = - характеристическая функция от закона распределе-

ния ординат неровностей поверхности по геометрической пространственной частоте Ц^. В„ = ВаЫа~в): (см. Рис. 4).

Показано, что важными составляющими в КФ являются функция/(С2п), определяющая ухудшение коррслнроваппости сигналов из-за разноса двух антенн - эффект "база-декорреляцня'". м характеристическая функция М,(Ох), представляющая ухудшение коррели-рованпост отраженных сигналов на две антенны из-за неровностей поверхности в пределах элемента разрешения.

Для режима работы Г1Р8 требуется более тщательный анализ характеристик поверхности. Поскольку 11РВ использует зондирующие радиосигналы с наносекундной разрешающей способностью и реализует прецизионную точность измерения высоты при работе над морской поверхностью, для высотомерного режима вводится уточненный закон^(г) распределения ординат ; отдельных отражателей поверхности, хорошо удовлетворяющий океанографическим данным [41].

1

•ехр

а.

(15)

где Н3(х) = х' - Зх: И,(М = х4 - бх~ + - полиномы Эрмита 3-й и 4-й степени; Л(1',), К,(У„) -коэффициенты асимметрии и эксцесса соответственно, зависящие от скорости ветра У,\ а: -среднеквадратичная ордмгата морских волгг.

/

В первом приближении наклоны морской поверхности Ад и к\ равные Л, =— и

Эх

, ' дк

Л, = —, подчиняются статистики нормального закона распределения, однако, более точные ду

исследования показали, что распределение наклонов поверхности еще сильнее отличается от нормального закона, чем распределение ординат морских волн. Подветренный склон волн проявляет тенденцию к большей крутизне, чем наветренный. В связи с этим автором предложено использовать уточненное выражение для удельной ЭГ1Р морской поверхности, которое фактически определяет ее ДОР [37]

где ЛДф.К,) и /Г,„(Ф,К.) - коэффициенты асимметрии и эксцесса соответственно; Ф-угод, отсчитываемый от оси X, совпадающей с направлением действия ветра; 8 - угол отсчтывается от надира; «„, коэффициент шероховатости поверхности; ко - коэффициент Френеля.

Учет асимметрии морского волнения показывает, что в случае сильного ветра максимальное отклонение ДОР от вертикального направления в сторону ветра составляет единицы градусов. При этом коэффициент асимметрии определяется выражением Л,/Ф, I',) = Лл(0,I'.JcosO. В главе построена таблица, позволяющая количественно связать балльность волнения, скорость ветра, высоту морских волн и коэффициент шероховатости поверхности, что необходимо для дальнейших расчетов.

При вычислении статистических характеристик отраженных сигналов усреднение осуществлялось по ансамблю отдельных случайных отражателей с использованием введенного в модель уточненного закона распределения fofz). При этом отраженный нестационарный

сигнал - суперпозиция сигналов по облучаемой поверхности _>'£(0= ^>'.v('), подвержен-

л

ный быстрым и медленным флуктуациям. Быстрые флуктуации в ух(0 возникают при пересечении отдельных неровностей морской поверхности распространяющимся СВЧ радиоимпульсам и характеризуются корреляционной функцией/?(/,, t2) = v£(i, (f2). Медленные флуктуации характеризуются взаимной межпериодной K<t>

R„(t,t + кТп) = (/,.)>'£; U+kT„) и возникают за счет движения КА с ПРВ относительно поверхности. Знание корреляционных функций необходимо для нахождения алгоритмов оптимальной обработки отраженного радиосигнала и расчета точностных характеристик ПРВ

Основную информацию о измеряемых параметров несет усредненная форма отраженных от морской поверхности сигналов ПРВ. При этом сигналы сложной формы, в частности с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) обладают несомненным преимуществом перед простыми наносекундными СВЧ радиоимпульсами, поскольку при той же разрешающей способности обеспечивают выигрыш в отношении С/Ш в коэффициент сжатия раз [6], [19].

(16)

[1],[2],[6]. [9]. [10], [16]

Анализируется либо форма усредненной мошностной огибающей Р(!). получаемая при временной способе обработки отраженного сигнала с использованием в ПРМ тракте согласованной фильтрации [2].[3],[7],[33],[36] либо форма усредненного спектра сигнала биений получаемая при частотном способе обработки отраженного сигнала с использованием корреляционно-фильтровой схемы оптимальной обработки сигнала в ПРМ тракте ПРВ [17],[18],[33].[36]. Полученные общие выражения для Р(!) и 5\ф позволяют сделать вывод, что вид и форма усредненного спектра сигнала биений совпадает с усредненной мошностной огибающей при аналогичных исходных данных [36].

В этой же главе проводится анализ статистических характеристик отраженных от морской поверхности радиосигналов ПРВ при широком диапазоне изменения исходных данных, при этом исследовались указанные статистические характеристики при различных параметрах ПРВ, режимах облучения и состояниях морской поверхности.

Для корреляционной функции (КФ) быстрых флуктуации эхо-сигналов ПРВ получено [1],[2], [6], [10]

Л(г, + r„;f, + г,,) = Re<¡~гсхр -5,55^- |ехр[/й70(г, -/,)]Jexp|

0

, í i ив..

x/„

в-H

Г1

г,---п |с/п

' СИ " '

rdr

(17)

где и(!)- закон модуляции зондирующего сигнала или, если рассматривается на вы-

ходе согласованного фильтра (СФ) приемника, вместо (/(I) подставляется рс0) - авто-

корреляционная функция зондирующего сигнала; ц — -2z/c, Та ~ 2Н/с: í\ — ■

гРЛЪМ

= —-—"—--г; Р„ - мощность Г1РД; г - радиус облучаемой на поверхности области,

в„" + 5,55(7,,,"

M'J функция Бесселя.

В диссертации были исследованы различные сечения функции + r/)¡ по осям /и г при широком варьировании исходных данных и показано, что для зондирующих импульсов с разрешающей способностью удовлетворяющей условию СГ: > cf2üfc выражение для КФ существенно упрощается [4], [14], [21], [29J.

R(l + Re{P„p(x) P„(l)e,D1T), (IS)

где Р„ - максимальная отраженная мощность; р(т) - быстро меняющаяся функция, протяженность которой по временной оси определяется интервалом корреляции быстрых функций Лц - отраженного сигнала; Pud) - нормированная мощностная огибающая отраженного сигнала.

Полученное выражение оказывается чрезвычайно полезным для синтеза оптимальных устройств обработки отраженных от морской поверхности радиосигналов.

Интервал корреляции быстрых функций отраженного сигнала определяется в работе на основании соотношения:

#N) (19)

Из проведенного анализа следует [5], [35], что А ц стремится к постоянному значению определяемому (А/с)'. Зависимость Аг, от времени I и <т; проявляется только при формирова-

нии начального участка фронта отраженного сигнала. Расчеты при различных исходных данных показали, что этот эффект проявляется тем точнее, чем шире спектр зондирующего сигнала и чем больше степень морского волнения. Поскольку Атк определяет интервал когерентного накопления в приемнике ПРВ, то данные результаты подтвердили необходимость использования тракта оптимального приема, согласованного с зондирующим сигналом. Это СФ при обработке во временной области или корреляционно-фильтровая схема при обработке в частотной области.

Анализ межпериодной корреляционной функции /?„((, I + 7у для широкой вариации исходных данных показал се зависимость от балльности моря, размеров облучаемой области, скорости полета КА, длины волны Л. и момента отсчета I [9], [35]

2к2р,с ( 1п Л/;г2

R„0,t+r„):

^-ПвжА/'аЦс2}/1 'eXP{l + l6)tAfc202J,

<jexp

2KAf-f

b—

4/cAf't

\ + \6x2Af2a2Jc2 ^ 1 +1 6jt Af2o] je

Je

*яУхлТя с

(20)

Y2 \dy

где.!(•) - функция Бесселя первого рода; в, = 0\ у~ г2/СН; Г„ - период повторения.

Исследована также зависимость корреляционного интервала межпериодных флуктуа-ций ЛТ\„Р„ от указанных параметров.

Оценки ЛТК„Р „ позволяют правильно выбрать частоту повторения F„ зондирующих сигналов и время сглаживания в следящей измерительной системе ПРВ. Существенная зависимость АТюр.„оТбалльности моря позволяет предложить переменную частоту зондирования F„, причем показано, что с ростом ст. следует F„ повышать, что позволит уменьшить флук-туационнуто погрешность следящего измерителя ПРВ с ростом степени морского волнения. Показано также, что расширение спектра зондируют его сигнала вызывает роет Л7,ор „ на слабом волнении, что объясняется заметным уменьшением размеров облучаемой на поверхности области.

Основной режим работы ПРВ - режим с ограничением облучаемой на поверхности области разрешающей способностью зондирующего сигнала (РРС). который в отличии от режима с ограничением по ДНА не предъявляет повышенных требовании к точности вертикальной ориентации оси ДНА (0J и позволяет работать с меньшими размерами антенны.

В диссертации показано П],[3],[7],[8],[12],[ 15], что в этом режиме (РРС) особенностью усредненной формы отраженного сигнала является зависимость крутизны и протяженности фронта от состояния поверхности как во временной, так и в частотной области. Под усредненной формой сигнала во временной области, понимается усредненная мощностиая огибающая P(t) после согласованного фильтра и квадратичного детектора [1], [3], [29], [32]

иг..г

+ ïïPtCD

exp

-5,55—+—^--

el 4

-bt

0,5-Ф| —-

(21)

2НЪАГс

где Р() - нормированная усредненная огибающая эхо-сигнала,

1 х

6 = ф,554(1-5,55в]/вЩ1нв2йа2ш ; =

"(яЦ ~ д/(А/г) +8КоЦс1 - параметр, характеризующий влияние высоты морских волн на форму отражённого сигнала. Под усредненной формой сигнала в частотной области

понимается усредненный спектр сигнала биений на выходе смесителя в корреляционно-фильтровой схеме обработки 5,(0 [17], [18], [26], [29], [32], [33], [36].

~2H3bfeTn

Ol

о; ь2ц2

h± к

где D = 4/Jr„ - коэффициент сжатия J14M сигнала, к —

0,5-Ф

bß

£ кц)

(22)

крутизна изменения частоты в

сигнале. Выражение (22) получено из преобразования Фурье корреляционной функции сигнала биений на выходе смесителя корреляционно-фильтровой схемы.

Из результатов анализа следует важный вывод, что для ЛЧМ зондирующих сигналов влияние состояния поверхности, режима облучения и параметров ПРВ на усредненную форму отраженного сигнала во временной и частотной областях проявляются одинаково при одних и тех же исходных данных. Это объясняется наличием линейной частотно-временной

L-^L

связи j " " j. ■,|т0 позволяет рассчитывать зависимость формы эхо-сигналов от указанных

факторов, например, только при временной обработке, а затем легко перевести полученные результаты в частотную область.

В работе показано [21].[29], что по положению и форме переднего фронта усредненной огибающей отраженною сигнала можно оценивать высоту - расстояние до среднего уровня морской поверхности (Н) и высоту морских волн (ot), а по мощности эхо-сигнала коэффициент шероховатости поверхности (а,„) и скорость поверхностного ветра (VJ. Для достижения высокой точности измерения высоты и чувствительности к слабому волнению требуются зондирующие сигналы с наносекундной разрешающей способностью. Проведенный анализ показал, что оптимальный выбор А{, соответствует примерно 300 Мгц. В работе проанализировано поведение усредненной формы отраженного сигнала от высоты орбиты КЛ, ширины ДНА (в0), угла отклонения оси ДНА от вертикали (О,), состояния взволнованности поверхности и ширимы спектра зондирующего сигнала. Анализ показал, что для заданной H параметры ПРВ следует выбирать таким образом, чтобы для любой балльности выполнялось неравенство h[i < 0.1. нарушение его приводит к сильному искажению фронта отраженного сигнала и ухудшению чувствительности сигнала к высоте морских волн.

В режиме РРС передние фронты нормированных усредненных отраженных сигналов

пересекаются в одной области вне зависимости от высоты волн, рис. 1.

Протяженность этой области по I и сдвиг относительно момента тц=2Н/С не превышает I...2 не, если выполняется условие Ьц<0,/, т.е. отслеживая положение этой области на фронте усредненной мошностной огибающей отраженного импульса (или на фронте усредненного спектра сигнала биений в частотной области) можно с высокой точностью оценивать высоту КА.

Проведено сравнение усредненной формы отраженного сигнала для обычной и уточненной модели и показано, что различие в положении фронта отраженного сигнала может составлять

¿..ДОЗ-; aU-0.<* (IX)

H=S0"KM 0(1=1.7-

м,-im мгц

Рис. 3 Усредненная форма мошностной огибающей офаженного сигнала

величину I... 1,5 не. Это подтверждает вывод о том, что возникающее смещение фронта усредненной огибающей при отклонении закона распределения ординат морских волн от нормального приводит к систематическим погрешностям измерения высоты. Показано также, что по форме среза усредненной огибающей отраженного сигнала можно было бы оценивать коэффициент шероховатости поверхности, характеризующий ширину ДОР, связанную со скоростью ветра V,. Однако, проведенные энергетические расчеты радиоканала показали, что для орбит КА. от 350 до 1200 км ширина луча ДНА не должна превышать нескольких градусов. При этом ДОР оказывается существенно шире ДНА и эффект чувствительности к скорости поверхностного ветра исчезает, зато появляется возможность по форме среза контролировать ориентацию оси ДНА, поскольку чувствительность среза усредненной формы Р(!) или к небольшим отклонениям оси ДНА от надира чрезвычайно высока. Проведенные расчеты показали, что искажения формы отраженного сигнала и .резкое падение отношения С/Ш с ростом 0, накладывают требования на точность вертикальной ориентации оси ДНА 9, < 0.2500. Анализ поведения усредненной формы среза отраженного сигнала для уточненной модели с учетом анизотропии морской поверхности показал, что чем больше отклонение оси ДНА от вертикали и чем больше скорость ветра V,, тем сильнее разница между обычной и уточненной моделью поверхности, проявляющаяся в большей скорости спада среза эхо-сигнала для уточненной модели. Причем оказалось [37], что скорость спада среза эхо-сигнала зависит от направления ориентации оси ДНА и направления действия ветра. Контроль ориентации оси ДНА ПРВ можно проводить на слабом волнении (2-3) балла - наиболее вероятное волнение в открытом океане , когда асимметрия морских волн невелика и не оказывает существенного влияния на эхо-сигнал.

Во второй главе под названием "Анализ факторов, влияющие на точностные характеристики ИРСА" проведен анализ параметров, влияющих на точностные характеристики ИРСА, таких как разность фаз отраженных сигналов на две антенны, высота орбиты, расстояние до центра элемента разрешения, наклон базы относительно горизонта и размер базы. Даны рекомендации по выбору параметров для уменьшения систематических погрешностей.

На рис. 4 показано, что оценка высоты элемента разрешения определяется ординатой г, высотой космического носителя Я, расстоянием отражающего элемента на поверхности до

антенны А/ - Я/, до антенны А»- /?;, углом визирования в, наклоном базы относительно горизонта а. Радиосигналы, излучаемые первой антенной и полученные в двух приемниках после отражения от поверхности и соответствующей обработки формируют интерферо-грамму. Из рис. 4 следует выражение для высоты элемента разрешения над отсчетным уровнем, г- //-Й,сол0 (23)

Ф = у(Л,-/?2)=*Д,^

где Л = И/ - И] - разность хода лучей.

Из геометрических соотношений связь между параметрами отклонения базы а, углом визирования в, разности хода лучей А К и Я определяется

_ Вг-В*1п(а-в)

-Всо$1 а-0)

Рнс. 4 Система визирования ИРСА

sill(« - 0) :

R; + B: -R; R;+B--{!?,-A):

2/9/?.

2/5/?,

IIciioji!. ivя выражение (23). (24), (25). получено

г = // - Л,

cosa

, Í Ф] ЛГ+fl-- Л, --

2ЯЛ,

+ sma

+ В2 - Я, -

2BR.

(2S)

Из (2(>) ясно, что обшую погрешность измерения высоты элемента разрешения, е предположением о некоррелированных параметрах, можно записать в виде

а: = огл + а:„ + а:„ + сг^ + ст:я ; (27)

г1, сг;' '

где

а;„,, оч, - дисперсия оценки высоты элемента разрешения из-за

погрешности опенки разности фаз, юстировки угла наклона базы, измерения высоты орбиты КА, оценки расстояния ло элемента разрешения, неточного знания размера базы. Используя (23). (24), (25) получено

XHtgO

2лВ„

а.

(Т.„ =cos0cr„

а

= Л, sin ¡

,=Htg9an о. Ítg{a-Q)

о-,,

(28)

В

R, cos(a-0)

Важно отмстить, при определении высоты элемента разрешения, систематические составляющие указанных погрешностей могут компенсироваться. Если этого не делать, то рельеф интересующей нас поверхности оценивается относительной величиной. В данной диссертационной работе далее проводится анализ погрешности <т-ф, связанной с оценкой разности фаз Ф и высотой КА СГ-// поскольку остальные составляющие, входящие в общую погрешность (см (27)), зависят от методики проведения эксперимента.

Чтобы получить интсрферометрическое фазовое измерение, использован метод

"оценки максимального правдоподобия" (ОМП), и проведено накопление д2 в комплексной области. При этом подходе, получают комплексную интерферометрическую информацию о фа 1С и данная обработка дает большее отношение С/Ш. В [38]-[40] показано, что для однородной поверхности. ОМП интерферометрической фазы распределенных отражателей дает

Ф = arctg

Ч

Re £¿,„

(29)

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

Используя корреляционную функцию, получим общее выражение коэффициента корреляции у, который определяет СКО оценки разности фаз Оф и, следовательно, СКО оценки высоты элемента разрешения а:ф.

7 =

/ККЮ

1 +

(30)

с! ш

В [38] - [40] показано, что возникающий в результате фазовый шум, <Уф при данном коэффициенте корреляции у, может быть записан как

01)

) г

Известно, что для получения уровня первых боковых лепестков порядка -30..-40 дБ при минимальном расширении главного лепестка необходимо использовать корректирующие функции Хэмминга или Гаусса. В работе рассмотрены разные типы корректирующих функций Хэмминга, Гаусса и др. и показано, что применение корректирующих функций дает выигрыш при малой величине £2п (например, за счет размера базы), (рис.5).

-1<>1»0М

'0,25

1 0.8

0.6 «О,) 0.4

0.2

0

1 09 0.8

0.7

НЮ,) 0.6

05

04

0 3,

0.5 0.75

о чь т

Рис. 5 Сравнение функций.ДП,,)

04 0.6 О,

Рис. 6 Зависимость функции М,(С2,) от Пх

На рис.6 показано, что величина функции МХ({2Х) падает с увеличением среднеквадратичных ординат неровностей поверхности ах и Ох. Этот эффект при малой величине ах и Ох незначителен, а проявляется тем сильнее, чем больше ах и Пх.

С-Ш = со

0 0 2 0.4 "0.6 0.8 1

Рис. 7 Зависимость о® для ЛЧМ сигнала без коррекции от С/Ш=10.. ,20дБ, вг= 0.75м. N = 25, С/Ш = 12 дБ

Рис. 8 Зависимость для ЛЧМ сигнала без коррекции от Оф=0..,1,5м, при N=25, С/Ш=12дБ

На рис 7 и X нскшано, что СКО оценки разности фаз уменьшается с увеличением С/111, особенно мри малой величине Л,, а неровность поверхности незначительно влияет на СКО оценки разности фаз при "жесткой" базе.

Рис. 9 показывает, что применение корректирующих функций приводит к уменьшению СКО оценки разности фаз при малой величине А,, т.е. для системы с "жесткой" базой СКО оценки разности фаз можно уменьшить использованием корректирующих функций. Однако, при малой величине эффективность действия корректирующих функций примерно одинакова вне зависимости от типа корректирующей функции.

Третья глава названа "Синтез применимых для ПРВ оптимальных устройств обработки радиосигналов с нано-секундной разрешающей способностью, отраженных от морской поверхности".

Поверхность океана представляет

0.4 0.6

Пп/(21ЛМ

Рис. 9. Записн\юаь о«, для ЛЧМ сигнала при а,= 0.75м. N = 25, С/Ш = 12 дБ собой поверхностно-распределенную цель и формирует отраженный сигнал в виде реализа ций случайной функции, корреляционные свойства которой сложным образом зависят от вида зондирующего сигнала, состояния поверхности, параметров и ориентации антенны. Считая принятый сигнал г,(0=у/(11+п10 нормальным случайным процессом и используя (18), было получено выражение для логарифма функционала отношения правдоподобия, определяющее алгоритм работы оптимального обнаружения ПРВ [4]. [21 ], [29], [30]

/■I

4лЛ'„

|я(/ол/ - г„)|

малмшш фидыра. '/(') ~

</(' - г,,)РМ I + </('-!•„ )р{(0)

¡',Л о

/«'(', 1-1

({(О > !.,.

(32)

квадрат модуля частотной характеристики оити-

- текущее отношение С'Ш: р((и)'Л/ч - преобразование

Д^Д/7,

Фурье о г р( г); Л1\ I Лгк: ,\'„- спектральная плотность шума: ¿о - порог.

Выражение (32) более обшее, чем известное, и сводится к известному, если в отраженном сигнале исключается характерная для сигналов с высокой разрешающей способностью зависимость отношения С/Ш от времени.

Рассчитаны характеристики обнаружения отраженных сигналов для оптимального обнаружения и показано, что для квазиоптимального обнаружения настроенного на постоянное отношение С/Ш проигрыш в пороговой энергии не превышает 1,5-2 дБ [4].

Далее в этой главе получено выражение для логарифма функционала правдоподобия отраженного сигнала [29].

т „г ^

где Со = const, Пф( ) - определяет характеристику оптимального параметрического фильтра приемника отраженного сигнала.

С использованием (33) решена задача синтеза оптимального дискриминатора (ОД) океанографического ПРВ.

Сигнал на выходе ОД [21], [29]

Z„(f,A) = -

[1 + д*Ря(/-т0)]2

/гс(тУи»'Аф(г-тУт

(34)

где Д — ^оист ~ то ' рассогласование между истинным значением задержки отраженного сигнала и ее оценочным значением Т0; кф(1) - импульсная реакция фильтра, согласованного с зондирующим сигналом; = - отношение С/Ш. Выражение (34) сводится к

известным для двух частных случаев: I) зондирующий сигнал - 5-функция; 2) сц « 1. Форма стробов ОД Ес(1), как следует из (34), определяется q^ и усредненной формой отраженного сигнала, зависящей от параметров ПРВ, режима облучения и состояния поверхности. Считаем, что эти характеристики при синтезе известны, поэтому систематические погрешности ОД отсутствуют.

При импульсном периодическом сигнале, кроме усреднения по ансамблю входных флуктуации, необходимо проводить дополнительное усреднение во времени (за период модуляции Т„). Тогда дискриминационную характеристику ОД определим как

(йЛЩ т

с 1 п —>

На рис. 10 показаны дискриминационные характеристики (ДХ), рассчитанные для двух случаев морского волнения; видно, что крутизна ДХ зависит от

Рис. 10. Дискриминационная характеристика оптимального дискриминатора

На рис. I 1 изображена последовательность операций, которые необходимо выполнить оптимальному дискриминатору Г1РВ.

Для расчета флуктуационных пофешностей ОД определена эквивалентная спектральная плотность флуктуации на выходе ОД [13],[14],[21],[33]

гоу"

кй

Рис. 11 Структура оптимального дискриминатора

I Ег(/ - та)Ес(1 + 5- г0){р„(г - тп)р(*)+2рЫ/<7» \dsdt

(36)

Расчеты по (36) показали, что 5,у,(&) состоит из трех слагаемых: первое обусловлено флуктуацнямн отраженного сигнала (биения сигнал-сигнал), второе - биение сигнал-шум, третье - биениями шум-шум.

агф, а„ < а^.

Расчеты потенциальной точности единичного измерения времени запаздывания отраженного сигнала

= у5ЭАВ(0)/7'„ показали: 1) с ростом С/Ш (Тф стремится к некоторому пределу из-за наличия собственных флуктуации отраженного сигнала, рис. 12; 2) при использовании простых наносекундных СВЧ радиоимпульсов при постоянных пиковой мощности ПРД и чувствительности ПРМ существует оптимальная длительность импульса Т„, при которой а^,, минимальна, это объясняется резким падением отношения сигнал шум при малых Т„; 3) потенциальная точность оценки высоты заметно падает с ростом степени взволнованности морской поверхности, что связано с нарастающей деформацией фронта усредненного отраженного сигнала с ростом балльности; 4) увеличение ширины спектра зондирующего сигнала с ЛЧМ позволяет снизить погрешности оценки высоты, но увеличение Л/с

г

А Оа.ини (<7,- I м >

-4-

1 3 5 7. 9 II 13 I? 17 19 21 цк

Рис. 12. Зависимость флуктуации единичного измерения высоты и времени запаздывания отраженного сигнала от соотношения С/Ш

более 300...350 МГц не дает заметного увеличения точности измерения, зато резко усложняет аппаратуру формирования и обработки сигнала в ПРВ. Сделанные оценки потенциальной точности ПРВ позволяют определить те предельные значения точностных характеристик, при выбранных параметрах системы, режимах облучения и заданных условиях на поверхности моря, к которым необходимо стремиться при разработке конкретной аппаратуры ПРВ.

Структура оптимального дискриминатора ПРВ с корреляционно-фильтровой обработкой ЛЧМ сигналав частотной области показана на рис.13 [16] - [18], [29], [36].

Рнс. 13 Структура оптимального дискриминатора

Сигнал биений с выхода смесителя поступает в многоканальную систему обработки, каждый

канал которой содержит полосовой фильтр Ф/.....Ф„, амплитудный (квадратичный) детектор

/да,......Кй„ и весовой усилитель с коэффициентом усиления К/.....К к. Полоса каждого из

фильтров и их взаимная расстройка определяется величиной обратной длительности зондирующего импульса (г„). Весовые коэффициенты выбираются в соответствии с оптимальной структурой весовой функции (см.(34)), пересчитанной в частотную область с помощью ко-

/_ АС

эффициента частотно-временной связи . Сигнал, равный усредненной за интервал

модуляции Г„ в фильтре низких частот сумме сигналов всех т каналов, является пропорциональным оценке рассогласования (А) между истинной и измеренной задержками отраженного сигнала.

Потенциальная точность измерения текущей высоты ИСЗ над средним уровнем моря при прочих равных условиях будет одинаковой при частотном и временном способах обработки сигналов, разница определяется только возможностями технической реализации обработки [36]. В частности, обработка в частотной области оказывается проще, чем во временной, если из соображений энергетики (большого отношения сигнал/шум) выбираются ЛЧМ сигналы с большим коэффициентом сжатия. В работе проведена оценка требований на стабильность параметров модуляции для ЛЧМ сигналов с большой базой, применяемых в ПРВ [24], [29], [30], [32].

В четвертой главе под заголовком "Разработка практически реализуемых дискриминаторов ПРВ и оценка флуктуационных погрешностей измерения высоты" показано, что практическая реализация оптимального алгоритма обработки отраженного сигнала чрезвычайно затруднительна из-за того, что необходимо восстанавливать усредненную форму отраженного сигнала при априорно неизвестной степени волнения моря. Для решения задачи создания следящего измерителя автором разработаны различные дискриминаторы следящей системы ПРВ. Собственно экстрополятор по мнению автора не требует специального рассмотрения и выполняется по известным принципам реализации для следящей системы с астатизмом второго порядка, что дает возможность исключить динамические погрешности измерения высоты, связанные с наличием вертикальной составляющей скорости ИСЗ на орбите. Система-

тическис погрешности, связанные с наличием вертикального ускорения устраняются на этапе наземном обработки с использованием уточненных траекторных данных.

В данной главе рассмотрены дискриминатор по засечке переднего фронта эхо-сигнала, интегральный квазиотимальный дискриминатор с широкими асимметричными стробами, локальный дискриминатор, построенный на коротких выборках из фронта отраженного сигнала.

Структура и алгоритмы работы дискриминаторов рассматриваются во временной области, в то же время не трудно, как показано выше, получить структуру и алгоритмы их работы в частотной области пользуясь коэффициентом частотно-временной связи.

Первые два типа дискриминаторов выполнении на традиционных принципах и задача их рассмотрения заключалась в существенном повышении эффективности алгоритмов их реализации, используя полученные результаты по исследованию статистических характеристик эхо-сигналов ПРВ.

Локальный дискриминатор на выборках разработан с целью реализации одновременной оценки высоты (Н) и высоты морских волн (аг) в облучаемой области. Данный дискриминатор затишен авторским свидетельством [23].

Самый простой и потому наиболее распространенный способ измерения высоты основан на временной фиксации положения фронта отраженного сигнала. В результирующую погрешность измерения войдут погрешности, вносимые собственно шероховатостью морской поверхности, вызывающие деформацию фронта эхо-сигнала. В работе определены среднее значение и дисперсия момента пересечения фронтом отраженного сигнала измерительного порога

Из анализа полученных результатов можно сделать следующие выводы: 1) при малых значениях порога флуктуации момента его превышения увеличиваются за счет шумов, при больших - за счет флуктуаций формы отраженного сигнала; 2) существует оптимальное значение порога, при котором среднее значение положения фронта не зависит от степени морского волнения, а дисперсия отклонения положения фронта от среднего значения минимальна; 3) при отклонении оси ДНА от вертикали как среднее значение , так и дисперсия флуктуации положения переднего фронта резко возрастают, откуда следует что использование значений нормированного порога 7. т — X ы/Рт выше 0,5 нецелесообразно.

Необходимо отметить, что основным недостатком данного способа измерения высоты является зависимость точностных характеристик ПРВ от амплитуды сигнала, стабильности порогового уровня и отклонения оси ДНА от вертикали. Следящий измерительный порог необходимо перестраивать в зависимости от изменения режима обнаружения и состояния морской поверхности.

Для интег рального квазиоптималыюго временного дискриминатора форму стробов выбирают как прямоугольные эквиваленты полуветвей оптимальной весовой функции Ес(1) (см.тл.З) [28].

При этом длительность стробов и коэффициент асимметрии Кас выбирают исходя из заданного режима облучения и состояния морского волнения

= у- ; = у1" , (Н)

стр, — 'стр, |т1<

где („„„ - положение максимума усредненной формы огибающей отраженного сигнала.

Коэффициент асимметрии стробов выбирается из условия - ®,

при котором

в дискриминаторе не требуется канала шумовой компенсации. Выражение для нормированной функции 1]са(1) имеет вид:

0 при 1-Х„<-Тстп

1 при - ГГ7?1 < ? — т0 < О

-пРи 0<1-х0< ТСТР2

О иры (■

■ тс > ТС7Р

(38)

Выражение для дискриминационной характеристики (ДХ) квазиоптимального дискриминатора приводится в виде [28]

\рн{(У(~кас (39)

\А-7С1Ц л J

Анализ показал, что положение нуля ДХ находится в работе по максимуму огибающей усредненной формы отраженного сигнала и систематическая погрешность измерения высоты из-за изменения степени морского волнения может достигать величины 1 -2м (при неизвестной ст..).

Получено выражение эквивалентной спектральной плотности флуктуаций на выходе квазиоптимального дискриминатора [28]

¿эк« (О, Л) = 7-Д0.25/, +/2М +13/<Ц)/к1{ Д). (Щ

где К„2(Л) - квадрат крутизны дискриминатора, /,, I->, 1з - двойные интефалы, имеющие смысл составляющих спектральной плотности из-за биений сигнал-сигнал, сигнал-шум, шум-шум.

Анализ флуктуационных пофешностей измерения высоты с использованием (40) показал, что величина проигрыша в точностных характеристиках квазиоптимального дискриминатора оптимальному дискриминатору незначительна. Основной недостаток данного типа дискриминаторов заключается в наличии существенной систематической погрешности смещения. Известно, что локальные способы обработки позволяют резко снизить погрешности смещения. В соответствии с этим автором был разработан метод измерения по точности близкий к оптимальному и предложена структурная схема ПРВ с одновременной оценкой высоты над средним уровнем морской поверхности, высоты морских волн и мощности отраженного сигнала, связанной со скоростью поверхностного ветра [23], [35], [29], [34].

Выходное напряжение дискриминатора по аналогии с (32) взято в виде:

и и* А* л)=- -

Поскольку основной интерес представляет начальный участок импульса фронт, то удобно задать дискретную весовую функцию в виде [22], [23]

(41)

передний

/Г(,-0=1СД'-Г») (42)

г-1

где т(l-it) - момент отсчета, с, - вес отсчета, отсчеты независимы и берутся через интервал равный ¿Srt -- l/Afl-

Алгоритмы вычисления построены на основании аппроксимации усредненной формы переднего фрота ОС полиномом 3-й степени [23]

РО(т) =ао + а/ т + + а,г1, (43)

т.о., что оценка текущего рассогласования Г(Д) в кольце временного слежения и оценка степени морского волнения, получаются путем вычисления соответствующих коэффициентов полинома РО(х), подбираемого по методу наименьших квадратов. Коэффициенты an-..a¡ определяются путем стробирования огибающей фронта ОС на выходе КД гребенкой из пяти (или семи) наносекундной следящих стробов (СС), весового суммирования независимых выборочных значений амплитуды эхо-сигнала Ua(l¿) и сглаживания. Вычисление г(Д) реализуется по формуле [20], [23], [25], [34]

2 ХС^ДД + УДТ.)

где с); е.: = 2; c.¡ = -/. сп = -2; c¡ - -/; с; = 2 - веса стробов для коэффициента апринятого в качестве меры смешения "нуля" дискриминационной характеристики (ДХ), g¡; g.¿ = -I; g.i = 2; gr> = 0; gi = -2; g< - ! - веса стробов для аз, величина которого зависит от формы переднего фронта ОС (т.е. от высоты морских волн) и меняется сравнительно медленно (по сравнению с а:), поэтому ripit вычислениях по реальному сигналу, асрсдиястся значительно

дольше, чем а:- Нормировка на сглаженное значение Л) в (44) позволяет: 1) застабилизиро-вать крутизну ДХ высотомера, исключив зависимость ее от балльности; 2) исключить влияние амплитуды ОС на г(Д). При этом составляющая систематической методической погрешности измерения высоты Н. погрешности смешения, зависящая от балльности морского волнения, не превышает 20-30 см, если выполняется условие Ьц < 0,1.

Оценка степени взволнованности моря производится по

значению коэффициентов [20], [22]. [23].

tsPMb) кв=-^=ц 66J:;2 (45)

I/W/AT.)

2

где а1П = 12 Л г, я.!." Д: ¡i? = -l; /?-/ = 4с p0 = S,66; /?/ =4; (I? = —/ - веса стробов для коэффициента «о, который определяется значением полинома в нуле (/1-0). Величина ад не зависит от <Т- и потому осредняется существенно дольше, чем а3. Для компенсации шумовой составляющей из №> вычитается сглаженное значение шумовой выборки. Нормировка в (45) позволяет исключить влияние амплитуды ОС на КВ. На рис. 14 показана зависимость КВ от балльности и 0-, влияние на КВ отношения C/LI1 объясняется флуктуацией гребенки СС в зависимости от величины С/Ш.

«1 ч т н V о V « <я а (г « Ь <" г %

0 «» ф <м а А" и <м (И <3

Из полученных результатов следует, что ПРВ обеспечивает точность измерения высоты полета КА, близкую к потенциальной и при этом одновременно дает информацию о высоте морских волн. В работе сделаны также оценки СКО определения высоты морских волн. Устройство обработки в ПРВ реализуется на базе цифрового спецвычислителя [23], [29], [32], [34]. В диссертации разработан пакет прикладных программ (ППП) для расчета характеристик следящего

и и X

зоне варьирования исходных данных, связанных с параметрами зондирующего сигнала, режимом облучения и характеристик поверхности. С помощью ППП можно проводить расчеты

Рис. 14. Зависимость коэффициента морского волнения КВ от высоты морских волн и балльности

точностных характеристик дискриминатора при любых исходных данных и это дало возможность показать, что в некоторых случаях при интенсивном волнении близком к штормовому и широкополосных сигналах А/С2300МГц модифицированный дискриминатор, в котором осуществляется нормировка коэффициента полинома а2 на сглаженное значение коэффициента а,, обладает лучшими точностными характеристиками, чем дискриминатор по алгоритму (44).

В пятой главе под заголовком "Анализ флуктуационнон погрешности оценки высоты элемента разрешения для космического интерферометрического РСА с "жесткой" базой проведен подробный анализ СКО а,ф, связанной с погрешностью оценки разности фаз от разнообразных факторов. Для расчетов взята Я = 6см и высота орбиты Н — 350км, угол визирования 0~30", С/Ш = 12Д6: ЧхХЯц = 30*15м, что соответствует современным тенденциям построения РСА.

На рис. 15 показано, что для улучшения точностных характеристик по оценке высоты элемента разрешения необходимо увеличить N. но при этом максимальное количество N ограничивается требуемым размером элемента разрешения на радиолокационном изображении (РЛИ), так как число некогерентно-усредняемых элементов N пропорционально ухудшает разрешение на РЛИ. Из результатов анализа и рис. 15 можно сделать вывод, что необходимое количество N составляет примерно 30-40.

0.8

0.6

0.4

0.2

20

40

N

60

80

100

Рис. 15. Зависимость Сг®(^УСгф( 1) от N

На рис 16 ирслствчеиа зависимость СКО оценки высоты элемента разрешения от относительного размера базы лля разных корректирующих функций. Подробно показано на рис.17 и 18,что при малом относительном размере базы, получается повышение точности по оценке высоты элемента разрешения (за исключением гауссовской корректирующей функции с к| =0.7 тип корректирующих функций влияет мало) вне зависимости от типа применяемой корректирующей функции, а при большом, вплоть до В„/Х= (3,..5)10\ выигрыш зависит от типа корректирующих функций.

м

о

Í 2

"""I

- Л ММ 6ei коррекции — //А .......

\ -- лчм — УуСУУЛ

И ¿ с коррещиеи ............

Vj^fÉ

гФ

И 4

\ \...........

., л"",,,;.........

ЛЧМ Cej коррекцией

^лчм с коррекцией

500 (ООО 1500 2000

относительный размер беты ВгУг

Рис. 17. Зависимость С/ф для малого относительного размера базы при N=9. (7Х =0.75м

0 0 5 1 15 2-10"

относительны« размер базы в^/х

Рис. 16. Зависимость С/ф относительного размера базы В,,/Я при N=9. с>г -- 0.75 м и наличия различных корректир} Ю111и\ функций.

Из рис.19 ясно, что с ростом количества N. наличие корректирующих функций меньше влияют на СКО опенки иысоты элемента разрешения, т. е. при большом значении N. погрешность сТ/ф определяется в основном количеством некогереитных усреднений N.

35

о.,

М 3

25

11-

2000

лчм

б«]коррекции

3000 4000 5000 6000 7000 0000 относительным размер С»зы В,,/ >-

Рис. 18. Зависимость (7/Ф для большого относительного размера базы при N=9. о,=0.75м

о.. М

\ ■ • к,«от,

лмм

без коррекх|им

— ЛЧМ

с коррекцией

^—

I 3,2 10 32 100 316 1000 Гне. 19. Зависимость rv>f, от N при Bn/A=IOOO и oz = 0.75 м

5

Из рис. 20 ясно, что увеличение отношения С/Ш приводит к уменьшению О/ф , но для ЛЧМ сигнала без коррекции этот эффект меньше влияет, чем для ЛЧМ сигнала с коррекцией. Кроме того, при малом размере базы увеличение отношения сигнал-шум существенно уменьшает О7.Ф . следовательно, необходимо иметь большое отношение С/Ш. Однако, увеличение отношения С/Ш больше 25 дБ не очень эффективно уменьшает ОгФ.

м

\ ............. Oei коррекции

•

...... T^feS^ .......f"

10

Рис.

15

25

20 С/Ш [дБ]

10. Зависимость cz» от С/Ш при N = 9, сх = 0,75, В„ Д. = 1000

30

2l

0 20 40 60 ВО 100 а [гряд!

Рис. 21. Зависимость а,ф от а при В(К = 1000, в = 30N = 9, о, = 0,75м

Из рис. 21 ясно, что при Оо= 30", где СКО а,ф минимально, график обладает симметрией от а] = 0 ° до аг = 60 Отсюда следует, что влияние наклона базы в диапазоне углов иг 60-+А(х и аг=0о-Да одинаково.

Показано, что разрешающая способность по азимуту ИРСА не влияет на коэффициент корреляции, поскольку отношение С/Ш не зависит от размера элемента разрешения по азимуту. Откуда следует необходимость высокой разрешающей способности ИРСА по азимуту, что дает возможность повысить кратность некогерентного накопления N.

На рис. 22 показано, что СКО оценки высоты элемента разрешения возрастает с увеличением размера элемента разрешения по наклонной дальности для любого размера базы, причем этот эффект сильнее проявляется с ростом размера базы. Показано, что при высокой разрешающей способности по наклонной дальности, увеличение относительного размера ба-

Рнс. 22. Зависимость о,* от Rr при 9 =• 30 Ряс. 23. Зависимость о,® от Rr от вида зонди-

с,- 0,75м рующих сигналов при В,Л=1000

зы больше 1500 незначительно уменьшает СКО оценки высоты элемента разрешения.

Из рис. 23 наглядно видно, что выигрыш в СКО а2ф от применения корректирующих функций имеет место только при высокой разрешающей способности ИРСА по дальности. Рис. 24 показывает, что увеличение угла визирования не желательно, потому, что при этом падение отношения С/Ш играет большую роль, чем рост коррелированное™ отраженных сигналов на ИРСА. На рис. 24 показано, что для поверхности суши при углах визирования больше 30. ..35 ° получается рост СКО оценки высоты элемента разрешения.

М 15

Рис. 24. Зарисичосп. а,Ф от 0„ при = 0.75 м. 1000 огв„

I

5 3 13 17

Рис. 25. Зависимость а,фдля морской при о, ~ 0,75 м, ВД = 1000 и 2000.

Итак, для улучшения точностных характеристик ИРСА с "жесткой" базой требуются высокая разрешающая способность, большой запас в отношении С/Ш (особенно при значительной флуктуации отражений) и небольшой угол визирования 6„.

На рис. 25 (а - скорость ветра 2м/с, б - 16м/с) показано, что для морской поверхности лучший роулыат получается при малом угле визирования (примерно. 15 "... 20 "). Необходимо отметить, что поскольку рассеяние радиосигналов поверхностью моря и поверхностью с густой растительностью (например, кустарник) сильно зависит от скорости ветра, то для того, чтобы ИРСА было менее чувствительно к состоянию зтих поверхностей необходимо иметь существенный ¡апас в отношении С/'Ш.

В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований, которые состояли:

- в соиании мсгодики обработки радиоголограмм РСА "АЛМАЗ-Г' (на двух близких витках) для получения интерферограмм, в результате анализа которых показана необходимость создания ИРСА с "жесткой" базой;

- в обработке результатов натурных самолетных испытаний лабораторного макета океанографически о 11РВ.

1. В качестве исходных массивов для получения интерферограмм использовались радиолокационные голограммы, полученные с РСА КА "АЛМАЗ-1", функционировавшего на орбите с 03.1991г. по 10.1992г. Представлены характеристики выбранного участка (широта -67,15", дол юта 45.4", залив Алашеева), территории Антарктики, снятые с интервалом в 5 суток 21 0x.91г. и 26.08.91 г. . Поверхность этого района состоит, в основном из льда, т.е. отраженные сигналы слабы, а электропроводность слоя довольно сложная. Амплитудное изображение с РСА показано на рис. 26, где темный фон соответствует морской поверхности. Для получения интерферограмм сделано перемножение двух комплексных отсчетов и получены амплитудные и разностно - фазовые отсчеты. На разностно-фазовом изображении наблюдаются иитерферометричеекие полосы, расположенные под углом примерно 80° из-за азимутального фазового набега, вызванного непараплсльностыо орбит. То же изображение после компенсации фазовых набегов по азимуту доказано на рис 27. совместно с амплитудным изображением. При определении фазового набега по дальности, опорная поверхность аппроксимировалась плоским участком за счет небольшого размера площади этого участка. Участок равнинной местности выглядел бы на интерферограмме, скомпенсированной по регулярным фазовым набегам, как однородное поле. Интерферограмма участка местности со сложным рельефом, содержала бы интерференционную картину, передающую особенности рельефа. Разностно-фазовое изображение после компенсации фазовых набегов по дальности

показано на рис. 28. Тут более светлым участкам соответствуют возвышения рельефа, но кроме изменения разностно-фазовых значений наблюдается значительный фазовый шум, характеризующий изменение характеристик рельефа и отражающих свойств поверхности за время прошедшее между съемками, отношение С/Ш в экспериментах также было невелико.

Проведен анализ СКО оценки разности фаз С!ф выбранного участка (х=1...200, у=450), которое составило 104,9" что соответствует СКО оценки высоты элемента разрешения о:ф этого участка примерно 12,4м. Для анализа влияния некогерентного усреднения, проведено усреднение с N = 5,7,9 и получено, что Оф = 48,1°; 38,7° и 33,2°, которое приблизительно совпадает с теоретическими Стф = 46,9°;39,6° и 35,0°.

Значение коэффициента корреляции, полученное из экспериментальных данных составило у=0,37, что означает малую коррелированость отраженных сигналов. Проведено сравнение коэффициента корреляции с теоретическими расчетами для РСА с "жесткой" базой, где значение функции "база-дскорреляция" f(Q,,)~0,8, характеристической функции М¿(£2,,)-(),98 и у=0,6...0,7 при предположении малого отношения С/Ш = 5...10дБ.

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

В диссертации показана необходимость построения ИРСА с "жесткой" базой, для которой отраженные сигналы принимаются одновременно на две антенны и динамика поверхности не создает шумового эффекта.

2. При экспериментальной проверке ПРВ основное место отводилось натурным самолетным экспериментам, цель которых состоится в:

а) проверка модели отражения наносекупдных СВЧ радиоимпульсов от морской поверхности;

б) экспериментальной проверке метода оценки высоты и степени взволнованности морской поверхности по задержке и форме усредненного переднего фронта отраженного сигнала.

Измерения проводились с борта самолета ИЛ-18, летающей лаборатории ИРЭ РАН, с использованием разработанного макета ПРВ и проходили с 1980 по 1992гг. в различных акваториях страны: на Тихом океане, Азовском, Каспийском, Черном и Охотском морях. Информация о степени взволнованности морской поверхности поступала на борт ИЛ-18 в баллах с кораблей, находящихся в районе работы самолета и от береговой гидрометеослужбы. Охваченный в экспериментах диапазон бапльностей составил от нуля до пяти баллов. Экспериментальная проверка модели отражения радиосигналов наносекундной длительности от взволнованной поверхности заключалась в исследовании зависимости усредненной формы эхо-сигнала, от режимов облучения и состояния поверхности моря. Отраженные сигналы фотографировались с экрана осциллографа С1-75. На каждом фотоиегативе за время выдержки фиксировалось около 550 реализаций отраженного сигнала. Фотонегативы обрабатывались на регистрирующем микрофотомере типа ИФО-451. Последовательно находились математические ожидания амплитуды для каждого анализируемого сечения, по ним строилась усредненная форма ОС и определялся для нее доверительный интервал. Таким образом были получены экспериментальные зависимости усредненной формы ОС от: степени взволнованности морской поверхности, высоты облучения, ориентации оси ДНА, которые сравнивались с результатами теоретических расчетов. Максимальное расхождение нигде не превысило 10%. Это подтвердило правильность разработанной модели отражения

Рис. 26. Амплитудное изображение для даты 21.08.91 г.

Рис. 27. Амплитудно-разностно-фазовое изображение после фазовой компенсации по азимуту

Рис. 28. Разностно-фазовое изображение с фазовой компенсацией по азимуту и дальности

наносекундного СВЧ радиоимпульса от взволнованной морской поверхности. Условия режима РРС выполняются при работе с самолета при значительно более широкой ДНА (в данных экспериментах во=17°), высота полета варьировалась от 3,5 км до 6 км.

В самолетных испытаниях осуществлялась также проверка работы Г1РВ с временным дискриминатором на выборках из фронта отраженного сигнала. При этом оценивались флук-туационные погрешности измерения H ПРВ над разными водными поверхностями с различной степенью морского волнения. Определение абсолютных погрешностей измерения H

проводить не предполагалось, поскольку точность имеющихся бортовых самолетных средств измерения (баро. и радиовысотомеров) существенно ниже расчетной точности испытываемого макета ПРВ. Флуктуацнонные погрешности измерения // находились как среднеквадратичное отклонение записи измеренного значения высоты от осрсдненной кривой, полученной сглаживанием исходной записи. Фрагмент обработанных экспериментальных результатов оценки высоты, полученных в летных испытаниях показан на рис. 29. Результаты экспериментов показали, что флуктуационная погрешность измерения высоты полета самолета над морской поверхностью не превышала 0,5м с надежностью 0,99 при отношении С/Ш>7дБ, волнении моря до пяти баллов и Я=3,5...6км, при длительности зондирующего сигнала Т,-18нс или ЛЧМ сигнала с А)'-Н()МГц. В экспериментах по проверке метода оценки степени взволнованности поверхности по усредненной форме фронта эхо-сигнала исследовалась возможность макета ПРВ проводить оценку высоты морских волн [22], [23]. Эта оценка основана па измерении коэффициента волнения (КВ). Поскольку информация о волнении моря поступала в основном в баллах, то была проведена проверка разрешающей способности ПРВ к различной степени взволнованности морской поверхности в градациях балльности, которая подтвердила высокую степень достоверности результатов оценки состояния морской поверхности

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена научная проблема, состоящая в разработке теории, методов реализации и оценке точностных характеристик комплекса активных средств дистанционного зондирования, включающего интерферометрическую РСА с "жесткой базой" и прецизионный океанографический радиовысотомер, и предназначенного для восстановления рельефа поверхности Земли по данным космических съемок, способного проводить трехмерный глобальный мониторинг подстилающей поверхности, что имеет чрезвычайно важное научно-техническое и народнохозяйственное значение.

Основные теоретические и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Впервые на основе выбранной модели отражения получено аналитическое выражение взаимной пространственной корреляционной функции отраженных сигналов в частотной области, которое позволяет вычислять корреляционную функцию и коэффициент корреляции для любых импульсных характеристик РСА и находить СКО оценки разности фаз Оф, а следовательно, СКО оценки высоты элемента разрешения а:ф.

2. Впервые проведен подробный анализ влияния параметров ИРСА, режима облучения и характеристик поверхности на точностные характеристики ИРСА при широком диапазоне варьирования исходных данных. Предложена возможность повышения точностных характеристик ИРСА с "жесткой" базой путем применения специально подобранных корректирующих функций к амплитудно-частотной характеристике тракта обработки эхо-сигналов. При этом показано, что основное влияние на коэффициент корреляции и точностные характеристики ИРСА оказывает отношение С/Ш и функция "база-декорреляцня"/('Д,,), определяющая нскоррелированость отраженных сигналов из-за разноса двух антенн; характеристическая функция МХ(С1Х), зависящая от флуктуации ординат неровностей поверхности в пределах элемента разрешения, илияет на точностные характеристики ИРСА с "жесткой" базой незначительно. Показано также, что коэффициент корреляции имеет различные характеристики в зависимости от угла визирования и типа поверхности. На основании проведенного анализа даны рекомендации по выбору параметров ИРСА и режима облучения.

3. Показано, что эффективно-необходимое количество некогерентных усреднений N для уменьшения СКО оценки высоты элемента разрешения ст,ф составляет 30...40, а увеличение отношения С/Ш до 25Д6 существенно уменьшает СКО ИРСА с "жесткой" базой.

4. Исследования влияния на точностные характеристики ИРСА угла наклона базы и угла визирования показало, что оптимальным углом наклона базы является угол а, равный углу визирования 0(а=9а), а влияние вариаций наклона базы в диапазоне углов а;=0<гМа и а^во-Аа одинаково В то же время, оптимальный угол визирования (по минимальному СКО оценки высоты элемента разрешения при сохранении приемлемой зоны обзора) зависит от вида подстилающей поверхности. Для поверхности суши он находится в пределах до вц=21?...У?, а для поверхности моря по,0о=15°...2&. При этом отмечается, что для ИРСА с "жесткой" базой требуется высокая разрешающая способность и большой запас в отношении С/Ш.

5. Разработана и экспериментально проверена уточненная модель отражения СВЧ радиосигнала с наносекундной разрешающей способностью, позволяющая получить и проанализировать основные статистические характеристики отраженных радиосигналов ПРВ при широком диапазоне варьирования исходных данных, связанных с выбором параметров радиосистемы, режимом облучения и состоянием морской поверхности.

6. Синтез н анализ алгоритмов и устройств оптимальной обработки эхо-сигналов во временной и частотной области позволил в каждом случае выявить структуру оптимального дискриминатора следящей системы ПРВ и оценить потенциальную точность измерения те-

кущей высоты КА над средним уровнем морской поверхности. Причем потенциальная точность при частотном и временном способах обработки сигналов при прочих равных условиях будет одинаковой, разница определяется только возможностями технической реализации.

7.Проведено существенное повышение эффективности традиционных алгоритмов построения дискриминаторов следящего измерителя ПРВ по засечке переднего фронта эхо-сигнала и квазиоптимального дискриминатора на асимметричных широких следящих стробах и сделан анализ их точностных характеристик.

8. Предложен, подтвержденный авторским свидетельством, локальный временной дискриминатор следящей системы ПРВ на дискретных выборках фронта эхо-сигнала, отличающийся тем, что позволяет проводить одновременную оценку высоты над средним уровнем морской поверхности и высоты морских волн по положению и форме фронта эхо-сигнала. Хотя данный вариант обработки несколько проигрывает интегральному дискриминатору с широкими стробами по величине флуктуационной погрешности (и требует большего рабочего отношения С/Ш), этот способ позволяет практически свести к минимально возможным систематические погрешности смещения при оценке высоты Н. Для анализа точностных характеристик ПРВ с данным локальным измерителем разработан пакет прикладных программ (ППП) расчетов на ПЭВМ, позволяющий оперативно анализировать особенности его работы при широкой вариации исходных данных.

9. На основе экспериментально полученных радиоголограмм РСА с КА "АЛМАЗ-1" проверена методика получения интерферограмм и показана необходимость создания ИРСА с "жесткой" базой, для которой отраженные сигналы принимаются одновременно на две антенны и исключаются фазовые шумы, обусловленные быстрыми изменениями структуры подстилающей поверхности, часто значительно превосходящие полезную составляющую изменения фаз, характеризующую изменения рельефа.

10. Экспериментально проверена возможность получения прецизионной точности измерения высоты полета летательного аппарата при одновременной оценке балльности морского волнения.

11. Приборы, входящие в предлагаемый комплекс дистанционного зондирования хорошо дополняют друг друга. ИРСА обеспечивают получение трехмерного изображения подстилающей поверхности с той же как к для традиционных РСА шириной зоны обзора и высокой разрешающей способностью. ИРВ, кроме решения ряда самостоятельных задач, в данном комплексе используется также для прецизионного измерения высоты КА над средним уровнем морской поверхности с флуктуационной погрешностью не более 10см, для контроля параметров орбиты и контроля ориентации космической платформы, на которой установлен комплекс, относительно локальной нормали. В интервалах между измерениями высоты параметры орбиты могут интерполироваться. В случае, когда параметры орбиты КА известны, топографические данные о рельефе подстилающей поверхности, измеренные ПРВ в подспутниковой области используются для привязки возвышений рельефа, полученных ИРСА из трехмерных изображений поверхности на соседних витках.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в работах:

1. Баскаков А.И. Статистические характеристики радиолокационного сигнала, отраженного от неровной поверхности. Труды МЭИ, 1976, вып. 288, с. 102-106.

2. Баскаков А.И. Корреляционная функция и усредненная мощность радиолокационного сигнала, отраженного от взволнованной морской поверхности. - Радиотехника, 1979, т.34, №1, с. 85-88.

3. Щернакова Л.А., Баскаков А.И. Исследования формы импульсного сигнала, отраженного от шероховатой поверхности. Труды МЭИ, 1977, вып. 34, с. 61-63.

4 Баскаков Л.И. Синтез оптимального обнаружителя сигнала, отраженного от протяженной шероховатой поверхности. Труды МЭИ, 1981, вып. 522, с. 9-19.

5. Баскаков А.И , Голубков В.Г. Интервал корреляции радиоимпульса, отраженного от морской поверхности Труды МЭН, 1979, вып. 418, с.39-40.

6. Баскаков А.И. Исследование возможности использования сигналов с линейной частотной модуляцией для оценки взволнованности морской поверхности. Изв. высш. уч. заведений, Радиофизика, 1978, т.ХХ1,№5, с. 710-713.

7. Баскаков А.И., Голубков В.Г. Устойчивость средней формы импульса, отраженного от взволнованной морской поверхности к форме зондирующего импульса. Труды МЭИ, 1979. вып 418, с. 41-44.

8. Богомолов А.Ф., Терлецкий И.А., Баскаков А.И., Терехов В.А. Оценка параметров шероховатой поверхности при зондировании ее импульсами наносекундной длительности. Тез. докл./'Всесоюзный научно-технический семинар "Технические средства для государственной системы контроля природной среды" Обнинск, 1981, с. 91.

9. Баскаков А.И., Некрасова О В. Взаимная корреляционная функция сигналов, отраженных от шероховатой поверхности в двух смежных периодах повторения. Труды МЭИ, 1982, вып. 561, с. 23-27.

10. Ругенко А И.. Баскаков А.И., Тишенко С.А. Корреляционная функция и спектр огибающей радиолокационного сигнала, отраженного от неровной поверхности. Труды МЭИ, 1976. вып. 295. с. 12-13.

11. Баскаков А.И. Спектральные характеристики сигнала, отраженного от шероховатой поверхности. Труды МЭИ, 1979, вып. 431, с.36-38.

12. Баскаков А.П.. Голубков В.Г. Моделирование импульсного радиосигнала, рассеяно-го морской поверхностью. Труды МЭИ, 1978, вып. 381, с. 66-73.

13. Разработка функциональной схемы входного устройства системы обработки импульса, отраженного от морской поверхности. Отчет по НИР, № гос. регистрации 78023857, МЭИ, 1978,инв. №661004.

14. Баскаков А.И. Синтез оптимального дискриминатора радиовысотомера. Труды МЭИ, 1982. вып. 579. с.40-50.

15.Баскаков А.И., Голубков В.Г. Моделирование импульсного сигнала, отраженною шероховатой поверхностью. Труды МЭИ, 1978, вып. 375, с. 71-77.

16. Баскаков А П., Щернакова Л.А. О возможности применения сложных сигналов для исследования шероховатой поверхности. Тез. докл. / Всесоюзная научи, технич. конференция .- М.:МЭИ. 1977, с. 76.

17. Баскаков А.И.-К выбору параметров корреляциоино-фильтровой схемы обработки ЛЧМ сигналов, отраженных от шероховатой поверхности. Тез. докл. / Всесоюзная научн. конференция .- М. МЭИ, 1977, с. 76-77.

18. Баскаков А.И. Корреляционно-фильтровой метод обработки ЛЧМ сигналов, отраженных от взволнованной морской поверхности. Труды МЭИ, 1978, вып. 381, с.60-66.

19. Башаринов A t., Баскаков А.П., Калинкевич А.А. Использование радиовысотомера для исследования в<колнован»ости морской поверхности. Сб. докладов на 3 - м Всесоюзном семинаре "Неконтактные методы измерения океанографических параметров". Государственный океанографический институт- М.; Гидрометеоиздат, 1981, с. 9-12.

20. Kalinkevitch A.A., Baskakov A.I., Gagarin S.P., Kutuza B.C., Terekhov V.A. Simultaneous Radiometer and Radar Altimeter Measurements of Sea Microwave Signatures. International Symposium URS1 - Commission F. Microwave signatures in remote sensing. Toulouse (France), 16-20.01.1984, p.28-29.

21. Баскаков А.И. Особенности расчета основных характеристик океанографического радиовысотомера. Радиотехника, №11, 1988, с. 66-71.

22. A.I. Baskakov, S.P. Gagarin, А.Л. Kalinkevich. Simultaneous Radiometric and Radar altimetric measurements of Sea Microwave Signatures, IEEE Journal of Ocean Engineering, vol. OE-9, Jfe 5, December, 1984, p.325-328.

23. Арманд H.A., Баскаков А.И., Гагарин С.П. и др. "Способ определения характеристик волнения морской поверхности с летательного аппарата. Авторское свидетельство №1344072, Зарегистрирован 8.07.1987.

24. Баскаков Л.И., Лаптев В.И. Влияние амплитудно-частотных искажений в приемопередающем тракте океанографического ПРВ на форму отраженного сигнала. Труды МЭИ, вып. 181, 1988, с.13-14.

25. Баскаков А.И., Терехов В.А., Некрасова О.В. Следящая система океанографического радиовысотомера. Тез. доклада. /Всесоюзная научно-техническая конференция "Современные проблемы радиоэлектроники". 21-23. II. 1988г. М. МЭИ, с. 173.

26. Баскаков А.И. Радиовысотомеры с частотно-модулироваными сигналами. Уч. пособие МЭИ, 1989, 85с.

27. Баскаков А.И. Лукашенко Ю.И. Щернакова Л.А. Зондирующие радиолокационные сигналы. Уч. пособие МЭИ, 1990, 80с.

28. Баскаков А.И., Головин В.В. Реализация квазиоптимального временного дискриминатора радиовысотомера. Радиотехнические тетради, №4, 1993, с. 6-12.

29. Баскаков А.И. Прецизионный океанографический радиовысотомер космического базирования. Уч. пособие МЭИ, 1994,75 с.

30. Баскаков А.И. Радиозондирование моря СВЧ сигналами с высокой разрешающей способностью для оценки состояния поверхности акваторий. Тез. доклада на IV Международной конференции "Распространение радиоволн", Вологда, июнь 1994, с. 108-109.

31. Баскаков А.И., Щернакова Л.А. Энергетические соотношения в радиолокации. Часть I. Радиолокационные цели и их основные характеристики. Уч. пособие МЭИ, 1992, 80с.

32. Баскаков А.И., Жутяева Г.С., Терехов В.А. Анализ технических характеристик прецизионного орбитального радиовысотомера в задачах дистанционного зондирования природной среды. Отчет по НИР, гос., регистр, №01930001659, РТП, МЭИ, 1993,62с.

33. Баскаков А.И. Выбор параметров океанографического прецизионного радиовысотомера космического базирования. Тезисы доклада на Международной конференции 100-летия начала использования радио. Часть II. Москва, май 1995, с: 94-95.

34. Баскаков А.И. Терехов В.А. Временной дискриминатор прецизионного океанографического радиовысотомера. Радиотехнические тетради №7, 1995, с. 66-70.

35. Baskakov A.I., Terekhov V.A., Pobedonostsev R.A. The Research of Fast and Slow Fluctuations Correlation Intervals for Radiosignals Reflect From Sea Surface. International Symposium on Satellite Communication and Remote Sensing. SCRS'95 Xi'an, PR China, September 20-22,1995, p. 240-243.

36. Баскаков А.И., Важенин Н А. Сравнение информационных сигналов для временного и частотного методов обработки в океанографических прецизионных радиовысотомерах. «Исследование Земли и космоса», 1997, (в печати).

37. Баскаков А.И. Морозов К.Н. Влияние анизотропности морской поверхности на вид ДОР и на отраженный сигнал прецизионного радиовысотомера. "Исследование Земли из космоса". 1997, (в печати).

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

39. Ка Мин Хо. Баскаков А.И. Исследование влияния корректирующих функций на гочностные характеристики ннтерферометрического РСА по оценке высоты рельефа по-iepxiiocTit. XVlll Всероссийская конференция по распространению радиоволн. Тезисы док-шдов. М.: Российская академия наук, научный совет по комплексной проблеме 'Распространение радиоволн", Санкт-Петербург, 1996, с. 280-281.

40. Ка Мин Хо, Баскаков Л.И. Исследование возможности восстановления поля уровня товерхности Земли интерферометрическим РСА космического базирования. Международная шпференния "Проблемы фундаментальной физики", Тезисы докладов, Саратов 1996.

41. Баскаков А.11. Морозов К.Н. Использование уточненной модели отражения от мор-;кой поверхности для анализа погрешностей смещения прецизионного радиовысотомера космического базирования. "Исследование Земли из космоса", 1997, (в печати).

42. Баскаков Л И., Ка Мин Хо. Анализ факторов влияющих на точностные характери-:тики ннтерферометрического РСА с "жесткой" базой по восстановлению рельефа поверхности Земли по данным космических съемок. "Исследование Земли из космоса", 1997, (в печати)

Соискатель

^ Л.И.Баскаков