Author: Осипов И. Г Турук В. Э Верба В.С. Неронский Л.Б.
Tags: радиолокация космос космонавтика
Text
В.С.Верба Л.Б.Неронскuй и.r.Осuпов В.З. ТУРУК
РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
ЗЕМЛЕОБЗОРА
КОСМИЧЕскоrо БАЗИРОВАНИЯ
.
"
.
"l".'
,': ';
'.1"
{" ,
"
. ..\
. . ;.
"".j .
..
"',
:':'1';" :
. "
.,
.:
"
.'
. ..
, . ,
.'
.
./ ;."\ "
,. '1:> .
:.
,':"}:':';
.
. .
,1';,':
.:..
" .
,1', \;\<.
..... .
. .
..
............
"
. , ' ,
. .
оrЛАВЛЕНИЕ
Отзыв о книrе академика РАН Л.М. 3еленоrо ............................................................................... 11
От редактора .................................................. ..................................................................................... 1 3
Введение .............................................................................................................................. ................ 17
rлава 1. Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
в rлобальной системе аэрокосмическоrо мониторинrа .............................................. 25
1.1. Структура rлобальной системы аэрокосмическоrо мониторинrа.............. 25
1.2. Информационные параметры радиолокационных систем землеобзора
космическоrо базирования............................................................ ................ 28
1.3. Применение космических систем радиолокационноrо наблюдения
для видовой разведки при информ:ационном сопровождении военных
операций ........................................................................................................... 35
1.4. Задачи, решаемые космическими системами радиолокационноrо
наблюдения двойноrо назначения ........ ... ..................... ....... ......... ........... ...... 44
1.5. Концепция использования космических средств радиолокационноrо
наблюдения в rлобальной информационной системе и ее национальных
cerMeHTax .......................................................................................................... 55
rлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо
наблюдения.................................................................................................................... ...... 59
2.1. Объекты радиолокационноrо наблюдения и их свойства .......................... 59
2.2. Спектр электромаrнитных колебаний, используемых для наблюдения
земной поверхности из космоса............................................................... 60
2.2.1. Диапазоны частот, выделенные Реrламентом радиосвязи для
радиолокационноrо зондирования Земли из космоса........................................... 60
2.2.2. Изобразительные свойства радиолокационных снимков в зависимости
от длины волны РСА................................................................................................ 63
2.2.3. Влияние трассы распространения сиrнала на возможности
радиолокационноrо наблюдения в разных диапазонах волн ............................... 67
2.3. Поляризация радиосиrналов при передаче и приеме .................................. 71
2.4. Отражение электромаrнитных волн от сосредоточенных и протяженных
объектов и численные характеристики отраженных сиrналов ................. 74
2.4.1. ЭПР и диаrpаммы обратноrо рассеяния простых объектов ................................. 74
2.4.2. Отражение радиоволн от сложных объектов. .... ........ .... ............ ....... .............. ... .... 76
2.4.3. Отражение радиоволн от пространственно распределенных объектов .............. 78
2.5. Отражение радиоволн от плоской rpаницы двух сред.............................. 80
2.6. Отражение радиоволн от поверхности с волнообразными
неровностями ........................................................................................... 87
2.7. Отражение радиоволн от поверхности с крупной шероховатостью ......... 89
2.8. Отражение радиоволн от двуrpанных yrлов ............................................ 89
3
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
2.9. Особенности отражения радиоволн от водной поверхности .................... 90
2.10. rлубинное (подповерхностное) зондирование ....................................... 96
2.11. Отражение радиоволн от растительноrо покрова................................... 98
2.12. Влияние уrла облучения на отражающие характеристики
местности............................................................................................ 100
2.13. Влияние длины радиоволны на отражающую способность
местности ............................................................................................ 1 02
2.14. Флуктуации принимаемоrо радиосиrнала и их связь с rеометрией
наблюдения ......................................................................................... 1 05
2.15. Временная изменчивость объектов наблюдения ........ ......... ........... ...... 107
rлава з. Современные методы космическоrо радиолокационноrо
землеобзора. Основные определения .......................................................................... 109
3.1. Принцип действия и основные характеристики космических
радиолокаторов боковоrо обзора .... .... ... ...... ........ ......... ...... ......... ...... .... 109
3.2. Принцип действия радиолокаторов с синтезированной апертурой
антенны ................................................................................................. 113
3.3. rеометрия обзора при скошенном и бистатическом
режимах съемки................ .... . .. .... . .... . .... . .... . .. .. ... .. . .. .. . ..... ... ... . . .. ..... .. . . . .. . 120
3.3.1. rеометрические соотношения в режиме скошенноrо обзора ........................... 120
3.3.2. Мноrопозиционные космические системы радиолокационноrо
землеобзора ........................................................................................................... 123
3.3.3. rеометрия обзора при бистатическом квазизеркальном космическом
режиме съемки ...................................................................................................... 126
3.3.4. Бистатический режим обзора с подсветом от передающей РЛС
на rеостационарной орбите. ...... ............. ...... ....... ........ ..... ..... ............. ..... ....... ...... 128
3.4. Энерrетические характеристики космических радиолокаторов
землеобзора ................................................................................ .. . . . . . . . .. 129
3.5. Радиометрическое разрешение в радиолокаторах землеобзора.............. 131
3.5.1. Радиометрическое разрешение в РБО ................................................................. 131
3.5.2. Радиометрическое разрешение в РСА................................................................. 135
3.6. Факторы, определяющие выбор параметров РСА.
Функция неопределенности сиrналов ..... ............ ............... .................... 136
3.6.1. Вид функции неопределенности сиrналов в космических РСА ....................... 136
3.6.2. Неоднозначность сиrналов РСА по азимуту ...................................................... 139
3.6.3. Неоднозначность сиrналов РСА по дальности..... ....... ... ... .... ...... ... ..... .... ........... 142
3.7. Особенности работы систем радиолокационноrо наблюдения
космическоrо базирования при воздействии активных помех................ 145
rлава 4. Режимы работы космических РСА ................................................................ 151
4.1. Основные режимы радиолокационноrо обзора...................................... 151
4.1.1. Маршрутный режим обзора .................................................................................. 151
4.1.2. Широкозахватный режим Скансар ....................................................................... 153
4.1.3. Прожекторный режим обзора ............................................................................... 156
4.1.4. Поляриметрические режимы радиолокационной съемки .................................. 158
4.1.5. Интерферометрическая радиолокационная съемка ............................................ 160
4
Оrлавление
4.2. Расширенные режимы обзора космических РСА ................................... 164
4.2.1. Метод двойноrо приема......................................................................................... 164
4.2.2. Широкозахватные режимы с высоким разрешением.......................................... 166
4.2.3. Повышение разрешающей способности в поперечном направлении
путем межвитковой интерферометрии.. ... ........... ........ ......................... ....... ..... .... 168
4.2.4. Режимы индикации движущихся целей ............................................................... 172
rлава 5. Расчет параметров траекторноrо сиrнала
при космическом радиолокационном обзоре.............................................................. 181
5.1. Состав параметров TpaeKTopHoro сиrнала. ..... ... ....... .... ..... ....................... 181
5.2. Системы координат, используемые при радиолокационном
обзоре.. .. . .. .... . .. .. . .. . .... . .. . ..... . .......... .......... ... . .... . .... .. ... . . . . . . . . ... .. .. . . ... . . . . . ... .. 183
5.3. Временные зависимости фазы и амплитуды принимаемоrо
сиrнала в РСА.......................................................................................... 186
5.4. Расчет параметров TpaeKTopHoro сиrнала при движении
платформы по круrовой орбите............................................................... 191
5.5. Временная зависимость наклонной дальности цели при движении
платформы по Кеплеровой орбите........................................................... 197
5.6. Параметры сиrналов, принимаемых антенной РСА ................................. 208
5.6.1. Система координат, адаптированная к rеометрии радиолокационноrо
обзора........................................................................................................................ 208
5.6.2. Зависимости доплеровской частоты принимаемоrо сиrнала от aprYMeHTa
широты КА............................................................................................................... 211
5.6.3. Танrенциальная составляющая скорости относительноrо движения................. 213
5.6.4. Масштабы радиолокационноrо изображения ....................................................... 215
5.6.5. Ширина спектра доплеровских частот принимаемоrо сиrнала........................... 218
5.6.6. Временной закон изменения наклонной дальности точки визирования.
Разрешение РСА по азимуту .................................................................................. 219
5.6.7. Сравнение Кеплерова движения с возмущенным движением КА ...................... 221
5.7. Связь между yrлами ориентации КА и направлением
визирования.... ......................................................................................... 223
5.8. Влияние ориентации КА на радиальную скорость относительноrо
движения................................................................................................. 228
5.9. Баллистические данные для расчета опорной функции синтеза
изображения ............................................................................................ 23 О
rлава 6. Алrоритмы синтеза радиолокационных изображений
в космических РСА. ... ........ ...... ....... .............. ......... ........... ...... ......... .... ..... ........ ........ ... ...... 233
6.1. Этапы обработки радиолокационных сиrналов и вид
информационных продуктов...... ....... ....... .... ...... .......................................... 233
6.2. Параметры, характеризующие миrрацию дальности
в радиоrолоrрамме ................................................................................ 236
6.3. Оптическая обработка радиоrолоrраммы как модель формирования
радиолокационноrо изображения в РСА.. ....... .... .......... ......... ................ 239
6.4. Алrоритмы цифровоrо синтеза РЛИ без учета миrрации дальности ...... 246
6.4.1. Алrоритм прямой свертки .................................................................................... 246
6.4.2. Алrоритм быстрой свертки ..... ........ ..... ... ..... ..... .... .... ... ....... .............. ................... 251
6.4.3. Алrоритм rармоническоrо (спектральноrо) анализа ......................................... 253
5
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
6.5. Процедуры масштабирования и интерполяции комплексных
сиrналов ................................................................................................ 254
6.5.1. Масштабирование путем свертки с . лчМ..опорой............................................. 254
6.5.2. Расширение массива данных заполнением нулями ........................................... 258
6.5.3. Интерполяция комплексных процессов методом «раздвижки
спектра» ................................................................................................................. 260
6.6. Алrоритмы синтеза РЛИ в маршрутном режиме с учетом миrpации
дальности .............................................................................................. 261
6.7. Особенности принимаемых сиrналов в прожекторном режиме
съемки.. .. . ... ..... . . .... .. . . ..... .. ... ..... ......... .... ..... .... ..... ... .. ..... ..... .. ... . . . . ... .. ... .. 268
6.8. Унифицированный алrоритм синтеза изображения в основных
режимах работы РСА . .... ...... ... ... ... .... .... ... ... ..... ..... ..... ....... ....... ....... ...... 272
6.9. Алrоритм синтеза РЛИ в прожекторном режиме с коrерентным
накоплением в субкадрах ...................................................................... 275
6.9.1. Интерполяция радиоrолоrpаммы по азимуту ..................................................... 275
6.9.2. KorepeHTHoe накопление парциальных . спектров.............................................. 276
6.9.3. KorepeHTHoe накопление субкадров.................................................................... 279
6.10. Автофокусировка радиолокационных изображений............................... 279
6.10.1. Искажающие воздействия, требующие применения
автофокусировки Р ЛИ ..... ......... ............... ........... ....... ............. ................ ...... ................. 279
6.10.2. Аналитическая оценка влияния ошибок фокусирования ................................ 281
6.10.3. Влияние ошибок фокусирования на форму отклика при амплитудном
взвешивании. .. . .... ..... ...... .... ...... .. ........ .......... ........ ........ ........ ..... . ..... .. . . . .. .. . .... .. .... 288
6.10.4. Влияние поrpешностей измерения координат КА, трассы
распространения сиrнала и рельефа местности на точность
фокусировки Р ЛИ............................................................................................... 290
6.10.5. Обзор алrоритмов автофокусировки ................................................................. 296
6.1 0.6. фазово rpадиентный алrоритм автофокусировки ........................................... 302
6.10.7. Процедура поиска откликов для автофокусировки РЛи................................. 313
6.10.8. Локальная автофокусировка РЛИ высокоrо разрешения ................................ 317
6.11. Особенности синтеза РЛИ в режимах скошенноrо
и бистатическоrо обзоров........................................................................... 320
6.12. Синтез РЛИ в видеоимпульсных РСА ...................................................... 322
6.13. Современные тенденции создания проrpамМно аппаратных
комплексов для синтеза радиолокационных изображений ..................... 330
rлава 7. Обработка и реrистрация радиолокационных изображений.................... 335
7.1. Методы фильтрации спекл шума на РЛИ ................................................ 335
7.1.1. -Задачи некоrерентной обработки РЛИ ................................................................... 338
7.1.2. Варианты и характеристики процедуры HeKorepeHTHoro накопления................. 339
7.1.3. Базовые алrоритмы фильтрации спекл шума . ....................................................... 348
7.1.4. Модернизированные алrоритмы фильтрации спекл шума.
Применение вейвлет..преобразования..................................................................... 353
7.1.5. Метод нелокальноrо усреднения спекл шума ....................................................... 361
7.2. Реrистрация радиолокационной информации ............................................... 363
7.2.1. Требования к реrистрации радиоrолоrpаммы ........................................................ 363
7.2.2. Динамический диапазон выходных радиолокационных изображений ............... 365
7.2.3. Параметры реrистрации радиолокационных изображений .................................. 369
6
Оrлавление
7.3. Характеристики зрительноrо восприятия Р ЛИ . .... ... ......... ..... ............. ......... 370
7.4. Отображение радиолокационной информации ...... ...................... ............ ..... 379
7.4.1. Структурная схема модели преобразования информации
при визуальном дешифрировании Р ЛИ.. ........... .................... ............. ....... .... ....... 379
7.4.2. Линейный реrистратор с оrpаничением .. ... ....... .... ..... ....................... ....... .......... .... 383
7.4.3. Отображение РЛИ на дисплее ................................................................................. 386
7.4.4. Получение твердой копии РЛИ на бумажном носителе ....................................... 391
7.5. Характеристики цветноrо и псевдоцветноrо отображения РлИ................. 402
rлава 8. Повышение информативности космических РСА ...................................... 405
8.1. Учет влияния нелинейностей в тракте РСА .............................................. 405
8.2. Подавление помех неоднозначности по дальности в РСА ........................ 417
8.3. Подавление помех неоднозначности по азимуту в РСА высокоrо
разрешения............................................................................................... 421
8.4. Методы расширенной обработки радиолокационных изображений.......... 426
8.5. Сжатие потока данных, передаваемых по радиолинии ............................. 427
rлава 9. Современные подходы к тематической обработке
радиолокационной информации ............................... ...... ... ...... .... .... ... ... ... ....... .... ..... ..... 431
9.1. Цели, задачи и методы тематической обработки радиолокационной
информации............................................................................................. 431
9.2. Формирование банков радиолокационных портретов объектов
наблюдения.............................................................................................. 435
9.2.1. Исходные материалы, получаемые самолетными и космическими РСА
вы соко ro разреш ения ............................................................................................... 435
9.2.2. Получение точечных моделей объектов наблюдения .......................................... 437
9.3. Контроль надводной обстановки .............................................................. 440
9.3.1. Общие требования к решению задачи контроля надводной
об стан о вки . . . . . . . . . . . . . . .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
9.3.2. Обнаружение морских целей. .............. ..... ... ..... ... ..... ...... ......... ............... ............ ..... 442
9.3.3. Измерение координат морских целей .... .... ............ ..... ....... ................. ....... .... ......... 444
9.3.4. Радиолокационные портреты морских целей. ..... ... ....... ........ ...... .......... ................. 448
9.3.5. Радиолокационные портреты движущихся целей
в условиях MopcKoro волнения ..... ... ..... ...... ..... ..... ... ................................... ............. 450
9.3.6. Классификация морских целей .............. ... ..... ...... ......... ............. ....... ....... ....... ...... ... 452
9.4. Дистанционное зондирование морской поверхности ................................ 452
9.4.1. Задачи дистанционноrо зондирования морской поверхности.............................. 452
9.4.2. Обнаружение эффектов взаимодействия взволнованной
морской поверхности с атмосферой ... ........ ..... .............. ...... ...... .... .......... .......... ..... 452
9.4.3. Оценка скорости морских течений ......................................................................... 455
9.4.4. Эколоrический мониторинr морских акваторий ..... ..... ......................................... 459
9.4.5. Исследования проявлений внутренних волн для выявления
топоrpафии дна......................................................................................................... 463
9.4.6. Обнаружение опасных волновых явлений и их предвестников ........................... 464
9.5. Исследование ледовоrо покрова ............................................................... 465
9.6. Зондирование суши и растительноrо покрова........................................... 467
9.6.1. Тематическое картирование объектов суши .......................................................... 467
9.6.2. Мониторинr растительноrо покрова....................................................................... 469
7
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
9.6.3. Некоrерентные методы выявления изменений в оперативной
обстан о вке ................................................................................................................. 473
9.6.4. Построение цифровых карт рельефа по радиолокационным
стереоснимкам .......................................................................................................... 475
9.7. Интерферометрическая обработка радиолокационных снимков ............... 476
9.7.1. Получение цифровых карт рельефа местности ...................................................... 476
9.7.2. Дифференциальная интерферометрия для обнаружения изменений
в обстановке и измерения малых смещений объектов .......................................... 480
9.7.3. Интерферометрическая обработка результатов поляриметрическоrо
зондирования............................................................................................................. 483
9.8. Методы решения координатных задач по данным радиолокационноrо
зондирования ........................................................................................... 486
9.8.1. Исходные данные для решения координатных задач по РлИ.............................. 486
9.8.2. Решение координатной задачи по одиночному РлИ............................................. 486
9.8.3. Определение элементов внешнеrо ориентирования антенны .............................. 489
9.8.4. Решение координатной задачи по стереопаре РЛИ земной поверхности ........... 491
9.8.5. Совместная обработка перекрывающихся космических фотоснимков и РЛИ ... 493
rлава 10. Технолоrии моделирования характеристик
аппаратуры РЛН и процессов прохождения сиrналов
в радиолокационном тракте.. ........................... ..................................... ....... .............. ..... 499
10.1. Исходные положения ....... ... .............. ...... ..... ...... ............ ....................... ........ 499
10.2. Подrотовка исходноrо материала для моделирования.............................. 501
10.3. Моделирование обработки сиrналов в РСА ............................................... 504
10.4. Моделирование интерферометрической обработки изображений........... 505
10.5. Моделирование индикации движущихся целей......................................... 506
10.6. Структура математической модели сквозноrо тракта РСА ...................... 506
10.7. Полунатурное моделирование при отработке и испытаниях
аппаратуры РСА ............................................................................................. 509
rлава 11. Калибровка РСА ............................................................................................... 511
11.1. Методики оценки характеристик информационных
продуктов РСА................................................................................................ 511
11.1.1. Типы информационных продуктов..................................................................... 511
11.1.2. Оценка пространственноrо разрешения .... .................................. ..... .................. 513
11.1.3. Вычисление импульсноrо отклика РСА по получаемым снимкам.................. 516
11.1.4. Оценка уровня боковых лепестков импульсноrо отклика РСА ....................... 518
11.1.5. Оценка радиометрическоrо разрешения РСА ................................................... 518
11.1.6. Оценка динамическоrо диапазона и линейности амплитудной
характеристики Р ЛИ ............................................................................................ 518
11.1.7. Интеrpальный эвристический критерий оценки информативности
космических РСА ................................................................................................. 519
11.2. Методы и средства калибровки.............................................................. 523
11.3. Состав калибруемой аппаратуры космических РСА .............................. 524
11.4. Технолоrическая цепочка калибровки РСА ........................................... 526
11.5. Методы предполетной калибровки РСА ................................................ 528
11.6. Методы оценки параметров аппаратуры РСА в полете и коррекции
искажений при обработке информации ................................................. 531
8
Оrлавление
11.7. Калибровка тракта обработки сиrналов и выходноrо
информационноrо продукта................................................................... 540
11.8. Состав наземноrо оборудования средств калибровки ............................ 543
11.9. Радиометрическая коррекция радиоrолоrpаммы при работе
быстродействующей АРУ...................................................................... 545
rлава 12. Совершенствование аппаратуры радиолокационных комплексов
землеобзора космическоrо базирования ..... .......... ... ....... .............. ... ..... ......... ... ....... ... 549
12.1. Системный подход к проектированию космической аппаратуры
радиолокационноrо наблюдения............................................................ 549
12.2. Антенные устройства космических РСА................................................ 550
12.2.1. Общие требования к антеннам для космических РСА ..................................... 550
12.2.2. АФАР дЛЯ космическоrо РСА Х диапазона волн .............................................. 551
12.2.3. Совмещенная двухдиапазонная АФАР L и Р диапазонов волн...................... 553
12.2.4. rибридная зеркальная антенна S..диапазона волн дЛЯ РСА
в составе малоrо космическоrо аппарата ... ........................ ....... ......... .......... ...... 554
12.2.5. fибридная зеркальная антенна с АФАР облучателем ...................................... 556
12.2.6. Активные антенные решетки и их элементы
для видеоимпульсных РСА . ..... .......... ..... ....... ..... ....... ...... .......... .... ...... ............... 557
12.2.7. Перспективы развития антенных систем дЛЯ РСА космическоrо
базирования........................................................................................................... 564
12.3. rенераторы частот и сиrналов для космических РСА ............................ 565
12.4. Характеристики транзисторных усилителей мощности,
работающих в импульсном режиме....................................................... 568
12.5. Совершенствование приемопередающих модулей
применительно к rибридным зеркальным антеннам
с А Ф АР облучателями. . . . .. . .. .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . ... . . . . .. . . . . . .. .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 573
12.6. Требования к приемному тракту РСА .................................................... 575
rлава 13. Космическая аппаратура радиолокационноrо наблюдения
земной поверхности и наземных (надводных) объектов ......................................... 577
13.1. Этапы создания космической аппаратуры радиолокационноrо
наблюдения ........................................................................................... 577
13.2. Некоrерентные космические радиолокаторы боковоrо обзора
для наблюдения океана и надводной обстановки ................................... 579
13.2.1. Некоrерентные РБО контроля надводной обстановки.
Бортовой комплекс «Чайка» .. ........ ..... .............................. ... ........................ ...... 579
13.2.2. Космические РБО дЛЯ исследования морской поверхности,
ледяноrо и ледниковоrо покровов ..................................................................... 581
13.3. Ретроспективный обзор развития космических РСА.............................. 583
13.3.1. РСА космическоrо аппарата SEASA Т.............. ........ .... ...... ......................... ..... 583
13.3.2. Космические РСА L..диапазона волн SIR..A, SIR..B, JERS..l ........................... 585
13.3.3. РСА «Меч К», «Меч КУ» космических аппаратов «KOcMoc 1870»
и «Алмаз 1» ......................................................................................................... 588
13.3.4. Проrрамма ERS космическоrо areHTCTBa ESA ................................................. 594
13.3.5. Мноrорежимный РСА С диапазона волн Radarsat 1 ....................................... 595
13.3.6. Космические РСА видовой разведки серии Lacrosse....................................... 597
13.3.7. Мноrочастотные поляриметрические РСА SIR..C/X SAR
мноrоразовоrо космическоrо корабля Space Shuttle ........................................ 600
9
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
13.4. Разработки космических РСА, обеспечившие создание
научно техническоrо задела.................................................................. 602
13.4.1. Мноrорежимный космический РСА LightSAR для малоrо КА ...................... 602
13.4.2. Двухчастотный РСА «Траверс» модуля «Природа»
космической станции МИР. ........... ..... .......... ........... ..... ....... ...... ..... .... ............... 603
13.4.3. Мноrочастный бортовой радиолокационный комплекс КА «Алмаз lВ»...... 605
13.4.4. Мноrочастный поляриметрический бортовой радиолокационный
комплекс «ApKOH 2» ........................................................ ................................... 606
13.5. Состояние и перспективы развития РСА землеобзора космическоrо
б аз иро в ан ия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 08
13.5.1. Поляриметрический РСА С.. диапазона волн ASAR космическоrо
аппарата ENVI S А Т ............................................................................................. 61 О
13.5.2. Мноrорежимный поляриметрический РСА С..диапазона волн Radarsat..2 .... 612
13.5.3. Поляриметрические РСА L диапазона волн PALSAR космическоrо
ап парата ALO S .................................................................................................... 614
13.5.4. Орбитальная rpуппировка SAR Lupe ................................................................ 617
13.5.5. Космические аппараты Cosmo SkyMed............................................................. 618
13.5.6. РСА Т епаSАR Х ................................................................................................. 620
13.5.7. РСА TECSAR....................................................................................................... 622
13.5.8. Индийский РСА RISA Т 1 ................................................................................... 623
13.5.9. Перспективный РСА ТепаSАR L .... ..... ........... .... ..... ... ...... .............. ..... ............. 624
13.5.10. Радиолокатор «Северянин М» КА «Метеор..М» N ]
космическоrо комплекса rидрометеоролоrическоrо
и океаноrрафическоrо обеспечения..... ............. ..... ..... ............. ........... ............. 626
13.5.11. РСА малоrо космическоrо аппарата «Кондор Э» .......................................... 627
13.5.12. Проект двухчастотноrо БРЛК дЛЯ мониторинrа объектов топливно..
энерrетическоrо комплекса «CMOTp SP» ............ .......... ..... ..... ... .......... ..... ...... 632
3акл ючен ие .............................................................................................................................. .......... 635
литература..................................................................................................................... ..................... 637
Перечень n ринятых сокращений ..... ... ......... .... ... .... ..... .............. ..... ..... ..... ....... ..... ........ ..... ............ 665
Основные обозначения в формулах и физические параметры ............................................. 667
Сведения об авторах .. ........... ....... ......... ......... ..... ....... ... ......... ..... ..... ..... ....... ... ....... ... ... ..... ..... ......... 699
Monogra ph structu re ......................................................................................................................... 671
10
Выход в свет моноzрафии ((Радиолокационные системы землеобзора космиче..
CKOZO базирования» в научной серии ((Системы MOHumopUHza воздушноzо, кос..
мическоzо пространства и земной поверхности» в издательстве ((Радиотех..
ника» представляется чрезвычайно своевременным явлением.
Спутниковая радиолокация является на сеzодняшний день одним из важней..
ших наиболее успешно и динамично развивающихся направлений дистанцион"
HOZO зондирования Земли из космоса. Стремительное развитие этоzо направ..
ления привело к насущной необходимости собрать воедино, систематизиро..
вать и подверzнуть тщательному аНШlизу научно..технические достижения
последних лет и новые идеи в деле создания и развития радиолокационных
систем, технолоzий обработки, хранения, интерпретации и использования
получаемых данных, обобщить информацию о разрабатываемых и уже реШlи..
зованных проектах.
Основу спутниковой радиолокации составляют разработки методов и
аппаратуры, обеспечивающих формирование радиолокационных изображений
земной поверхности с высоким пространственным разрешением, которые
служат информационным обеспечением при решении широкоzо Kpyza задач на..
учноzо, народно..хозяйственноzо и оборонноzо характера. Получение таких ра..
диолокационных изображений стШlО возможным вследствие разработки и
практическоzо освоения специфическоzо метода радиолокации .. метода син"
тезирования апертуры антенны. Особо хочется подчеркнуть, что авторы мо"
ноzрафии являются пионерами создания радиолокаторов с синтезированной
апертурой в России, что позволяет читателю получить информацию ((из пер"
вых рук». В моноzрафии отражено изменяющееся и развивающееся содержа..
ние современной радиолокации, приведён обзор всех основных отечественных и
зарубежных радиолокационных систем CпymHUKOBOZO базирования с аНШlизом
их характеристик, возможностей и оzраничений. Безусловную ценность пред..
ставляют результаты мноzолетних научных исследований и прикладных раз..
работок авторов, отражающие их реШlЬНЫЙ вклад в развитие систем и мето..
дов радиолокационноzо CпymHUKOBOZO зондирования.
К несомненным достоинствам KHUZU следует отнести то, что она объе..
диняет две взаимосвязанные и взаимодополняющие задачи. Она включает в се..
бя не только последовательно проведенный аНШlиз теоретических основ и осо..
11
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
бенностей радиолокационных методов и построения радиолокационных сис..
тем, но и обзор наиболее впечатляющих научных результатов, полученных
при помощи таких систем. Fлавы, посвященные современным подходам к те..
матической обработке радиолокационной информации применительно к ши..
рокому KPYZY задач исследования процессов и явлений в океане и атмосфере над
ним, исследованию ледовоzо покрова, MOHumopUHZY растительноzо покрова и
объектов суши, предоставляют вОЗМО3lCность широкому KPYZY специалистов
получить систематизированное представление о вОЗМО3lCностях метода
спутниковой радиолокации и о ezo месте в схеме 2Лобальноzо MOHumopUHza.
Нельзя не отметить, что KHuza написана с большим мастерством. Из..
ложение построено таким образом, чтобы читатель получил необходимые и
наиболее полные сведения о современном уровне развития проблемы. Несмотря
на то, что во MHOZиx ВУЗах вводятся специальности или читаются спецкур"
сы по проблемам и методам дистанционноzо зондирования Земли, набор серь..
езной литературы, дающей представление о теоретических основах, совре..
менных возможностях и практических дости3lCениях в области спутниковой
радиолокации, весьма оzраничен. Хочется надеяться, что моноzрафия запол..
нит этот пробел и пОСЛУ3ICит ва3lCНЫМ вкладом в расширение научноzо KPYZO"
зора молодых ученых и понимание ими различных аспектов радиолокационноzо
зондирования Земли, а maK3ICe ока3lCется интересной и полезной как специали..
стам в области спутниковой радиолокации, так и широкому KPYZY читателей.
Директор
Учре3lCдения Российской академии наук
Институт космических исследований РАН
академик РАН
л.м. Зеленый
12
Отечественным ученым, конструкторам, ин:нсенерам,
испытателям, военным специшzистам .... создателям
первых в мире космических радиолокаторов землеобзора
п о с в я Щ а е т с я...
От редактора
Моноrрафия «Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирова
ния» третья книrа из научной серии «Системы мониторинrа воздушноrо, косми
ческоrо пространства и земной поверхности», посвящена новым направлениям по
строения современных космических систем радиолокационноrо наблюдения, пер
спективам их развития, принципам обработки и использования получаемой ин
формации. Моноrрафия обобщает результаты мноrолетнеrо освоения космическо
10 пространства с целью создания rлобальной информационной системы, обеспе
чивающей всепоrодное детальное наблюдение динамических процессов, связанных
с естественными и антропоrенными явлениями на планете Земля.
Рассматриваются задачи радиолокационноrо наблюдения земной и морской
поверхности, наземных и надводных объектов, характеризуемые общим термином
«землеобзор», который включает в себя дистанционное зондирования Земли (ДЗЗ),
мониторинr хозяйственной деятельности и природных воздействий, радиовидение.
В моноrрафии изложены теоретические основы и имеющийся научно
технический задел для проектирования космических систем радиолокационноrо
землеобзора, совершенствования методов получения и обработки радиолокацион
ной информации с учетом опыта разработок коллектива ОАО «Концерн «Bera».
Высокая информативность современных космических радиолокаторов с син
тезированной апертурой антенны (РСА) с метровым и субметровым пространст
венным разрешением, особенности взаимодействия радиоволн с объектами наблю
дения, возможность оперативноrо получения информации независимо от времени
суток и метеоролоrических условий, и, наконец, rлобальный охват районов съемки
обусловливают приоритетную роль космических средств радиолокационноrо Ha
блюдения для решения задач военной видовой разведки (в сочетании с информа
цией от оптоэлектронных датчиков) и обеспечения национальной безопасности.
Моноrpафия написана на основе только открытой отечественной и зарубежной
литературы (справочники, моноrpафии, статьи, учебные пособия, рекламные про
спекты), а также открытых публикаций сотрудников ОАО «Концерн «Bera», вклю
чающих более чем полувековой уникальный опыт создания аппаратуры авиационно
космическоrо базирования для наблюдения Земли и околоземноrо пространства.
Книrа состоит из предисловия, введения, OCHoBHoro материала (13 rлав), заклю
чения и списка литературы. Во введении дается краткий обзор развития космических
средств радиолокационноrо наблюдения (землеобзора). В rлавах OCHOBHoro материа
ла изложены роль космическоrо cerMeHTa в построении rлобальной информацион
ной системы двойноrо применения, особенности взаимодействия радиоволн с зем
ными покровами и объектами наблюдения, принципы построения, режимы работы и
реализуемые характеристики космических радиолокаторов землеобзора, rеометрия
13
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
обзора, связь характеристик принимаемых сиrналов с параметрами орбитальноrо
движения космическоrо аппарата с РСА. Рассмотрены вопросы синтеза радиолока
ционных изображений, их первичной и вторичной обработки, а также методы повы
шения информативности РСА с учетом аппаратурных оrpаничений.
Изложены современные подходы к тематической обработке радиолокационной
информации, формированию банка радиолокационных данных, автоматизации про
цесса интерпретации радиолокационной информации. Приведены алrоритмы Moдe
лирования процессов преобразования сиrналов в тракте РСА, методы оценки качест
ва изображения, вопросы калибровки выходноrо информационноrо продукта и KOp
рекции аппаратурных искажений.
Рассмотрены основные аппаратурные решения при создании современных
РСА, дан ретроспективный обзор развития космических средств радиолокационноrо
землеобзора и обнаружения объектов.
При изложении материала особое внимание уделено новым режимам работы
РСА (скошенноrо обзора, двойноrо приема, широкозахватноrо режима высокоrо
разрешения, возможностям повышения разрешения поперек линии пути посредст
вом использования серии интерферометрических снимков). Детально рассмотрены
особенности rеометрии космическоrо обзора, включая случаи высокоорбитальных
РСА и РСА на rеосинхронной орбите. Изложены наиболее эффективные для случая
космических РСА алrоритмы синтеза радиолокационноrо изображения (Р ЛИ) BЫCO
Koro разрешения, методы автофокусировки Р ЛИ с учетом поrpешностей баллистиче
ской информации и ошибок в трассе распространения.
Освещены современные методы последетекторной обработки Р ЛИ, включая
вейвлет преобразования и нелокальную фильтрацию. Проанализированные вопросы
реrистрации Р ЛИ с учетом параметров отображающих устройств и характеристик
зрительноrо восприятия, в том числе с применением псевдоцветной индикации.
Особое внимание уделено алrоритмам моделирования преобразования сиrналов
в сквозном тракте РСА с использованием экспериментальных комплексных изобра
жений. Они MOryт быть эффективно применены при проектировании РСА, наземной
отработке аппаратуры, при анализе нештатных ситуаций в процессе эксплуатации
РСА, а также интерпретации данных радиолокационноrо зондирования.
В конце текста проведены аннотация и структура книrи на анrлийском языке.
В моноrрафии приведен большой список литературы для уrлубленноrо изу
чения материалов по конкретным проблемам. В приложении приведены перечень
публикаций создателей радиолокаторов в коллективе ОАО «Концерн «Bera» и уча
стников работ из смежных орrанизаций (более 90 названий), а также перечень pa
бот, посвященных уникальным результатам дистанционноrо зондирования Земли в
10 CM диапазоне волн с использованием РСА «Меч К» и «Меч КУ», в том числе в
рамках международных экспериментов.
Часть ссылок, приведенных в списке литературы, например, на анrлоязычные
издания отечественных авторов, дублируют статьи на русском языке. Это сделано в
связи с их большей доступностью (включая онлайн ресурсы), чем ориrинальные
публикации в трудах конференций, изданных малым тиражом. В тексте книrи для
облеrчения поиска дополнительных материалов по ключевым словам приведен в
14
От редактора
скобках их перевод на анrлийский язык. При написании математических формул
применена латиница, что упрощает их проrpаммирование в среде МА TLAB/Mathcad
при инженерных расчетах и моделировании РСА.
Моноrрафия иллюстрирована большим количеством радиолокационных изо
бражений, полученных с помощью отечественных и зарубежных космических
РСА, включая изображения РСА TerraSAR X с разрешением от 1 м, любезно пре
доставленные фирмой Infoterra ambH [530].
Книrа предназначена для широкоrо крута специалистов по радиолокации и
дистанционному зондированию Земли инженеров, научных сотрудников, связан
ных с проектированием информационных систем, созданием и применением средств
радиолокационноrо наблюдения rpажданскоrо и BoeHHoro назначения, а также для
преподавателей, аспирантов и студентов соответствующих факультетов и вузов.
Авторы надеются, что данная моноrрафия станет настольной книrой разра
ботчика радиолокаторов землеобзора космическоrо (а по общим вопросам и ca
молетноrо) базирования. Уверенность в этом поддерживают и отзывы первых чи
тателей книrи ее рецензентов.
Отзыв доктора физико математических наук, профессора, академика РАН
Льва Матвеевича ЗелеНО20, директора Института космических исследований РАН
приведен в начале книrи.
Заслуженный деятель науки и техники РФ, Лауреат rосударственной премии
СССР, доктор технических наук, профессор Fеннадий Степанович KOHдpaтeH
ков, Почетный профессор ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковскоrо и Ю.А.rаrарина, один
из основоположников развития теории РСА и радиовидения, их реализации в ca
молетной аппаратуре, в своем отзыве отмечает, что предлаrаемая книrа (<является
первой отечественной МОНО2рафией, содержащей системное изложение знаний,
относящихся к решению научных, хозяйственных и военных задач землеобзора из
космоса с помощью радиолокационных систем. По своему комплексному подходу,
широте и 2Лубине изложения, и практической направленности данная МОНО2рафия
значительно превосходит недавно изданную КНИ2У американских авторов PiZZai, Li,
Himed «Space Based Radar», McGrowHiZZ, 2008 2.
В МОНО2рафии поставлены и разработаны Шl20рИтмы решения практически
всех задач радиолокаЦИОННО20 обзора из космоса. Это концепция использования
радиолокационных комплексов в 2лоБШlЬНОЙ информационной системе, методы
радиолокаЦИОННО20 землеобзора из космоса, принципы построения космических
радиолокационных систем, Шl20ритмы формирования детШlЬНЫХ радиолокацион
ных изображений, их тематической обработки и ре2истрации, вопросы проекти
рования аппаратуры, моделирования и КШlибровки, обзор современных и пepcпeK
тивных систем землеобзора космичеСКО20 базирования.
Важной особенностью МОНО2рафии является оценка использования косми
ческих радиолокационных систем для решения МНО20численных хозяйственных за
дач и их рыночная привлекательность...
Публикация данной МОНО2рафии, несомненно, будет важной вехой в разви
тии науки и техники радиолокационных систем землеобзора космичеСКО20 базиро
ван ия» .
15
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
в отзыве Заслуженноrо деятеля науки и техники РФ, доктора технических
наук, профессора, академика РАН Иzоря Борисовича Федорова, ректора MrTY
им. Н.Э.Баумана, заведующеrо кафедрой «Радиоэлектронные системы и устройст
ва» отмечено, что «в МОНО2рафии обобщен и систематизирован мировой опыт
создания и применения космических систем радиолокаЦИОННО20 землеобзора И, что
особенно важно, вклад в мировую науку и технику непосредственных участников
разработки отечественных радиолокационных информационных систем ОАО
«Концерн «Ве2а», создавше20 непревзойденный в нашей стране научно
технический задел в этой области техники.
Достоинством кни2U является системный подход к проектированию радиоло
каЦИОННО20 се2Мента сетецентрическux информационных техноло2UЙ, исчерпываю
щая полнота рассмотрения все20 КРУ2а вопросов, касающuxся разработки coвpeMeH
ных систем радиолокаЦИОННО20 наблюдения космичеСКО20 базирования 2раждаНСКО20
(дистанционное зондирование Земли) и воеННО20 (видовая разведка) пРUJvtенения...
Бла20даря высокому научному и инженерному уровню, доступному языку из
ложен ия, 2Лубокой проработке основных вопросов создания и использования систем
радиолокаЦИОННО20 землеобзора двОЙНО20 применения, широкому охвату пpeдcтaв
леННО20 в ней ОРИ2ИНШlЬНО20 матеРИШlа, а также подробному бибЛИО2рафическому
списку с ссылкa;wи на публикации для У2ЛублеННО20 изучения отдельных вопросов, MO
НО2рафия, несомненно, станет настольной КНИ20Й для инженеров разработчиков
радиолокационных систем, спеЦИШlистов по дистанционному зондированию Земли и
послужит дШlьнейшему развитию передовых информационных теХНОЛО2ИЙ».
Авторы блаrодарят коллектив специалистов Открытоrо акционерноrо общест
ва «Концерн радиостроения «Bera», чей опыт создания отечественной аппаратуры
радиолокационноrо наблюдения обобщен в настоящей моноrpафии. Особую бла
rодарность авторы выражают докт. техн. наук., проф. В.F.Елюшкину, докт. техн.
наук., проф. А.п.Курочкину, канд. техн. наук С.F.Лиханскому, канд. физ. мат. Ha
ук В.Ф.Лосю, В.Ю.Манакову, канд. техн. наук A.F.OcmpoBcKoMY, канд. техн. наук
В.А.Плющеву, докт. техн. наук., проф. Е.Ф.Толсmову за предоставление материа
лов в книrу и ценные замечания, способствующие ее улучшению, а также
r.В.Fладштейн и В.В.Радченко за их труд по подrотовке рукописи к печати.
Авторы будут признательны за все зa;wечания и предложения по содержа
нию КНИ2И, которые просим присылать в Издательство «Радиотехника» по aдpe
су: 107031, Москва, K 31, Кузнецкий мост, д. 20/6.
Телефон Издательства: + 7 495 625 92 41, телефон/факс: + 7 495 621 48 З 7,
e mail: info@radiotec.ru
Доктор технических наук,
профессор
Верба В.С.
16
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования являются эф
фективным средством получения оперативной и долrовременной информации о
состоянии и динамике объектов и районов земноrо шара в rлобальных и реrио
нальных масштабах независимо от метеоролоrических условий и времени суток.
Научные и инженерные основы для реализации таких систем заложены в cepe
дине прошлоrо века. Они были подrотовлены достижениями в области самолетноrо
приборостроения, в том числе разработкой в НИИ 171панорамной РЛС «Кобальт»
для бортовоrо комплекса прицельноrо оборудования «Рубидий» бомбардировщика
Ty 4 (1949). С помощью этой аппаратуры решались задачи навиrации и прицелива
ния по крупным площадным объектам в отсутствии оптической видимости.
Совершенствование аппаратуры (внедрение перестройки частоты, цветной
индикации, автоматическоrо обнаружения объектов на земной поверхности и др.),
а rлавное, переход от панорамных РЛС к радиолокаторам боковоrо обзора (РБО) с
улучшенным уrловым разрешением по азимуту (до 9.. .15 уrл. мин), способствова
2
ло развитию HOBoro применения радиолокации землеобзора [153*, 222*] .
Интенсивные исследования по совершенствованию радиолокаторов землеобзо
ра, выполненные в 1958 1961 rr. практически одновременно в СССР (ВВИА им.
проф. Н.Е. Жуковскоrо) и в США (Мичиrанский технолоrический институт), приве
ли к созданию принципиально новых средств радиолокационноrо наблюдения
KozepeHmHblX радиолокаторов с синтезированной апертурой антенны (РСА),
способных решать задачи радиовидения с пространственным разрешением в едини
цы и доли метра. Метод повышения уrловой разрешающей способности РЛС путем
создания искусственной антенны с коrерентным суммированием сиrналов, принятых
вдоль траектории полета (r.c. Кондратенков, авт. свид. 1959 r. [116] с приоритетом
на rод раньше американскоrо патента), был экспериментально подтвержден с помо
щЬЮ РСА 70 сантиметровоrо диапазона волн в ходе проведенной в ВВИА им. проф.
Н.Е. Жуковскоrо НИР «Азимут» (научный руководитель НИР А.П. Реутов) [116,
146]. С этих первых работ начались теоретические и экспериментальные исследо
вания в области РСА и их воплощение в конкретные разработки [4,28,39*,99,118,
192*, 195, 196, 200*, 209].
1
В 1967 r. НИИ..17 переименован в МНИИП, а с 2003 r. в ОАО «Концерн «Bera».
2 Здесь и далее звездочкой отмечены публикации создателей радиолокаторов землеобзора в кол..
лективе ОАО «Концерн «Bera» и непосредственных участников работ из смежных орrанизаций.
зct q
17
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
История создания отечественной аппаратуры радиолокационноrо земле обзора
воздушной и космической радиолокационной разведки, решенные технические
проблемы, а также вклад творческоrо коллектива, объединяющеrо специалистов
ОАО «Концерн «Bera» и смежных орrанизаций, подробно изложены в публикаци
ях, посвященных 60 летнему юбилею ОАО «Концерн «Bera» [39*, 222*].
Первой из работ была выполненная в 1961 1963 rr. фундаментальная НИР
«Клинок» (научный руководитель п.о. Салrаник), которая создала необходимый Ha
учно технический задел для проведения опытно конструкторских разработок РСА.
В НИР «Клинок» были проработаны вопросы теории РСА с оценкой влияния аппа
ратурных и траекторных нестабильностей на характеристики РСА, определены Tpe
бования к входящим подсистемам и пути их реализации, впервые были предложены
принципы построения и разработана теория РСА космическоrо базирования. Были
определены требования к составным частям РСА, исследованы пути их построения,
разработаны действующие макеты основных блоков бортовой аппаратуры.
На созданной экспериментальной базе были изrотовлены и испытаны caMO
летные макеты РСА трех диапазонов волн (2, 3 и 1 О см), установленные на самоле
тах Ил 18 и Ли 2. С их помощью проведен большой объем летных исследований,
позволивших обосновать параметры РСА в перспективных ОКР. Впервые в нашей
стране были получены радиолокационные снимки местности и объектов с разре
шением 10.. .15 м. Их сравнение с оптическими снимками выявило значительное
превышение контрастов отображения объектов и элементов местности, особенно
при работе в 1 O CM диапазоне волн.
В НИР «Клинок» и в последующих работах МНИИП по созданию самолетных
и космических РСА большой вклад внесен специалистами ВВИА им. проф.
Н.Е. Жуковскоrо и Ленинrpадской академии им. А.Ф. Можайскоrо.
Особое внимание уделялось созданию высокопроизводительных оптических
устройств синтеза радиолокационноrо изображения, основанных на подобии пре
образований коrерентных оптических сиrналов (rолоrраммы) с записанными вдоль
траектории полета коrерентными радиолокационными сиrналами (радиоrолоrрам
мами). Достижению высоких результатов способствовало привлечение к разработ
ке этих устройств специалистов ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковскоrо под PYKOBO
дством r.A. Кондратенкова и rои им. С.И. Вавилова под руководством Ю.Н. Дe
нисюка в части принципов оптической обработки сиrналов РСА и реализации KO
rерентной оптической системы.
Реализация и совершенствование отечественных средств радиолокационноrо
землеобзора в последующие rоды осуществлялась в следующих направлениях:
разработка и введение в эксплуатацию аппаратуры воздушной радиолокационной
разведки; проведение исследований по оценке и повышению информативности
РСА, а также развитию методов дистанционноrо зондирования Земли (ДЗЗ); разра
ботка и эксплуатация космических РБО и РСА.
Работы по созданию средств воздушной разведки, завершенные передачей в pe
ryлярную эксплуатацию, выполнялись в рамках ОКР «Булат», «Штык», «Сабля»,
«Шомпол» для самолетов Як 28БИ, Cy 24MP, Миr 25РБ, Ty 22M (руководители pa
18
Введение
бот А.Т. Метельский, r.A. Зонненштраль, В.В. Вепринцев, r.п. Володин, А.А. Kyx
тин), ОКР «Авиационная система наблюдения «Открытое небо» (РСА «Ронсар») и
ОКР «Аннотация» по сертификации характеристик аппаратуры (руководители pa
бот Л.Н. Тяпкин, В.Н. Шахrеданов), ОКР «ИМАРК» мноrочастотный поляримет
рический бортовой радиолокационный комплекс с цифровой адаптивной обработ
кой информации (руководители работ А.В. Дзенкевич, В.А. Плющев).
В ряде проведенных НИР «Экран l» (научный руководитель r.A. Зонненшт
раль), «Изrородь», «Силуэт» восьмимиллиметровоrо РСА с разрешением 30 см
(научный руководитель В.Б. Штейншлейrер) и др. намечены пути совершенство
вания самолетных РСА с улучшением разрешения от единиц метров до единиц дe
циметров. Параллельно проводились экспериментальные исследования, целями
которых были подтверждение параметров разрабатываемых РСА и оценка инфор
мативности радиолокационноrо зондирования земной и морской поверхностей для
решения широкоrо Kpyra мониторинrовых задач, изучения радиофизических
свойств земной поверхности и объектов. Такие исследования с использованием
РСА разных диапазонов волн, установленных на самолетах Як 28ИБ (3 см), Ty 124
(3 см и 2,5 м), Ил 18 (10 и 68 см), Ty 134A и Ан 26БРЛ «Арктика» (3, 23, 68 см и
2,5 м), проводились совместно с ИРЭ РАН. Следует также упомянуть эксперименты,
проведенные в НИИП им. В.В. Тихомирова, Холдинrе «Ленинец», НИИТП и в дpy
rих орrанизациях. Эти исследования позволили получить ценную информацию для
практическоrо применения материалов радиолокационноrо зондирования Земли.
Эпоха космической радиолокации наземных и надводных объектов открылась
в 1971 r. запуском космическоrо аппарата YC A «KOCMoc 402» с бортовым радио
локационным комплексом активным cerMeHToM системы морской космической
разведки и целеуказания (МКРЦ) [88*, 545]. Идея создания космических аппаратов
с радиолокаторами для наблюдения морской поверхности и контроля надводной
обстановки была впервые сформулирована в 1959 r. выдающимся rенеральным
конструктором НПО машиностроения академиком В.Н. Челомеем. Общее научное
руководство созданием системы МКРЦ осуществлял rенеральный конструктор
ЦНИИ «Комета» академик А.И. Савин. Разработанный в МНИИП бортовой KOM
плекс (rлавный конструктор И.А. Бруханский) включал широкозахватный радио
локатор боковоrо обзора (РБО) «Риф», бортовую цифровую вычислительную Ma
шину (БЦВМ) и линию передачи данных. Комплекс обеспечивал при работе в aB
томатическом режиме обнаружение и определение координат надводных кораблей.
Для обеспечения высокоrо энерrетическоrо потенциала РБО электропитание на
борту КА обеспечивала ядерная энерrетическая установка (ЯЭУ) «Бук».
Система МКРЦ с КА YC A, YC AM была принята в 1975 r. и успешно функ
ционировала (28 запусков) до 1988 r.
Линия космических РБО, обладающих rрубым пространственным разрешени
ем (",2 км), но хорошим радиометрическим разрешением (около 1 дБ) и широкой
полосой захвата (до 500 км), была продолжена отечественной проrраммой «Океан»
(КА «KOCMoc 1500», «Океан» и др.), сыrравшей важную роль в изучении Мировоrо
океана и ледовоrо покрова, а также при решении практических задач обеспечения
судоходства в полярных широтах [197].
19
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
Сложная судьба достал ась отечественным космическим системам детальной
радиолокационной разведки [49*, 222*, 552]. В 1966 r. в МНИИП была начата разра
ботка орбитальной пилотируемой станции (ОПС) «Алмаз А» с РСА «Меч А» 1 O CM
диапазона волн (rлавный конструктор п. о. Салrаник). К марту 1978 r. летный KOM
плект ОПС «Алмаз А» был rOToB к запуску (ранее американскоrо Seasat A). Запуск
был отменен. Была задана разработка РСА «Меч К» для автоматическоrо космиче
cKoro аппарата (КА) «Алмаз Т», который был rOToB к запуску в 1982 r. После семи
лет пребывания КА «Алмаз Т» с РСА «Меч К» на полиrоне Байконур коллективам
разработчиков космическоrо аппарата и РСА удалось реализовать в 1987 r. запуск и
успешную эксплуатацию в 1987 1989 rr. РСА «Меч К» на спутнике «KOCMOC 1870».
В реализацию и совершенствование отечественных космических РСА боль
шой вклад внес ведущий специалист НПО машиностроения Е.А. Ксенофонтов. Ha
земная обработка информации с помощью машины оптическоrо преобразования
информации (МОПИ) обеспечивала получение радиолокационных снимков с раз
решением 15...20 м
Усовершенствованный вариант РСА «Меч КУ» с улучшенными характери
стиками был успешно реализован в составе КА «Алмаз l» в 1991 1992 rr. Был
применен цифровой синтез радиолокационных изображений с помощью MHoro
процессорноrо вычислительноrо комплекса ПС 2000 с алrоритмами синтеза MeTO
дом ускоренной прямой свертки с субапертурами [90*, 157*, 158*] (ответственный
за наземную обработку Л.Б. Неронский). Достиrнутая разрешающая способность
радиолокационных снимков составляла 1 о. . . 15 м.
После завершения эксплуатации РСА «Меч КУ» на КА «Алмаз l» архив полу
ченных радиоrpамм, обработанный с помощью вычислительноrо комплекса на базе
универсальных ЗВМ в НПО машиностроения (ныне ОАО «ВПК «НПО машино
строения»), доступен для использования заинтересованными потребителями [538].
До настоящеrо времени информация, полученная с помощью РСА «Меч КУ» явля
ется наивысшим отечественным достижением в области радиолокационноrо зонди
рования из космоса, а, учитывая используемый в РСА отличающийся от зарубежных
РСА диапазон волн 1 О см, она является уникальной и в мировом масштабе.
За истекшие rоды в МНИИП (ОАО «Концерн «Bera») выполнен ряд НИР и
этапов ОКР, направленных на повышение информативности космических РСА и
формирование научно техническоrо задела для создания РСА, отвечающих COBpe
менным требованиям. Начиная с 1990 r. работами по созданию систем землеобзора
из космоса руководит и.r. Осипов. За это время выполнены эскизные проекты MHO
rорежимных мноrочастотных бортовых радиолокационных комплексов (БР ЛК)
ЗКОР В (3, 10 и 68 см) для КА «Алмаз IВ» (rлавный конструктор БРЛК и.r. Оси
пов), БРЛК Спинар IДМ (rлавный конструктор Ю.Н. Кулыба) с дециметровыми
каналами (23 и 68 см) для трехчастотноrо БРЛК полезной наrрузки КА «ApKOH 2»,
НИР «Арктика», «Корвет» (ответственный исполнитель в.з. Турук) широкоза
хватный РСА 3 CM диапазона волн для ледовой разведки, использующий антенну с
частотным сканированием по уrлу места, НИР «Карта» (исполнители в.з. Турук,
Л.Б. Неронский) с проработкой путей построения высокоорбитальных РСА, техни
ческие предложения по РСА «CMOTp X» и «CMOTp L» (исполнитель А.А. Липатов)
20
Введение
для мониторинrа объектов теплоэнерrетическоrо комплекса, а также НИР «Видео
решетка» (научный руководитель А.П. Курочкин) и НИР «Плеск Веrа» (научный
руководитель Ю.Н. Кулыба), в которых прорабатывались перспективы создания
сверхширокополосных видеоимпульсных РСА космическоrо базирования.
Качественным скачком в развитии космических средств земле обзора является
полномасштабная разработка РСА десятисантиметровоrо диапазона (rлавный KOHCT
руктор И.r. Осипов, с декабря 2004 r. В.З. Турук) для малоrо космическоrо аппарата
«Кондор З». При проектировании РСА предусматривалось создание универсальной
мноrорежимной аппаратуры с сочетанием BbIcoKoro пространственноrо разрешения
(1. . .2 м), изобразительных и измерительных свойств получаемых снимков для реше
ния широкоrо класса мониторинrовых задач, а также контроля оперативной обстанов
ки в зонах конфликтов. Ero реализация в сочетании с действующей зарубежной и про
ектируемой отечественной аппаратурой, работающей в дрyrих диапазонах волн, суще
ственно расширит информационные возможности rлобальной системы дистанционно
ro зондирования Земли, в том числе по районам Крайнеrо Севера и Антарктиды [45*].
Исторически реализация и освоение космических радиолокаторов с синтези
рованной апертурой антенны (РСА), которые, в принципе, MorYT обеспечить про
странственное разрешение получаемых снимков до долей метра, можно характери
зовать четырьмя этапами [55, 72, 125, 126, 215, 332, 454].
Первый этап исследовательский, включающий запуск американских РСА
Seasat A (1978), SIR A (1981), SIR B (1982), работающих в 23 CM диапазоне волн,
отечественных РСА «Меч К» и «Меч КУ» космических аппаратов «KOCMOC 1870»
(1987 1989 rr.) и «Алмаз 1» (1991 1992 rr.), работающих в 1 O CM диапазоне волн,
трехчастотноrо (диапазоны 3,1, 5,6 и 23 см) поляриметрическоrо РСА SIR C/X
SAR (1994) совместной разработки США, rермании. На этом этапе был накоплен
большой экспериментальный материал, отработаны методы решения задач BoeH
ной разведки, разработаны методики, а также проrраммные пакеты для обработки
и интерпретации получаемых радиолокационных изображений.
Второй этап уточнение методик тематической обработки радиолокацион
ных снимков и их применение для решения практических задач дистанционноrо
зондирования Земли в разных сферах деятельности. С этой целью используется
информация с европейских КА ERS 1 (1991 2000), ERS 2 (с 1995), канадскоrо Ra
darsat 1 (с 1995), японскоrо JERS 1 (1992 1998). Решение задач разведки сухопут
ных объектов и обеспечения военных операций «Буря в пустыне», война в Ираке
реализуется системой военных спутников США Lacrosse (запуски в 1988, 1991,
1997, 2000, 2005) с разрешающей способностью до 0,6 м.
Третий этап, характеризующийся резким скачком в технолоrии радиолока
ционной съемки, включает запуск в 2000 r. интерферометрическоrо РСА с жесткой
базой SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) со съемкой 80 % земной суши для
построения карт рельефа местности, эксплуатацию полнополяриметрических РСА
Envisat 1 и Р ALSAR и широкое коммерческое использование космической радио
локационной информации, в том числе в интересах частных потребителей.
Четвертый этап характеризуется информационным взрывом в области KOC
мических радаров, который произошел в 2007 r., коrда rермания, Италия, Китай,
21
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
)ния, Канада вывели на орбиты 9 спутников с бортовыми радарами [125]. OTMe
чается, что на протяжении 90 x rодов спутники с бортовыми радарами с синтези
рованной апертурой запускали четыре страны с темпом один старт в 1 ,5 2 rода.
Пентаrон использовал военные спутники Lacrosse для всепоrодноrо слежения за
советскими военными объектами на Севере и мобильными пусковыми YCTaHOBKa
ми МБР. Масштабы применения rражданских радарных спутников Канады, ESA и
Японии в 90 x rодах оставались довольно скромными из за сравнительно высокой
стоимости и недостаточной детальности радарных изображений, что оrраничивало
области их применения.
В начале HOBoro века ситуация изменилась коренным образом. Современные
технолоrии позволяют создавать спутниковые радиолокаторы с РСА, способные
получать из космоса высокодетальные изображения объектов на Земле с простран
ственным разрешением менее 1 метра. Спецслужбы и оборонные структуры пер
выми оценили преимущества радиолокационной съемки из космоса. Сразу He
сколько стран Япония, Китай, rермания, Италия, Израиль и Корея стали разраба
тывать военные спутники с РСА MeTpoBoro и субметровоrо разрешения. Появились
аналоrичные коммерческие проекты и проrраммы двойноrо назначения.
Достиrнутая высокая разрешающая способность космических РСА позволяет
решать задачу радиовидения, имея преимущества перед съемкой в оптическом
диапазоне не только во всепоrодности, но и в возможности обнаружения и опозна
вания объектов наблюдения по радиолокационным контрастам, селекции движу
щихся наземных объектов [118,194,211].
Используется мноrочастотное поляриметрическое зондирование с измерени
ем амплитудных и фазовых различий отраженных сиrналов. Широко применяется
интерферометрическая обработка данных радиолокационноrо зондирования для
получения детальных трехмерных портретов объектов наблюдения, стационарных
и движущихся, выявления изменений, вызванных природными, техноrенными и
антропоrенными факторами.
Существенноrо повышения информативности систем радиолокационноrо Ha
блюдения следует ожидать как от повышения пространственноrо разрешения KOC
мических РСА, так и от развития методов комплексной интерферометрической об
работки данных разных частотных радиоканалов. Эти методы MorYT приблизить
возможности распознавания типа объектов техники, идентификации и измерения
физических параметров подстилающей поверхности (толщины пленок на морской
поверхности, распределения влажности почвы и др.) к перспективным методам ис
пользования сверхширокополосных сиrналов.
Примечательно, что как за рубежом, так и в России наблюдается серьезное
продвижение в использовании методов обработки космической радиолокационной
информации для решения практических задач землепользования, сельскохозяйст
BeHHoro и лесноrо мониторинrа, эколоrии суши и морской поверхности, контроля
районов рыбной ловли. Особо эффективны методы дифференциальной интерферо
метрии для выявления предвестников опасных явлений в окружающей обстановке:
оползней, паводков, критических изменений rеометрии природных и искусствен
ных объектов и инженерных сооружений [364, 520].
22
Введение
Широкий Kpyr проблем, связанных с реализацией космических РСА и приме
нением материалов радиолокационной съемки, широко освещается в журнальных
публикациях (IEEE Transactions оп Geoscience and Remote Sensing, «Исследования
Земли из космоса», «Радиотехника», «Радиотехника и электроника», «Наукоемкие
технолоrии» и др.) и трудах симпозиумов и конференций как зарубежных (EUSAR,
IGARSS, RADAR, URSI), так и отечественных (НТОРЭС им. А.С. Попова, ИКИ
РАН, ИРЭ РАН, Научноrо совета по космосу РАН и др.).
Из книжных публикаций последних лет следует отметить коллективную MO
ноrрафию «Аэрокосмический радиолокационный мониторинr Земли» под peдaK
цией А.И. Канащенкова, издательство Радиотехника, 2006 r. [17], в которой приве
ден подробный перечень задач, решаемых космическими РСА, рассмотрены BO
просы распространения электромаrнитноrо излучения в неоднородных средах,
разработана иерархическая структура построения космической системы радиоло
кационноrо мониторинrа. Следует отметить также выпущенные издательством
ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковскоrо в 2008 2009 rr. учебники «Радиолокационные
системы воздушной разведки, дешифрирование радиолокационных изображений»
под редакцией Л.А. П1КОЛЬНО20 [194] и «Теоретические основы построения радио
локационных систем дистанционноrо зондирования Земли», авторы KOHдpaтeH
ков ТА., Фролов А.Ю. [117]. Приведенные в них скрупулезное изложение класси
ческих принципов формирования синтезированной апертуры и математических
преобразований сиrнала, вопросов обнаружения целей можно с успехом использо
вать для изучения основ предмета с последующим учетом специфики космических
РСА, изложенной в предлаrаемой моноrpафии.
Современное состояние аппаратурноrо оснащения средствами дистанционноrо
зондирования Земли, методолоrии их применения и реализуемоrо эффекта от их ис
пользования, а также баланса между затратами и окупаемостью еще далеки до Ha
сыщения. Прослеживается ряд направлений развития этой области информаци
онных технолоzий с учетом потребностей rpажданскоrо и BoeHHoro применений:
. широкое применение комплексных методов тематической обработки с ис
пользованием набора оптических, ИК и радиолокационных датчиков. Объе
динение ( сближение) и стандартизация требований к аппаратуре BoeHHoro и
rражданскоrо применения, мониторинrа катастроф и чрезвычайных ситуаций;
. увеличение состава орбитальных rруппировок для уменьшения времени об
новления информации преимущественно путем введения малоrабаритных
космических датчиков РСА сантиметровоrо диапазона волн, rде леrче дoc
тиrается субметровое пространственное разрешение, но значительно меньше
возможностей для информации методами интерферометрии в связи с резкой
зависимостью от поrодных условий и состояний растительноrо покрова;
. непрерывное и реrулярное использование действующих радиолокационных
датчиков для проведения архивных съемок в фоновом режиме с оrpаничения
ми только по энерrопотреблению и пропускной способности канала передачи
данных. Это позволяет формировать банки радиолокационной информации
для их использования в режимах выявления изменения в оперативной обста
новке, повышения информативности материалов съемки радиометрическоrо
23
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
или пространственноrо разрешения или построения детальных карт рельефа
местности;
. при проектировании новых радиолокационных датчиков предусматривается
их мноrоФункциональное использование, rибкое цифровое управление пара
метрами сиrналов и режимами, возможности комплексирования активных
(передающих) и пассивных (приемных) устройств в мноrопозиционные авиа
космические элементы rлобальной информационной системы.
Учет перечисленных направлений реализуется в системном подходе к проек
тированию аппаратуры радиолокационноrо наблюдения, элементы KOToporo про
слеживаются по мере рассмотрения изложенных в моноrрафии частных вопросов,
связанных с созданием и применением радиолокационных систем землеобзора
космическоrо базирования.
24
rлава 1
рАдиолокАционныE систЕмы 3ЕМЛЕОБ30РА
v
КОСМИЧЕскоrо БА3ИРОВАНИЯ в rЛОБАЛЬНОИ СИСТЕМЕ
АЭРОКОСМИЧЕскоrо монитоРинrА
1.1. Структура rпобапьной системы аэрокосмическоrо мониторинrа
Развитие средств дистанционноrо зондирования Земли и околоземноrо простран
ства (атмосферы, ионосферы, маrнитосферы, rpавитационноrо поля), систем полу
чения координатной информации (GPS, rЛОНАСС), спутников ретрансляторов на
rеостационарных орбитах, rлобальных сетевых коммуникационных систем и ин
формационных технолоrий привело к созданию rлобальных систем аэрокосмиче
cKoro мониторинrа. Обеспечивая оперативное слежение за земной и водной по
верхностью и состоянием окружающей среды, системы аэрокосмическоrо монито
ринrа позволяют решать задачи разведки, картоrрафии, проrнозирования rлобаль
ных природных процессов, в том числе опасных, управления транспортными пото
ками, поиска полезных ископаемых, rосударственноrо и муниципальноrо управле
ния, научных исследований и т.п.
В зависимости от состава и принадлежности источников получения данных,
содержания решаемых задач, орrанизации распределения информации, а также ее
применения, различают rлобальные системы аэрокосмическоrо мониторинrа (Меж
дународные и национальные) rpажданскоrо и BoeHHoro назначения. Общим для
этих систем служит реализуемый в них комплекс базовых функций, основными из
которых являются [184]:
. наблюдение поверхности Земли и околоземноrо пространства с использова
нием аппаратуры оптическоrо, инфракрасноrо и радиодиапазонов, низко и
высокочастотных волновых комплексов, плазменных комплексов, комплексов
мониторинrа энерrетических частиц, маrнитометров, масс анализаторов,
спектромеТРОВ,rрадиентометров;
. сбор и реrистрация на борту носителей средств наблюдения получаемой ин
формации;
. передача с борта на наземные станции приема информации в режиме получе
ния и с задержкой при ее накоплении данных в бортовом запоминающем YCT
ройстве;
. первичная обработка информации на наземных станциях приема и передача
полученных данных в rлобальные (Международные) и национальные центры
управления различноrо назначения;
. сбор и обработка данных для решения задач rлобальноrо оперативноrо и
краткосрочноrо проrноза процессов на земной поверхности или околоземноrо
25
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
пространства, а также ее хранение и отображение в rлобальных (Междуна
родных) и национальных центрах управления различноrо назначения;
. обеспечение потребителей навиrационной информацией, получаемой косми
ческими навиrационными системами, в интересах проведения мероприятий,
связанных с перемещением необходимых ресурсов.
Наиболее полное решение задач оперативноrо слежения за земной поверхно
стью и состоянием окружающей среды обеспечивается структурой zлобальпой
системы аэрокосмuчеСКО20 MOHUmopunza, развертываемой Федеральным косми
ческим areHTcTBoM России в интересах выявления предвестников стихийных бед
ствий, природных и техноrенных катастроф [184].
Система включает в себя космический, авиационный и наземный сеrменты
(рис. 1.1).
..__: #:--_:."C-# ._ ::. :.::
'::.' ::: -, ,,::,'., :::<:J:;:,.::: - -::. -..-.__..:.'.
КОСМИЧЕСКИЙ cefMEHT
fруппировц МКА наrеocrnЦИQнар;ной орбмnt
. '"' ....... ...... ... ........ ....... ........................... .. '"".......................... ......... ';;"::' . ......,....... ........ .................. .
t-', .
fрynПИрQВka МКд на СОJ1tМчно..сМtОСРОffоыхорбита;х
/
, ... ;"t
;;
;
'"
",'
l'
.
\
...
'"
....
,,'
,
,
,
. ,
"-
,
..
\
'.
.
,
. : .....
"'" . н.. «-. :.ti/ .: .. :./" .'.. .
; ,.
. QИА ИОНН. Еrмеtfr
: :<. T ';!. i) { 'G"', ""
r " "3.. : ... ...
маЦ1*СНШ1f>ные.DitЙЦИСНtI (..m' .1' -o()ttg, . .: . :;'
_",. ...
,'''' ..'-'.
. ,," .' ,".- ","
НА 3 ЕМН bl Й С Е r м Е Н Т
.i;!j
Й
!Jtt'8nl!EkC
аыСОО4&1Кй 1
ПОПЕТое .
".;fJOWUЖЫХ.CVA <:.i;:t ,,-" ,
РАКе1tЮ.КОСММЧЕQ(мI' рмтю..IЮСМ"ЧЕСК..м l !; .
I(OW!ЛEI(С дпй ВЫ8EДtttМЯ mfIIМfKC ДI'tЯ eblSEДEИI- .. j;
rEOC'tAЦ.i«)HAPfiЫX ХА H OOfIfiIi(fAnbНbIX КА;' 1, .
,.. '
'\J.
n
нлi:tиtАЦИОННОм
НФОРМАUИ. .. ШШСИСТf;.МД
!1 .'.-
'.. '." ."! НАЗI;МrtЫЕ ТЕХНУ1Ч СКИЕ .: i
tlf. .';;" . . СРЕдСТВА' \ "11
<""......... ы" НА1В1НЫй
КОММЕКС J((IМfU1E)fC
УПРА8l1енм YflРA8l1EJ1Мй
rPmПi8PO(fК(]Й fP'Yfl11МРОВКQИ
ЕОСТАI.lИОНA.PtIЫX . КООРМТМЬНЫХ КА ;
> \. rJ1:= н 1f:н:<:t я'
. " ,'.
:....:. l'
. . . noдaICJEМA . ПОДСW;ТЕI«A .
e&oPAДAt4HblX ппдОСТАВЛЕНКR
а4Н«JPlWlии
АИСТАнцмонноro . rEOФtФNECtIМX. .RSnЕНИJU(
1iUI ЗEМJlМ . ИnPOf'Ж)W ТАСТ .
.. ,*"EfPИPCI8A.IoIНЦ '.: CМCТEМAOblCnf\jI:HM
(EllЕМА fW'ltc:цJt. nО1РЕ6МТEIIЕИ
с.сТЕМА SblСОICOТО\fНОЙ
ТРАНСПОРТНЫХ.. НАSIМ'АUИОННОЙ
КOPIiЩOPOS Н МН4OPIIAЩ!f!!
noд<жcmц
CiOP:AДA.t4HЫX . fЮACКCТUIд
A3I0CЪEMКМM .... .. QSPAGOТW
ДАNц:OrО1ЮtlТPOМ .'" '. ДAННЫX.КAвnIOД.E-Jo!
сrАнt( W ний
::".::.;.; .., , "::";;. - :.:-:-:.:--: ,... ... .;::::; . ,"'-',о . .:: :' ::::; ,'"
;; :_,,=;.. .' ';: .." ,. .. ',> "" ; :._ "'" .., .
".)':'
Рис. 1.1. Структура rлобальной системы аэрокосмическоrо мониторинrа [184]
Космический се2Мент включает орбитальную rруппировку, состоящую из
космических аппаратов (КА), расположенных на разных орбитах (низких и reocTa
ционарных), функционально использует орбитальную rpуппировку КА связи И
ретрансляции, а также информацию rлобальных навиrационных систем
rЛОНАСС, GPS и Galileo.
Состав rpуппировки КА определяется содержанием конкретных задач, pe
шаемых системой. Например, для выявления признаков (предвестников) землетря
сений rpуппировка КА BepxHero яруса должна включать в себя созвездие из шести
26
fлава 1.. РЛС землеобзора космическоrо базирования в rлобальной системе ...
спутников на rеостационарной орбите (рис. 1.2), а rруппировка КА нижнеrо яруса
3 4 спутника на солнечно синхронных орбитах высотой 600...700 км С РСА.
(
:i!
;
ПРЕДВЕСТНИКИ ЗЕМЛЕТРЯ.СЕНИЙ РЕrИСТРИРУЕМЫЕ КОСМИЧЕСКОИ СИСТЕМОЙ
-- ..... . " . , . . .J , :I I , ,: . ," . ...., . rьл .. .. .. . . . . 'у.
: . , ,'" ....., \J!"'.. ' (: .. " . . . . '. ... . ..
.....:: . C_, '""" N
ч: , . " "', 'l: /: ',1:1 < .' >', , ',."
Аномалии МatH\'ITHble Уровень Тепловые
rp&814Т3ЦИОННoro неОДliОРОДН(}С'ТМ rрунтов:ых ВОД аномалии Смещение земном
nОМ t. поверхн ти
.. . ':11
п, :_
ДНОмaJ'1и,.t оБJ1U'ЧЦЬIJt
полей
1
....-:........... .-
....
.......
.+
..
.+
.+
....
.*
..
. ............
.-.
-.
+.
..
....
+.
...
..
...
.....
'!: .....:=r
<'-'4
"i1"
.
:
:
!
.
..
*
:
.
.
:
..
'"
:
"
:,
.
.
.
\
...
...
,
t .'
" . ",
I
...
...
+..
...
..
*..
..
.......
..
..
..
...
..
\
.
.
.
.
.
.
.
..
.
..
..
:
"
!
..
./
\ / 00/000:
"...III..... ...II ............ф..
оное ..ep ыe
80зм'ущен"я
КОНТРОЛЬ
РАСПРОСТРАНЕНИЯ
ВОЛН ЦУНАМИ
ЗJепыА циклон
. . -'
' .. -t I .... : \ .
\ . "", ."ь.;..4,'
. .\'( <t :,; 'J
; . ,' " ,: J/I$'
OЦEH ПОСЛЕДСТВИJ1
стихииных БЕДСТВИИ
<'<" ..
..
'...1...
'. 'I", ,:."'t
; :/,:
Формирование.
о
цунами
КОНТРОЛЬ СТАДИЙ
РАЗВИТИЯ
UИКЛОНА
\,
, ,
, ):;..
" ." )
..
l'
. i. '.' '
После цyкalМ"
Рис. 1.2. Структура rpуппировки КА rлобальной системы аэрокосмическоrо мониторинrа,
обеспечивающей решение задач проrноза землетрясений [184]
Авиационный се2Мент авиационные средства (самолеты, вертолеты, дирижаб
ли, беспилотные авиационные комплексы). Авиационный cerMeHT системы предназна
чен для оперативноrо решения задач локальноrо характера, не реализуемых возмож
ностями космических средств [17,33*,34*,36*,37*,41 *,42*,44*, 118, 184, 194].
Наземный се2Мент системы включает наземные комплексы выведения и
управления КА (ракетно космические комплексы, наземный комплекс управления
КА), наземный специальный комплекс.
Наземный комплекс выведения КА ракетно космические комплексы, развер
нутые на космодромах.
Наземный комплекс управления центры управления полетом, стационарные
наземные станции командно измерительной системы с соответствующими cpeДCT
вами управления КА и связи, мобильные станции командно измерительной систе
мы и обмена информацией, систему связи и передачи данных.
Обеспечение потребителей мониторинrовой информацией осуществляется
средствами наземноrо специальноrо комплекса, который включает навиrационно
информационную систему и систему дистанционноrо обучения в области монито
ринrа и проrнозирования природных и техноrенных катастроф.
27
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
Эффективность системы rлобальноrо аэрокосмическоrо мониторинrа опреде
ляется возможностями применяемых средств наблюдения состояния поверхности
Земли и околоземноrо пространства (в оптическом, инфракрасном, радио, низко и
высокочастотном диапазонах и т.д.), а также технолоrий обработки и распростра
нения аэрокосмической информации.
В общей структуре информационной системы аэрокосмическоrо мониторинrа
можно выделить два основных направления, различающиеся решаемыми задачами,
источниками получения данных, орrанизацией процесса распределения информа
ции, а также ее применением:
1) национальный фраrмент 2еоинформационной системы (rис), решающей
задачи rражданскоrо применения, в том числе мониторинrа катастроф;
2) национальные информационные системы воеННО20 назначения (ИСВН).
Данные для rис от оптоэлектронных, радиолокационных и друrих датчиков
космическоrо базирования распределяются на коммерческой основе (или по Меж
дународным соrлашениям по мониторинrу катастроф) через фирмы дистри
бьюторы.
Источником данных дЛЯ ИСВН являются национальные средства землеобзора
или данные, получаемые от друrих стран по доrоворам о Международном COTPYД
ничестве (например, EC HA ТО), в том числе по совместной антитеррористической
деятельности.
Наиболее информативные средства получения видовой информации опти
ческие и радиолокационные датчики, работающие в разных частях электромаrнит
Horo спектра. Блаrодаря различию свойств электромаrнитных волн и принципов
формирования изображений обеспечиваемая этими средствами информация вза
имно дополняет друr друrа.
В разделах 1.2 1.3 рассмотрено место радиолокационных систем землеобзора космическо
ro базирования как важнейшеrо cerMeHTa rлобальной аэрокосмической информационной
системы двойноrо применения. Подробное описание аэрокосмической rpуппировки дано в
разделе 1.4.
1.2. Информационные параметры радиолокационных систем
землеобзора космическоrо базирования
Дадим определения основным информационным параметрам радиолокационных
систем землеобзора космическоrо базирования в сравнении их с параметрами оп
тоэлектронной аппаратуры, работающей в видимой части электромаrнитноrо спек
тра. Рассмотрим особенности космической радиолокационной съемки в интересах
rражданских и военных потребителей.
Радиолокационные системы являются активными средствами наблюдения,
использующими облучение пространства зондирующим сиrналом, прием и обра
ботку отраженных сиrналов и формирование выходных радиолокационных изо
бражений (Р ЛИ), в которых представлена информация о разных свойствах объекта
наблюдения, извлеченная из принятоrо сиrнала, отраженноrо от облученноrо объ
екта или подстилающей поверхности. Кроме моностатических (одНОnО3ИЦИОННblХ)
28
fлава 1.. РЛС землеобзора космическоrо базирования в rлобальной системе ...
радиолокационных датчиков, в которых передатчик и приемник размещены на oд
ном КА, возможно МНО20nозиционное построение радиолокационной системы
(бистатическое, мультистатическое), коrда передатчики и приемники размеща
ются на разных КА и образуют мноrодатчиковое информационное поле (техноло
rия MIMO Multi Input Multi Output [403]).
rеометрия радиолокационноrо обзора отличается от оптической съемки, при
которой изображение строится в центральной уrловой проекции относительно цeH
тра кадра в перспективной проекции (аналоrично Р ЛИ), а также в плановой про
екции (при съемке в надир). При радиолокационном обзоре (моностатическом,
см. рис. 1.3) основной режим работы системы боковой обзор кадровая или
маршрутная съемка. РЛИ строится в координатах «наклонная дальность пyтe
вая дальность», поэтому полоса съемки (дУ) или снимаемый кадр смещены OTHO
сительно траектории следа КА (координата Х на рисунке) вправо (правосторонний
обзор) или влево (левосторонний обзор). Координату вдоль линии пути КА часто
по аналоrии с радиолокаторами KpyroBoro обзора называют азимутом.
У2
х
Ii
У\ / ... '" ....
R шах /' '..... .,..
.._ .._.__...._.../YObZ
. ..,...... ......, ....... .........
УЗ
Рис. 1.3. rеометрия радиолокационноrо обзора
Положение полосы (или кадра) радиолокационной съемки относительно следа
КА можно перенацеливать произвольно в пределах полосы обзора Y obz в одну или в
две стороны. Перенацеливание позволяет уменьшить время между повторными
съемками локальных районов на разных витках в промежутках между точным по
вторением орбиты. Тем самым повышается оперативность наблюдения заданных
районов. Возможен режим скошеННО20 обзора, в котором плоскость визирования
29
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
SFУз поворачивают на уrол lfI относительно нормали к следу КА, а синтез Р ЛИ Be
дут, как и в режиме боковоrо обзора, предварительно скомпенсировав изменение
дальности сиrналов вдоль траектории полета относительно центра кадра съемки.
Этот режим позволяет изменить ракурс наблюдения, провести съемку нескольких
участков, расположенных на разном удалении от следа КА, а также увеличить Bpe
мя наблюдения заданноrо района с целью повышения разрешающей способности
РЛИ (прожекторный режим съемки РСА).
Космические радиолокаторы земле обзора используют импульсный зонди
рующий сиrнал, ширина спектра KOToporo определяет разрешение по наклонной
дальности PR, а также разрешение по 20ризонтальной дальности на местности Ру
поперек линии пути, которое в режиме боковоrо обзора равно
PR С 1
Ру == ==
sin Yi 2М sin Yi
rде dF ширина спектра зондирующеrо импульса; }1 уrол падения, отсчитывае
мый от местной вертикали.
Разрешение вдоль линии пути зависит от типа радиолокатора и существенно
отличается для случая HeKorepeHTHoro радиолокатора боковоrо обзора (РБО) или
радиолокатора с синтезированной апертурой антенны (РСА). Аналоrично оптиче
ским датчикам разрешение определяется через отношение рабочей длины волны к
длине апертуры антенны в РБО, а в РСА к длине участка траектории движения
платформы, на котором происходит KorepeHTHoe запоминание принимаемоrо сиr
нала и последующий синтез искусственной апертуры (соrласованная фильтрация
TpaeKTopHoro сиrнала).
Таким образом, дЛЯ РБО при двойном учете диаrpаммы направленности aHTeH
ны (ДНА) на передачу и прием разрешение вдоль линии пути (по азимуту), измеряе
мое по уровню половинной мощности принятоrо сиrнала, определяется формулой
Рх == 0,64 R2 R2 , (1.2)
Dxant Dxant
(1.1)
rде Dxant rоризонтальный размер антенны радиолокатора (множитель 0,64 COOT
ветствует равномерному распределению поля по раскрыву антенны, а приближен
ное равенство применению амплитудноrо взвешивания для уменьшения уровня
боковых лепестков).
ДЛЯ РСА форма ДНА реальной антенны радиолокатора мало влияет на разре
шающую способность по азимуту. Она определяется длиной синтезированной
апертуры, сформированной после приема сиrналов,
RJ RJ
Рх ==0,44 , (1.3)
La 2La
rде La длина синтезированной апертуры, которая может составлять десятки ки
лометров (множитель «2» учитывает двойной набеr фазы при передаче и приеме
сиrналов от наблюдаемой местности; приближенное равенство учитывает ампли
тудное взвешивание при синтезе апертуры).
30
fлава 1.. РЛС землеобзора космическоrо базирования в rлобальной системе ...
Реализуемая разрешающая способность современных средств радиолокаци
oHHoro землеобзора космическоrо базирования (РСА) составляет от долей метра до
сотен метров.
Возможность наблюдения отражающих радиоволны объектов или элементов
местности характеризуется чувствительностью РСА. Она оrраничена тепловыми
шумами на входе приемника. Связь чувствительности с параметрами РСА опреде
ляется уравнением радиолокационной дальности, приведенным в разделе 3.4.
Численно чувствительность РСА выражается через значение удельной отражаю
щей способности (коэффициента отражения) подстилающей поверхности cJ, мощ
ность принимаемоrо сиrнала от которой равна мощности тепловых шумов. По Be
личине CJ и площади элемента разрешения РСА дЛЯ известной ЭПР цели можно
вычислить отношение сиrнал/шум или сиrнал/шум+фон для оценки вероятности
обнаружений целей на неотражающей поверхности или на отражающем фоне
местности [35*,214].
Радиометрическое разрешение РСА (или контрастно яркфстная чувстви
тельность) характеризует способность различать объекты с разной отражающей
способностью (см. раздел 3.5). Она зависит от чувствительности РСА и площади
наблюдаемоrо объекта.
Для космическоrо радиолокационноrо землеобзора принципиально можно
использовать часть электромаrнитноrо спектра радиоволны, которые с малыми
потерями проходят через атмосферу. Их длина волны составляет от единиц санти
метров (частоты 10...18 rrц) до единиц метров (частоты 200...400 мrц). Практи
чески к началу XXI в. освоен частотный диапазон 1200...9500 мrц (длина волны
соответственно от 23 до 3 см), в ближайшей перспективе ожидается расширение
oCBoeHHoro частотноrо диапазона до 400.. .14000 мrц (длина волны COOTBeTCTBeH
но от 70 до 2 см).
Электрома2нитное излучение характеризуется векторными свойствами Ha
правлением вектора электрическоrо поля или поляризацией. Обычно используют
линейную поляризацию излучаемоrо сиrнала вертикальную или 20ризонтальную.
При отражении электромаrнитных волн от объектов сложной конфиrурации про
исходит поворот плоскости поляризации. Используя прием параллельной (соrласо
ванной) и ортоrональной (кроссполяризации) поляризаций и сравнение параметров
отраженных сиrналов в поляриметрических каналах можно существенно повысить
информативность радиолокационноrо зондирования, особенно для идентификации
земных покровов.
Получаемая радиолокационная информация в цифровом виде представляет
собой комплексные радиолокационные изображения (КРЛИ), каждый элемент
(пиксель) которых характеризуется комплексным числом действительной и мни
мой составляющими или амплитудой и фазой, численное значение которых опре
деляет параметры сиrнала, принятоrо от соответствующеrо элемента на земной
поверхности. Современные радиолокаторы землеобзора являются измерительными
приборами, позволяющими про водить инструментальную обработку получаемых
данных о земной поверхности и расположенных на ней объектах.
31
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
Большие возможности заключены в интерферометрической обработке пар
фазовых изображений (ФРЛИ). Это построение высокоточных карт рельефа, изме
рение малых (миллиметры и сантиметры) смещений земной коры и изменений
rеометрии инженерных сооружений (строительных конструкций, продуктопрово
дов), выявление изменений в оперативной обстановке за время между съемками
(включая вскрытие несанкционированноrо доступа).
Возможности обнаружения и измерения параметров, слабо отражающих объ
ектов и подстилающей поверхности на фоне тепловых шумов (шумы приемника)
характеризуют радиометрической чувствительностью радиолокатора.
Абсолютной и относительной пО2решностями радиометрических измерений
определяют точность измерения отражающих свойств объектов наблюдения и под
стилающей поверхности.
Радиолокационная съемка обладает рядом преu.м,уществ и особенностей по
сравнению с друrими видовыми средствами наблюдения оптическими, инфра
красными датчиками:
. независимость от метеоролоrических условий;
. независимость от условий освещенности;
. повышенная точность измерения rеометрических характеристик объектов;
. возможность тpexMepHoro портретирования объектов и построения карт рель
ефа местности;
. возможность выявления специфических характеристик объектов наблюдения,
характеризующих их диэлектрические свойства, динамические характеристи
ки, внутреннюю структуру;
. возможность наблюдения и обнаружения объектов, невидимых в оптическом
или ИК диапазонах электромаrнитноrо спектра, скрытых снежным или расти
тельным покровом, или по косвенным эффектам, например, по поверхност
ным проявлениям rлубинных процессов в водной среде;
. возможность получения дополнительной информации об объектах по их элек
тродинамическим свойствам (резонансу, поляриметрическим характеристи
кам, отражательным, проникающим или поrлощающим свойствам в зависи
мости от длины радиоволн).
Исторически сложилось, что первые радиолокаторы боковоrо обзора с реаль
ной антенной (РБО) и с синтезированной апертурой антенны (РСА) авиационноrо
базирования предназначались для видовой разведки при сопровождении боевых
операций [101, 292, 477, 553]. Первые космические РБО входили в состав системы
морской космической разведки и целеуказания (МКРЦ), находившейся на BOOPy
жении ВМФ СССР (28 КА с 1975 по 1985 r. [88*, 222*, 545]). Космические РБО
rражданскоrо применения серии «KOCMOC 1500», «Океан» обеспечивали получение
информации в интересах rидрометеоролоrии, океанолоrии, изучения ледовоrо пок
рова и материковых льдов, а также контроля ледовой обстановки для rражданских
потребителей и служб ВМФ СССР [197].
Первый космический радиолокатор с синтезированной апертурой Seasat A,
запущенный США в 1978 r., а также РСА SIR A, SIR B в составе мноrоразовоrо
32
fлава 1.. РЛС землеобзора космическоrо базирования в rлобальной системе ...
транспортноrо космическоrо корабля (МТКК) Шатrл (1994 и 1995 rr.) работали в
23 см диапазоне волн и имели разрешающую способность радиолокационных изо
бражений (РЛИ) около 30 м. Полученные с их помощью изображения морской по
верхности и суши показали применимость космической радиолокационной съемки
для решения широкоrо Kpyra задач мониторинrа природных объектов.
В СССР космические РСА «Меч А» для орбитальной пилотируемой станции
«Алмаз А» (roToBHoCTb к запуску в 1978 r. [563]) и РСА «Меч К» в составе aBTO
матическоrо КА «Алмаз Т», реализованный в 1987 1989 rr. (<<KOCMOC 1870»), хотя
и имели близкую к зарубежным РСА разрешающую способность снимков около
20 м, проектировались как системы всепоrодной видовой разведки. В них были
предусмотрены перенацеливание зоны захвата в пределах широкой полосы обзора
и двусторонний обзор. Эти возможности значительно повышали оперативность Ha
блюдения (уменьшали период между повторными съемками) и являлись важней
шей характеристикой систем BoeHHoro назначения. В усовершенствованном РСА
«Меч КУ» КА «Алмаз l» кроме улучшения разрешающей способности до
10...15 м была реализована передача информации через спутник ретранслятор на
пункт приема, rде обеспечивался цифровой синтез Р ЛИ с использованием BЫCOKO
производительноrо цифровоrо вычислительноrо комплекса. Это резко сократило
задержку между моментом съемки и доставкой информации потребителям.
Большой объем экспериментов по поляриметрическому зондированию земных
покровов в диапазонах волн 3, 5,6 и 23 см был проведен в США. В них участвовали
трехчастотный космический РСА SIR C/X SAR, четырехчастотный самолетный РСА
AIRSAR (дополненный РСА 70 CM диапазона), а также РСА «Меч К» КА «KOCMOC
1870» в 1 O CM диапазоне волн. Систематизированные данные измерений отражаю
щей способности подстилающей поверхности в разных диапазонах волн, поляриза
ции и yrлах падения составили основу для разработки инструментальных методов
обработки радиолокационной информации и проектирования систем радиолокаци
oHHoro наблюдения rpажданскоrо и BoeHHoro применения [474, 522].
Заложенные в РСА SIR C/X SAR параметры: полоса сиrнала 40 мrц, обеспе
чивающая пространственное разрешение РЛИ около 4 м, полоса обзора 300 км по
зволяли получать Р ЛИ, приrодные для решения задач военной разведки, в частно
сти, для формирования базы радиолокационных данных с целью оценки изменений
обстановки на объектах наблюдения. В связи с оrраниченным временем полета
МТКК Шатrл (до 7 8 суток) полученные данные моrли сопоставляться с материала
ми съемок друrими датчиками. Хотя указанные возможности не нашли упоминания
в открытой литературе, можно рассматривать бортовой комплекс SIR C/X SAR
как средство радиолокаЦИОННО20 наблюдения (Р ЛИ) двОЙНО20 применения.
Уникальным событием было создание на базе SIR C/X SAR двухчастотноrо
интерферометра SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) с приемной антенной,
установленной на 60 метровой выдвижной штанrе [521]. Построенные по материа
лам съемок карты рельефа земной поверхности (с поrpешностью около 4 м) при
меняются для обновления топоrpафических карт, а также для составления опорных
материалов для управления точным оружием. Таким образом, применение этой ап
паратуры, как и методов получения карт рельефа с «мяrкой базой» тандемами РСА
2 1492
33
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
ТепаSАR Х и Radarsat I/2/3 [276, 317, 371, 372], являются теХНОЛО2ИЯМИ двОЙНО20
применения.
Первыми зарубежными РСА военноzо назначения были оснащены разрабо
танные в США космические аппараты типа «Лакросс» (5 аппаратов), которые были
выведены на орбиту с 1991 по 2005 rr. [126]. Входящий в состав КА бортовой РСА
детальной радиолокационной разведки имеет разрешающую способность около
0,6 м. Эти КА, функционирующие до настоящеrо времени, обеспечивали инфор
мационное сопровождение военных операций США в Персидском заливе, Афrани
стане, Юrославии, Ираке и друrих rорячих точках.
В настоящее время (к 2010 r.) в США находятся в эксплуатации три спутника
«Лакросс» серии Vega и Опух. В орбитальной rруппировке предусмотрено 2 КА
«Лакросс», три КА ретранслятора SDS и 3 КА ретранслятора TRDS. РСА в co
ставе КА обеспечивает получение изображений земной поверхности с rлобальным
охватом, включая просмотр полярных районов Земли. Результаты наблюдения пе
редаются по радиоканалам в реальном масштабе времени в Центр сбора и обработ
ки информации. Возможна разведка территории России двумя КА при полосе об
зора 4000 км более 9 ч/сут и тремя КА более 14 ч/сут.
Из космических РСА с высокой разрешающей способностью, выведенных на op
биту в 2007 2008 rr., только SAR Lupe названы как РСА воеННО20 назначения, осталь
ные, несомненно, являются информационными системами двОЙНО20 пРUJIAенения.
По требованиям, предъявляемым к современной аппаратуре дистанционноrо
зондирования Земли (ДЗЗ), различия 2ражданских и военных космических систем
касаются, в основном, требований к оперативности получения и доставки потреби
телю получаемой информации. Эти вопросы при современном состоянии техники
определяются составом орбитальной rруппировки, пропускной способностью pa
диолинии передачи информации и орrанизацией способов передачи данных потре
бителю. Важными характеристиками являются производительность проrраммно
аппаратных средств синтеза Р ЛИ и ero тематической обработки, включая BHeдpe
ние методов автоматизации вторичной обработки, сеrментации, обнаружения из
менений в оперативной обстановке, индикации движущихся целей, распознавания
класса и типа целей.
Отличия аппаратуры РСА BoeHHoro назначения от rpажданских коммерческих
систем MOryт также касаться расширенных режимов BoeHHoro времени за пределами
оrpаничений, предусмотренных Реrламентом радиосвязи [210*, 199, 217]. В военных
системах должны предусматриваться средства защиты от преднамеренных помех.
Применение криптоrpафической защиты получаемых данных актуально для аппара
туры обоих назначений в связи с высокой стоимостью информационных продуктов.
Преимущества космической радиолокационной разведки для решения BoeH
ных задач заключаются в возможности реrулярноrо круrлосуточноrо обновления
информации в rлобальных масштабах по районам предполаrаемых конфликтов без
проникновения на территории чужих стран. Это обеспечивает раннее выявление
фактов подrотовки к военным или террористическим действиям. Использование
радиолокационных средств разведки резко повышает эффективность боевых опе
раций, обеспечивая их проведение в ночное время.
4
fлава J. РЛС землеобзора космическоrо базирования в rлобальной системе ...
Недостатками космических средств радиолокационной видовой разведки яв
ляются малая длительность контакта (для низкоорбитальных средств секунды в
маршрутном или прожекторном режимах, единицы минут в режиме скошенноrо
обзора) с большими интервалами повторной съемки, а также опасность подавления
РСА путем создания мощной помехи по rлавному лепестку диаrраммы направлен
ности антенны РСА с территории контролируемоrо района.
Для повышения оперативности наблюдения требуется увеличение состава op
битальной rруппировки. Альтернативой является комплексирование аэрокосмиче
ских средств видовой разведки. Особые перспективы имеют бистатические (MHO
rопозиционные) средства аэрокосмическоrо радиолокационноrо наблюдения с
подсветом от КА на эллиптической или rеостационарной орбите и применением
леrких пассивных приемных датчиков на беспилотных летательных аппаратах
(БЛА) или микроспутниках. Скрытность работы пассивных датчиков обеспечит
помехозащищенность системы наблюдения, а комплексирование со средствами pa
диотехнической разведки позволит определить точные координаты станций помех
для их уничтожения в ходе боевой операции.
Приведенные доводы rоворят о необходимости построения комплексной аэ
рокосмической информационной системы, включающей датчики видовой развед
ки, систему передачи, обработки и распределения информации. Космический cer
мент такой информационной системы в ero взаимосвязи с друrими обеспечиваю
ЩИМИ подсистемами является предметом рассмотрения в настоящей моноrрафии.
В разделе 1.3 дана иллюстрация информационноrо обеспечения военных операций США и
НАТО по опубликованным материалам (<<Независимое военное обозрение», «Новости KOC
монавтики» и др.). Эти операции проводились, в основном, летом и в районах, располо
женных в низких широтах, с блаrоприятными метеоролоrическими условиями. Поэтому
большое значение в информационном обеспечении имели оптические датчики, роль KOTO
рых В друrих условиях rораздо меньше.
1.3. Применение космических систем
радиолокационноrо наблюдения для видовой разведки
при информационном сопровождении военных операций
Операции США и НАТО против Ирака
Рассмотрим опыт информационноrо обеспечения боевых действий на примере
операций США и НАТО в Ираке, Юrославии и Афrанистане.
Последние два десятилетия характеризуются вооруженным вмешательством
США и стран НАТО в Ирак. Это операции «Буря в пустыне» 1991 r., «Лиса в пус
тыне» 1998 r. и «Свобода Ираку» 2003 r. Если рассматривать военный аспект этих
операций, то война в Персидском заливе 1991 r., операция «Буря в пустыне», OT
крыли эру войн высоких технолоrий [27, 201, 202]. Мноrонациональными силами
(МНС) антииракской коалиции была развернута мощная авиационная rpуппировка,
включающая ударные тактические самолеты, оснащенные высокоточным оружием
и оборудованные индивидуальными станциями активных и пассивных помех,
35
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
стратеrические и тактические самолеты разведчики, самолеты радиоэлектронной
борьбы. Применялись специальные самолеты для уничтожения радиоэлектронных
средств управления войсками.
МНС имели абсолютное превосходство по стратеrическим самолетам, косми
ческим средствам навиrации и связи, высокоточному управляемому оружию клас
са «воздух поверхность», «корабль поверхность» (крылатые ракеты). Контроль
воздушноrо пространства и управление авиацией обеспечивали самолеты дальнеrо
радиолокационноrо обнаружения и управления E 3 АБАКС, E 2C «Хокай», а TaK
же радиолокационная система воздушной разведки наземных целей и управления
нанесением ударов E 8 «Джистарс».
Характерные особенности операции «Буря в пустыне» сопровождение Mac
сированных ударов авиации самой крупной в истории радиоэлектронной войной;
нанесение массированных ударов преимущественно ночью; применение rлобаль
ной спутниковой навиrационной системы «Навстар». Одной из задач, которые, He
сомненно, ставились в ходе этих операций, было проведение испытаний paKeTHoro
вооружения различноrо базирования в боевых условиях в интересах ero дальней
шеrо развития.
К проведению операции «Лиса в пустыне» командование вооруженных сил
США и Великобритании тщательно подrотовились, используя возможность свобод
Horo ведения воздушной и космической разведки территории Ирака в ходе контроля
произвольно провозrлашенных Вашинrrоном и Лондоном «бесполетных зон».
Разведывательное обеспечение боевых действий сил союзников осуществля
лось постоянно действующей системой наземных, космических, авиационных и
корабельных средств разведки и наблюдения. Основу разведывательноrо обеспе
чения, особенно при оценке результатов нанесенных ударов, составляла дейст
вующая орбитальная rруппировка, включающая три КА оптоэлектронной разведки
KH 11 и два КА радиолокационной разведки «Лакросс». Вся орбитальная rруппи
ровка функционировала на орбитах до начала боевых действий, потребовалось
только осуществить координатный маневр двух КА системы кн ]] с тем, чтобы
увеличить время контроля обстановки на территории Ирака. Использовавшиеся
системы космической разведки обеспечивали ведение оптоэлектронной разведки с
периодичностью (в среднем) 2...3 ч/сут, радиолокационной разведки 2.. .2,5 ч с
суммарным ежесуточным контролем территории Ирака порядка 160.. .190 мин.
Несмотря на небольшую продолжительность и масштабы, операция «Лиса в
пустыне» имела свои особенности по сравнению с операцией «Буря в пустыне». В
воздушной наступательной операции имелись следующие тенденции: увеличение
количества беспилотных летательных средств (соотношение пусков крылатых pa
кет к самолетовылетам 1: 1,3 против 1: 1 О), увеличение количественноrо состава
крылатых ракет, особенно MopcKoro базирования. В ходе всей операции постоянно
привлекались самолеты ДРЛО и управления E 3 системы АВАКС, самолеты раз
ведки наземных целей и управления нанесением ударов E 8 «Джистарс», воздуш
ный пункт управления EC 130 «rеркулес» и самолеты разведчики RC 135 и U 2, а
также вертолеты поисково спасательноrо обеспечения.
36
rлава J. РЛС землеобзора космическоrо базирования в rлобальной системе ...
Операция ((Лиса в пустыне» подтвердила:
. наибольшая уrpоза воздушноrо нападения будет исходить непосредственно с
моря или с приморских направлений;
. rлавным средством боевоrо воздействия будет являться высокоточное оружие;
. наиболее предпочтительным временем для нанесения первых paKeTHO
авиационных ударов является темное время суток;
. успеху операции во MHoroM способствует комплексное применение сил и
средств разведки, включающих космическую, воздушную, наземную и MOp
скую разведки, до начала и в ходе операции.
При операции США и НАТО «Свобода Ираку» в 2003 r. значительное влия
ние оказали уроки, полученные США и их союзниками в первой иракской войне, в
войне на Балканах и в антитеррористической операции в Афrанистане. Как и в
1991 r., союзники создали мощную rруппировку сил и средств, в том числе и воз
душноrо нападения. Для скорейшеrо достижения целей «молниеносной» войны с
учетом прежнеrо опыта применения высокоточноrо оружия (ВТО), воздушные
удары наносились в основном с применением крылатых ракет MopcKoro (<<TOMa
raBK») и воздушноrо (AaM 86) базирования, а также высокоточных авиационных
бомб. Роль ВТО резко возросла. Так, если в операции «Буря в пустыне» ero доля не
превышала 1 О %, то в операции «Свобода для Ирака» доля ВТО составила не менее
80 % от общеrо числа использованных боеприпасов.
Одной из больших проблем для командования коалиции стала орrанизация
взаимодействия между ВВС и наземными войсками с целью обеспечения взаимной
безопасности (потери от применения своих ракет). По мнению специалистов одной
из rлавных причин введения неверных координат перед пуском ракеты или бомбы
была неспособность ВВС США вести обмен данными в режиме реальноrо времени
с союзными силами на уровне отделения.
Большое значение в орrанизации взаимодействия имело создание интеrpаль
ной системы сбора информации с использованием самолетов ДРЛО E 3 АВАКС,
E 8 «Джистарс», разведывательных RC 135 «Ривет Джойнт» и U 2, а также БЛА
«Предейтор». Совокупность поступающих от них данных давала точную картину
действий противоборствующих сторон на поле боя. Обработанная информация
оперативно передавалась боевым патрульным самолетам, которые успевали пора
зить цель до нанесения ею удара.
Во время первой войны с Ираком американские вооруженные силы использо
вали 16 военных, и пять коммерческих спутников, которые позволяли передавать
информацию в объеме 200 млн. бит/с [20, 65]. При операции в Косово ее объемы
выросли почти вдвое, в Афrанистане (2001 2002 rr.) объем передаваемых данных
достиr почти 1 млрд. бит/с. В 2003 r. во время вторжения в Ирак войска США уже
обладали возможностью передавать 2,4 rбит/с. Большая часть этоrо объема пере
давалась через коммерческие спутники.
В целом Ирак в очередной раз стал испытательным полиrоном для про верки
новых американских концепций ведения войны, в частности, так называемой «ДOK
трины Рамсфелда», или «цифровой войны», со ставкой на обеспечение rосподства
в воздухе, тесное межвидовое взаимодействие, широкое применение высокоточно
37
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
ro оружия и компьютерных технолоrий, активные действия небольших мобильных
войсковых формирований. При этом некоторые эксперты в США полаrают, что
речь идет о коренном пересмотре характера современной войны новом этапе pe
волюции в военном деле.
Военная операция против Юrославии
Операция «Решительная сила» против Юrославии началась 24 марта 1999 r. прове
дением воздушной наступательной операции авиационной rруппировки НАТО.
Она продолжалась до 27 марта. Кампания НА то против Юrославии характеризу
ется беспрецедентными масштабами использования военных и rражданских спут
ников. Свыше 50 спутников США и европейских стран, изначально предназначав
шихся для использования против стран Варшавскоrо доrовора, были непосредст
венно задействованы НАТО в операциях по координации действий авиации, ocy
ществлению разведки и обеспечению боевых действий. По меньшей мере, от 15 до
20 американских и европейских КА были использованы при планировании и ocy
ществлении налетов.
В войне в Юrославии применялся комплекс космических разведывательных
средств, включая два спутника радиолокационной разведки «Лакросс», три yco
вершенствованных спутника оптоэлектронной разведки типа KH 11, а также три
более леrких спутника Национальноrо бюро аэрофотосъемки. По признанию самих
американцев в этом конфликте спутники должны были решать в основном такти
ческие задачи отслеживать, куда направляются военные автоколонны, и быстро
передавать информацию на базы ВВС. При этом выяснилось, что задержка ДOCTaB
ки информации до исполнителя оператора бомбометания самолета была велика,
что приводило к низкой эффективности бомбовых ударов по мобильным объектам
танковым колоннам, скоплениям войск.
Применение спутников радиолокационной разведки «Лакросс» имело целью
разведку до и после нанесения бомбовых ударов по целям в лесных массивах, KO
торые моrли укрывать скопление войск и военной техники. Для обработки и пере
дачи командованию НАТО orpoMHbIx потоков космической информации было
сформировано специальное Управление тактической разведки, куда вошли пред
ставители нескольких разведывательных структур США. Это Управление обеспе
чивало выбор целей и оперативную передачу разведывательных изображений KO
мандованию и летным экипажам, принимавшим участие в авиаударах.
Операция США в Афrанистане
Американскими военными экспертами дана предварительная оценка использова
ния космической rpуппировки США в ходе антитеррористической операции «He
сокрушимая свобода» в Афrанистане. Отмечается существенный вклад спутнико
вых систем в решение разведывательных, коммуникационных, радионавиrацион
ных и метеоролоrических задач [235].
Космические разведывательные системы применялись в целях обеспечения
американских войск своевременными и достоверными данными о rруппировке сил
Исламскоrо движения талибов, замысле действий противника, ero боеспособности
38
fлава 1.. РЛС землеобзора космическоrо базирования в rлобальной системе ...
и rотовности к нанесению ударов, а также для добывания сведений об особенно
стях местности.
Космические системы оптоэлектронной и радиолокационной разведки были
задействованы в полном объеме. В их состав входило шесть ИСЗ (три ИСЗ опто
электронной разведки типа КН ll и три ИСЗ радиолокационной разведки типа
«Лакросс» ). Они обеспечивали получение изображений различных объектов, об
разцов вооружений и военной техники, наблюдение за дислокацией rруппировки
войск Исламскоrо движения талибов и в целом за ведением боевых действий в Аф
rанистане. Спутники разведки вели съемку с максимальным разрешением и ис
пользовались совместно с ИСЗ ретрансляторами типов SDS и TDRS. Кроме Toro,
для обеспечения функционирования КА типа КН ll задействовались ИСЗ MeTeo
ролоrической системы.
В целях расширения возможностей видовой разведки по обеспечению боевых
действий национальное управление видовой разведки и картоrрафии еще в октябре
2001 rода приобрело эксклюзивное право на использование снимков территории
Афrанистана, сделанных коммерческим аппаратом «Айконэс 2», обладающим
максимальной разрешающей способностью порядка 1 м.
Вооруженными силами США также активно использовались данные, полу
чаемые спутниками системы разведки природных ресурсов Земли «Лэндсат 7»,
«Терра», «Орбвью 2». Это расширило возможности по составлению, обновлению и
своевременному уточнению карт местности, облеrчило проведение инженерной
оценки зоны боевых действий. Высокая эффективность такой системы была ДOKa
зана в Афrанистане при передаче в режиме реальноrо времени изображения с БЛА
«Предейтор» на самолет AC 130 в ходе поисков боевиков «Аль Каиды». Оснащен
ный ракетой «Хеллфайр» БЛА после обнаружения цели получил команду ЦeH
тральноrо командования США во Флориде и уничтожил ее через несколько минут.
Для решения проблемы взаимодействия также использовались компьютерные
системы обработки и передачи данных, позволяющие значительно улучшить вла
дение обстановкой на поле боя. При их применении данные системы ДРЛО E 3
АВАКС и объединенной системы радиолокационноrо наблюдения и целеуказания
ударным средствам E 8C «Джистарс» собирались воедино, обрабатывались и пере
давались заинтересованным штабам.
Военные спутниковые системы связи работали с максимальным напряжени
ем, однако смоrли обеспечить лишь 40...60 % потребности участников операции
«Несокрушимая свобода». В состав спутниковой rpуппировки вошли шесть спут
ников стратеrической системы связи DSCS, три спутника объединенной стратеrи
ческой и тактической связи «Милстар», два ИСЗ типа UFO оперативно тактичес
кой системы связи ВМС, ВВС и сухопутных войск и шесть спутников системы пе
редачи данных SDS. Кроме Toro, традиционно использовались ИСЗ принадлежа
щей НАС А системы слежения и ретрансляции данных TDRSS. Вместе с тем резко
возросшие потоки данных (по сравнению с операцией «Буря в пустыне» объемы
передаваемой информации возросли примерно в семь раз), необходимых для обес
печения проводимой операции, потребовали активноrо привлечения коммерческих
систем связи.
39
Радиолокационные системы землео6зора космическоrо базирования
Предварительный анализ показал, что спутниковые системы США использо
вались с максимальной отдачей и во MHoroM обеспечили успеllIное проведение
контртеррористической операции. Вместе с тем отмечается ряд недостатков, в том
числе отсутствие радиолокационных и оптоэлектронных разведывательных сис
тем, ориентированных на потребителя тактическоrо звена, что в ряде случаев при
вело к несвоевременному получению пользователями разведывательных данных.
Кроме Toro, недостаточная периодичность наблюдения района ведения боевых
действий не позволила в полном объеме проконтролировать перемещение сил и
средств талибов.
Как отмечено в докладе на конференции Military Radar'2006 [492], основная
тенденция cOBpeMeHHoro развития космических систем радиолокационноrо наблю
дения состоит в создании систем двойноrо применения с использованием единых
технолоrий, стандартов, проrраммноrо обеспечения обработки данных и т.д. Это
тем более оправдано, что требуемые технические характеристики радиолокацион
ных датчиков, во MHoroM определяемые оrраничениями Реrламента радиосвязи или
уровнем развития элементной базы и технолоrий, практически совпадают.
Важными аспектами интеzрации информационных средств, включающих
системы BoeHHoro и двойноrо применения, являются:
. выбор стандартов (есть риск выбрать неоптимальный стандарт, нужен тща
тельный анализ развития rражданских стандартов);
. адаптация аппаратуры и проrраммноrо обеспечения к выбранным стандартам;
. тестирование данных для оценки заданных характеристик технических
средств, имеющихся оrраничений, а также потенциальных резервов для их
УЛУЧllIения применительно к конкретным задачам (экспериментальные «Heдo
кументированные» режимы);
. «обратная совместимость» rражданских стандартов на ПРОllIлые версии про
дуктов;
. технолоrические запасы для обеспечения надежности работы системы;
. воспроизводимость получаемых продуктов;
. разработка стратеrии взаимосвязей критических технолоrий для сохранения
жизненноrо цикла при частичном старении.
Основными средствами информационно разведывательноrо обеспечения для
применения высокоточноrо оружия (ВТО) в США являются космические и, в бо
лее оrраниченном объеме, авиационные системы видовой разведки. rруппировка
космической видовой разведки США включает в себя спутники оптоэлектронной и
радиолокационной разведки, спутники ретрансляторы и развитую высокопроизво
дительную наземную инфраструктуру. Данная rруппировка позволяет с высокой
точностью вскрывать оперативное построение войск противника, состав сил и
средств, в том числе элементы системы боевоrо управления, а также определять
координаты наиболее важных объектов.
Общее развитие разведывательных космических систем США осуществляется
в направлении обеспечения rлобальноrо, всепоrодноrо, непрерывноrо контроля
деятельности вооруженных сил вероятноrо противника с возможностью непосред
40
fлава 1.. РЛС землео6зора космическоrо 6азирования в rло6альной системе ...
ственной передачи данных различным opraHaM BoeHHoro управления. Во MHorOM
это достиrается за счет объединения всех сил и средств в сетецентрические систе
мы [34*, 36*, 40*, 46*, 48*].
Сетецентрическими системами называются комплексы, объединенные меж
ду собой при помощи вычислительных сетей и взаимодействующие в едином ин
формационном пространстве. Применение TaKoro подхода обеспечивает качест
венные улучшения по скорости и точности получения обобщенной информации об
интересующих объектах на поверхности Земли.
Министерство обороны США планирует также интеrpировать в космическую
систему сбора видовой информации, существующие и перспективные коммерческие
спутники съемки земной поверхности с высоким разрешением (около 1 м). Кроме
TOro, планируется продолжить создание единой rлобальной rеоrpафической инфор
мационной системы (rис), содержащей детальные цифровые карты всей поверхно
сти Земли для обеспечения нацеливания ударных средств. В частности, в последние
roды к решению задач информационноrо обеспечения для управления высокоточ
ным оружием в дополнение к орбитальной rpуппировке привлекаются малоразмер
ные спутники (малые массой до 1 т и миниспутники массой 100.. .500 Kr).
Накопление информации о земной поверхности в мирное время имеет ярко BЫ
раженное двойное назначение. С одной стороны выполняется мониторинr Земли с
целью выявления и предупреждения природных катаклизмов, с дрyrой происходит
сбор информации и картоrpафирование с возможностью использования накоплен
ных данных в дальнейшем, в военное время. Наличие таких заранее собранных и об
работанных данных становится особенно важным в военное время, коrда спутнико
вые системы навиrации и разведки будут выведены из строя или заблокированы.
Применение ВТО в таких условиях потребует знания рельефа местности и координат
расположения объектов, по которым может быть осуществлена привязка.
Анализ опыта последних локальных конфликтов выявил не только необходи
мость ведения непрерывной разведки и постоянноrо наблюдения за районом бое
вых действий в условиях быстро меняющейся оперативной обстановки, но и дoc
тавки обработанной информации в кратчайшие сроки непосредственно на носите
ли высокоточноrо оружия.
Успешным действиям американских войск в локальных вооруженных KOH
фликтах способствовало безусловное технолоrическое превосходство систем BOO
ружения и боевоrо обеспечения войск и обладание достаточно полной разведин
формацией об оперативной обстановке в районах боевых действий, а также целе
направленность и соrласованность боевых действий. За эти десять лет значительно
укрепились позиции сторонников концепции «объединенности» вооруженных сил,
предполаrающей максимальное использование боевых возможностей всех их ви
ДОВ (включая привлечение rpажданских систем) для достижения конечных целей
войны. По мере набора опыта проведения военных операций в США были разра
ботаны основополаrающие документы «Единая перспектива 2010» и «Единая
перспектива 2020», а также планы реализации выдвиrаемых в них требований.
Предложенная американская концепция «Сетецентрической войны» обосновывала
необходимость реформирования вооруженных сил.
41
Радиолокационные системы землео6зора космическоrо базирования
Современная военная доктрина СIПА охватывает следующие области:
. обеспечение деятельности в космосе;
. боевое и техническое обеспечение из космоса боевых действий вооруженных
сил;
. ведение непрерывноrо контроля и управление ситуацией с помощью косми
ческих средств;
. применение силы в космосе и из космоса.
Политическое руководство США обязывает МО орrанизовывать интеrриро
ванную систему управления спутниковыми системами, скоординированную с дpy
rими ведомствами. Особой задачей является достижение информационноrо пре
восходства, реализация принципа стратеrическоrо сдерживания, повышение эф
фективности вооруженных сил rосударства в целом, расширение выrодноrо дЛЯ
США Международноrо сотрудничества в военной и друrих сферах.
При создании космических систем BoeHHOZO назначения (КСВН) в США
основное внимание уделяют следующим направлениям [216]:
. поддержание в состоянии боевой rотовности существующих систем и развер
тывание новых;
. расширение возможностей бортовой аппаратуры КА;
. повышение оперативности доставки информации со спутников;
. увеличение времени активноrо существования КА;
. размещение на одном КА аппаратуры для решения двух и более задач;
. создание новых ракет носителей одноразовоrо и мноrоразовоrо применения;
. совершенствование наземных средств управления КСВН;
. объединение результатов всех видов разведки;
. разработка КА для противокосмической и противоракетной обороны.
Американские ведомства AreHTcTBo перспективных оборонных исследова
ний (DARPA), Военно воздушные силы и Национальное разведывательное управ
ление (NRO) изучают возможность создания системы rлобальноrо. радиолокаци
oHHoro наблюдения, которая моrла бы обеспечивать прямое и оперативное получе
ние информации войсковыми командирами без посредничества центральных раз
ведывательных opraHoB.
Такая C CTeMa должна будет состоять из 2 8 относительно небольших ап
паратов, оснащенных радиолокаторами. По замыслу, войсковые подразделения,
действующие в кризисных реrионах, будут в состоянии непосредственно выдавать
задания спутникам на получение изображений заданных районов и получать ин
формацию в течение 15 мин.
Предполаrается также, что эта система будет функционировать во взаимодейст
вии со спутниковой системой предупреждения о ракетном нападении, что позволит
решить проблему обнаружения мобильных пусковых установок баллистических ракет.
rлавным из этих требований является всемерное укрепление единства BOOPy
женных сил. Всем командирам предписывается стремиться к тому, чтобы на основе
использования передовых информационных технолоrий, объединенные rруппировки
американских вооруженных сил непременно достиrли подавляющеrо превосходства
42
fлава 1.. РЛС землео6зора космическоrо 6азирования в rло6альной системе ...
над противником не в какой то одной, а во всех сферах вооруженноrо противоборст
ва: в воздухе, на суше и море, в космосе и информационном пространстве.
Разработанная концепция признает, что последовательное или независимое
параллельное применение различных элементов военной мощи США нецелесооб
разно. Наоборот, подчеркивается, что максимальная интеrрация их возможностей,
тесное и rpaMoTHoe взаимодействие MHoroKpaTHo увеличивают боевой потенциал
военной rруппировки и служат основой общей победы над противником. Эти по
ложения были реализованы на практике в ходе военной операции США и их союз
ников против Ирака, они отличаются высоким уровнем взаимодействия видов и
родов войск (сил), применением всех видов маневра войсками и средств пораже
ния, дальнейшим развитием форм и способов ведения боевых действий.
Военное руководство США, достаточно осторожно оценивая роль авиации в
этой операции, все же признает, что в 2003 r. авиация применялась значительно эф
фективней, чем 12 лет назад. Она позволяла широко применять высокоточное opy
жие и наносить удары в любое время суток, используя автоматизированные системы
боевоrо управления и данные космической разведки. Дальнейшее повышение эф
фективности боевоrо применения тактической авиации руководство ВВС США свя
зывает с массовым оснащением частей тактической авиации малозаметными, имею
щими больший радиус действия и оснащенных новейшим оборудованием самолета
ми HOBoro поколения F 22 и F 35, а также разведывательными и ударными БЛА.
В ближайшие 1 О лет Пентаrон планирует создание инновационной системы опера
тивной разведки поля боя, которая должна соединять преимущества космических
аппаратов (недосяrаемость для средств ПВО противника и rлобальность разведки) с
достоинствами воздушных беспилотных летательных аппаратов (большая продол
жительность наблюдения и высокая оперативность доклада данных). Система из
24 космических аппаратов с РСА, размещенная на низких KpyroBbIx орбитах высотой
770 км, может обеспечить высокую частоту просмотра театра военных действий
(10...15 мин), что не позволит противнику осуществлять незаметную передислока
цию. Проект получил наименование «Дискавери 2» (считается, что первая система
«Дискавери l» положила начало в 60 x rодах созданию космических средств фото
rрафической разведки). Требования Пентаrона к спутниковому радиолокатору чрез
вычайно высоки. Станция должна работать в трех основных режимах:
1) съемка местности (обзорная, маршрутная и детальная) с разрешением от
0,3 до 3 м;
2) автоматическое обнаружение движущихся целей (диапазон скоростей
целей 4...100 км/ч);
3) картоrрафическая съемка для формирования цифровых карт рельефа MeCT
ности с точностью около 1 м.
Такое сочетание режимов работы РСА позволяет оператору дешифровщику
р ЛИ последовательно решать весь цикл задач, связанных с поиском, обнаружением
и распознаванием целей, определением их координат для дальнейшей выдачи целе
указания средствам поражения. РСА должна работать в трехсантиметровом диапазо
не волн и использовать активную фазированную антенную решетку (А ФАР). Она
обеспечит электронное сканирование лучами в двух плоскостях для решения задач
43
Радиолокационные системы землео6зора космическоrо базирования
видовой съемки, селекции движущихся целей, пассивной радиотехнической развед
ки и даже пространственной отстройки от сиrналов постановщиков радиопомех.
Из рассмотренных примеров можно сделать вывод, что интеrрация rраждан
ских и военных систем в едином информационно управляющем пространстве для
реализации «Сетецентрических боевых операций» является ключевым направлени
ем дальнейшеrо развития аэрокосмических информационных систем и уже доказа
ла свою состоятельность. Одним из важных аспектов развития современных ин
формационных технолоrий интеrрирование аэрокосмических средств, в том чис
ле использование распределенных мноrопозиционных радиолокационных систем
[36*, 40*, 43*, 234].
1.4. Задачи, решаемые космическими системами
радиолокационноrо наблюдения двойноrо назначения
Анализ cOBpeMeHHoro состояния и перспектив совершенствования космических
средств радиолокационноrо наблюдения позволяет сформулировать задачи, которые
MOryт решаться этими средствами в rлобальной аэрокосмической информационной
системе, реализующей мониторинr воздушноrо и космическоrо пространства и зем
ной поверхности. В дальнейшем будем различать системы воеННО20 назначения,
предназначенные для ведения разведки военных объектов и непосредственноrо
обеспечения боевых операций и 2ражданские системы, предназначенные для реше
ния хозяйственных и научных исследований. Их отличие от систем BoeHHoro назна
чения состоит в том, что все характеристики аппаратуры (кроме Hoy xay фирм разра
ботчиков, составляющую коммерческую тайну) доступны потребителям. Это не ис
ключает использование материалов радиолокационной съемки rpажданских систем
различными специальными службами для мониторинrа чрезвычайных ситуаций,
природных катастроф, аварий, для охраны rосударственной rpаницы, для нужд обу
стройства военных rородков, полиrонов и т.д. [218]. В этом смысле такие rpаждан
ские системы MOryт рассматриваться как системы двОЙНО20 прuменения.
Мноrорежимные космические РСА BoeHHoro назначения Moryт, за малым ис
ключением, решать rpажданские задачи. При соответствующей инфраструктуре pac
пределен ия получаемой информации космические Р ЛИ Moryт распространяться на
коммерческой основе. Современная концепция системноrо подхода к проектирова
нию космических РСА [153*,335,493*] рекомендует рассматривать любую аппара
туру как предназначенную для двойноrо применения. Например, отечественные
космические РБО космических аппаратов серии «KOCMOC 1500» rpажданскоrо назна
чения обеспечивали ВМФ СССР информацией о ледовой обстановке в районах BO
енно морских баз ВМФ и фактически являлись системами двойноrо применения.
На основе анализа зарубежноrо опыта применения систем радиолокационноrо
наблюдения космическоrо базирования в табл. 1.1 приведен перечень задач, KOTO
рые принципиально MorYT решаться с применением космической радиолокацион
ной съемки в интересах rражданских и военных потребителей. Эти области приме
нения условно по основному использованию названы «дистанционное зондирова
44
fлава 1.. РЛС землео6зора космическоrо базирования в rлобальной системе ...
ние земли» (ДЗЗ) и «видовая разведка». В первом столбце таблицы перечислены
объекты наблюдения (земные покровы, инженерные сооружения и др.) или методы
получения данных (OДHO или мноrопозиционное зондирование, поляриметрия, ин
терферометрическая обработка и т.д.). Во втором столбце задачи, решаемые аппа
ратурой ДЗЗ в интересах военных потребителей или спецслужб, отмечены «*» в
качестве двойноrо применения.
Современная тенденция (системный подход) проектирования аппаратуры Р ЛИ,
как правило, предусматривает ее двойное применение. Это позволяет, оптимизируя
параметры системы для OCHoBHoro назначения (rpажданскоrо или BoeHHoro), закла
дывать в нее rибкие возможности для решения задач по второму направлению.
Такой подход имеет исторические корни в Российском промышленном произ
Бодстве. Со времен Петра Первоrо при строительстве судов было требование YCTa
навливать вдоль бортов судов привалочные брусья для установки на них пушек, в
случае необходимости. В автобусах, изrотавливаемых до середины прошлоrо века,
предусматривалась задняя дверь, на случай пере возки раненых.
Примером обратной ситуации служат армейские машины времен Второй Ми
ровой войны, на базе которых были позже созданы столь популярные среди Hace
пения внедорожники. Такой подход экономически оправдан, так как позволяет OT
рабатывать унифицированные составные части аппаратуры, на базе которых BЫ
пускаются варианты исполнения аппаратуры Toro или друrоrо OCHoBHoro (первоrо)
назначения. Целесообразно создание систем двойноrо назначения, в которых пре
дусматривают режимы и каналы распределения информации для военных и rpаж
данских потребителей с разными правами доступа к информации, как это реализу
ется в rлобальных навиrационных системах GPS, rЛОИАСС, Galileo.
Следует также иметь в виду, что развитие и освоение rражданских техноло
rий всеrда способствует проrрессу в военных применениях. Как пример можно OT
метить резкое повышение производительности вычислительных средств за послед
нее десятилетие, оплаченное покупателями иrровых приставок с 3D индикацией
динамических сцен.
Представляет интерес сравнить требования к информационному продукту
радиолокационному изображению, требуемому для решения, приведенноrо в
табл. 1.1 перечня задач в интересах одноrо или друrоrо применения. Рассмотрим
случай мноrорежимноrо rражданскоrо РСА, а для военных РСА оrpаничимся pa
ботой в режиме мирноrо времени в соответствии с Реrламентом радиосвязи. Будем
считать исходно выбранными рабочий частотный диапазон и высоту орбиты. Важ
нейшими характеристиками получаемых Р ЛИ для rражданских РСА являются про
странственное разрешение снимка, чувствительность РСА, поляризация на излуче
ние и прием, а для военных РСА разрешение Р ЛИ, чувствительность, а также по
поса съемки и полоса обзора, от которых зависит оперативность получения инфор
мации от заданноrо района и время повторной съемки. Поставляемый информаци
онный продукт должен быть комплексным Р ЛИ для возможности ero интерферо
метрической обработки (карты рельефа, KorepeHTHbIe методы выявления измене
ний rеометрии и обстановки).
45
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
46
:t
:t
:t
:t
:::
:r
:ос:
:::
:::
5
:::
'-J
:::
:ос:
::t
:::
5
:ос:
....
ос
5
:::
--
::t
:t
:t
f\J
:t
):::
:::
::t
(у')
=
[f
се
м
=
с..
с:::
=
се
Q
=
=
=
=
се
Q
с..
=
Q =
м 1"";:
Q
=
=М
Q
=
=
=
=
t
=
:s
Q
F-
= tOC
1"";: =
= =
с::: =
=
= с:::
=
=
1"";: ::r
\с)
= 1"";:
= Q
=
cs
.
,..-4
.
,..-4
==
Е-с
)
v
t:::
о
v
о
C:Q
ff')
V j:Q
о
о
Е!
о
t:::
V V
g:
g
Up:)
C:Q V
8
V
>.
[
м t;J 2: u
V V
& 5 s; '"' ,,{'
::S:: u о 'v
S
V S
V g: 3
1=::[ '--с t:::
V ::Е j:Q о V
5 ::S:: 5з а
Q8
>::S::
О
V ,.........,
м
::S::
s >.
о u
::Е-...........-
>=
\..о V
О j:Q
g
:з::
::S::
j:Q
о
:з::
u
\.о
О
V
1=::[
V V
о
:з::
V V
t::: о
О j:Q
j:Q
о
8
s
о :з::
>
о
о
Е1
о
:з::
V V
h!
C:Q
О
'--с
:з::
о
>::S::
C:Q
U
О
>
V 9 t:::
V &
:::r t::: V
>. о
м
:S::u
u
.-&
5 о
о u
u
C:Q
О
t
>S1
u
>::S::
V
1=::[ >::S::
V
8
j:Q
V V
!:Е
ю 5
:::r \.о :::r
000
>::S:: >::S::
о V
::;g t:::
о
V
о C:Q
О
u
8 s
о t:::
:s:
u
О
h!
p:)
f----i
о
t::: :з::
u
О
О
u
,.........,
&
u V
о ::Е
:з:: м
:s:
:s:
\.о
-...........-
v
V
:з:: C:Q
о
C:Q а
V :з::
ro
V
U V "'r-4
О :::r t-'
U О
u
О
V
j:Q
о
t:::
/""""'.,
[f
о
j:Q
-...........-
&
Ei>:s:
C:Q О О
2:\.0
V о о
'"""' '"""'
u
х
u u u /""""'.,
a ::E E!
)
:s: !sj :s: V
S p:t p:ta
&
v vt:::v "
a
';'
;;;... >. 5 >. е
,.., v '"' '"' r'
I=::[
:з:: v :з:: о :з:: v
\.о \.о '-О
OoO O
Ei
>
v v C:Q
:з:: о
м u 1=::[
>.
'--с U
:s:
о G :Q
&&'-8
'? a
C:Q U C:Q
V C:Q :s: о
О o .
о u '>OJ U
::;g v
>j;5 :s: ..'" >.
v v v
>
\.o V
Ho ,5>.
g
:::r t8 :з::
(Т')p:)0 088
.-&
v
S
v >
v
:з:: :::r
I:::! C:Q v
о
.-&
о v \.о
t::: о >.
о
u н
v v v
Е
v о v
:::r :::r
>. о >.
м v м
:S:: :S::
i
о C:Q
[ g
v
"
I
&
о м
g j:Q
fлава 1.. РЛС землеобзора космическоrо базирования в rлобальной системе ...
(])
(])
.-&
('f')
о
t::
t:::
(])
(])
:::r=
'-о
О
! ! 8
ro E[' , 1
:I: ::[0
(]) I::
О О :Х: t'j" t:: t::
e &Oo "
:r: g
tl i
'E ro. e
I ii i
'-O o::s
g:s: о 0 8
:::r=uu
I
(])
t::
о
!д
о
'-о Х
t'j
(]) :::r=
>
(])
t::
&3
'-о О
О
о
t\S u
:::а
>
t3 &
(])
'-о
::S::
1::
о
u
'-о
t'j
о
(])
t'j
6:
о t\S
:::r=
:::r= '-о
О О
*
s @ @
& х
G (]) s :::а:::а ::S::
t'j о
t:: о
g1 и
gJ o. gJ
53 а t:: а ::S ::s::
& 5 8
::S I t'j о
s 8 '-gEt
@ 8 I ' O
::s:: о (]) >
u (]) s 8 (])
(]) u t'j (]) (]) u (]) (])
5 5 >:S:@ 5
м (]) 8 х
t\S :::r= ::s:: 5
8. . 8. 8.,Е; Q)
8 o ot::: @ @&8
j
т g
о >::S::
:::r= о
N
(])
u S
t'j (]) о
S а
(]) 6: >
s t'j
(]) :::r=
'8
(])
(])
O
'""'с
(])
(])
::S
м
I
(])
о
t::
о.:
t\S
&
i
==
t
о
:::r=
u
'-о
О
>
О
О
:::r=
..Q
&а
;
о
8
I
t'j
о
о
t::
о
о
о t'j
(]) о
S
t\S
о
@
(])
5
u t'j
:s: ::S
I
t'j
о
о
1::
о
о
о
(])
t'j
(])
(]) о
'-g
I
:::r= 8
t'j
8
(]) >::S::
5
8
::S о
а
о
(]) t:: о
о
о (]) о
(])::S iE
8 о 8
t::: u
(])
t::
I
t'j
(])
t::
о
t'j
& u
ч (])
g;
о х .-&
t'j у t'j
а
о >:S:: О
1:: & 1::
Х .-&
е (])
(]) s
е s
g;
> 8
S u О
;
о
е
t'j
а3
>
::S
о
t\S (])
g
'-O
&'8
\о м
О
47
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
48
t\S
U
>::S::
ь5 g
I i I
M
c.)
(])U u s
о о u
u (])
(])u (])
>s a
t:: 0-4
@
t\S 1::[
80 88
!
(]):::s (]) u
(])::g ::s:: (])
ro о
(]) ::Q
(]) o 5 u
&ro 1::[ u
0:::s o
u 0-4 О
'S1" () "
8 a!9
M6 '
(]) u О О
.-& 0-4\.0 о ::S::
i
::S::> O 5
(]) (]) (]) о
g
@'
IOI-t (]) o> I::[u
:S: 80
......
е I
о (])
t
t\S О
0-4
(]) u
.........-
ot\S
0-4&
ro о
'-J О
о
u
:::s
5
(])
о
i
&
5 Et
::S::
а"
53 >::S::
i1) (])
\.O
(])
1"
(])
t\S
0-4
\.о О
О 8
g >
\.о >::S::
" (]) О
S
о
j i
g >
C\S.........- o о
0-4 g t\S S
&
(])о
ro >::S:: О 53 (])
[E
M ::S:: о(]) (])
::S:: > U ::S::
ro ro
"o
U >:S:: u\.o
O O@O
ro
х
> >
o 0-4
0-4 (]) 0-4 ::s:: (]) о"
8. .&5 i8 ' Ei
8 1 i
а >::S:: (]) gJ .-& " (])
(]) g 53 8 ro о о а
S @
ro e ,, o:::s 0-4 "
\.о Ь (]) > (]) U (])
g 8 i
о (]) а (])
! g g tЗ
u (]) (]) ::S:: u
J=j о ..g 8 \.о \.O..g \.о 6'
:::soo t::: uO<O Oo
i
о
м
(])
О
iЗ
u
о
(])
о
о
t:::
> (])
(]) о
5
:::s u :::s
м \о (])
::S:: о 1--004
(]) >:S::
s-
Q
ca(])
S
\.о (])
Oo
fлава 1.. РЛС землеобзора космическоrо базирования в rлобальной системе ...
I
>iS i S
u C\S
s- g 5,!Et
c\s >ё; :S::
м t:::[ > '""":'
о о t:::[ (l) V
(l) S'
('f') аз :S:: (l) u
<- R
а о C\S s:! (l) о о
5 'g
(l) -.......-- ct3 (l) ::s
I б:
(l) u C\S Q о
:а >:S:: 8 ::s
'8 o
I :S::
1::
о >:S::
(l)
о u ,..,..,
t:: (5
t:::[ C\S
> ::s
N i
O
1:: :з;: р..
(l) м t::
5
(l)
u
>5
:з:: 6 t:::[
\.о ..Q 8
о
'""'с
(l)
(l)
>:S::
О б: >::s::
:З:: C\S (l)
..-4 S I
0& 0
o&::s
о >ё;
&
o&(l)o
s '8
i
u
::s
о C\S
::s u
i :'1
о,
8
C\S О
: 8>
t2
J
(l) :S::
I
>-.
1::
о C\S
:З::
:S:: >:S:: \.о
(l) О
g
8 g о
ii j
?:-. & о
i : I
gj
б: u s
C\S О ..Q О
:З:: 1::
\.о О О U
o
*i e 1 IQ
; J,
i i o
1
о
u g v
'iE. . IЗ t
(l) &t2
&g o'
o& B e&
:S:: > о '""" 8 о
(l) u (l) (l) C\S
::Е '8
(l) (l) (l) (l) u
M& & >a(l)
5
\.о \.O u О \.O >-'0 О
os::s::o ::s::o'ga
i
>:S:: О ;>о..
а >
s I
!
0& ::s
о
&
o&
r
C\S
О ::s
(l)
о
\.O
О
О
1:: C\S
(l)
а
(l)
!
::Q
0&Е@с.)
(l) о
tS
i I
i
:S:: о
g} м
(l)
i i
'8t3
I
u
i
:S::
g}
>:S::
(l)
5
=r
i
&
;
(l)
u
(l)
c.)
о
о >:s::
(l)
8
::Q
j
u
о о
t:::
I
:З::
о
(l) м
О (l)
$
OO
о ;:g
= о ;Е
е а
о
-.......--
=ь
u О
I (l) 8
(l) 1:: о
U Е&
88.8.8.
i5 ::s
::s U
О (l) О
1:: &
е
о о
(l) (l)
о
(l) о (l) 1::
S а >:S:: 8
(l) ::S
t3 g
:З:: I
О U
м
8
>:S:: (l)
о
$ (l) о
& a
I
>-'0
U
О
C\S (l)
r=: u :s::
о gJ
а
о '9
*
u
i
(l) о
о м
tS u ::S
;
= u (l)
о о :З::
(l)
о о
49
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
50
u
I::!
а.>
oot
u
u
О
:r:
("') ::Е
oot
о
а.>
а.>
S
N
а.>
м
:r:
ro
8
а.>
а.>
:т
;>-.
м
:s:
"-'1
::
>::S::
О
S
о
g
о :х:
g
о
::S::
ro
oot е
:х: ro
о ::Е
\О \О oot
О ro о
а.> oot
'8
о.:
Ei
i
::Е
oot
о
S
>::S::
О
О
ё
ro
:х:
о
t:::
О
ro
oot
о.:
CQ
О
м
ro Е!
g
о f--I u
5
8
о t::: О
ст)
ro о ro :т
&g :Q
CQ
&t:::
о о oot >::S::
0.:::S:: о.: ro ::S::
ro t:::{ ro S
:g :gro g
o.: @>::S::
"'1: ... g :><:
oot Х & oot а.>
iS 5
@" &g
('т') :r: ('т') p-.t
I
а.> о
>
oot u ro
:т
; ; i
а.> :х:
>
U >i;i CQ
а.>м ::S::ro
CQ \Q
...QO e
@ б::
1! Iil
::S:: B
iCQo
f--I ro t:::
::r: ;:i8 U oot
о а
&;Е Et б:: а.>
I::! О f--I. :т
а.> ro oot U ;>-.
g
I ;>-'d'::Е
>::s::5a&
o.:Oot I\O
!l) roO-........--
f--4 :Х: I::! >::S:: >::S::
! 5
о ro \о \O o.:
t::: В 11) ro
o :Х:
8 g g
X ::S::
.
а.> ro а
:X: :Т CQ
00t1 11
s
ш
>::S::
t""'" О О
::S:: :X:
. 'Е
I::! g
:Х: о
ш
5jS a
а
o'8
fлава 1.. РЛС землеобзора космическоrо базирования в rлобальной системе ...
rражданские РСА должны иметь режим с разрешающей способностью, COOT
ветствующей полосе сиrнала, выделенноrо Реrламентом радиосвязи для выбранно
ro диапазона волн. Чувствительность РСА должна позволять обнаруживать KOH
трасты суши по отношению к изображению спокойной водной поверхности. Необ
ходимо реализовать поляриметрический режим (возможно с некоторым ухудшени
ем разрешения), по крайней мере, одна (rоризонтальная или вертикальная) пере
ключаемая поляризация на излучение и две поляризации на прием (это необхо
димо для мониторинrа растительноrо покрова и морской поверхности), иначе BЫ
ходной информационный продукт проектируемоrо РСА будет неконкурентоспо
собным по сравнению с находящимися в эксплуатации или проектируемыми зару
бежными РСА. ДЛЯ военных РСА
поляриметрический режим желате
лен, он позволяет повысить Bepo
ятность обнаружения и распозна
вания объектов на фоне подсти
лающей поверхности.
Из rpажданских задач, Tpe
бующих высокой оперативности,
наиболее важными являются мони
торинr стихийных бедствий и KaTa
строф. Существуют Международ
ные соrлашения о взаимном ин
формационном обеспечении чрез
вычайных ситуаций странами, pac
полаrающими космическими cpeд
ствами наблюдения оптическими,
радиолокационными. Для опера
тивноrо решения экстренных задач
целесообразно при соединение к Ta
ким соrлашениям.
Облик перспективноrо аэро
космическоrо радиолокационноrо
cerMeHTa rлобальной информаци
онной системы двойноrо назначе
ния применительно к российским
потребителям информации иллю
стрирует рис. 1.4, цветной вариант
KOToporo приведен на обложке.
Применительно к задачам дис
танционноrо зондирования Земли
(включая двойное применение) co
став действующей всемирной op
битальной rруппировки ДЗЗ вклю
чает в себя оптоэлектронные и pa
1
;..: : ':'i
".1
Рис. 1.4. Структура аэрокосмическоrо
радиолокационноrо cerMeHTa rлобальной
информационной системы двойноrо назначения:
1 низкоорбитальные мноrорежимные РСА обзора земной и
морской поверхности; 2 спутник ретранслятор на reocTa
ционарной орбите; 3 спутник на rеостационарной орбите с
совмещенными ретранслятором и РЛС подсвета системы
paHHero предупреждения опасных океанических явлений; 4
приемные тандемы спутников системы предупреждения
опасных океанических явлений; 5 мноrорежимные РСА на
rеосинхронной орбите с питанием от ядерных энерrетиче
ских установок; 6 орбитальная rpуппировка приемных
микроспутников для бистатическоrо зондирования с reocTa
ционарными или rеосинхронными РЛС; 7 реrиональные
наземные центры приема и обработки радиолокационной
информации; 8 мобильные пункты приема и обработки в
районах локальных конфликтов; 9 лазерные каналы пере
дачи широкополосных данных от радиолокационных датчи
ков к ретрансляторам на rеостационарной орбите; 1 О ши
рокополосные радиоканалы передачи информации на пунк
ты приема от радиолокационных датчиков и спутников
ретрансляторов; 11 каналы связи с зарубежными инфор
мационными системами
51
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
диолокационные датчики с общими характеристиками, приведенными в табл. 1.2 и
1.3 [53, 529]. Указаны средства с пространственным разрешением до 10 м. Для
сравнения приведены также средства BoeHHoro назначения. Подробно характери
стики космической радиолокационной аппаратуры приведены в rл. 13.
Таблица 1.2. Космические аппараты с оптоэлектронными датчиК(lМ,и
с разрешением лучше 10м
Разрешение, м Полоса
Наименование КА Страна Дата съемки,
(системы) запуска Мульти км
Панхром
спектр
КА с оптоэлектронными датчиками дЛЯ ДЗЗ
TopSat (SSTL) Великобритания 27.1 0.2005 2,5 5 1 О, 15
RapidEye A rермания 29.08.2008 6,5 78
RapidEye..B rермания 29.08.2008 6,5 78
RapidEye C rермания 29.08.2008 6,5 78
RapidEye.. D rермания 29.08.2008 6,5 78
RapidEye E rермания 29.08.2008 6,5 78
EROS Аl Израиль 05.12.2000 1,8 14
EROS В 1 Израиль 25.04.2006 0,7 7
Cartosat 1 (IRS..P5) Индия 04.05.2005 2,5 30
Cartosat 2 Индия 10.01.2007 0,8 10
IRS 1 D Индия 29.09.1997 6,0 23 70, 142
Resoиrcesat 1 (IRS..P6) Индия 17.10.2003 6,0 6,23,56 24, 140,740
Beijing 1 (SSTL) Китай 27.10.2005 4,0 32 600
KOMPSAT..l Корея 20.12.1999 6,6 17
KOMPSAT 2 Корея 28.07.2006 1,0 4 15
Pecypc ДKl Россия 15.06.2006 1,0 3 28
GeoEye..l США 06.09.2008 0,4 1,64 15
IKONOS США 24.09.1999 1,0 4 11
QиickВird США 18.10.2001 0,6 2,5 16
WorldView 1 США 18.09.2007 0,5 16
THEOS Таиланд 01.10.2008 2,0 15 22,90
FORМOSAT..2 Тайвань 20.04.2004 2,0 8 24
SPOT..5 Франция 04.05.2002 2,5 10 120
ALOS Япония 24.01.2006 2,5 10 35, 70
КА с оптоэлектронными датчиками BoeHHoro назначения
Серия КВl1 США 197 1990 rr. 0,3.. .0,6 2,8.. .23
Серия КВ12..1 КВ12 5 США 1992 2005 rr. 0,3.. .0,6 нет данных
52
fлава 1.. РЛС землеобзора космическоrо базирования в rлобальной системе ...
Таблица 1.3. Космические аппараты с аппаратурой радиолокационноzо
наблюдения с пространственным разрешением до 1 О м
Наименование КА Страна Дата Наилучшее Диапазон
(системы) запуска разрешение, м волн
КА, предназначенные дЛЯ ДЗЗ
ТепаSАR..Х rермания 15.07.2007 1,0 Х
Cosmo Skymed..l Италия 08.06.2007 1,0 Х
Cosmo Skymed.. 2 Италия 08.12.2007 1,0 Х
Radarsat 1 Канада 04. 11.1 995 8,5 С
Radarsat.. 2 Канада 14.12.2007 3,0 Х
YaoGan WeiXing 1 (JB 5) Китай 27.04.2006 5,0 L
YaoGan WeiXing 3 (JB 5 02) Китай 12.11.2007 5,0 L
ALOS Япония 24.01.2006 10,0 L
КА BoeHHoro назначения
Lacrosse 2N ega США 02.03.1991 0,67 предположит. Х
Lacrosse..3/0nyx США 24.10.1997 0,67 предположит. Х
Lacrosse..4/0nyx США 17.08.2000 0,67 предположит. Х
SAR Lиpe..l rермания 19.12.2006 0,5 Х
SAR Lиpe..2 rермания 02.07.2007 0,5 Х
SAR Lиpe..3 rермания 01.11.2007 0,5 Х
SAR Lиpe..4 rермания 27.03.2008 0,5 Х
Высокую эффективность обеспечивает совместное использование оптоэлек
тронных средств и радиолокационных средств наблюдения (видовой разведки), об
ладающих возможностью проведения точных измерений rеометрии объектов, их
радиофизических характеристик, рельефа местности радиолокационными MeToдa
ми. Сформированные по результатам измерений цифровые банки данных фоноце
левой обстановки и применение современных вычислительных методов для aBTO
матической и автоматизированной классификации объектов и оценки динамики их
состояния станут основой информационноrо обеспечения практической деятельно
сти во мноrих областях в интересах rpажданских и военных потребителей.
При выборе параметров проектируемой системы радиолокационноrо наблю
дения, которая, в принципе, может включать в себя орбитальную rpуппировку с
набором мноrофункциональных радиолокаЦИОl;IНЫХ датчиков с разными режимами
работы, необходимо исходить из требований к аппаратуре в зависимости от pe
шаемых задач. В первую очередь это относится к разрешающей способности полу
чаемых радиолокационных изображений (РЛИ) и периодичности обновления ин
формации. Сводные данные, заимствованные их разных публикаций [118, 223*,
432*, 529], приведены в табл. 1.4.
53
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
Таблица 1.4. Требования к разрешающей способности РСА и периодичности
обновления информации
Распознавание, м Периодичность,
Решаемая задача Обнаружение, м
класс тип сутки
Мониторинr океана, ледовая разведка 300 300 70 <3
Судоходство, рыбная ловля 15 . . . 300 <1
Общее картоrрафирование 5...30 зо
Морские порты 30 15 6
Населенные пункты 60 30
Железнодорожные узлы 30 15 6
ВПП 40 9,0
Ведение кадастра 2.. .3 30
r еолоrическое картирование 5.. .30 >30
Лесное, сельское хозяйство 3.. .30 <5
Мониторинrкатастроф,контрользон <1,5 <0,1
Мосты 6 4,5 1,5
Аэродромы, аэропорты 6,0 4,5 3,0
Самолеты на аэродроме 4,5 1,5 0,9
Ракетные комплексы, ракеты 3,0 1,5
Командные пункты 3,0 1,5 0,9
РЛС 3,0 0,9 0,3
Средства радиосвязи 3,0 1,5 0,3
Склады 1,5 0,6 0,3
Воинские части или места расположе.. 6 2,1 1,2
Оборудование баз ВВС 6 4,5 3,0
Артиллерия 0,9 0,6 0,15
ЗРК 3 1,5 0,6
Автотранспорт 1,5 0,6 0,3
Морские суда (средние) 7,5 4,5 0,6
Подводные лодки (на поверхности) 9 6 1,5
Минные поля на суше 30 6 1,5
Сопоставление приведенных в табл. 1.4 требований к разрешающей способ
ности аппаратуры и достиrнутых параметров космических средств наблюдения
(см. табл. 1.2 и 1.3) показывает, что решение задачи распознавания класса и типа
объектов требует повышения информативности средств наблюдения, что примени
тельно к космическим РСА может достиrаться не только путем улучшения про
cTpaHcTBeHHoro разрешения, но и использованием специфических признаков, OCHO
54
rлава 1.. РЛС землеобзора космическоrо базирования в rлобальной системе ...
ванных на измерении радиофизических свойств объектов (поляризации, резонанс
ных явлений, интерферометрии) или косвенных признаков, таких как размеры и
конфиrурация радиолокационных теней от объектов наблюдения, наличие на изо
бражениях подстилающей поверхности «лысых мест», вызванных азимутальным
смещением отметок от движущихся целей, направления и уrлы схождения кильва
терных следов от движущеrося корабля в зависимости от ero скорости, отметки
переотражения от ero надстроек и т.д.
Для перечисленных в первом столбце табл. 1.1 типов объектов можно дать их
обобщенное определение и сформулировать задачи обнаружения и распознавания
применительно к видовым средствам радиолокационноrо наблюдения (РЛН). При
этом любой объект как eCTecTBeHHoro, так и искусственноrо происхождения может
быть определен как локальная аном8.!IИЯ (или набор локальных аномалий) в OДHO
родном окружении. Как локальную аномалию будем рассматривать набор ярких
отметок от компактноrо отражающеrо объекта, темные отметки от областей, не
дающих отражения в сторону РЛС, изменение текстуры участка поверхности.
Наличие достаточно большоrо объема накопленных данных по определенным
территориям (априорной информации для дешифрирования KOHKpeTHoro снимка) за
меняет классическую задачу обнаружения и распознавания, типичную для контроля
воздушноrо пространства, на задачу выявления изменений в оперативной обстановке
и идентификации обнаруженных аномалий. Фактически требуется обнаружение
аномалии и распознавание ее типа аномалий при обработке не Bcero полученноrо
изображения, а только небольших фраrментов, содержащих изменения.
Часть из указанных в табл. 1.1 задач требует высокой оперативности получе
ния информации, что наряду с высоким разрешением является приоритетным для
перспективных РСА. Следует отметить, что при пространственном разрешении
лучше 3 м резко снижаются ошибки идентификации растительных покровов даже
без применения поляризационной селекции. Это связано с повышением роли TeK
стурных особенностей отражающей поверхности. Кроме Toro, возможен обмен
пространственноrо разрешения на радиометрическое, что позволяет анализировать
о
rистоrраммы СУ для типизации поверхности. Аналоrично, для идентификации типа
ледовых полей требуется разрешение около 75 м, при этом для дешифрирования
проводят усреднение отсчетов (32х32), повышающее радиометрическое разреше
ние по площади. На сrлаженном Р ЛИ выявляется текстура ледовых образований,
характерная для данноrо типа ледовоrо покрова [87].
1.5. Концепция использования космически средств
радиолокационноrо наблюдения в rлобальной
информационной системе и ее национальных cerMeHTax
Анализ возможностей, реализуемых современными космическими системами pa
диолокационноrо наблюдения (rлавы 2, 8, 9, 13), позволяет сделать вывод, что в
настоящее время они стали неотъемлемым звеном rлобальных сетецентрических
информационных систем [36*, 46*, 96, 331, 350, 492].
55
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
Сформулируем концепцию использования радиолокационных систем в rло
бальной информационной системе и ее национальных cerMeHTax.
Рассмотрим фраrмент информационной системы (или, конкретнее reo
информационной системы), относящийся к получению и распределению видовой и
картоrрафической информации, т.е. данных, полученных на основе тематической
обработки радиолокационных снимков (включая количественную интерпретацию
данных радиолокационноrо зондирования, оценку оперативной обстановки в рай
онах съемки, выявление ее изменений), данных координатной обработки снимков
(обновление картоrpафическоrо материала, построение карт рельефа местности,
выявление изменений rеометрической конфиrурации объектов), а также формуля
ров обнаруженных движущихся целей и др.
rражданским аналоrом таких rлобальных информационных системы является
Интернет система распределения карт и космических снимков земной поверхности
Google Мар [537]. Ресурсы Google Мар предоставляют в свободном доступе дe
тальные космические снимки поверхности Земли с разрешающей способностью до
1 м. Однако в свободном доступе отсутствуют детальные снимки территорий (Ha
пример, военных баз), которые MorYT быть квалифицированы как нарушение CYBe
ренитета отдельных стран.
Фактически, Google Мар объединяет данные, полученные с различных спут
ников, также как и должна это делать сетецентрическая система BoeHHoro назначе
ния. Необходимо также отметить, что системы навиrации и позиционирования
GPS и rЛОНАСС, являющиеся в настоящее время элементами rлобальных ceTe
центрических систем, применяются как в rpажданских, так и в военных целях, oд
нако имеют при этом различные каналы для доступа, обеспечивающие разные
уровни точности позиционирования.
Применительно к задачам военной разведки или мониторинrа катастроф и в
зависимости от конкретных ситуаций радиолокационные снимки MorYT иметь раз
ный приоритет по отношению к оптическим снимкам (с одинаковой или разной
разрешающей способностью), полученным ранее (априорная опорная информация)
или синхронно с радиолокационными снимками, если метеоролоrические условия
позволяют вести оптическую съемку.
В первой ситуации (использование априорной опорной информации) радио
локационная съемка выполняет функции оперативной видовой до разведки полу
чение дополнительных данных для принятия решения. Так, например, при монито
ринrе катастроф наличие оптических снимков территория бедствия, а также ранее
полученных отдешифрированных радиолокационных снимков, снабженных KaTa
лоrом обнаруженных ярких объектов (брошенная техника, обломки аварий в TYHД
ровых И таежных районах), позволяет вести автоматический поиск новых образо
ваний и по их характеру диаrностировать предшествующие события, локализиро
вать район для высылки поисково спасательных rpупп и принимать решение о
привлечении дополнительных специализированных средств (например, проведения
радиолокационной съемки в друrих диапазонах волн, с друrими ресурсами или Ha
бором поляризаций).
56
rлава 1.. РЛС землеобзора космическоrо базирования в rлобальной системе ...
Вторая ситуация относится к случаям отсутствия оптических снимков, невоз
можности их оперативноrо получения или их недостаточной информативности.
Тоrда радиолокационная информация имеет высший приоритет по отношению к
оптическим средствам блаrодаря специфическим особенностям радиолокационно
ro зондирования всепоrодности, возможностям получения информации о радио
физических свойствах объектов, обнаружения замаскированных или скрытых pac
тительностью объектов, применения высокоточной координатной обработки, а
также выявления изменений в оперативной обстановке методами корреляционной
обработки или дифференциальной интерферометрии.
Соответственно концепция использования космических средств РЛН в то..
БШlЬНОЙ информационной системе может включать в себя следующие положения:
. получаемая с помощью космических средств РЛН двойноrо применения OT
крытая информация, в том числе срочная (при мониторинrе катастроф и про
ведении поисково спасательных работ), может иметь свободное распростра
нение (на коммерческой основе или по взаимному обмену);
. специальная информация, предназначенная для использования в национальном
cerMeHTe, должна передаваться по специальным защищенным каналам, причем
для доведения фраrментов этой информации до конкретных локальных потреби
телей MOryт использоваться открытые каналы с применением шифрования;
. должна использоваться комбинированная сетецентрическая распределенная
система, оборудованная мобильными (подвижными наземными, корабельны
ми) пунктами приема/обработки данных радиолокационноrо зондирования,
обеспечивающих мониторинr инфраструктуры отдаленных районов (KOM
плексов разработки полезных ископаемых, Севморпути и др.), а также зон ло
кальных конфликтов. Целесообразно использование в мобильных пунктах
стандартных аппаратно проrpаммных средств для их сеrментации и экстрен
ной уrлубленной обработки.
Проведенное рассмотрение места и роли космических систем радиолокацион
Horo наблюдения в rлобальной системе аэрокосмическоrо мониторинrа позволяет
сделать следующие выводы:
1) сочетание современных оптоэлектронных и радиолокационных средств
землеобзора космическоrо базирования обеспечивает получение детальной видо
вой информации для решения широкоrо Kpyra задач в интересах rражданских и BO
енных потребителей. Независимость радиолокационной съемки от метеоролоrиче
ских условий и времени суток, а также применение интерферометрической обра
ботки снимков позволяет отслеживать изменения оперативной обстановки на объ
ектах наблюдения;
2) ценные свойства радиолокационной съемки состоят в возможности измере
ния rеометрических характеристик объектов с высокой точностью, а также изме
рения радиофизических характеристик объектов;
3) информационное обеспечение военных операций и мониторинrа чрезвы
чайных ситуаций должно базироваться на использовании сетецентрических систем
с привлечением всех доступных аэрокосмических датчиков и каналов связи.
57
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
Должна быть предусмотрена реrулярная архивная съемка территорий предпола
rаемых активных действий с составлением и обновлением цифровых карт рельефа,
формированием банка фоноцелевой обстановки и радиолокационных портретов
объектов;
4) проектируемая радиолокационная аппаратура землеобзора космическоrо
базирования должна предусматривать мноrорежимное мноrофункциональное ис
пользование и быть рассчитана на двойное, rpажданское и военное применение.
Далее в моноrpафии рассматриваются конкретные вопросы, связанные с получением pa
диолокационных снимков средствами РЛН космическоrо базирования и извлечением ин..
формации для потребителей. [лава 2 посвящена рассмотрению механизмов формирования
сиrналов, отраженных объектами наблюдения и информационных признаков, содержа..
щихся в получаемых данных радиолокационноrо зондирования, по которым можно иден..
тифицировать объекты и проводить количественную оценку их параметров.
58
rлава 2
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАДИОВОЛН С ОБЪЕКТАМИ
РАДИОЛОКАционноrо НАБЛЮДЕНИЯ
2.1. Объекты радиолокационноrо наблюдения и их свойства
Объектами радиолокационноrо наблюдения в широком смысле являются физиче
ские объекты, которые MorYT быть обнаружены с использованием методов радио
локационноrо зондирования. В общем виде под объектом радиолокационноrо Ha
блюдения, характеризуемоrо некоторыми радиофизическими свойствами, будем
понимать локальную аномалию в однородном окружении. Будем рассматривать
также друrой тип объекта (участка местности), радиофизические характеристики
KOToporo несут информацию о нем или ero состоянии, характеризуемой изменчи
востью за определенный промежуток времени. К этому типу объектов относятся,
например, изменения rеометрии инженерных конструкций, появление ям на дo
рожном покрытии, просадки почвы. Однако, обнаруживаемое путем радиолокаци
oHHoro зондирования изменение влажности почвы после дождя, как правило, не
содержит полезной информации. Вместе с тем, участки земли повышенной влаж
ности в районе защитных дамб явно относятся к объектам наблюдения.
К объектам радиолокационноrо наблюдения относятся природные объекты, в
том числе с воздействием антропоrенных факторов, искусственные объекты, вклю
чая различные инженерные сооружения и объекты техники, живые объекты (люди,
животные, косяки рыб и др.). В связи с различием радиофизических свойств и Mexa
низмов рассеяния электромаrнитной энерrии от различных земных покровов целесо
образно раздельное рассмотрение наблюдаемых объектов суши (rеолоrическая
структура земной поверхности, растительный покров, наземные и подземные объек
ты и сооружения) и образования на водной поверхности (морей, озер, рек). Объекта
ми радиолокационноrо наблюдения являются также волновые явления, обусловлен
ные топоrpафией дна, и т.д. Для обозначения конкретных объектов (преимуществен
но компактных) используют также термин «радиолокационные цели».
При облучении радиоволной какоrо либо объекта в нем наводятся электриче
ские токи, создающие в свою очередь электромаrнитное поле, распространяющее
ся в направлении рлс. Радиоволны имеют векторные свойства, которые xapaKTe
ризуются поляризацией, определяющей направления векторов электрическоrо и
маrнитных полей в пространстве.
Энерrетические, фазовые и поляризационные характеристики отраженноrо
поля определяются мноrими факторами [79, 91,193,196,214]: длиной облучающей
волны, размерами, конфиrурацией, электрическими характеристиками (диэлектри
ческой и маrнитной проницаемостью, затуханием) объекта или ero элементов, pac
положением относительно направления облучения.
59
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
в современной практике результатом радиолокационной съемки является Ka
либрованное по значению эффективной площади обратноrо рассеяния цифровое
радиолокационное изображение. Содержащаяся в нем количественная информация
о подстилающей поверхности и объектах на ней позволяет применить измеритель
ные методы при тематической обработке радиолокационных снимков.
Принимаемый радиолокатором сиrнал от наблюдаемой поверхности xapaKTe
ризует ее отражающие свойства (удельную эффективную площадь обратноrо pac
сеяния) в диапазонах волн работы РСА с учетом поляризаций на излучение и при
ем, изменение фазы сиrнала при отражении; пространственно статистические xa
рактеристики (rистоrраммы распределения, корреляционные функции и т.д.). Точ
ность оценки этих характеристик во MHoroM зависит от возможности усреднения
измеренных параметров по площади участков (cerMeHToB) с однородной статисти
кой для данноrо типа поверхности (морская поверхность, ледовые поля, сельскохо
зяйственные и лесные уrодья и т.д.).
При высоком пространственном разрешении 0,6...1 м, реализуемом COBpeMeH
ными космическими РСА, размеры элемента разрешения на получаемом РЛИ за
редким исключением (кроме специальных точечных целей или транспондеров, при
меняемых для калибровки РСА) значительно меньше rеометрических размеров Ha
блюдаемых объектов. Радиолокация с такой детальностью и возможностью получе
ния трехмерных радиолокационных портретов объектов получила название «Радио
видение» [118]. В этих условиях классическая задача обнаружения объектов по
превышению мощности СU2ншzа над окружающll.JН фоном (например, по критерию
Неймана Пирсона) во мноrих случаях трансформируется в комбинацию локальных
задач, общим свойством которых является обнаружение локальных аномалий относи
тельно окружающей поверхности с однородными статистическими характеристиками:
. обнаружение положительных контрастов от ярких компактных или распределен
ных объектов;
. обнаружение отрицательных контрастов пространственно распределенных объ
ектов (нефтяные пятна на морской поверхности, ВПП и рулежные дорожки аэро
дромов, радиолокационные тени от высоких объектов);
. обнаружение изменений текстуры РЛИ (кильватерные следы движущихся кораб
лей, аномалии на морской поверхности от движущихся подводных объектов) или
изменений фазовой структуры комплексноrо РЛИ, вызванных, например, появ
лением выбоин на асфальтовом шоссе [369].
2.2. Спектр электромаrнитных колебаний, используемых
для наблюдения земной поверхности из космоса
2.2.1. Диапазоны частот, выделенные Реrламентом радиосвязи
для радиолокационноrо зондирования Земли из космоса
В современных космических РСА, применяемых для дистанционноrо зондирова
ния Земли (ДЗЗ), используют выделяемые Международным реrламентом радиосвя
зи диапазоны волн [210]. Для их обозначения обычно при меняют буквенные сим
волы [214]. Исходные кодовые rруппы (Р, L, S, Хи к) были введены в США в rоды
60
rлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
второй мировой войны из соображений секретности, но сохранились после снятия
секретности и широко используются в современной зарубежной и отечественной
литературе. Реrламент радиосвязи является правовым документом, определяющим
катеrории служб (типов радиоэлектронной аппаратуры). В нем предусмотрено
распределение частот по двум катеrориям приоритетности на первичной основе
(приоритетная) и на вторичной основе, службы которой не должны создавать по
мех службам, которым частоты уже присвоены или MorYT быть присвоены позже
на первичной основе. Они также не MorYT требовать защиты от вредных помех со
стороны станций первичных служб.
В Международном реrламенте радиосвязи приведены особенности использо
вания частот в разных реrионах. Их оrоваривают в «Примечаниях». На территории
Российской Федерации действуют Реrламент радиосвязи РФ и Таблица распреде
ления полос частот [199, 217].
Применительно к радиолокационной съемке Земли из космоса Реrламент pa
диосвязи оrоваривает службы, обозначенные как: «Служба космических исследова
ний (активная)>>, «Спутниковая служба исследований Земли (активная)>>, «Спутнико
вая (космос Земля)>>. Основные выделенные диапазоны с шириной полосы частот,
достаточной для решения задач ,lЩЗ, приведены в табл. 2.1. Общее наименование
диапазонов частот соrласно Реrламенту радиосвязи: ОВЧ (очень высокие частоты)
метровые волны, частоты 30.. .300 мrц, УВЧ (ультравысокие частоты) дециметро
вые волны, частоты 300.. .3000 мrц, СВЧ (сверхвысокие частоты) сантиметровые
волны, частоты 3...30 rrц. В дальнейшем тексте будут также ссылки на Ka диапазон
волн 20.. .30 rrц, используемый в радиолиниях передачи информации от РСА KOC
мическоrо базирования на наземные приемные пункты.
Таблица. 2.1. Частотные диапазоны для космических РСА
Условные Диапазон Диапазон Полоса
Наименование обозначения:
диапазона буквенное частот, длин волн, частот, Примечание
(числовое) rrц см мrц
ОВЧ (УНР) О, 137 . .. О, 144 208.. .219 7 На вторичной основе
УВЧ (UHF) Р (70 см) 0,432.. .0,438 69,5...70 6 На вторичной основе
УВЧ (UHF) Р (70 см) 0,440.. .0,460 65,2. ..68,18 20 Радиолокационная служба
УВЧ (UHF) L (23 см) 1 ,215 . . . 1 ,300 23,08. . .24,7 85 На первичной основе
СВЧ (SHF) S (10 см) 3,100.. .3,300 9,09.. .9,68 200 На вторичной основе
СВЧ (SHF) С (5,6 см) 5,250.. .5,570 5,38. . .5,714 320 На первичной основе
СВЧ (SHF) Х (3,5 см) 8,025. . .8,650 3,47. ..3,74 625 На первичной основе
9,300.. .9,800 На первичной основе
СВЧ (SHF) Х (3 см) 3,03.. .3,22 600
9,800.. .9,900 На вторичной основе
13,4.. .13,75 На первичной основе
СВЧ (SHF) Ки (2 см) 2,142 2,238 600
13,75...14,0 На вторичной основе
61
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
Следует отметить, что распределение частот в Международном реrламенте pery
лярно уточняется. Так, в редакциях Реrламента, относящихся к 197 1980 rr., косми
ческая радиолокационная съемка в Р диапазоне не была предусмотрена, а в новой pe
дакции выделена полоса 6 мrц. Значительно расширены полосы частот в x и c
диапазонах волн с 300 до 600 мrц в x и со 100 до 320 мrц в С диапазоне. В ряде
случаев по соrласованию с rосударственной Комиссией по радиочастотам (rКРч)
[199] и с учетом реrиональных оrpаничений возможны отступления от Реrламента, а
также расширение полосы частот радиолокационной съемки, например за счет службы
«Радиолокационная» (служба радиоопределения для целей радиолокации).
В радиолокаторах землеобзора космическоrо базирования, как правило, исполь
зуют импульсные зондирующие сиrналы, характеризуемые длительностью импульса
" шириной спектра дF', несущей частотой fo и частотой повторения Fp. Возможна pa
бота немодулированными короткими импульсами (ширина спектра t;F == 1 / ,), дли
тельность которых определяет разрешающую способность по наклонной дальности
(РБО «Чайка» КА УС, РСА «Меч К», «Меч КУ» КА «KOCMoc 1870» и «Алмаз l»). В
современных РСА с целью повышения энерrетическоrо потенциала используют ши
рокополосные зондирующие импульсы с дF==k c /" rде kc == ДР,» 1 коэффициент
сжатия. В основном применяют сиrналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), в
редких случаях фазоманипулированные (ФМ) сиrналы.
В практике создания и применения космических РСА реализуется одночас
тотное зондирование (РСА x , C , s или L диапазонов волн, в перспективе Р диа
пазона) или мноrочастотное зондирование в двух вариантах:
1) синхронное зондирование с использованием мноrочастотных РСА, например
комплекс SIR C/X SAR (США) космическоrо аппарата Space Shuttle, включающий
РСА x , c и L диапазонов, российские проекты бортовых радиолокационных KOM
плексов (БР ЛК) x , L и Р диапазонов КА «Алмаз 1 В» и «ApKOH 2» [215, 548];
2) несинхронное зондирование с комбинацией изображений, полученных He
зависимо одночастотными РСА в разное время и разных условиях наблюдения.
Мноrочастотное зондирование в обоих вариантах аналоrично обработке спек
трозональных снимков в оптическом диапазоне электромаrнитноrо спектра.
В современной радиолокации получают также распространение радары со
сверхширокополосными зондирующими сиrналами (СШП). ДЛЯ таких систем OT
носительная ширина полосы Bf== ({н !L)/(fH + !L) близка к единице, rде!н и!L ca
мая высокая и самая низкая частотные компоненты спектра сиrнала. Сверхширо
кополосные сиrналы нашли ряд применений в видеоимпульсных радиолокаторах с
синтезированной апертурой антенны (ВИРСА), размещаемых на движущихся
платформах или самолетах. Сиrнал, использующийся в ВИРСА это не имеющий
несущей частоты импульс (или кодированная последовательность импульсов) с
большой относительной шириной спектра [52, 239, 272, 391].
Стремительные технолоrические достижения в создании твердотельных элек
тронных и оптоэлектронных приборов, микроволновых источников С высокой
мощностью и сверхбыстрых цифровых ЭВМ обещают в перспективе реализацию
рентабельных СШП радарных систем. В настоящее время различные типы видео
импульсных радиолокаторов используют в медицине, в rуманитарной и военной
62
fлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
деятельности по картоrpафированию минных полей, в археолоrии. Известны бор
товые видеоимпульсные радиолокаторы, установленные на самолетах, вертолетах
и дирижаблях, применяемые для разведки толщины льда, подземноrо зондирова
ния, измерения небольших rлубин озер, водоемов и др.
За прошедшие rоды прошло большое число конференций и семинаров, на KO
торых вопросы широкополосных И сверхширокополосных (СШП) сиrналов и сис
тем рассматривались как ключевые (ТЬе 11 th Intemational Conference оп Ground
penetrating Radar. Columbus, Ohio State University, USA. June, 2006; ТЬе 12th In
temational Conference оп Ground penetrating Radar. University of Binningham, Unit
ed Kingdom. June, 2008; 14 я Международная научно техническая конференция
«Радиолокация, навиrация, связь». Воронеж, апрель 2008 r.; ТЬе «European Micro
wave Week», Amsterdam, Нидерланды, October, 2008 и др.).
За рубежом создаются нормативные документы, относящиеся к применению
СШП сиrналов и устройств, в частности, импульсных локаторов, имеющих широ
кий сплошной спектр излучаемоrо сиrнала, что может привести к интерференции с
друrими СВЧ устройствами (системы rлобальноrо позиционирования, различные
типы связи и т.д.) и, как следствие, к конфликту с существующими нормами и пра
вилами. В России нет пока нормативноrо документа, относящеrося к СШП уст
ройствам, но можно ориентироваться на документы Федеральной комиссии связи
США [306, 307]). Создаются аналоrичные документы друrих стран: Европейскоrо
союза [304], Канады, Австралии и друrих, но с ещё более жёсткими требованиями.
Очевидно, что и российские производители СШП устройств столкнутся с подоб
ными проблемами в ближайшее время [239].
В частности, РСС установила, что СШП устройства для наблюдения через оп
тически непрозрачные преrpады MorYT создаваться либо на частотах ниже
960 Мfц, либо в диапазоне частот 1990... 10600 Мfц. При этом спектральная плот
ность излучения должна быть не более минус 41,3 дБм/мrц.
Комиссия FCC относит к СШП сиzнШlЫ, обладающие хотя бы OдHlLlН из сле..
дующих свойств:
· разность между верхней fH и нижней fL частотами спекrpа (ширина спекrpа по
уровню минус 1 О дБ) не менее 500 мrц;
· отношение ширины спекrpа fH fL К ero средней частоте (fH + fL )/2 (относи
тельная полоса частот) не менее 0,2.
2.2.2. Изобразительные свойства радиолокационных снимков
в зависимости от длины волны РСА
Под изобразительными свойствами аэрокосмических снимков обычно понимают их
приrодность для визуальноrо дешифрирования. Первичным дешифровочным при
знаком на снимке является интенсивность пикселя. Модифицированные дешифро
вочные признаки формируются путем выявления и формализации структурных, TeK
стурных и контекстных свойств объектов различных классов [3, 7, 12, 104]. Изобра
зительные свойства снимков характеризуют связь между техническими параметра
ми, такими как пространственное разрешение, масштаб изображения, и возможно
63
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
стями выделения на снимке различных элементов местности линейных контуров,
участков растительности с разными rpадациями яркости и текстурой, поверхностных
структур почвенноrо слоя и водной среды, искусственных сооружений и т.д.
Основной фактор, ухудшающий изобразительные и измерительные свойства
радиолокационных изображений (Р ЛИ) по сравнению с оптическими, связан с по
вышенной зернистостью РЛИ, обусловленной спекл шумом коrерентным сложе
нием откликов от большоrо количества элементарных отражателей, попадающих в
элемент разрешения РСА [119]. Поэтому в отображении однородноrо фона появля
ется пятнистость, вызванная флуктуациями cYMMapHoro процесса при переходе от
одноrо элемента к друrому.
Спекл шум ухудшает радиометрическое разрешение РЛИ (см. раздел 3.5). Для
снижения спекл шума применяют рассмотренные в rл. 7 методы фильтрации РЛИ.
Но это приводит К потере пространственноrо разрешения Р ЛИ, а также полезной
информации, содержащейся в спекл шуме, которая может быть использована для
идентификации пространственно распределенных объектов.
В отличие от шумов приемника спекл шум имеет мультипликативный xapaK
тер ero мощность пропорциональна мощности отраженноrо сиrнала. В результа
те оказывается, что при фиксированных пространственном разрешении и масштабе
изобразительные свойства Р ЛИ в основном зависят от исходных контрастов сиrна
лов, отраженных от наблюдаемых объектов и подстилающей поверхности, которые
в свою очередь зависят от рабочей длины волны РСА.
Анализ радиолокационных снимков традиционных «узкополосных» РСА, по
лученных в диапазонах волн, выделенных Реrламентом радиосвязи для зондирова
ния Земли из космоса, показывает, что по общему характеру снимки близки. На
более длинных волнах лучше различаются контрасты растительноrо покрова, выше
проникающая способность под крону леса, выше вероятность обнаружения мало
размерных объектов на фоне местности. Волны p (70 см), VHF (1,5...2,5 м) диа
пазонов способны проникать под слой почвы с возможностями обнаружения за
rлубленных объектов и выявления подповерхностных rеолоrических структур.
Эффективность этоrо направления в развитии космических РСА эксперимен
тально доказана материалами дистанционноrо зондирования с помощью традици
онных самолетных РСА, работающих в p и VНF диапазонах волн, в частности,
БРЛК ИМАРК [37*, 185*], РСА «Компакт» [66]. Известны также положительные
результаты зондирования Луны при использовании РСА с длиной волны 15 м на
спутнике «Аполлон 17» [445, 562].
Основные nреlLlНущества видеоlLlНnУЛЬСНЫХ РСА в сравнении с традицион
ными «узкополосными» РСА состоят в следующем:
. короткие импульсные сиrналы, как правило, не создают помех для аппаратуры
дрyrоrо типа, что облеrчает применение таких сиrналов в космической аппарату
ре ДЗЗ;
. возможно получить высокое пространственное разрешение до единиц деци
метров, что обеспечивает распознавание малоразмерных целей по их видео
портретам;
. возможно распознавание типа объектов по их резонансным свойствам;
64
fлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
. имеются широкие возможности сrлаживания флуктуаций (спекл шума) BЫXOДHO
ro сиrнала от шероховатых поверхностей, что облеrчает их идентификацию;
. возможно обнаружение объектов под растительным покровом и заrлубленных
объектов блаrодаря проникающей способности метровых радиоволн.
Рассмотрим особенности использования частотных диапазонов традиционных
«узкополосных» РСА дЛЯ решения задач ДЗЗ, обнаружения и наблюдения а также
подводных объектов топоrpафии MopcKoro дна и шельфа и движущихся подводных
объектов. Отметим особенности зондирования в метровом диапазоне (VHF) приме
нительно к созданию перспективных космических РСА.
Проблема оптимальноrо выбора рабочих диапазонов волн для РСА является
ключевым вопросом при проектировании радиолокационной аппаратуры ДЗЗ. Как
следует из табл. 2.1, наибольшие различия частотных диапазонов состоят в выделен
ных полосах частот, что определяет реализуемую разрешающую способность попе
рек трассы КА. Для получения разрешающей способности РСА поперек линии пути
в доли метра нужна полоса зондирующеrо сиrнала 300.. .500 мrц. в соответствии с
оrpаничениями, определяемыми Реrламентом радиосвязи (табл. 2.1), получение Ta
Koro разрешения возможно в Ки (А.....,2 см), X (А"""3 см) либо в c (А .....,5,6 см) диа
пазонах волн. Метровое разрешение реализуется в S диапазоне волн (А""" 1 О см).
Общая закономерность состоит в том, что с уменьшением длины волны, в частно
сти, в сантиметровом Х диапазоне, леrче реализовать высокое (метровое и субмет
ровое) пространственное разрешение. Но следует учитывать и различие отражаю
щих свойств объектов в разных частотных диапазонах.
Изобразительные свойства радиолокационных снимков при наблюдении pac
тительноrо покрова, а также при изучении rеолоrической структуры земной по
верхности выше (более выражены) в дециметровом L диапазоне (разрешение от
3 м) и приближающемуся к нему в S диапазоне волн (рис. 2.1), чем в X и С диа
пазонах волн. Зондирование в Кu диапазоне, несмотря на возможность реализации
субметровоrо разрешения, имеет оrраниченные возможности, ero применение pac
сматривается для исследования ледниковоrо покрова.
На рис. 2.1 (см. также рис. Ц.l цветной вкладки) приведены радиолокационные
снимки, снятые в X , C , S и L диапазонах волн в ходе экспериментов, проведенных
фирмой JPL, США совместно с НПО машиностроения (ныне ОАО «ВПК «НПО Ma
шиностроения») и НПО «Bera» (ныне ОАО «Концерн «Bera»), СССР. Они показы
вают различие отражения радиоволн от разноrо типа местности [223*,440*].
Как правило, в X и С диапазонах уровни отраженных сиrналов выше, чем в
L и S диапазонах, в которых контрасты изображения подстилающих поверх..
ностей значительно больше. Это способствует
. повышению вероятности определения типа растительности, что важно для
решения задач землепользования и ведения лесноrо хозяйства;
. росту вероятности обнаружения малоразмерных целей на фоне местности, что
важно для мониторинrа чрезвычайных ситуаций;
. ведению военной разведки.
На более длинных волнах обеспечивается измерение удельных объемов лес
ной биомассы в отличие от сантиметровых волн (Х и С), для которых быстро Ha
3 1492
65
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
ступает насыщение в значениях с? Как видно из рис. 2.1 в x и С диапазонах волн
отражение от сельскохозяйственных уrодий в пойме реки значительно превышает
отражение от лесноrо массива (левый верхний уrол РЛИ).
1." ' .
х '
'. .. '... f' .
(. . Jo,., " . . '"?'== _
r:', ;. ... 1
. . ;jI,...
" -,- ..
с
' ;c;
- ......) :"':'-'. . .
[\J' ' .. ' .. ".., ; . ' . : . , ' , ' . . , . . '. . ' . ' . +'
: ..... , : .-.- .. 1
. t i
\:i:
; ? .:t1
.;;:, i(:.'
.
,: ."'"',
". .../."
1" ,.;: :.1
)0
. ,':. ., О..
jr
.",
,
"
'i-
',_, : ." <. ._., . ::-<
,)-;' :
1
,:.,,:.;
, W,:.
',.' ':т
:: . ;:
..!: r.
,1' .'
''1;
',1:.J .; !
.... .
..:::: . '.:: ,'<\ ."
, ;j" . .
j
,. ., , .. . ';,.
,.
",,'\' ."
'(> d-.
. . ',с F-
j, ' .' ' . .
: , . Y " . w , i . ... . . . . . : . t . . : . ; "\' . J': /;
r, , : : . . ; . 'jl . ,. > . .. . "'" "
'! -. l.. ""-: i;:".
. :k.-: _:: __ ":" ","./ '." "}.' .It:: . -
; ;'..,
"С
: ' ,- ..': ,.--: :
,," .,.... (-\f"
1"'1
.,,;
. """"
M ;,>"" . <: .'
",,"
','#' .-<..:
/<
3')
"f;;
,Л
. -".;
.
.'1., j
:. '.: .-- .
. . ' , ' . 1 . <.< :.'
, ,'
',) -
;.jf.
',.., >t'.'.
:r= "":
....:. .,(
. ., : , '.:.:- ( -.-...,;*, .. - *'7;:-: ....\': .. ........ ,:
,р
::\':" ":. ;,':
,. L
.
" 'f""'
,,' "J\ ,-
:,; ;' .
/'
i.-';:
. . -: . j )','
". ( "!
s
"
,,",; ::C ";" ;!:".
," "....,
,: .'
'. : :. .:. . с
;:"1
. . -:::"
-;.J...
f. .
;,
.,,>"
,i'! :.
1"(: ;
::>:-"
..
,", !
..
. '\:
A с ...:.
;, :i .
,А>
, '
:
',; f ' " " .,'"
:;'., · 'i' : .
' "N .х . ;' , '"
. ':' , .:\' i
" } .1
r .,.
W t '
: t
J' : ;'/ ".
. .,1 '";' Щ:" !'
'.:-
': '
' :).: <
. \ t:: :..-
;{ . < 'i'
,
, , o:;""L' .
,.,: 1:,."
.
... - . ., -.
': . ':. . ' -.., -'--: :
\.;. '., :.:< ;. .. ,..
.fu'
./
( .::--
. :.!:"
ti :;
...
.' .
'< ' -j
'"
';'
:14 '.
'. .:. ' -'! :.;:
[: :'.
Рис. 2.1. Радиолокационные снимки одноrо района, снятые вХ", с.., L"диапазонах волн
(SIR..C/X SAR), и в S"диапазоне волн (РСА «Меч..КУ» КА «Алмаз l»)
На рис. 2.2 иллюстрируется проникающая способность радиоволн разных
частотных диапазонов. Для большинства типов местности (кроме воды с большой
диэлектрической постоянной воды G""gO+j.60) проникновение радиоволн в подпо
верхностные слои (например, почва, растительный покров) возрастает с увеличе
ни ем длины волны РСА.
х: с, S, L, P.VHF х: С. S, L, P,VHF Х, С, S, L, P,VHF Х. С, S, L, P,VHF
8t Jt- tt 8t tt 8t
\\\\\ \\\\\. \\\\\ \\\\\
\\\\\ \,\\\\ \\\\\ "' \\ \"\
.. \..
.
Сиеr
ледники
мерзлота
Леса
Рис. 2.2. Проникающая способность различных диапазонов волн
66
fлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
Особенности прохождения радиоволн через слоистые земные покровы и коли
чественные значения коэффициентов затухания радиоволн в среде распространения,
характеризующие проникающую способность, приведены в разделах 2.6 и 2.10.
2.2.3. Влияние трассы распространения сиrнала на возможности
радиолокационноrо наблюдения в разных диапазонах волн
При космическом зондировании трасса прохождения излученных сиrналов до цели и
отраженных до приемной антенны РСА включает в себя тропосферу и ионосферу,
которые оказывают влияние на параметры сиrналов в зависимости от длины волны
РСА. Это влияние в общем случае включает в себя затухание радиоволн, фазовое за
паздывание, поворот плоскости поляризации (эффект Фарадея в ионосфере), а также
появление отражений от метеообразований в атмосфере. Эти явления MOryт вносить
деструктивное влияние на получение (синтез) радиолокационноrо изображения
(РЛИ), а MOryт создавать на РЛИ образы, вызванные отражением от метеоролоrиче
ских объектов с интенсивным отражением, маскирующих наземные (надводные)
объекты, которые являются объектами радиолокационноrо наблюдения. В любом
случае, изображения таких метеообразований (rpозовая облачность, дождь, cHer)
должны быть идентифицированы при дешифрировании РЛИ.
Земная атмосфера является неоднородной средой с пространственной и Bpe
менной зависимостью, обладающей поrлощающими, преломляющими и отражаю
щими свойствами, а ее верхний слой ионосферная плазма обладает дисперсными
и анизотропными свойствами [13 15, 115, 128, 390, 523, 543]. Распространение
радиоволн в такой среде сопровождается следующими физическими процесса..
ми в тропосфере и ионосфере:
. преломлением радиоволн в тропосфере, обусловленным реryлярным изменением
диэлекrpической постоянной по высоте и флуктуациями из за турбулентностей.
Эти явления вызывают увеличение задержки и фазы принимаемоrо сиrнала, а
также искривление пути распространения сиrнала;
. поrлощением радиоволн в rазах тропосферы, в осадках типа дождя, тумана и др.;
. отражением от локальных неоднородностей атмосферы, rpозовых облаков, дождя
и метеообразований;
. поrлощением, а также изменением времени задержки и фазы, обусловленными
конечной проводимостью ионосферы из за наличия свободных элекrpонов;
. изменением поляризации волны в анизотропной ионосфере (эффект Фарадея);
. дисперсными свойствами, вызванными резко выраженной частотной зависимо
стью воздействия параметров ионосферы на характеристики распространяющих
ся сиrналов.
Влияние атмосферных нестабильностей на характеристики сиrналов в косми
ческих РСА различно на сантиметровых, дециметровых и метровых волнах [128].
В сантиметровых диапазонах волн наиболее ощутимы пространственные нестабиль
ности, вызванные турбулентностью тропосферы, а в дециметровом диапазоне ио
носферы. Временные изменения состояния тропосферы и ионосферы, проявляю
щиеся при записи сиrналов по апертуре синтезированной антенны, можно отнести
к пространственным флуктуациям и оценивать общее деструктивное действие обо
67
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
их факторов. Оно проявляется в виде флуктуаций фазы принятоrо сиrнала вдоль
синтезированной апертуры, которые при водят к расфокусировке Р ли.
Дисперсные свойства ионосферы также вызывают расфокусировку при сжатии
широкополосных сиrналов по дальности (обычно с ЛЧМ модуляцией) или эквива
лентному растяжению коротких импульсов (например, в видеоимпульсных РСА).
В [128, 189, 390] исследовано влияние атмосферных флуктуаций на разре
шающую способность РСА космическоrо базирования. Дисперсия фазы по длине
синтезированной апертуры описывается степенной структурной функцией
D{qJ} == в 5/3 L;/3 ,
В 5/3 == К 2 4.2,91 [1 1 . ]
х 5/3 t + 1 .
Hs cos Yi
Здесь Кх == 21r/ А волновое число; Hs высота орбиты КА; 11 уrол падения, OT
считываемый от местной вертикали в точке наблюдения; 1t и 1 i интеrpалы по Te
кущей высоте h над поверхностью Земли (индексы t и i для тропосферы и ионо
сферы соответственно).
Для тропосферы величина интеrрала lt не зависит от длины волны и по дaH
ным [17, 189] в зависимости от rеофизических условий составляет
1t == fc (h )h 5 / З dh ,
rде с; ( h) структурная характеристика тропосферной турбулентности.
Для параболической модели высотноrо профиля электронной концентрации с
максимальным объемным содержанием электронов в слое N max ==10 6 CM 3, зависи
мость от длины волны А описывается формулой [128]
1. == !. о А4 == 5 02 .10 3 А 4 см 2
1 l' ,
rде liO значение /j для А == 1 см.
На рис. 2.3 приведены зависимости предельно достижимоrо разрешения по
азимуту и дальности от длины волны РСА без применения методов автофокусировки
при синтезе РЛИ (условия зондиро
вания: 1t == 3 см 2 , 1iO == 13.1 0 23 см 3,
11 == 600 [128]). Как видно из ри
сунка, в коротковолновой области
преобладает влияние фазовых
флуктуаций тропосферы, разреше
ние по азимуту с ростом длины
волны слабо уменьшается до ДO
лей метра. На более длинных вол
Л, см нах преобладает влияние ионосфе
ры и значение минимальноrо раз
решения по азимуту может yxyд
шиться до сотен метров, а по
дальности превысить 100 М.
P R , РХ' м
100
РХ
10
.
.т
--.-------..----_.. ......-----..-....---... --..---.............--.... .......... .........--..---....-..-- шш,ш ..
-
...../
. .
........
..... -=""""'"
....... ..-- ..
............-........... ............ .... .............................. ....--.. ............................. ............................. ..........................
..,
... .,..
fJ R
0,1
0,01
1
20
40
80
2
4
8 10
Рис. 2.3. Зависимость достижимоrо разрешения
по азимуту РХ и наклонной дальности PR
от длины волны РСА [128]
68
(2.1 )
(2.2)
(2.3)
(2.4)
rлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
Особенно драматическая ситуация имеет место при радиолокационном зондирова
нии из космоса в УКВ диапазоне (метровые волны), rде деструктивное действие
ионосферных нестабильностей значительно возрастает.
Детальный анализ влияния атмосферных нестабильностей на разрешающую способность
РСА космическоrо базирования с конкретными параметрам приведен в разделе 6.1 О, по..
священном методам автофокусировки РЛИ.
В настоящее время для преодоления расфокусировки Р ЛИ, вызванной aTMO
сферными нестабильностями, используют методы:
1) измерения параметров ионосферы в районах съемки с применением назем
ных датчиков, использующих сиrналы от спутников GPS [15] и встроенных борто
вых датчиков (применительно к РСА L диапазона волн [399, 488]);
2) автофокусировки по азимуту при синтезе апертуры, изложенные в разд. 6.1 о;
3) двухмерной автофокусировки Р ЛИ по азимуту и дальности для компенса
ции фазовых искажений в трансионосферных РСА, предназначенных для дистан
ционноrо зондирования Земли в УКВ диапазоне волн [241 *].
Из дрyrих явлений, связанных с прохождением радиоволн через атмосферу (тpo
посферу и ионосферу), следует отметить потери на распространение сиrнала и oтpa
жение от rидрометеоров в коротковолновой части сантиметровоrо диапазона волн.
На рис. 2.4 дана иллюстрация этих явлений и приведена зависимость пропу
скной способности атмосферы от длины волны РСА.
Ионосфера
"
100 %, :.rZ.<i'i:WjZf:' /'
, ), Щf
t /:f.lff g,
D:: с aJ . :t. ,t"''':...IJ W
:r: :с -е- . :lH Z
5 [g " I ' . ;.
e8. Щ
t: .: ' .
о % " "-1 :. );,
О, I мм 1 см 1 м
I Х
К tSLP
I J JJ J J J I
Диапазоны волн РСА
б)
Орбита КА
,
'>
. '. r(- .r
lI 4.
.. 1;'..
....... "...,/,*<., :"..... .
':' : ::.?" .
"...."" .:::::!:
,).;......;
Тропосфера
....
. .
. < /, '
. . .:,".. ,,;: '. ,
<"... :. -.'...,
.
.')'
".. :.:.,
rидрометеоры
ШТОРМ, ливень
:",.
; jlll.
(1)
Рис. 2.4. Трасса прохождения радиосиrналов через атмосферу
при радиолокационном зондировании Земли:
а отражение от rидрометеоров; б зависимость прозрачности атмосферы от диапазона волн [189]
в качестве примера отметим, что при радиолокационном зондировании OKea
на с помощью космическоrо РБО «KOCMoc 1500», работающеrо в Х диапазоне
БОЛН, кроме получения данных о состоянии морской поверхности, приводном BeT
ре и циклонах можно было вести изучение процессов образования облаков и ocaд
ков в тропических районах.
В ходе эксплуатации РБО системы Морской космической разведки и целеука
зания, выполняющей задачу контроля надводной обстановки, было установлено,
что в Х диапазоне волн возможно сильное отражение от rидрометеоров, особенно
69
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
на экваториальных широтах, резко снижающих вероятность обнаружения кораблей
и подстилающей поверхности.
Отраженный сиrнал, создаваемый rидрометеообразованиями (rMO), форми
руется объемным отражением от облаков и осадков (дожди, rрад, снеrопад). Из за
движения элементарных отражателей в этих образованиях интервал корреляции
принимаемоrо от них сиrнала не превышает 10 мс [193]. При этом реализуется
сжатие сиrналов по дальности, но при синтезе рли по азимуту rMO отображаются
как дополнительный шум. Следует учесть, что при наблюдении протяженной по
верхности в РСА сжатие сиrнала по азимуту (или дальности) не приводит к изме
нению отношения сиrнал/шум. Оно остается равным (ТО / (Т e на входе приемника
и после синтеза рли. Удельную эпр rMO (Т mo можно вычислить через CYMMap
ную эпр rMO (j"gmo' равную объемному рассеянию rMO 1], умноженному на им
пульсный объем сиrнала от rMO V gmO ' путем деления ее на облучаемую площадь в
элементе разрешения по rоризонтальной дальности:
( 5 )
О V gmo 1t 2
cт gmo == 1] == (н gmo1]) == Hgmo 41 K I Z ,
pyXant А
(2.5)
rде V gmO объем области, формирующей сиrнал от rMO; py разрешение по rори
зонтальной дальности; X ant зона облучения антенны по азимуту; 1] радиолока
ционная отражательная способность rMO ero эпр в единице объема (см. [214],
rл. 6]); К комплексный коэффициент, зависящий от комплексной диэлектриче
ской проницаемости водной среды (IKI 2 1 для воды и IKI2 0,197 для CHe
rа/льда); Z (мм 6 /м 3 ) множитель отражения, равный Z 1000r 1 ,6 для слабых дож
дей или снеrопада с интенсивностью r от 4 до 30 мм/ч и Z 200r 1 ,6 для интенсив
ных осадков (rрозы, ливни) с r == 50.. .120 мм/ч.
Импульсный объем rMO v gmo == PRXant Hgmo/sinYi равен произведению раз
решения по наклонной дальности PR, размера зоны облучения антенны по азимуту
(ширина эллипса на рис. 2.4, а) и длины дальностной трубки шириной PR в преде
лах высоты rMO Hgmo/sinYi' rде Hgmo высота rMO; Yi уrол падения, опреде
ляющий поперечное сечение rидрометеора (длину дуrи PR на рис. 2.4,а).
Значения удельной эпр (Т mo ДОЖДЯ С интенсивностью r == 50 мм/ч при высоте
Hw:m =1 км и yrле падения J1 == 450 в зависимости от длины волны рлс составляют:
Длина волны А, см . ....................................................... 3 5,6 10 23
14 25 35 9
у э ПР cr ;то , дБ ............................................................
Приведенные данные показывают, что при зондировании в дециметровых
диапазонах волн, отражение от rидрометеоров существенно падает.
70
fлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
Пример наблюдения rидрометеора с помощью РСА BbIcoKoro разрешения
приведен на рис. 2.5, rде показан снимок р. Волrи в районе r. Волrоrрада, получен
o::: !; ; fu]:'::;: ; H \::.. : it ;. ::
,., . < ,'. ..,,:o/"' ' А <... rl
rpозовоrо облака на 5,5 дБ пре . ... ". ,' . ..
вышает отражение от поля с за !""'" :.;:/ ..." . , , :. '"
, .. t', '
метным маскирующим действи .I'.' ,
t
: е::: ЗВ:: :: овБНЗ:J: : .(' .. :;i. . . ::. .
!/ .., .
большой плотности изображения ; '(! ;
облака. По данным синоптиков в ""1, :' . {
:: i: " . -.0'_
районе съемки в это время Ha { ;':ti-/
блюдались rpозовая облачность и ,;,,: ,;.""'.
дождь.
Принципиально РСА MorYT
применяться для зондирования
облачности и атмосферных ocaд
ков и иметь близкие к РБО xapaK
теристики, если использовать в
РСА режим некоrерентной обра
ботки или синтез Р ЛИ на интер
вале коrерентности сиrнала до
10 мс (см. rлаву 13, РБО «Koc
MOC 1500» и РСА «Северянин»).
; l '4 ' '.1 ,' .
< .- Jt; J" "
"
.:',:(
,,);.. :. " -":}
.
!
.r \r . ..
',:.?, .
.J! .;: ' ..
j
1<
, .
i
f
1<:
.-,.,.-' .
. j '.' ....:::.f«."
Рис. 2.5. Фраrмент радиолокационноrо снимка
р. Волrи в районе r. Волrоrpада в Х..диапазоне волн
с отражением от rpозовоrо облака (в левой части):
РСА ТепаSАR Х, режим высокоrо разрешения,
20070621 TSX First Image Wolga hig res.tif.
Iпfоtепа GmbH<Q [530]
2.3. Поляризация радиосиrналов при передаче и приеме
В практике радиолокационноrо ДЗЗ используют зондирующие сиrналов с разной
поляризацией при передаче (rоризонтальной или вертикальной, реже круrовой). В
однополяризационных РСА прием ведут с соrласованными вертикальной (ВВ), ro
ризонтальной (rr) или круrовой поляризациями. Вполяриметрических РСА ис
пользуют два приемных канала с rоризонтальной и вертикальной поляризациями,
позволяющих сравнивать сиrналы с любыми комбинациями поляризаций при пе
редаче и приеме (режимы ВВ, Br, rr, rB или УУ, УН, НН, НУ). Поляризация из
лучения определяется направлением вектора электрическоrо поля Е в плоскости,
нормальной направлению распространения ра,nиоволны. При rоризонтальной по
ляризации излучения вектор Е н электрическоrо поля параллелен наблюдаемой по
верхности. При вертикальной поляризация вектор излучения Еу направлен под yr
лом падения J1 к местной вертикали.
Заметим, что объекты простой формы (сфера, трехrpанный уrолковый OTpa
жатель ) дают отраженный сиrнал только при соrласованных поляризациях излуче
ния и приема (rr или ВВ). Линейные вертикальные объекты (например, металли
ческие или железобетонные столбы) дают слабое отражение при rоризонтальной
71
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
поляризации rr. rоризонтальные линейные объекты (провода, рельсы) MorYT дa
вать интенсивное отражение при rr поляризации, если они параллельны вектору
Е. Линейные вертикальные объекты, а также rоризонтальные, направленные от
РЛС, дают отражение при ВВ. Сложные объемные и линейные объекты при произ
вольных направлениях дают отражения в любых комбинациях поляризаций, при
чем при отсутствии искажающих воздействий (например, ионосферы) комбинации
Br и rB одинаковы.
При поляриметрических измерениях кроме амплитудных соотношений име
ется возможность по комплексному сиrналу измерить разность фаз между сиrна
лами комбинаций поляризаций ВВ и Br, rr и rB или ВВ и rr. Можно также BЫ
числить полную поляризационную матрицу (матрицу Стокса), которая описывает
преобразование амплитуды, фазы и поляризации волны, облучающей цель
ejqJнH ejqJнV
иHH' uНV'
S = (2.6)
.J й- УН e j {Оун .J й- vv e j rpyy
rде .JЙ- НН , .JЙ-НV , .JЙ- VV , .JЙ-VН элементы матрицы рассеяния, характеризую
щие амплитуду отраженноrо сиrнала; (Онн, (Ону, (ОУУ, (ОУН, соответствующие фазы.
В поляриметрических РСА обычно используют либо режим двух поляризаций
одна на передачу (В или r) и две на прием (B+r), либо полнополяриметрический pe
жим четырех поляризаций, при котором на излучение поочередно переключают поля
ризацию в соседних зондированиях с двухканальным приемом отраженных сиrналов
обеих поляризаций. При этом частота повторения удваивается, что вызывает опреде
ленные сложности с обеспечением однозначности сиrналов (см. раздел 3.6). Анало
rичным образом реализуется и режим двух поляризаций в комбинации BB+rr.
Кроме режима с линейными поляризациями на излучение, возможна работа с
круrовой поляризацией, при которой путем соответствующеrо построения aHTeH
Horo тракта одновременно излучаются зондирующие сиrналы обеих поляризаций,
но с разностью фаз 900 между ними. В зависимости от знака разности фаз вектор
электрическоrо поля получает вращение по или против часовой стрелки. Прием
отраженных сиrналов обычно ведут с помощью двухканальноrо приемника, как в
случае работы с линейными поляризациями, а необходимую разность фаз для по
лучения круrовой поляризации вводят после синтеза комплексных изображений.
При этом возможно получение Р ЛИ с совпадающим направлением вращения и с
обратным направлением вращения плоскости поляризации. Применение режима с
круrовой поляризацией может быть полезно в низкочастотном Р диапазоне волн, в
котором при прохождении радиоволн через ионосферу возможен поворот плоско
сти поляризации вектора электрическоrо поля (эффект Фарадея). Сравнение BЫ
ходных Р ЛИ С соrласованным и противоположным направлениями вращения aHa
лоrично сравнению BB и Br или rr и rВ поляризаций при работе с линейными
поляризациями.
Упрощенные режимы, близкие по возможностям к полнополяриметрическому режиму,
рассмотрены в подразделе 4.1.4.
72
rлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
Мощность сиrнала, попадающеrо в приемную антенну РЛС дЛЯ данноrо типа
подстилающей поверхности, зависит от поляризации излучения и от взаимноrо Ha
правления поляризаций при излучении и приеме. Если поляризации излучения и
приема совпадают, то для большинства поверхностей (пашня, покрытая раститель
ностью местность) уровни отраженноrо сиrнала для rоризонтальной и вертикаль
ной поляризации близки. Исключения составляют rладкие поверхности (бетон, ac
фальт, rравий, спокойная водная поверхность). Для них, особенно в длинноволно
вом диапазоне (3 см и более), отраженный сиrнал при rоризонтальной поляризации
меньше, чем при вертикальной (до 16 дБ при больших уrлах падения).
Влияние поляризации сказывается на подчеркивании контрастов объектов,
протяженных по длине в направлении, совпадающем с направлением поляризации.
Так, при вертикальной поляризации возрастает сиrнал от объектов, протяженных
по высоте опоры линий электропередач, деревья (особенно ель), морские волны и
т.д. При rоризонтальной поляризации MorYT дать интенсивный сиrнал провода ли
ний электропередач или железнодорожные рельсы при соответствующем ракурсе,
деревья с вытянутой rоризонтально кроной. В частности это явление позволяет на
радиолокационных снимках различать лиственные и хвойные породы леса.
В общем случае коэффициент рассеяния земной и водной поверхности при
вертикальной поляризации выше, чем при rоризонтальной и перекрестной. Oco
бен но сильно это различие проявляется при малых уrлах наклона (локальных уrлах
скольжения) и при rладких поверхностях. При малых уrлах наклона значение CfJ
морской поверхности дЛЯ ВВ может быть на 22 дБ выше, чем при rr в случае спо
койноrо моря. Эта разность постепенно уменьшается с увеличением волнения MOp
ской поверхности и уrла наклона уменьшением уrла падения и практически исче
зает при скоростях ветра 28...37 км/ч и уrлах наклона от 60 до 900.
Влияние выбора поляризации показано на рис. 2.6, rде представлены два РЛИ
(rr и rВ поляризаций) морской поверхности с рыболовными судами при сильном
волнении моря (скорость ветра 9 м/с). Из за сильноrо отражения от морской по
верхности, близкоrо по уровню к отражению от суши, суда обнаруживаются толь
ко на перекрестной rВ поляризации.
, "" '"
»': e..Y'
''' ';' , . ',"
'''":" ' " ' ' _
"-,(: _. i','
- <
",/'.' .' '" ....
: ., .
, .Р. :-
=:
I
'1
/' I' J'
''#'11
\
: .?
. i .
't
» ':-\1
. i
:
:
. , " ,\, " , '"
};. ,;
.)" :>
. 'f
:'. -- ,
, .
. ::'" .
J
. . ".0; ..::
\. '"
il.-
t!
. :
а)
б)
Рис. 2.6. Фраrменты РЛИ с рыболовными судами при сильном волнении моря:
а rr поляризации; б rВ поляризации; С диапазон волн
(Черное море в районе Новороссийска, РСА ASAR КА Envisat [378])
73
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
При работе с различными поля
ризациями информативными призна
ками являются отношения ЭПР в по
ляризационных каналах (например,
J>нv/J>HH или аОнн/аОуу), отношение
ЭПР поляризационной составляю
щей к усредненной ЭПР J> mеап==
== (J>HH + J>vv + 2xJ>vн)/4 или же
70 )'j' ['Рад
разность фаз между BB и rr либо
Рис. 2.7. Зависимость разности фаз ВВ.. между соrласованной поляризацией
и rr поляризаций для леса в L диапазоне и кроссполяризацией. Фазовую ин
формацию иллюстрирует рис. 2.7, rде приведена зависимость от уrла падения разно
сти фаз вертикальной и rоризонтальной составляющих в L диапазоне для леса.
Как правило, для кроссполяризации отраженный сиrнал меньше, чем для co
rласованной, особенно для rладких поверхностей, причем подчеркиваются KOHTpa
сты различных поверхностных особенностей (вид дороrи, участки лавы, осадочных
пород и т.д.). Для растительноrо покрова разница не превышает 0,75 дБ [193].
Дf/J, rрад
35
30
25
20
15
10
5
О
20
I I
I I
I I .
. . I .
I I I I
r r r r :
'
I ...
I ...
+ + + + +
+ + +
I . I . .
I I I . .
r r r r 1
I I
I I
I
I
30
40
50
60
2.4. Отражение электромаrнитных волн от сосредоточенных
и протяженных объектов и численные характеристики
отраженных сиrналов
2.4.1. ЭПР и диаrраММbI обратноrо рассеяния ПРОСТЫХ объектов
Мощность сиrнала в приемном тракте в соответствии с уравнением дальности (см.
раздел 3.4) определяются величиной эффективной площади рассеяния (ЭПР) объ
екта (радиолокационной цели). ЭПР является количественной мерой отношения
плотности потока мощности сиrнала, рассеянноrо в направлении приемника, к
мощности потока СВЧ электромаrнитных волн, падающих на цель при заданной
поляризации передающей антенны. ЭПР
р 2
(j" == 4Jr М , (2.7)
wi
rде Ps, Вт мощность сиrнала, отраженноrо от цели в направлении приемника
РЛС в единице телесноrо уrла; W 1 , вт/м 2 плотность потока мощности, облучаю
щеrо цель.
Следует отметить, что реальные объекты при облучении их под разными yr
лами MorYT дать различную мощность отражения. Это вызывает флуктуации при
нимаемоrо сиrнала. Тоrда rоворят о средней ЭПР и об уровнях её флуктуаций.
По методу определения ЭПР радиолокационные цели удобно разделять на
простые (элементарные) и сложные. К элементарным относятся простейшие reo
метрические конструкции: металлические плоская пластина, сфера, цилиндр, уrол
ковый отражатель и др. Их ЭПР и зависимости диаrраммы обратноrо рассеяния
(ДОР) от размеров, длины волны РЛС, уrлов наблюдения MorYT быть вычислены
74
fлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
по формулам (в случае, коrда их размеры существенно больше длины волны). ЭПР
и ДОР дЛЯ основных типов простых объектов приведены в табл. 2.2. Заметим, что
ЭПР этих объектов на перекрестных поляризациях rB или Br близка к нулю (оп
ределяется краевыми явлениями).
Таблица. 2.2. Характеристики ЭПР и ДОР для простых объектов
Объект
Плоская пластина ахЬ
Сфера с радиусом r> > А
Цилиндр вертикальный
радиусом r, высотой h
при ВВ
Цилиндр вертикальный
радиусом r, высотой h
при rr
Трехrpанный yrолковый
отражатель,
длина rpани а
Отражатель
диск цилиндр «шляпа»
(Т op..hat reflector
[274, 358])
rеометрия отражения
..
..
f4P;. ...
А
h
A r+
tgfЗ
Формулы для ЭПР и ДОР
4па 2 ь 2
(5'==
.112
sin[ па( а/ А)]
G( а) ==
па( а/А)
sin[ пfЗ(Ь/ 2)]
G(p) = 7fp(bjl)
(2.8)
2
(5' == пr
(2 9)
ДОР равномерная
в интервале Т-п/2
2пh 2 r
(5'=
(2.1 О)
2
( ) sin ( К xh sin а)
G а ==(5'
Kxhsina
Кх = 2П/А
(2.11 )
4 04
(5' = п
3 22
(2.12)
ДОР равномерная
в интервале "'-'Т-ЗОО
2пrh 2 соsfЗ
(5'==
2
( ) sin( КхhsiпfЗ)
G fЗ =(5'
к xh siпfЗ
(2.13)
ДОР по азимуту
равномерная О. . .360°
к овая
7
Радиолокационные системы землео6зора космическоrо базирования
(Т/тса 2
ЭПР металлической сферы с
диаметром, MHoro большим длины
волны ( оптическая область), равна
площади поперечноrо сечения сфе
ры соrласно (2.9). При уменьшении
радиуса сферы появляется резонанс
ная колебательная область Ми, а при
r«A область Релея, в которой ЭПР
сферы изменяется обратно пропор
ционально четвертой степени длины
волны (см. рис. 2.8).
Из элементарных целей наибо
0,001 лее важны уrолковые отражатели,
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,8 1,0 2 3 4 5 6 8 1 О 2паО,
которые MorYT служить радиолока
ционными ориентирами и эталон
ными объектами для измерения
разрешающей способности РЛС и калибровки чувствительности её тракта. С этой
целью оборудуются специальные измерительные полиrоны.
10
1,0
0,1
Оптическая
область
или резонансная
0,01
Рис. 2.8. ЭПР сферы [214]
2.4.2. Отражение радиоволн от сложных объектов
К сложным целям относится большинство реальных объектов. Их эффективная
площадь рассеяния может быть определена экспериментально или математически
ми методами электродинамических расчетов. Как правило, ЭПР сложных объектов
задают статистически, так как отраженный ими сиrнал меняется при малейшем
случайном перемещении элементов их конструкций относительно РЛС. Сложные
цели MorYT рассматриваться как точечные, rрупповые и распределенные.
Точечные цели цели, линейные и уrловые размеры которых значительно
меньше элемента разрешения РЛС на местности. Обычно это малоразмерные объ
екты (опоры линий электропередач, мелкие суда на воде, автомашины и т.д.), Ha
блюдаемые в режимах низкоrо разрешения РСА обзорных или 'широкозахватных.
ТруппО6ые цели соизмеримы с элементом разрешения РЛС или занимают He
сколько элементов: здания, крупные корабли, мосты, либо объекты техники, наблю
даемые в детальных режимах BbIcoKoro пространственноrо разрешения РСА (,......} м).
Распределенные цели (площадные, линейные) занимают MHoro элементов раз
решения и обычно характеризуются однородностью статистическоrо распределе
ния. К ним относятся, например, сельскохозяйственные уrодья, лесные массивы,
взволнованная морская поверхности, а также крупные неоднородности (аномалии)
на равномерной поверхности (кильватерные следы, пятна заrpязнений и др.).
В табл. 2.3 приведены ориентировочные значения ЭПР дЛЯ ряда сложных
объектов. В табл. 2.4 приведены значения ЭПР дЛЯ средств воздушноrо нападения
с учетом ракурса наблюдения. Следует иметь в виду, что при радиолокационном
наблюдении самолетов на земле. при уrлах падения ,......450 значения ЭПР ближе
к указанным для бортовых ракурсов, чем для случаев при наблюдения в нос или
хвост.
76
fлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
Таблица. 2.3. Средние ориентировочные значения ЭПР объектов [33*, 118]
о; м 2
Объект Размеры, мХм
А == 3 см А== 70 см
Человек 0,7 х 2,0 0,5 1,0
Автомобиль, тяrач 7,Ох4,0 5,0...15,0 20,0
Танк, БМП 7,Ох4,0 4,0...20,0 15,0
Истребитель на стоянке 12,Ох 17,0 3,0...15,0 10,0
Бомбардировщик на стоянке 50,Ох40,0 10,0...100,0 100,0
Таблица 2.4. Значения ЭПР средств воздушноzо нападения с учетом ракурса
наблюдения [33*]
Объект Ракурс,rрад о; м 2
А == 3 см А== 10 см А == 40 см
::1::45 (нос) 70/0,3...3 75 / 0,3...5 60 / 0,5...1 О
Стратеrическая авиация: ::1::45 (борт) 80 / 1...30 70 / 1...30 60 / 1...40
обычный / Стеле
::1::45 (хвост) 1000 / 0,5...1 О 120/0,5...10 90 / 0,5...20
::1::45 (нос) 4/ 0,1...0,5 4 / 0,1...0,5 6 / 0,2...0,7
Тактическая авиация: ::1::45 (борт) 5/0,5...0,7 6/0,5...0,7 9/0,5...0,7
обычный / Стеле
::1::45 (хвост) 5 / 0,2 5 / 0,2...0,1 8 / 0,2...0,4
::1::45 (нос) 5...13 6...13 7...12
Армейская авиация ::1::45 (борт) 9...30 10...30 10...12
::1::45 (хвост) 3...1 О 6...1 О 7...10
::1::45 (нос) 4...9 4...12 6...7
Авиация ВМС ::1::45 (борт) 6...16 6...23 9...14
::1::45 (хвост) 4...5 6...13 5...7
::1::45 (нос) 90...250 90...300 100...400
Военно"транспортные ::1::45 (борт) 1 000...350 1 00...350 150...400
самолеты
::1::45 (хвост) 80...200 80...250 80...350
::1::45 (нос) 50 / 18 50 / 20 50 / 20
Самолеты ДРЛО ::1::45 (борт) 80 / 35 70 / 35 70 / 40
и У E 3C / E 2C
::1::45 (хвост) 100 / 15 80 / 18 70/ 15
::1::45 (нос) 0,05 0,05 0,20
БЛА ::1::45 (борт) 0,30 0,40 0,50
::1::45 (хвост) 0,20 0,20 0,30
77
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
в табл. 2.5 дана сводка усредненных данных по ЭПР морских целей в Х диа
пазоне волн. С увеличением длины волны ЭПР уменьшается в соответствии с при
веденными ниже коэффициентами:
Диапазон волн ................................................. Х S L Р
Коэффициент пересчета ЭПР .............................. 1,0 0,8 0,4 0,2
Таблица 2.5. Значения ЭПР морских целей в Х..диапазоне волн [33*]
Морские цели Длина, м Ширина, м ЭПР ЭПР
с носа, м 2 с борта, м 2
Авианосец типа Нимиц 332,8 78,4 4. 105 3.1 06
Крейсер типа Тикондероrа 171,7 16,8 6.103 3. 1 05
Фреrат типа Перри 135,6 13,7 3 . 1 03 3.1 04
Катер Пеrас 40,5 8,6 180 1800
Подводная лодка, всплывшая до 172 до 23 ----10 ----200
Экспериментальные оценки ЭПР морских целей в S..диапазоне волн, полученные в ходе
эксплуатации РСА «Меч КУ» КА «Алмаз..l», приведены в подразделе 9.3.4 (табл. 9.1).
2.4.3. Отражение радиоволн от пространственно распределенных
объектов
Пространственно распределенные объекты имеют однородную отражающую способ
ность в пределах HeKoToporo участка: лyrа, поля, леса, взволнованная водная поверх
ность, ледовые поля, дороrи, просеки и т.д. Если ширина объекта меньше разрешения
РЛС, то rоворят о линейно протяженных объектах (про вода, оrpаждения, межи и др.).
Соrласно принципу rюйrенса, каждая точка облученной поверхности рассеи
вает сиrналы во всех направлениях с одинаковой амплитудой. Интеrральный OT
раженный сиrнал определяется векторной суммой отражений от отдельных мел
кошероховатых пластин (фацетов). Можно рассматривать несколько основных ти
пичных случаев формирования отраженноrо сиrнала от земных покровов: rладкая
поверхность; поверхность с полоrими неровностями; поверхность с крупной шеро
ховатостью; слоистая среда; двухrранные уrлы; морская поверхность; сельскохо
зяйственные уrодья; лесные массивы.
Отражающую способность подстилающей поверхности характеризуют коэф
фициентом рассеяния, представляю щи м собой удельную эффективную площадь
рассеяния (УЭПР) отношение ЭПР элемента разрешения на местности к значе
нию ero rеометрической площади:
(ТО = (Т/[Рх Ру ] , (2.14)
rде Рх, ру линейное разрешение РЛС по координатам на местности вдоль и попе
рек линии пути.
В режиме боковоrо обзора оно соответствует rеометрии получаемоrо Р ЛИ, а
при скошенном обзоре Р ЛИ преобразуют к прямоуrольным координатам с отсче
тами по азимуту, соответствующими нулю доплеровской частоты.
Обычно УЭПР выражают в децибелах:
78
rлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
agB == 1 О 19 а О . (2.15)
При падении радиоволны на наблюдаемую поверхность принципиально мож
но рассматривать следующие составляющие, представленные на рис. 2.9: падаю
щую волну Ео, зеркально отраженную волну Е з , волну, обратно отраженную в CTO
рону источника облучения E 1 , и волны, отраженные в разные стороны Е 2 , в том
числе и под уrлом к плоскости падающей волны.
Применительно к обычной одно позиционной радиолокации интерес пред
ставляет только волна E 1 , отраженная обратно к источнику. Для бистатических и
мноrопозиционных радиолокационных систем должны рассматриваться все OTpa
женныекомпоненты.
Падающая волна Ео Отраженные
(рассеяные) волны Е 2
..
Волна, обратно_ f
отражен ная ''\: f
, :
К источнику Еl " . f /'
....:. . \.t(,../..
Зеркально отраженная
волны Е з
Рис. 2.9. Виды отраженных волн
Характер отражения зависит от шероховатости поверхности. Ее характеризуют
величиной неровности (J"h среднеквадратическим отклонением от идеальной плос
кости. Если величина неровностей мала по сравнению с длиной волны РЛС (удовле
творяется условие Релея), то поверхность может рассматриваться как rладкая
< А
(J"h , (2.16)
16cos Yi
rде А длина волны РЛС; J'I уrол падения от местной вертикали.
В общем случае следует рассматривать прохождение электромаrнитных волн
на rраницах сред с разными значениями диэлектрической проницаемости и Mar
нитной проницаемости, коrда происходит направленное (зеркальное) отражение,
рассеяние радиоволн, а также их преломление в друrую среду.
Особый случай поверхности с малой шероховатостью (полоrой неровностью)
коrда неравномерность имеет волнообразный характер. К ней относятся морская
поверхность с рябью, а также песчаные пустыни с барханами. Общими свойствами
для них является связь отражающей способности с величиной неравномерности, а
различие состоит в том, что морская поверхность является динамическим объек
том, отраженный сиrнал от KOToporo имеет малый временной интервал корреля
ции. Иноrда пренебреrают этим фактором и рассматривают «замороженную» MOp
скую поверхность в виде «стиральной доски». Поэтому, при дальнейшем анализе
отдельно рассматриваются модели рассеяния от волнообразной шероховатости и
79
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
отдельно отражение от морской поверхности с учетом ветровых воздействий,
сейсмических явлений, проявления внутренних волн и т.д.
Определенные различия характерны для растительных покровов разных ти
пов. Для сельскохозяйственных уrодий основное отражение формируется зеленой
массой. Для отдельных культур (кукуруза, подсолнечник) MOryT иметь место резо
нансные явления. Для лесных массивов в зависимости от диапазона волн изменяет
ся доля энерrии, отраженная лиственной массой, ветками и стволами, а также поч
вой и подпочвенным слоем.
2.5. Отражение радиоволн от плоской rраницы двух сред
Имеет большие перспективы мноrочастотное радиолокационное зондирование
земных покровов со слоистой структурой. Механизмы прохождения радиоволн че
рез среды с различными радиофизическими свойствами имеют свои особенности,
что требует специальноrо рассмотрения. В первую очередь это касается процесс а
взаимодействия электромаrнитных колебаний на rранице двух сред. Основными
параметрами, определяющими волновые процессы в среде, являются скорость pac
пространения и затухание, которые зависят от электрических параметров среды
диэлектрической и маrнитной проницаемости [17, 91, 245]. Скорость света в CBO
бодном пространстве с == 1/ .J&oJ.1o , длина волны РЛС /l, == с/ f , rде значения ди
электрической проницаемости во == 8,86.10 12 Ф/м (А.с/В.м) И маrнитной проницае
мости J.1o == 4п.l o 7 rH/M (В.с/А.м).
Физические среды характеризуются относительной диэлектрической nрони
цаемостью &, которая при наличии потерь имеет комплексное значение &, И oтHO
сительной ма2нитной nроницаемостью р. Для вакуума IF I и IF I. Потери при pac
пространении радиоволн в среде характеризуют таН2енсом У2ла потерь, который
является отношением мнимой &' и действительной & частей диэлектрической про
ницаемости
tg д == & '/ & . (2.17)
Комплексная относительная диэлектрическая проницаемость среды выража
ется формулой
i == & j4па/m == &(1 jtgд), (2.18)
rде liF27ifs круrовая частота колебаний; a потери в среде.
Компл ексное волновое число
k O -J о 211:/ 211:
== йJ &sl1o&o == '\jGs == '\jGs ,
С А
rде с и /l, скорость света и длина радиоволны в свободном пространстве COOT
ветственно.
Большинство природных сред близки к диэлектрикам и имеют маrнитную
проницаемость, мало отличающуюся от единицы J.1 1 . Поэтому скорость распро
странения радиоволн в среде приблизительно равна
(2.19)
80
fлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
C s с/ .
(2.20)
На рис. 2.1 О показана rеометрия взаимодействия электромаrнитных колеба
ний с rраницей двух сред с характеристиками комплексной диэлектрической про
ницаемости 81 и 82 И маrнитной проницаемости Р1 и Р2 В системе координат xyz.
z
у
х
\
\
.f\
.';1\k3
Е з Нз
Рис. 2.10. rеометрия взаимодействия электромаrнитных колебаний с rраницей двух сред
(падающая волна с rоризонтальной поляризацией)
Параметры отраженной и преломленной волн находим из равенства rранич
ных условий. Падающая плоская волна характеризуется комплексными векторами
. .
напряженности электрическоrо Е 1 и маrнитноrо Н 1 полей, волновым вектором
k 1 и уrлом падения Уl == Yi
Е 1 == EleoejOJst jk1R ,
(2.21 )
rде Е 1 амплитуда напряженности электрическоrо поля; е о единичный вектор
. 2п r;:
поляризации излучения; йJ == 27ifs уrловая несущая частота; k 1 == '\j 81 волно
. А
вое число; R наклонная дальность визирования, определяющая фазу фронта па
дающей волны.
На рисунке показана rоризонтальная поляризация облучающей волны с еди
ничным вектором е он == ХО 1 + у о О + Zo О, rде Хо, у о' Zo единичные векторы в сис
теме координат xyz. Вектор Е 1 параллелен оси Х, нормальной к плоскости pac
пространения волны yz. Для вертикальной поляризации вектор е о имеет вид
еоу == ХО О + у о COS Yi + Zo sin Yi
Будем считать известной амплитуду напряженности электрическоrо поля. Ее
можно вычислить (см. формулу дальности, раздел 3.4) по излучаемой мощности Pt
и коэффициенту усиления антенны РЛС G
81
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
Е GPl
1 4пR 2
(2.22)
rде Рl волновое сопротивление среды ] (для свободноrо пространства
120 Ом).
Напряженность маrнитноrо поля
. ! l.
Hl = El
Р0
(2.23 )
В предположении однородности среды ] и 2 rpаничные условия принимают вид
. . . . . . ..
Е т1 =Е т2 ; Н пI =Н п2 ; Е п1 &I = Е п2 &2; Н т1 =Н т2
(2.24)
rде индекс «'Р> означает танrенциальную, индекс «n» нормальную составляющую
поля, а индексы «]» и «2» определяют среду, для которой берется данная COCTaB
ляющая.
Для случая rоризонтальной поляризации падающей волны танrенциальные
составляющие электрическоrо поля при z О (см. рис. 2.11) должны удовлетворять
следующему соотношению:
. . .
E1y(Y) + Е 2у (У) = Е зу (У)
или
. . .
Е jk} У sin У} + jФо + Е jk} У sin У2 + jФо Е jk 2 У sin Уз + jФо
I e 2 е з е
(2.25)
rде qJO фаза падающей волны при Х О, Z о.
у
Рис. 2.11. Отражение радиоволн от плоской rраницы двух сред
Выполнение равенства (2.24) при любых значениях У возможно при равенстве
показателей степени:
Д sinYl = Д sinY2 = Д sinYi = Ji; siny3
(2.26)
82
rлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
из чеrо следует, что Yl == У2 == }1, т.е. имеет место зеркальное отражение (составляю
щая Е 2 ).
Уrол преломления определяется
. Щ I.
SlПУз = SlnYi
&2
(2.27)
Из (2.24) и (2.25) имеем
. . .
ЕI + Е 2 = Е з .
(2.28)
rраничные условия для танrенциальных составляющих маrнитноrо поля
. . .
H 1y + Н 2У = Н зУ
(2.29)
или
ДE1 cosYie jklYSinYi+j\Zb +ДЕ 2 cosY2e jklYsinY2+j\Zb ==
= .ji; Е з cos узе jk 2 f sin УЗ + j'Po .
Откуда соотношение между падающей, зеркально отраженной и преломлен
ной составляющими
. . .
ЕI Е 2 = Е з
(2.30)
&2 2
. tg Yi .
&1 COS Yi
Из cOBMecTHoro решения уравнений (2.26Н2.30) вычисляется коэффициент
зерКOJlЬНО20 отражения, определяющий отношение комплексных амплитуд OTpa
женноrо и падающеrо лучей на rранице двух сред, известный как коэффициент
Френеля. Для rоризонтальной поляризации падающей волны после ряда преобра
зований [91]
. Е 2 Ji; COSYi &2 &) sin 2 Yi
К jН ="'""'7""""' = ,
Е r;: ... 2
1 \j&1 COS Yi + &2 &1 Sln Yi
(2.31 )
. . .
Е з = ЕI (1 + К jН) .
(2.32)
Аналоrично для вертикальн ой поляризац ии падающей волны имеем
. Е 2 &2 COS Yi Ji; &2 &) sin 2 Yi
К jV ="'""'7""""' =
Е. r;: 1 . .. 2
1 &2 COS Yi + "&1 \j &2 &1 Sln Yi
Рассмотрим важные частные случаи. Примем, что первой является воздушная
среда с &== 1, что типично при радиолокационном обзоре дЛЯ Д33. Для удобства за
пишем комплексные коэффициенты Френеля в виде произведения модуля на фазо
вый множитель, а комплексную диэлектрическую проницаемость выразим через
TaHreHc уrла потерь tg
(2.33)
83
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
к jН == к jНe JOн ; К jV == к jVe JOy ; &2 == &2 (1 jtgд 2 ) .
(2.34)
Для уrлов падения, не превышающих }1 < 30°, значения модуля и aprYMeHTa
коэффициента отражения можно разложить в ряд по степеням уrла }1
'к jН I == к /0 [ 1 + : }
IK jV I == к /0 [ 1 : }
[ у.2 )
В Н == ВО 1 a + Jl" ,
(2.35)
[ Yi2 )
Ву == ВО 1 + ау ,
(2.36)
rде
(C2 1)2 +citg 2 g s
К 10 == ;
1 + C2 1 + tg 2 g s + 2С 2 (1 + 1 + tg 2 g s )
(2.37)
ВО ==arctg
2C2( 1+tg2gs 1)
C2 1 + tg 2 g s 1
(2.38)
Значения ао, ан и ау, вычисленные для различных видов отражающей поверх
ности, приведены в табл. 2.6.
Таблица 2.6. Параметры разложения в ряд коэффициентов зеркШlЬНОZО
отражения [91]
Вид поверхности 62 tg KfO 4° ао ан av
CHer 2 0,01 0,17 1 1,4 4 1
Сухая почва, лед 4 0,01 0,33 0,5 2 2,7 2
4 1,0 0,45 21 2,6 2,1 1,6
Влажная почва 10 0,01 0,52 0,2 3,15 2,2 2,15
10 1,0 0,61 12 4,1 2 1,5
Пресная вода 80 0,01 0,8 0,1 9 2 2
Соленая вода 80 1,0 0,84 4 11,6 2 2
На рис. 2.12 приведены диаrраммы рассеяния (отражения и преломления) pa
диоволн на rраницах воздушной среды со cHeroM, сухой почвой и соленой водой.
Видны изменения величины зеркальной и преломленной составляющей по OTHO
шению к падающей волне, принятой за единицу.
84
rлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
о
180
а)
О
90
180
в)
о
90
180
б)
О
90
180
2)
Рис. 2.12. Диаrраммы отражения Е 2 и преломления Е з радиоволн
на rpанице воздушной среды со cHeroM (а и 6), сухой почвой (в) и соленой водой (2)
(поляризация облучения rоризонтальная, направление облучения показано стрелкой: а 300, 2 500)
Так, если &2» 1 (например, водная поверхность или влажная почва) или иде
ально проводящая поверхность os »0 (металл), К jН 1 и ==п. Практически
имеем отсутствие преломленной волны и полное зеркальное отражение. При этом
для rоризонтальной поляризации падающей волны фаза зеркальной составляющей
поворачивается на 1800. На вертикальной поляризации фаза отраженной волны
совпадает с фазой падающей волны, происходит только изменение направления
распространения волны. Если &2 мало отличается от единицы (сухой cHer), то
большая часть энерrии будет проходить во вторую среду, практически не меняя
направления распространения, а амплитуда зеркальной волны будет малой.
Для типичных частотных диапазонов космических РСА (сантиметровые и дe
циметровые волны) зеркальное отражение формируется от таких объектов, как
спокойная водная поверхность, асфальтовые (бетонные) дороrи, взлетные полосы
аэродромов и т.д. При уrлах падения, отличных от нуля, такие объекты не дадут
85
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
отражения в сторону РЛС и, соответственно, мощность сиrнала в прием ной aHTeH
не будет близка к нулю.
Определим величину зеркально отраженноrо сиrнала для случая бистатиче
cKoro зондирования. При этом учтем, что в сложившейся практике дистанционноrо
зондирования основным информационным продуктом, который поступает потре
бителям от службы эксплуатации современных РСА, является, так называемое,
«rеокорректированное» Р ЛИ в плановой проекции, каждый пиксель KOToporo Ka
либрован по значению УЭПР li.
Рассмотрим эту особенность, используя рис. 2.11 для отражения радиоволны от
rладкой rраницы двух сред с размерами отражающеrо элемента, равными Рхру. По
ток мощности, падающий на площадку разрешения, определяется плотностью пото
ка мощности и проекцией площадки разрешения на волновой фронт плоской волны
Е 2
Р о
е Р х Ру COS Yi ,
Р
(2.39)
rде Ео напряженность электрическоrо поля в падающей волне; P 120 Ом вол
новое сопротивление среды; Х уrол падения.
Отраженная мощность на rранице воздух поверхность определится коэффи
циентами отражения KjН или KjV в зависимости от свойств поверхности и поляри
зации падающей волны. С их учетом ЭПР площадки зеркальноrо излучения, а TaK
же УЭПР выразятся через формулу (2.39) для плоской пластины
4пр2 р2
(у х у к 2 COs 2 У . ( 2.40 )
А 2 jН/V 1 ,
(УО 4прхру к 2 COs 2 У . ( 2.41 )
А 2 jН/V 1 .
При уrлах падения, близких к отвесным Х,.....,О (случай надирных высотомеров),
корректность формул нарушается, так как падающую волну в пределах элемента
разрешения по наклонной дальности нельзя рассматривать как плоскую. Анало
rичное оrраничение имеет место в высокоорбитальных РСА, дЛЯ которых необхо
дим учет сферичности земной поверхности. Указанными явлениями можно пре
небречь при выполнении соотношений
RA » ( PR J 2 (2.42)
tgYi
или
Re A » ( PR J 2, (2.43)
tgYi
rде R наклонная дальность наблюдения (близка к высоте орбиты Hs); Re радиус
Земли; PR разрешение РСА по наклонной дальности.
В этом случае ЭПР элемента разрешения и УЭПР отражающей поверхности
определятся формулами (2.40) и (2.41).
86
fлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
2.6. Отражение радиоволн от поверхности с волнообразными
неровностями
Естественные земные покровы, как правило, представляют собой шероховатые по
верхности. Важным случаем является отражение от поверхности с полоrими He
ровностями. Такую поверхность можно представить в виде набора синусоидаль
ных составляющих, полученных путем представления функции рельефа интеrра
лом Фурье, а для периодических неоднородностей, к которым относятся поверхно
сти с волнообразной неравномерностью в виде ряда Фурье. Это может быть MOp
ская поверхность с ветровым волнением, пустыни с песчаными барханами и др.
Для таких поверхностей даже при малой амплитуде неравномерностей возможно
образование отраженноrо сиrнала в сторону рлс. Это вызывается тем, что радио
локатор представляет собой пространственный резонансный фильтр, настроенный
на определенную длину волны спектра пространственных частот.
Действительно, соrласно принципу rюйrенса каждая точка облученной по
верхности рассеивает сиrналы во всех направлениях с одинаковой амплитудой.
Принятый однопозиционной РЛС сиrнал можно определить в виде интеrральной
суммы сиrналов обратноrо рассеяния от точек облученной поверхности с учетом
распределения их амплитуд и фаз по элементу разрешения рхХру вдоль и поперек
линии пути
JJ . ( ) °rp ( X У ) j 2Jr (Ysinri h(X,Y).cosri)
Er == Е Х,У е} , е А dXdY.
рх,ру
rеометрия наблюдения поверхности с волнообразной шероховатостью показа
на на рис. 2.13. Как показано в [91], для частноrо случая падения плоской волны с
rоризонтальной поляризацией на идеально проводящую поверхность с одномерной
волнообразной шероховатостью h m (см. рис. 2.13) формируется зеркально отражен
ная волна (как для плоской поверхности) и набор обратных плоских волн от rap
моник волнистости поверхности
(2.44)
дRl + M 2 -::=п1А
л
.
.
.
.
..
.
у
х
Рис. 2.13. rармоническая составляющая шероховатости облучаемой
поверхности
87
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
. j 2JZ" (y sinYi+ZCOSYi) 2п
Е 2Н == Eoe А j2Eo cos I'i х
А
/; [ (sin Yi п: )у + l ( sinYi п: )2 z ]
Х Lh.n e
п
(2.45)
rде h m высота неровностей; Л пространственная длина волны.
Направление распространения формируемой волны (уrол у,.) определяется yr
лом, при котором разность хода лучей, проходящих через одинаковые фазы волни
стости, равна или кратна длине электромаrнитной волны
М 1 + М 2 == Л sin Yi + Л sin (Y r Jl" ) == л (sin Yi + sin Y r ) == А. .
ппп
(2.46)
Механизм отражения от периодических структур называют БРЭ220вским
рассеянием. На рис. 2.14 приведены амплитуды составляющих отраженноrо сиrна
ла: зеркальной 1 и обратноrо рассеяния 2 при волнообразной неровности высотой
h m ==1 мм с периодом Л==2 см, который соrласован по формуле (2.47) с длиной вол
ны РЛС IL 3 см при уrле падения облучающей волны }1==50 0 . Уровень обратной co
ставляющей составляет 18 дБ от зеркальной составляющей, величина которой оп
ределяется формулами (2.40) и (2.41).
Отражение в сторону РЛС будет давать «резонансная» длина волны на Ha
блюдаемой поверхности или ее субrармоники с номером п
ПА
Л == (2.47)
2 sin Yi
0 / о
(J" (j' I1ШХ
1 : : : : : : : 1 : :
О, 9 .._.. .. '.'1.-' ... т- ... .-r" ..-. _. -.. .1' -".'1." '-'r.." --[-..--
0,8 ! i - ' - ! - i - -----;- - - -, - ----- -----
: ::::::!: :::::1:::::: t::::::f:::::: 1:::::: 1:::::: 1::: :: :f:::: ::1:::::
: ::::::1:::::1::::1:: Т: - J:::: J::::: j::: :1::: Т::::
2 : : : : : : : : :
: 1 :::::T::::1T:T:::: ::::::1::::::j:::::T- :::[::::::[:::::
о : : : : : : : : :
100 60 20 О 20 60 100
Y 1 ., трад
а)
0 / о
(J" (J" шах
1 : : : : : : : : :
О, 9 - -1- - + + - -1- - - + - - - - - -r - - - - - - -
0,8 .. -.. -t. --. --i...... . _.. - -. -r' -. - - -t. -- - -. i" -.. -1..... .-r.-.. -. r...-.
: ::: ::: I :::: ::1::: ::: t:: ::::t: ::::: 1:: :::: 1::: :::j::: ::::t::::::t: ::::
, . I . . . , . .
0,5 . . - - - - - . - - - -1- - - - - - + . . - - . + . . . . - - - - . . - -1- -. - - - i- - . . .. + - . .. - . . -. . .
: -:::::1:::: ::1:::::: t:::: ::t::: ::: 1:::::: j: :::: :j::: - ::: :::t:::::
. . . . . . . . .
: -:::::!::: ::: 1: 2 : ::::!:::: ::r ::::: :1::::: :J:::: - +- -f -:::::1:::::
о : : : : .
100 ..60 ..20 О 20
б)
60 100
Y r , трад
Рис. 2.14. Составляющие отраженноrо сиrнала:
зеркальная 1 и обратноrо рассеяния 2 при волнообразной неровности высотой h==l мм с периодом Л==2 см (а)
и при случайной шероховатости с O"h==l мм (6); длина волны РЛС л==3 см (по оси ординат отложены относи
тельные значения d)
88
rлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
Заметим, что УЭПР зеркальноrо отражения от шероховатой поверхности из
меняется от величины, определяемой формулой (2.41) для rладкой проводящей по
о 1 '-1
верхности до значения (J' == при крупнои шероховатости.
2.7. Отражение радиоволн от поверхности с крупной
шероховатостью
Большинство подстилающих поверхностей имеют неравномерности, соизмеримые
или превышающие длину волны РЛС. Они дают диффузное (рассеянное) отраже
ние во все стороны, в том числе и в Ha
правлении РЛС.
UПероховатые поверхности со
среднеквадратическим отклонением от
плоскости значительно превышающим
длину волны РЛС (J'h»A характеризу
ются диффузным обратным рассеянием,
близким к закону Лам берта J>,....,cosy..
Для реальных подстилающих поверх
ностей (неровная почва, растительный
покров) зависимость удельной ЭПР об
paTHoro рассеяния от уrла падения MO
жет носить промежуточный характер.
Расчетные rрафики зависимости УЭПР
обратноrо рассеяния для шероховатой
поверхности с идеальной проводимо
стью при разных отношениях ah/ А при
ведены на рис. 2.15. Пунктиром по казан
закон Ламберта.
0 / о
(J' (J' шах
1,4
1,2
00
10 20 30 40 50
60 70 80 90
У, rpад
Рис. 2.15. Зависимости УЭПР
обратноrо рассеяния от утла падения
для идеальной проводящей поверхности
с разной шероховатостью G"h/ А
2.8. Отражение радиоволн от двуrранных уrлов
Ряд естественных и искусственных объектов (склоны ущелий, насыпи, здания и др.)
при некоторых условиях MOryт образовы
вать двуrpанные yrлы, дающие интенсив
ный сиrнал, переотраженный от двух по
верхностей, как это показано на рис. 2.16.
Заметим, что путь распространения при
двойном отражении больше, чем при oд
нократном. Поэтому переотраженные сиr
налы приходят позже основных. На
рис. 2.17 показаны Р ЛИ сухоrpуза на спо
койной водной поверхности, дающей Рис. 2.16. Образование двухтранных уrлов
компактную отметку двойноrо отражения при отражении от рельефа местности
ОТ надстройки, и BoeHHoro корабля при и объектов
РЛС
89
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
скорости приводноrо ветра 5...8 м/с, коrда отражения от водной поверхности раз
мыты. Отметки, вызванные переотражением, MorYT служить дополнительным дe
шифровочным признаком с информацией о высоте надстроек корабля.
R
. . ::
...
. ! .!
:. : .:
1>:
.. , . ". - . < ;
а)
б)
Рис. 2.17. Появление дополнительных отметок на РЛИ
от надстроек судов и кораблей, вызванных образованием двухrранных уrлов
при переотражении радиоволн от морской поверхности:
сухоrруз (а), военный корабль (б)
(стрелкой указано направление облучения (наклонная дальность R))
2.9. Особенности отражения радиоволн от водной
поверхности
Из за высокой диэлектрической проницаемости воды радиоволны отражаются
только от поверхности. Отражение радиоволн от морской поверхности происходит
вследствие образования мелкой структуры ряби, вызванной ветровыми воз
действиями (Бреrrовское рассеяние, рассмотренное в разделе 2.6). Изображение
морской поверхности формируется блаrодаря модуляции ряби крупными BeTpOBЫ
ми волнами, зыбью, поверхностно активными пленками, поверхностными прояв
лениями внутренних волн, вызванных взаимодействием движущейся водной массы
(течения, приливные явления) с топоrрафией дна, а также движущимися подвод
ными объектами [92, 98, 143, 281].
Информативные признаки, характеризующие физические явления на морской
поверхности, содержатся в яркостных радиолокационных изображениях, отобра
жающих интенсивность мелких (резонансных) ветровых волн, в скоростных порт
ретах, а также в картах поля уровня.
Яркостные РЛИ поверхности океана широко распространены. Их используют
при решении мноrих научных и народнохозяйственных задач от изучения CTPYKTY
ры энерrонесущих волн до мониторинrа нефтяных разливов в прибрежных зонах и
ледовой обстановки.
Возможности получения из космоса скоростных портретов поверхности OKea
на радиолокационными методами рассмотрены в работах [69*,177*,179,180,296]
с физическим обоснованием, оценкой точности панорамных измерений и экспери
ментальной проверкой в космическо судовом эксперименте.
Пример яркостноrо РЛИ приведен на рис. 2.18. РЛИ получено в районе rиб
ралтарскоrо пролива 1 января 1995 r. с помощью РСА ERS I.
90
rлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
На рис. 2.18 видна область
нефтяноrо слика за танкером (TaH
кер находится на расстоянии ......,5 км
от начала слика). Контраст слика
составляет около 8 дБ, что rOBo
рит об интенсивной (незаконной)
промывке танков. В предположе
нии о толщине пленки """'0,1 мм при
коэффициенте поверхностноrо Ha
тяжения 40 дин/см размер слика
соответствует разлитому объему
3
нефти 2500 м, т.е. с учетом ее
плотности около 2000 т. Более
\1 6W
( 1 5
1 4W
"","
, '\
36N
/''''!''
\'
:
;-
,\ ""
!у' 3 '
35N
-1.... .
., '(А',\
точные количественные оценки
Moryт быть получены путем ДBYX
частотноrо зондирования, OДHO
BpeMeHHoro или через небольшие
интервалы времени.
Вблизи береrовой линии на
рис. 2.18 видна область шельфово
ro склона. Соrласно батиметрии,
плоский шельф на rлубине ......,200 м резко обрывается, крутой обрыв достиrает rлу
бины ......, 1 км. Контраст составляет около дБ. Анализ Р ЛИ позволяет выявить TO
поrpафию шельфа с выявлением rеолоrических структур в интересах разведки по
лезных ископаемых.
Приведем численные данные, которые характеризуют Р ЛИ различных обра
зований (аномалий), выявляемых при радиолокационном зондировании морской
поверхности. Следы внутренних волн на рис. 2.19, а имеют контраст +(6...8) дБ.
Внутренние волны имеют прилив ное происхождение, а столь значительный KOH
траст интенсивности объясняется значительной величиной CKOpocTHoro rpадиента
в области, соответствующей конверrенции (схождению) склонов волны, при пере
даче момента внутренних волн на поверхность.
На рис. 2.20, а имеем яркостной контраст РЛИ внутренних волн +(4...8) дБ
при орбитальных скоростях ::1:10 см/с. На рис. 2.20, б показана деформация мелких
ветровых волн на шельфовом склоне при резком увеличении rлубины дна. Интен
сивность волн при этом скачком уменьшается на 4 дБ, а скорость течения в Ha
правлении к локатору также уменьшается в среднем на 5 см/с.
На рис. 2.21 приведено полученное РСА S диапазона волн «Меч КУ» КА
«KOCMoc 1870» радиолокационное изображение пролива Пьюджет Саунд (США) с
приливным течением, выявляющим топоrpафию дна на rлубине 170.. .265 м. По
оценке американских специалистов выявление этих эффектов свидетельствует о
возможности использования радиолокационноrо зондирования для обнаружения
движущихся подводных лодок В поrруженном положении [472].
Рис. 2.18. РЛИ района
rибралтарскоrо пролива (ERS..l):
размер кадра 100хl00 км, уrлы падения 22...250, поляриза
цИЯ ВВ; скорость ветра в левой части РЛИ около 10 м/с, в
правой части РЛИ около 4 м/с
91
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
о а О / а,?ах ' дЕ
L, км
",-
';
. ,- .- > .,'
i - . /
4
. '.
-,".-: ..
8
..;' ':
",,, ..
. . ," .. . ".
. ..12
О
14 км
а)
суО / (Jl lax' дБ
О
L, км
4
"
. '.',...
", ' ". . ::-Х ;
";.;. Jo.i-......
8
"'.....
-,",
':.,
",,;",х
'4 :".: +-._ .
12
»:" . ."
. "
<.:t
.,;..,....:
. 0-.. _ , ). ..... .' ,:
О
10 км
б)
суО / а шх, дБ
О
L,KM
4
,: " ',',>"
..8
..12
О
10 км
в)
Рис. 2.19. Калиброванные «разрезы» на выбранных участках РЛИ рис. 2.18:
а фраrмент внутренних волн, контрасты +(6.. .8) дБ; б фраrмент следа танкера (нефтяной слик), KOH
траст 8 дБ; в фраrмент шельфовоrо склона, контраст --4 дБ
92
rлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
+8дБ
с м/с
+20
+4дБ
ОдБ
+10
Интенсивность
О
Скорость
10
О
а)
20км
+8дБ
ОдБ
см/с
+10
Скорость
+4дБ
Интенсивность
lO
4 дБ .. .... -. -............. ....... ........ .. -.. -..... - -. ... ....... ...... .............. .. -. - -.
О
б)
25 км
Рис. 2.20. Фраrменты совмещенных яркостных (слева) и скоростных (справа)
изображений района rибралтарскоrо пролива с калиброванными «разрезами»:
а пакет внутренних волн с амплитудным контрастом (4.. .8) дБ
при орбитальных скоростях внутренних волн на поверхности :f:: 1 О см/с;
б «обрыв» шельфовоrо склона с амплитудным контрастом дБ
и скоростным перепадом +5 см/с
93
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
,.( ;.}'fi1; ,' { ":'
..< . . :. :". :; . ;. .' ' ' '.-Jo-9 . "..> .- ;
'.;>;
.* "
.,.
.'
...
.
.,
» ' .. .J 'ii( .'
, .< ,'..[
1'" : J .; .
I!', ,,1- f
,;
1,
:.
'1t'
;,
.' ,,,,
.:):
а
'*"
._1
,:'
.
t :,
... - .. -(: :
,#',
'i\-".
. .
"
. _.$S .
-> -., ",
- ;::У",
.-. ._(. м:"." I 11
K i . ,. .}:
#; .::; ..'..
, ",: .;;:J".'"
, < '\ 'N ,,' 't.!":. :..";. '
j -р.
1-::"::,". .
, " :' q
,.:1;;, r $::
... . .. , jl ;;j
"'Vj
;;х. т
1:-::-':1
..
. ;
";::.,'. t:.:-s"'
.. .:.. ;;
(:; ,;
{., ';:;'., ":
;.:{ ,,"
. :t ;.. '. .
, .. . '
. ,!*;
о", . . . : ..,
:i ' ,
:. . -, фi.... J "
.1, "
0'0 ,., .' J:.-
Рис. 2.21. Радиолокационное изображение пролива Пьюджет Саунд (США) с выявлением
топоrрафии дна блаrодаря взаимодействию приливной волны
с рельефом дна на rлубине 170...265 м (РСА «Меч К», КА «KOCMoc 1870»)
Действительно, движущиеся подводные объекты создают на морской поверх
ности возмущения (аномалии), которые, в принципе, MorYT быть обнаружены pa
диолокационными методами. К ним, в частности, относится «rорб Бернулли», KO
торый представляет собой короткоживущее возмущение с rеометрическими разме
рами, близкими к размерам движущеrося объекта и высотой (от долей до единиц
сантиметров), прямо пропорциональной квадрату скорости объекта и обратно про
порциональной квадрату rлубины. Возможно также обнаружение возмущений
дальнеrо поля в виде модуляции ряби, обусловленной выходом на поверхность
внутренних волн, созданных движущимся подводным объектом [281]. Указанные
поверхностные явления значительно более выражены, если rлубина морской по
верхности менее «rлубины скачка» (около 100 м), что типично для мноrих при
брежных акваторий. Решение рассматриваемой задачи затруднено наличием близ
ких по характеру аномалий природноrо происхождения или вызванных друrими
источниками, а также разрушающим влиянием BeTpoBoro воздействия на радиоло
кационные изображения морской поверхности.
Характеристики отражения от морской (водной) поверхности
При изучении MopcKoro волнения широко используют методы спектральноrо aHa
лиза. Для описания спектров развитоrо BeTpoBoro MopcKoro волнения пользуются
моделью Пирсона Московица (Pierson Moskowitz [193, 444]). Она определяет pac
пределение энерrии по частотам волнения. Предполаrается, что ветер непрерывно
дует равномерно в течение длительноrо времени на большой площади, и волны
достиrают установившеrося значения в равновесии с ветром. Формульная зависи
мость имеет вид
S(w) = a 2 exp{ p( Т},
(2.48)
94
rлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
rде S( т) спектральная плотность волнения; т уrловая частота; а ==0,0081 KOH
g 1,026g
станта Филипса; jFO,74; то == пиковая уrловая частота; U 195 и
и 19 5 и 1 О '
,
U 10 скорости ветра на высотах 19,5 и 10 м над поверхностью моря.
На рис. 2.22 приведены значения спектральной плотности MopcKoro волнения
2
F pM , м /rц в зависимости от частотыf.
В заключение данноrо раздела приведем усредненные зависимости суО MOp
ской поверхности от уrла падения (рис. 2.23). Отмечается [214] большой разброс
измерений суО (до 3 дБ) даже в одной серии экспериментов. Зависимость суО от уrла
падения в пределах 10...450 достаточно резкая (0,7 дБ/rрад) при слабой зависи
мости от длины волны и поляризации. На полоrих уrлах падения наблюдается рез
О б
кое падение (j , осо енно для rоризонтальнои поляризации.
F pM . м 2 /rц
120
I
I
I
I
I
I
I
I I I I
................................................ ..... .. .............................................................. ...........................................................................
I I I I
I . I I
i ! i i
80 ....................................+.. ................ ..........+..................................+................................+................................
I I . I
I I I I
: : 18 i :
60 ..........................................f, .......... ........ ..... ....t........................................f,........................................f,.....................................
: : : :
I I I I
: : : :
: I : :
40 шш шш . ш ' ш ш r ш шr ш шш
20 шш Т шшТ ш
100
О
О
0.05
0,1
0,15
0,2
.r, rц
Рис. 2.22. Модель Пирсона Московица для спектральной плотности MopcKoro волнения
при разной скорости приводноrо ветра U 10 на высоте 10 м
o-О,дБ
10
О
10
20
30
40
50
О 10
1
20
30 40
50
60
70
80
Jj , rpад
Рис. 2.23. Зависимость морской поверхности от yrла падения:
1 А == 3 30 см (88 и rr); 2 А == 3 см (88); 3 А == 15 30 см (88); 4 А == 3 см (rr); 5 А == 15 30 см (r);
6 А == 5,6 см (88), скорость ветра 1 О и 4 м/с; 7 А == 5,6 см (rr), скорость ветра 1 О и 4 м/с, ракурс вдоль
rребня волн
95
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
Применительно к режимам бистатическоrо зондирования следует учитывать
рассеяние волн в двумерном полупространстве. Примеры индикатрис рассеяния
(по уrлу места lf/r и отвороте плоскости наблюдения qJ) при облучении морской по
верхности под уrлом падения у==65 0 даны на рис. 2.24 [225]. Индикатрисы по
строены в функции уrла места луча приемной антенны yr при различном азиму
тальном разносе qJ == 00, 450 и 750. Расчеты велись на базе метода малых возмуще
ний, скорость ветра не указана.
у ==65 о
900
о Б 10 20 зо 40 50 60 60 50 40 зо 20 10
и.д
и О , дБ
Рис. 2.24. Индикатрисы рассеяния на морской поверхности радиоволны
rоризонтальной поляризации (1==3,0 см) при yrле падения излучающеrо луча }1==65°
Радиолокационная съемка морской (водной) поверхности может эффективно
использоваться для изучения rидродинамических процессов в океане и озерах, BeT
pOBoro волнения и зыби, rидролоrических фронтов, динамики течений, поверхно
стных проявлений внутренних волн, заrpязнений, исследования механизма взаи
модействия океан атмосфера в интересах фундаментальной и промысловой OKea
нолоrии, обеспечения безопасности судовождения, рыбной ловли, оценки биопро
дуктивности внутренних водоемов и морей, климатолоrии, эколоrии, оперативной
оценки rидролоrической обстановки при наводнениях, паводках, составления reo
лоrических карт и поиска полезных ископаемых в зоне прибрежноrо шельфа. При
статистической обработке данных зондирования водной поверхности (измерения
(УО, спектров волнения и др.) возможно усреднение данных в пределах больших
4 5 2
участков до 1 О ... 1 О м, что позволяет реализовать высокое радиометрическое
разрешение (доли децибел).
2.10.rпубинное(подповерхностное)зондирование
Для поверхностей с низкой диэлектрической проницаемостью (сухой rpYHT, песок,
cHer) возможно отражение от подповерхностных слоистых структур, особенно при
зондировании на дециметровых или метровых волнах. На рис. 2.25 показаны HeKO
96
rлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
торые примеры ситуаций, встречающихся при подповерхностном зондировании:
rоризонтальная слоистая структура, компактный рассеивающий объект (сфера) и
шероховатая поверхность под rладкой rраницей воздуxJпропускающая среда. Pac
четы суммарных сиrналов, отраженных от rраниц сред, а rлавное разделение OTpa
жений от верхней поверхности и заrлубленных образований, в общем случае явля
ется сложной задачей, подход к решению которой изложен, например, в работах
[17, 360*, 374*, 375*, 461, 548].
..
I ,
I ,
I ,
I ,
I ,
I ,
I ,
I ,
а)
б)
в)
Рис. 2.25. rеометрия отражения от rлубинных объектов с высокой проводимостью
или диэлектрической постоянной при подповерхностном зондировании разных сред:
а плоская rоризонтальная поверхность; б сфера; в наклонная шероховатая поверхность
Проникающая способность радиоволн зависит от коэффициентов затухания
радиоволн в среде распространения, значения которых приведены в табл. 2.7.
Таблица 2.7. Коэффициент затухания радиоволн в разных средах, дБ/м
[186, 193]
Длина волны РЛС, см
Объект наблюдения
3 10 30...60 100 300
CHer 0,3 0,036
Пресный лед 1,3...2,0 0,2.. .0,48 0,8...0,7 0,6 0,3
Морской лед, температура: 50 270.. .540 2 2 2,5.. .6
OO 14...45 0,4 0,3 1...5
Мерзлая почва 0,8...4,2
Кварцевый песок 1,7...2,0
Песчаный rpYHT, влажность: 3% 300 25 6...3 2
12% 1100 90 20...1 О 8 0,8
rлинистый rpYHT, влажность: 3% 300 30 30...20 18
12% 1400 200 100.. .80 60
Сельскохозяйственные культуры 2...10 1,8...2,5 0,8. . .1,8 0,07 0,03
Леса 1,5. . .2,5 0,35 0,12. ..0,2 0,07 0,03
4---------1492
97
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
Более простые ситуации обнаружение объектов и контроль их rеометрии (Ha
пример, продуктопроводов) под снежным покровом, rляциолоrические исследования,
построение карт рельефа территорий, покрытых лесом, не требуют специальных алro
ритмов послойноrо дешифрирования. Даже в L диапазоне волн при разрешающей спо
собности РЛИ около 10 м бьmи получены ценные материалы в интересах археолоrии
при съемках в северной Африке [474, 522]. На рис. 2.26 (ср. рис. Ц.2) дано сравнение
летнеrо и зимнеrо снимков месторождения Ланrепас, Западная Сибирь. На летнем
снимке интенсивная равнинная растительность маскирует структуру почвенноrо слоя.
" ):.;t
Ii ..",.,l""
. i" ". . ; ...-..rr:t; ........
";-).'. .
v ... ....... .' .E ' \;<k"
. : :.'. :. .:r'<i
, . ' . '.l.:"( ' , ' <I''':' ;\' ( ":".
.... ....... . ': "4с,"
: .
. ..., ;
а)
б)
Рис. 2.26. Сравнение летнеrо (а) и зимнеrо (б) снимков
(РСА «Меч КУ» КА «Алмаз l»; месторождение Ланrепас, Западная Сибирь)
Особые перспективы имеет зондирование с применением видеоимпульсных
РСА при реализации в низкочастотной (200.. .400 мrц) области электромаrнит
Horo спектра разрешающей способности порядка 1,5...2 м, что позволит разделить
отражения от поверхностноrо слоя и rлубинных образований. Зондирование под
разными уrлами падения позволит применить технолоrии томоrpафической обра
ботки данных.
2.11. Отражение радиоволн от растительноrо покрова
Для растительных покровов в зависимости от диапазона волн возможны разные
механизмы формирования отраженноrо сиrнала. Для коротких сантиметровых
волн (K , x , С диапазоны) основное отражение формируется зеленой массой, при
чем в случае интенсивной растительности ее верхним слоем (рис. 2.27). На более
длинных волнах (S и L диапазоны) лиственный покров оказывается более «про
зрачным» (уменьшается уровень отражения и затухание в листве). Отраженный
сиrнал формируется объемным рассеянием, частично от листвы, частично от дpe
весной массы, а также отражением от поверхностноrо слоя почвы. В длинноволно
вых дециметровых и метровых диапазонах отражение формируется в основном
древесной массой, почвой, а также подпочвенным слоем.
98
fлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
Рис. 2.27. Образование отражения в сторону РЛС от растительноrо покрова
МОЩНОСТЬ отраженноrо сиrнала зависит от объема биомассы, содержания вла
rи, определяемых типом растительности, фазой веrетации и сезонными изменения
ми, а также от длины волны РСА и поляризации излучения. Так, на рис. 2.28 пред
ставлены типичные з ис имости с! от уrла наблюдения в c и L диапазонах при раз
ной поляризации для лесных массивов. В зависимости от длины волны проявляется
разный механизм отражения. В коротковолновых диапазонах Ки, Х С основное OT
ражение дает листва (зеленая масса), в диапазонах S, L ветви, в диапазоне Р и на
метровых волнах стволы и поч (то
венный слой. Поляризационные
зависимости отражения также OT 5
четливее выражены в более длин
lO
новолновых диапазонах.
Задача радиолокационноrо 15
зондирования растительноrо по
крова в современных условиях 20 20
получение количественной ин
формации об объеме биомассы,
степени созревания в целях про
rноза урожаев, выявления забо
леваний, контроля применения
аrpотехнолоrий или оценки ди
(тО, дБ
намики рубочных работ для лес
ных массивов. Актуальной зада
чей является также точная типи
зация растительности, например
для выявления посевов наркоти
ческих растений. Для решения
этих задач используются поляри
зационные и спектральные раз
личия в отражении от подсти
лающей поверхности, выявляе
мые при комплексном дешифри
ровании данных.
о
(т Lrr
о
(т LBB
30
о
(т LBr
у; , rpад
40
50
60
70
Рис. 2.28. Зависимости li лесноrо покрова
европейскоrо реrиона от yrла падения
в С"диапазоне (пунктирные линии) и L диапазоне
(сплошные линии) при ВВ, rr и Br
5
10
15
20
25
30
35
--40 0,1
10
100
1000 G, T/ra
Рис. 2.29. Усредненные зависимости растительноrо
покрова от объема биомассы в разных диапазонах
волн при соrласованной поляризации
99
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
Наибольшее отражение от растительности наблюдается в коротковолновых диа
пазонах. Однако при определенном уровне биомассы наступает оrpаничение в значе
нии с! и MOryт отсутствовать различия в отраженном сиrнале от леса и полей. Зависи
мость с! от объема биомассы представлена на рис. 2.29 (данные [388, 522], дополнен
ные кривыми S и Кu диапазонов). Поэтому более длинноволновые диапазоны оказы
ваются существенно более информативными для решения тематических задач.
В следующих разделах приведены характерные зависимости, иллюстрирующие влияние
параметров аппаратуры, условий наблюдения и свойств подстилающей поверхности на ее
отражательную способность при радиолокационном зондировании.
2.12. Влияние уrла облучения на отражающие характеристики
местности
Влияние уrла облучения (уrла скольжения р от rоризонтали или уrла падения J1 от
местной вертикали) на уровень отраженноrо сиrнала зависит от степени шерохова
тости поверхности. Для описания этих зависимостей в литературе рассматривают
аппроксимирующие модели (закон Ламберта, равномерное рассеяние), а в качестве
количественных показателей, кроме параметра УЭПР еуО, используют параметр r
(не смешивать с уrлом визирования, введенным в rл. 3), удобный для описания OT
ражающих свойств подстилающей поверхности при самолетном землеобзоре с Ma
лыми уrлами скольжения р (для космических РСА это соответствует большим yr
лам падения Yi == 1!/2 р). Параметр уопределяет отношение ЭПР й-элемента раз..
решения не к ero площади (как с!), а к площади проекции элемента разрешения на
направление визирования
(j' аО аО
у== == ==
р х ру sin fЗ sin fЗ cos Yi .
(2.49)
Во избежание путаницы в дальнейшем будем называть параметр r «показате..
лем рассеяния».
rладкие поверхности (бетон, асфальт, rравий) характеризуются резкой зави
симостью мощности отраженноrо сиrнала от уrла облучения: показатель рассеяния
у может меняться на 1 о. . . 15 дБ ( обычно возрастает) при изменении уrла р в преде..
лах 10...600, что соответствует изменению удельной ЭПР или мощности отражен..
Horo сиrнала на 18...23 дБ (предполаrается, что мощность РЛС не зависит от уrла
наблюдения). Аналоrичный характер имеет уrловая зависимость отражения от
пашни, песчаной и холмистой пустыни и снежноrо покрова. Отражения от травя
Horo покрова в восьмимиллиметровом диапазоне (ero нет в выделенных для зонди
рования из космоса) характеризуется параметром y const. Более «шероховатые»
поверхности, например, лесистая местность, имеют почти изотропное изображение
их УЭПР практически не зависит от уrла скольжения.
Показатель рассеяния у удобно применять для характеристики поверхностей, у
которых рассеяние подчиняется закону Ламберта, тоrда он не зависит от уrла сколь..
жения. Показатель рассеяния, как и значение с!, обычно выражают в децибелах.
100
fлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
При оценке отраженноrо сиrнала следует учитывать, что уrол падения
(скольжения) на конкретном участке местности определяется двумя составляющи
ми направлением облучения и местным наклоном рельефа. Поскольку разреше
ние РЛС по наклонной дальности фиксировано, размер элемента разрешения по
rоризонтальной дальности и ero площадь изменяются обратно пропорционально
синусу уrла падения (косинусу уrла скольжения). Это приводит к тому, что скло
ны, обращенные к локатору, отражают больший сиrнал, чем склоны, обращенные
от локатора. В ряде случаев, при нормализации выходноrо радиолокационноrо
изображения этот эффект корректируют по топоrpафическим данным о величине
уклонов местности [314].
На рис. 2.30 2.32 приведены зависимости показателей рассеяния уи значений
CJ> от уrла скольжения для разных типов подстилающей поверхности, рабочих диа
пазонов волн РЛС и поляризаций (соrласных) при излучении и приеме.
у.дБ
IO
20
зо
)', дБ
10
50
О
20
40
60
80 IJ. l paд
20
40
60
80 р. l1Jaд
20
зо ,.. .
40
а)
б)
Рис. 2.30. Зависимости показателей рассеяния от yrла скольжения для rладких и шероховатых
поверхностей в различных диапазонах волн:
а rладкий бетон (сплошная кривая); rладкий асфальт (пунктирная кривая);
rpавий (штрих пунктирная кривая);
rr: А == 3 см (1); А == 2 см (2); А == 8 мм (3); б длина волны А == 3 см: 1 асфальт (ВВ); 1 а асфальт (rr);
2 пашня; 3 песчаная пустыня; 4 холмистая пустыня с растительностью (кривые 2 4 имеют близкие
значения при ВВ и rr)
)'. дБ
10
20
: . . 5а' . . .
5 j ! ! j ! !А "''''
- - - - -- - - - -r - - - -- -f, - - - шr - щ - - - -- -r' - - - - - - - - -r --.. - - -. - t : :. .:...::,....
: 4 : ........ : . :... . ... . ...:. . ... . .'
: \ : . .... . .... ! -.....: -:.....: .....-+-oot::- .r..'
. . . ......-.p ......- .
,-, - ----:t: :=:.::;:f...::. ' .:;,.........-r -- ,-- т- ---т-- -шщ-r--- _ш__
3 : ..,....,.......-:--: :::
... I I I I I
- - - - --- -, -i - - --- - - j - -, - ]--- - - - -- - - ---l- - -- - - -- j -- -- - - - -- -l- -- -- -- - j - - - -- -- - --
;] 1 1
I . I , . . .
I . I . . . .
I . . . . . .
. I . . . . I
, . . I . , .
. . .
зо
О
20
40
60
р, I1J 3 Д
Рис. 2.31. Зависимости показателей рассеяния от yrла скольжения
в двухсантиметровом диапазоне волн для снежноrо покрова и травы (ВВ):
1 снежный покров толщиной 10 см, содержание воды 171 r/дм 3 , температура минус 7 ос; 2 бурая трава
(ноябрь); 3 CHer со следами колес, температура 7 ос; 4 CHer с тонкой коркой, содержание воды
155 r/дм З , температура 14 ос; 5 зеленая трава высотой 5 см (5а отражение от травы в 0,86 санти
метровом диапазоне)
101
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
аО,дБ
10
л ::3) СМ +
20
ЗО
О
20
40
60 р, rpад
Рис. 2.32. Зависимость УЭПР CI лесистой местности от yrла наблюдения
для различных диапазонов волн, плавная кривая соответствует значениям clпри у== const
2.13. Влияние длины радиоволны на отражающую способность
местности
Отражающая способность большинства поверхностей уменьшается с увеличением
длины волны РЛС (пропорционально ,,1а, rде l{ зависит от характера поверхности).
На рис. 2.33, а показана зависимость УЭПР взволнованной морской поверхности
от длины волны РЛС, построенная по данным измерений на длинах волн 1,25; 3,2;
0-0, дБ
О
а
1
3 5 10
а)
30 50
А., см
1
О
1
2
30
20
60
80
fЗ, rpад
. . . ... . . . .
i ! i i ! i i
а ==2, 1 ! ! !!;! 1 ! i ; !
..,.,.., ....,. .....,.....t"""!"""l,..t..t't,..!..".,.."' .,.."..t.,..,.,...!'..'...1.....!....!.,
! :!! i ! i i ! i !
2 О ....... ...., ..t ш......f. . i ... ..t а з , о ............-t.ш......f....._.t ..l....!..
i i ! i:= ! i
..".'..'..'.'....l'.".'.'.'.r'.'..'J'.'.'.r"l".r.r 1'.".._".,....'.....r"....'..;;= i. '9..I..
O .'.".'.'.'..'....t'.'........!......!'.'.'.t..t'.t.t-.'I...'.'....'.'."...'.t...'.'....!....'..;.".; ;
! ! i ! i 1! ! ! 1 i i 1
б)
а
1 : : : : : : :
'; ' " .,
: : '--r-+........--+----: 2r
о ш +ш t ш : 2В t шшtш Т = =L:.t ш
1 шшL шш шш шш шш ш шшL _ t ш _
: : : : :Jr: :;; :
: .... : : : : : ;,J( :
2 :--..... : : : :;': :
;- - ;.:r - - -;;.YII1L - - -
: : : ............... .................. l' : : :
/В
20 40 60
3
О
в)
80 р, rpад
Рис. 2.33. Зависимость УЭПР и показателя степени а при Il.. от длины волны
для морской поверхности при yrле скольжения 500 (а);
зависимости показателя степени а при А от уrла скольжения для различных поверхностей
при rоризонтальной (r) и вертикальной (В) поляризациях (6, в):
6 взволнованная морская поверхность (кривая lz, ..1.== 0,86...71 см), лес (кривые 2В, 2r, ..1.== 3.. .20 см),
rородская застройка (кривые ЗВ, зr, ..1.== 2...3 см); в трава (кривые lB, lr, ..1.== 1,25...3 см), CHer (кривые
2B,2r, ..1.== 1,25...3 см)
102
fлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
10 и 70 см (отмечены на рисунке по оси л). На рис. 2.33, б, в даны значения показа
теля степени а при л для различных поверхностей в зависимости от уrла скольже
ния. Следует отметить, что в отличие от друrих поверхностей cHer имеет возрас
тающую зависимость отражающей способности от длины волны, отражающая спо
собность застроенной территории практически не зависит от длины волны.
Различия отражающей способности местности от длины волны используют
для идентификации типа подстилающей поверхности путем комплексной обработ
ки радиолокационных данных, полученных в разных диапазонах. Это реализуется
путем синхронной радиолокационной съемки с помощью мноrочастотных РСА
(AIRSAR, SIR C, ИМАРК и др.) либо совместной обработкой снимков, получен
ных независимо.
В табл. 2.8 приведены сводные данные по удельной ЭПР аО в зависимости от
диапазона волн РСА и поляризаций (rr и ВВ) дЛЯ различных земных покровов, yc
редненные по мноrим справочным данным [33*]. В табл. 2.9 приведены данные по
УЭПР в S диапазоне волн (л== 10 см), а также значения показателя степени при oc
Таблица 2.8. Удельная ЭПР земных покровов при разных длине волны,
поляризациях и уzлах падения
Уrол А == 3 см А== 10 см А== 23 см А== 70 см
Объекты
падения rr вв rr вв rr вв rr вв
Море, 10 ----40 32 ----42 ----40 ----45 ----45 50 50
волнение 20 38 28 39 35 ----40 ----40 ----45 ----45
2 балла 50 35 зо 36 33 38 36 35 35
Море, 10 35 зо 33 зо зо зо 35 35
волнение 20 зо 25 29 25 29 25 32 32
6 баллов 50 27 22 27 22 28 23 зо зо
Взлетно.. 10 ----40 зо ----40 35 ----45 ----40 O O
посадочная 20 32 24 35 зо ----40 36 58 58
полоса 50 20 18 25 23 зо 27 55 55
Степь, зима, 10 23 23 35 35 33 35 O O
CHer 20 17 17 зо зо зо зо 55 55
50 14 14 23 23 23 23 50 50
Степь, лето, 3 35 35 35 35 ----40 ----40 O O
трава 10 16 16 20 20 28 28 55 55
20 15 15 19 19 25 25 53 53
50 12 12 16 16 20 20 50 50
Пустыня, камни, 10 18 20 зо 35 35 35 ----45 ----45
песок 20 15 17 28 33 зо зо ----40 ----40
50 12 14 15 15 15 17 35 35
Лес 10 14 14 21 22 25 23 35 35
20 14 15 20 21 20 18 зо зо
50 12 12 14 14 14 14 25 25
103
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
новании А. Значение (УО в децибелах для друrой длины волны, выраженной в caH
тиметрах, вычисляется по формуле
о ( ) о А
(YdB А == (YSdB + alOlg .
10
Усредненные кривые для зависимости УЭПР разноrо типа поверхностей от
уrла падения в S диапазоне волн даны на рис. 2.34.
(2.50)
Таблица 2.9. Отражающая способность земных покровов в S..диапазоне
и ее зависимость от длины волны
Уrол падения, rрад
20 40 60 80
Тип поверхности
Параметр
O' , дБ а O' , дБ а O' , дБ а O' , дБ а
Море, слабый ветер, до 7,7 м/с, 18 ---4),35 21 0,31 27 ---4),23 36 ---4),13
соrласованная поляризация
Море, слабый ветер, до 7,7 м/с, 5 0,3 5,5 0,27 6,5 0,2 8 0,15
кроссполяризация
Море, сильный ветер, более 7,7 м/с, 16 ---4) ,8 20 ---4), 7 24 ---4) , 6 34 ---4) , 5
соrласованная поляризация
Море, сильный ветер, более 7,7 м/с, 35 0,35 37 0,3 O 0,27 6 0,25
кроссполяризация
CHer, лед 8 ---4),43 14 ---4) , 4 24 ---4) ,3 27 ---4),21
Пустыня 17 ---4) , 9 20 ---4),9 24 ---4) , 9 27 09
,
Сельская местность 10 1 14 ---4) , 9 17 ---4),7 20 ---4),42
Лес 5 О 12 ---4), 7 19 1,4 26 2 1
,
rоры 13 ---4) ,8 16 ---4),83 20 ---4),87 23 ---4) , 9
rород 9 1,3 10 ---4),8 10 5 ---4),4 11 О
,
аО,дБ
]0
I
I
I
I I I I I I I
L L L L L L L
I I I I I I I
I I I I I I I
I , I I I I I
О - I t t t . t t
: ":" '" ! 5! 4 ! ! !
. t . t i L L t
: " . : .. ....__.. I : : :
I , I I +...... I I I
. I I ......... I . .
f ' , ;
: :.,: : : ... I
t t L . L .. L : .
· 1. 1iII.." I I . .
: : ", I : : :
I , t,,, I I I I
. . . . . .. ._ -- I _ L ____
: : : 1 > . ..:.. --............:..... I 3
L . . L L _ _ L : J_.. L . :t L.- - -
: : : : r ..... . -- : : --.... 2
I I I I I ....... I
I I I I I 1......
10
20
зо
О
20
40
60
Jj , rpад
Рис. 2.34. Усредненные зависимости УЭПР фона для 10"см диапазона волн
при вертикальной поляризации:
1 море; 2 равнина; 3 редколесье; 4 лес с интенсивным покровом; 5 rородская застройка
104
fлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
Указанные выше количественные характеристики относятся к средним значе
ниям коэффициентов отражения наблюдаемых поверхностей. В связи со случай
ным характером отражения от сложных объектов и протяженной поверхности He
обходимо учитывать флуктуации принятых сиrналов и их влияние на изобрази
тельные и измерительные свойства получаемых Р ли.
2.14. Флуктуации принимаемоrо радиосиrнала и их связь
с rеометрией наблюдения
Наличие флуктуаций принятых радиолокатором сиrналов приводит к тому, что
уровни сиrналов на выходном рли соответствуют значениям УЭПР «в среднем», а
в каждой точке снимка будет случайное значение яркости (плотности почернения,
прозрачности), в результате чеrо изображение будет иметь зернистый (rрануляр
ный) характер. Это явление называют спекл шумом. Ниже рассмотрены корреля
ционные свойства принимаемых сиrналов, а в разделе 3.5 статистические xapaK
теристики процессов при формировании Р ли.
На рис. 2.35 рассмотрен пример, коrда два элемента разрешения Tl и Т 2 на Me
стности наблюдаются радиолокатором в трех положениях 81, 82, 8з (или независи
мо тремя радиолокаторами). Предполаrаем, что облучается поверхность с крупной
шероховатостью. Размеры элемента разрешения вдоль оси Х Рх , вдоль оси У ру.
z
z ду
82
-.:....
"....
,....
,....
,....
, .....
, ....
.....
, ..........
, .....
" ...............
, .....
Тl
х
о
, ..........
, .....
, .....
R "' ' .........., .
" .
Т2
РУ
а)
у
Рх
б)
Рис. 2.35. rеометрия наблюдений элементов разрешения на местности
при смещении положения радиолокатора (а) и сечение в плоскости OYZ (6)
Сиrналы, приняты е радиолокатором 82 от элементов разрешения Tl и Т 2 , бу
дут полностью некоррелированы, так как они сформированы разными наборами
элементарных отражателей. Сиrналы, принятые радиолокаторами 81, 82, 8з от oд
Horo элемента разрешения Т 1 на местности, будут частично коррелированны в за
висимости от размеров баз рассоrласования или Y. Эти сиrналы сформирова
ны одним набором элементарных отражателей, но фазы их суммирования зависят
от базы рассоrласования.
105
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
Считается (подтверждено аналитически [152*]), что сиrналы, принятые радио
локаторами Sl и S2 или Sl И Sз, будут полностью раскоррелированы, если вызванная
разворотом дополнительная разность фаз между крайними отражателями в элементе
разрешения превысит 2" (разность их расстояний t!R бол ее длины волны л). Для
сдвиrа по азимуту имеем М R: R2 +(м + Рх / 2)2 R2 +(м Рх /2)2 > А,
откуда условие декорреляции принятых сиrналов
М > R/l. . (2.51)
РХ
rеометрия смещения вдоль оси У показана на рис. 2.35, б. При заданном раз
мере элемента разрешения по вдоль оси У, равном РУ, исходная (для Sl) разность
фаз между крайними отражателями определиться отношением проекции на Ha
правление визирования (т.е. размером элемента разрешения по наклонной дально
сти PRl == Ру sin Yil , rде }11 уrол падения) к длине волны л. При смещении радио
локатора вдоль оси У уrол падения меняется и изменяются размеры элемента раз
решения по наклонной дальности PR2 == Ру sin Yi2 . Декорреляция принятых сиrна
лов возникает при смещении вдоль оси У
I I sin I1Yi
I1У > Н tgYil tgYi2 == Н
cos Yil . COS Yi2
Rл
(2.52)
,...,
,...,
2 '
Ру COS Yi
rде Н высота РЛС; I1Yi == IYil Yi21 приращение уrла падения, учтено ero малое
значение так, что sin I1Yi I1Yi И Yi == Yil Yi2 .
Заметим, что дЛЯ РБО сиrналы декоррелируются при смещении радиолокато
ра вдоль оси Х на величину, равную rоризонтальному размеру антенны (см. rл. 3),
а при наблюдении в надир (}1 == О) формулы (2.51) и (2.52) совпадают.
Декорреляция спекл шума при изменении условий наблюдения используется
для ero уменьшения путем HeKorepeHTHoro накопления. Сохранение коrерентности
при малой базе смещения используется для точноrо измерения разности расстоя
ний при интерферометрической обработке снимков для построения цифровых карт
рельефа и выявления изменений в оперативной обстановке.
Формульные зависимости плотности распределения амплитуды и мощности флуктуирую
щих сиrналов в зависимости от типа детектора, применяемоrо при формировании РЛИ,
приведены в разделе 3.5. Методы фильтрации спекл шума изложены в rл. 7.
Вызванная спекл шумом зернистость РЛИ хотя и ухудшает дешифрируемость
РЛИ, но ее характер (текстура) может служить дополнительным дешифрирующим
признаком для идентификации типа подстилающей поверхности. Размах флуктуаций
для идеально шероховатой поверхности пропорционален ее УЭПР, поэтому для rpy
бых оценок спекл шум считают мультипликативным шумом. Однако на самом деле
он несет информацию о структуре поверхности (в частности, по сочетанию MOMeH
тов распределения спекл шума различают породы деревьев, вид посевов и степень
созревания и т.д.). Эти вопросы более детально рассматриваются в rл. 9.
106
fлава 2. Взаимодействие радиоволн с объектами радиолокационноrо наблюдения
2.15. Временная изменчивость объектов наблюдения
Для космических РСА высокоrо разрешения время синтеза может оказаться соиз
меримым с временем корреляции отраженноrо сиrнала, определяемым движением
отражателей, в первую очередь, под воздействием ветровых наrрузок: морской по
верхности, растительности (лес, кустарник, сельскохозяйственные культуры) и др.
Соrласно приведенным в литературе [193] данным, полученным эксперименталь
ным путем, в сантиметровом диапазоне волн спектральную плотность сиrналов,
обусловленную собственным движением рассеивателей на земной и водной по
верхности, можно аппроксимировать rауссовой кривой
Pv (/) == ехр[ v(1 / 10)]' (2.53)
rде!о частота зондирующеrо сиrнала; y параметр, зависящий от типа отражаю
щей поверхности и метеоролоrических условий.
Значения параметра v и ширины спектра отраженных сиrналов для участков
местности, покрытых лесом, а также морской поверхности приведены в табл. 2.10.
Ширина спектра на уро вне G от максимума определяется соотношением
2fo ln(&)
I1lv == . (2.54)
v
Таблица 2.10. Пара..метры спектра флуктуаций сиZНШlа, обусловленные
движением элементарных отражателей для А; 10 см (193]
Отражающий объект Параметр 10 15 Ширина спектра по уровню 0,1, rц
Холмы, поросшие лесом:
редким, при тихой поrоде; 3,9.104 2,5
rустым, при ветре 9 м/с 2,3.102 10
Морская поверхность при ветре 14,1 38
Дождевые облака 2,3 95
в табл. 2.11 приведены параметры спектра сиrналов (отношения коrерентной
и флуктуационной составляющих и ширина спектра), отраженных от леса при раз
вой скорости ветра. Для сельскохозяйственных культур доля флуктуационной co
ставляющей не превышает 25 % от коrерентной, а спектр флуктуационной COCTaB
ляющей как у леса при умеренном ветре.
Таблица 2.11. Параметры спектра флуктуаций сиzнала, отрШlCенноzо от леса [193]
Скорость ветра, Доля мощности Флуктуационной Ширина спектра, rц
м/с составляющей по уровню 0,5 по уровню 0,1
4,7 0,43 1,1 1,7
6,0 0,5 3,7 6,0
8,3 0,8 6,2 10,0
13,9 1,0 9,3 15,0
107
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
Движение РЛС относительно рассматриваемоrо участка земной поверхности
при водит к доплеровскому сдвиrу частоты, который в отличие от временных флук
туаций имеет реrулярный характер (закон, близкий к ЛЧМ) и компенсируется в
процесс е синтеза апертуры. Дополнительное к реrулярному закону смещение при
нимаемоrо сиrнала по доплеровской частоте, вызванное движением объекта, при
водит к азимутальному смещению отметок от объекта, величина KOToporo зависит
от параметров РСА. В результате будет происходить «размазывание» отметок от
объекта по случайному закону в пределах, определяемых соотношением
дх l1/v Xant/ дFOop , (2.55)
rде Dop смещение доплеровской частоты, вызванное собственным движением
отражателей; X ant зона облучения азимутальной ДНА; Dop ширина спектра
доплеровских частот принимаемых сиrналов от неподвижной поверхности.
В настоящей rлаве рассмотрены отражающие свойства объектов и подсти
лающих поверхностей, их зависимость от выбора параметров радиолокатора (дли
ны волны, поляризаций, rеометрии обзора) и их связь с получаемыми радиолока
ционными изображениями, которые подлежат тематической обработке. Приведен
ные количественные данные являются основой для расчета параметров радиолока
торов, исходя из их назначения, решаемых задач землеобзора, а также оrраниче
ний, предусмотренных Реrламентом радиосвязи на выбор частотных диапазонов
РЛС и полосы зондирующеrо сиrнала, определяющей разрешающую способность
РЛС по наклонной дальности.
Преимущества радиолокационноrо зондирования в сравнении с оптическими
датчиками не только в возможности получения информации независимо от BpeMe
ни суток и метеоролоrических условий, но и в измерении радиофизических пара
метров объектов и извлечении фазовой информации из снимков путем их интерфе
рометрической обработки. Для реализации таких режимов должны использоваться
(и каталоrизироваться) комплексные радиолокационные изображения (КРЛИ) в
отличие от менее информативных действительных амплитудных (АРЛИ) или энер
rетических (ЭРЛИ) изображений.
в следующих rлавах рассмотрены: построение РСА космическоrо базирования, режимы
работы РСА, связь параметров орбитальноrо движения с характеристиками принимаемоrо
сиrнала, а также вопросы, связанные с получением радиолокационных изображений и их
тематической обработкой.
108
rлава 3
COBPEMEHHblE мЕтоды КОСМИЧЕскоrо
РАДИОЛОКАционноrо 3ЕМЛЕОБ30РА.
OCHOBHblE ОПРЕДЕЛЕНИЯ
3.1. Принцип действия и основные характеристики космических
радиолокаторов боковоrо обзора
Принцип радиолокации наземных объектов с летательных (космических) аппаратов
состоит в облучении поверхности Земли электромаrнитными волнами с помощью
РЛС, установленной на носителе, приеме рассеянных поверхностью сиrналов,
формировании радиолокационноrо изображения и ero обработке с целью извлече
ния тематической информации, включая измерение характеристик объектов Ha
блюдения. Классический случай радиолокации коrда передатчики и приемники
совмещены и имеют общую антенну. Это однопозиционная или моностатическая
радиолокация. В последние rоды активно прорабатываются методы двухпозицион
ной (бистатической) или МНО20позиционной радиолокации, коrда источник излу
чения передатчик подсвета и приемники размещаются на разных носителях, Ha
пример, передатчик на одном космическом аппарате, а приемники на друrом
(друrих) КА, самолетах или беспилотных аппаратах. Частным случаем такой аэро
космической системы может быть подсвет с КА на rеостационарной орбите, KOTO
рый находится неподвижно в заданной точке над экватором, и серия пассивных
приемных сенсоров аэрокосмическоrо базирования. Используют также тандемы
двух КА с РСА на близких орбитах, обеспечивающих излучение зондирующеrо
сиrнала с помощью передатчика на одном из КА и синхронный прием отраженных
сиrналов, приемными устройствами обоих КА. rеометрия обзора таких систем
рассмотрена в разделе 3.3.
Принцип действия РБО иллюстрирует рис. 3.1. Бортовая аппаратура РБО
включает в себя приемопередатчик (ПРМ ПР Д), антенну и блок обработки инфор
мации (БОИ), в котором формируется радиолокационное изображение (РЛИ) дЛЯ
ero передачи по радиолинии на наземный приемный пункт. Антенна, луч которой
направлен перпендикулярно линии пути, имеет большой раскрыв Dxant вдоль линии
пути (по азимуту). Ее можно представить в виде линейки излучателей, формирую
щих широкий луч по вертикали и узкий по rоризонтали.
rеометрия боковоrо обзора для случая прямолинейноrо paBHoMepHoro движе
ния радиолокатора (РБО или РСА) показана на рис. 3.2. Начало координат Haxo
дится на поверхности Земли. Ось Z направлена вертикально вверх, ось Х направле
на вдоль вектора путевой скорости носителя V, ось У вправо по нормали к векто...
109
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
ру путевой скорости. Координаты радиолокатора s: Xs(t)==Vt вдоль линии пути;
Ys==O поперек линии пути; Zs высота полета. Координаты цели: Х Т вдоль линии
пути; У Т поперек линии пути (rоризонтальная дальность); ZT высота цели над
поверхностью Земли. Заметим, что при правостороннем обзоре, показанном на
рис. 3.2, система координат XYZ левая.
б
.
.;
".- , -'
'.. "i.
БОИ ПРМ ПРД
.... ......".,
Антенна
AJ!!!!i '\ .
.
",-r'"
.. .
а
.-
>................ 1
'"
..
I!'P
......:
.! .,с-
.Dxant
'# ' .'1;
II. ", . ',
. ..' t .' " :
';/
. ...
.
-.;'
в
.,
<...
Х алt
.. '../
.,.
:1
.( '.1
......
Рис. 3.1. ПРИНЦИП действия РБО:
а бортовая аппаратура РБО; б фото района съемки (пролив rибралтар);
в радиолокационное изображение (Р ЛИ);
2 фраrмент Р ЛИ морской поверхности с отметками от кораблей
S(X s , ,ZS)
h
/ Gxa"t
\
,
Х Т
У Т У
Рис. 3.2. rеометрия боковоr() обзора при прямолинейном движении
в простейшем случае антенна излучает формируемую передатчиком последо
вательность коротких импульсов длительностью т, заполненных СВЧ колебаниями
с частотой fo и следующих с периодом повторения Тр. Излучаемый сиrнал в KOM
плексной форме имеет вид
N l
U ! (t) = L A(t kTp )ехр{ j2JZ" 10 (t kTp) + jtpk} , (3.1)
k==O
rде A(t) оrибающая импульса; lJ\ фаза излучаемоrо импульса; N число излу
чаемых импульсов за время наблюдения t.
110
fлава 3. Современные методы космическоrо радиолокационноrо землео6зора ...
Электромаrнитные колебания, излучаемые антенной, распространяются в
пространстве, достиrая наблюдаемой поверхности, и отражаются от нее. При нали
чии точечной цели, удаленной от радиолокатора на расстояние R по наклонной
дальности, принятый антенной от каждоrо зондирования сиrнал от цели будет за
держан на время t R == 2R/ с , rде с==299792448 м/с скорость света.
Обычно временные процессы, характеризующие принимаемые сиrналы, pac
сматривают раздельно: для каждоrо зондирования и в процессе перемещения pa
диолокатора вдоль траектории полета. Процесс для каждоrо зондирования (по Ha
клонной дальности) определяют зависимостью от «быстроrо» времени tR, отсчиты
BaeMoro от момента излучения k ro зондирующеrо импульса. Временной процесс,
связанный с движением радиолокатора вдоль траектории полета (будем применять
термины «вдоль линии пути» или «по азимуту»), характеризуем «медленным»
(траекторным) временем tx. Принятый от цели сиrнал определится формулой
. . ( 2R(tx) )
Ur(tR,t x )==QA(R,a,Ltr)G(a)U T t R С Х
xexp{ j2K x R(t x )}, (3.2)
rде К х ==2ж/). волновое число; А == c!fo длина волны радиолокатора; G(a) коэф
фициент усиления антенны в направлении на цель; а уrол отклонения направле
ния на цель от максимума ДНА; QA(R,a,Ltr) амплитудный множитель (см. ypaBHe
ние дальности в разделе 3.4). Он зависит от наклонной дальности цели R, ее эффек
тивной площади рассеяния (ЭПР) о; а также коэффициента потерь на трассе pac
пространения сиrнала Ltr. Наклонную дальность цели R в пределах луча ДНА счи
тают дЛЯ РБО постоянной.
Разрешающая способность РБО и РСА по наклонной дальности определяется
длительностью зондирующеrо импульса r или для современных РСА, использую
щих сложные широкополосные сиrналы, длительностью сжатоrо импульса Те,
определяемоrо шириной спектра излучения Те == 1 / М
СТ е С
PR =2= 2М
Разрешение поперек линии пути на поверхности Земли (эту координату по
аналоrии с самолетными РЛС называют rоризонтальной дальностью) определяется
пересчетом наклонной дальности R в rоризонтальную дальность У. ДЛЯ самолет
ных РБО и РСА, в которых наклонная дальность, как правило, значительно превы
шает высоту полета, значения наклонной и rоризонтальной дальностей и разреше
ния по этим координатам близки. Для космических РБО и РСА различия сущест
венны и определяются rеометрией космическоrо обзора с учетом высоты орбиты,
кривизны Земли и друrих параметров.
rеометрия обзора поперек трассы полета в космических РБО и РСА представ
лена на рис. 3.3 с учетом сферичности Земли. Параметры обзора: Rs радиус орби
ты спутника, Re радиус Земли на широте цели, y уrол наблюдения (визирова
(3.3)
111
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
IIолоса съемки
ния) от надира (подспутниковой точки),
R наклонная дальность, У
rоризонтальная дальность по дуrе
большоrо Kpyra, /'i уrол падения (от..
носительно местной вертикали в точке
наблюдения).
Основные соотношения при обзо
ре получаем из треуrольника SOP:
по теореме косинусов
R 2 == R; + R; 2RsRe cos ау; (3.4)
по теореме уrлов треуrольника
Yi ==у+а у ; (3.5)
нп
F
Rs
по теореме синусов
siny sin(l 80 Yi) slna y
(3.6)
Re Rs R
Вычисляя, имеем уrол падения (от
местной вертикали в точке наблюдения)
( Rs ) ( R2 R2 R J
Yi == arcsin sin у == arccos s е
Re 2ReR
и rоризонтальную дальность по дуrе большоrо Kpyra с уrлом, равным ау
у == Reay ,
Рис. 3.3. rеометрия обзора поперек трассы ДВИ"
жения КА В космических РБО и РСА:
полоса съемки обозначена пунктиром;
показано начальное положение полосы съемки
(3.7)
(3.8)
rде ау == /'i У центральный уrол, определяющий вынос точки наблюдения отно"
сительно следа КА.
Таким образом, разрешение поперек линии пути (на поверхности Земли по
дуrе большоrо Kpyra) в РБО и РСА дЛЯ cTporo боковоrо обзора определится через
разрешение по наклонной дальности и уrол падения
ру == R
sln Yi
с
2М sin Yi
(3.9)
Разрешение вдоль линии пути (по азимуту) в случае РБО определяется шири..
ной луча антенны по rоризонтали, характеризующей область облучения X ant на
земной поверхности, показанную на рис. 3.1, в. Для реальных антенн ширина луча
по уровню 3 дБ близка к величине aant ). ID xant , rде Dxant rоризонтальный размер
антенны РБО. Поэтому разрешение РБО вдоль линии пути
Рх == RA/ Dxant . (3.10)
Например, для космических РБО, работавших в диапазоне волн А""3 см, при
rоризонтальном размере антенны Dxant == 1 О м и дальности наблюдения R, равной
нескольким сотням километров, разрешающая способность по азимуту составляла
около 2 км.
112
fлава 3. Современные методы космическоrо радиолокационноrо землеобзора ...
Из за низкой разрешающей способности космические РБО приrодны для rло
бальноrо мониторинrа поверхности океана, растительноrо покрова, ледовой раз
ведки, контроля надводной обстановки. На рис. З.4 показано радиолокационное
изображение (Р ЛИ) тропическоrо циклона Диана, полученное с помощью РБО
«KOCMOC 1500» [197].
.... :.. :".:. "/:
. ,
,
. -'
- ....::: .'
. ,!
r
Рис. 3.4. РЛИ тропическоrо циклона Диана, полученное с помощью РБО «KOCMoc 1500})
Положительным свойством HeKorepeHTHbIx РБО является возможность работы с
низкой частотой повторения зондирующих импульсов, что позволяет реализовать
большую полосу съемки (зону захвата), которая оrpаничена ухудшением разрешаю
щей способности по rоризонтальной дальности при минимальном yrле падения и
ухудшением энерrетическоrо потенциала при максимальных наклонных дальностях
ДУ == Утах Y min == Re ( а у а У . ) ==
тах тап
{ . . }
Sln . . Sln . .
== R arcsin ах 11 тах arcsin ш 11 тш .
е
(З .11)
Заметим, что для плоской модели Земли уrлы наблюдения и падения совпа
дают. В РСА проблема расширения полосы съемки значительно сложнее сложнее,
так как для однозначности сиrналов по азимуту в космических РСА требуется BЫ
сокая частота повторения зондирующих импульсов, которая вызывает неоднознач
ность по наклонной дальности (см. раздел З.6).
3.2. Принцип действия радиолокаторов с синтезированной
v
апертурои антенны
Основной недостаток РБО низкое разрешение вдоль линии пути устраняется в
радиолокаторах с синтезированной апертурой антеннь] (РСА). Формирование изо
бражения по линии пути (азимуту) с получением BbIcoKoro пространственноrо раз
решения в РСА основано на коrерентной обработке сиrналов, принятых в процессе
движения носителя РСА.
Структурная схема космическоrо РСА (рис. 3.5)
Он включает в себя бортовой радиолокационный комплекс (космический cerMeHT)
и наземный комплекс приема и обработки информации (наземный cerMeHT).
113
Синхро
низатор
т
Пере
датчик
fo
Переключатель
прием/передача
fo
Космический cerMeHT
fs
Антенна РСА
Блок
сопря
жения
с радио..
линией
БФС
Е
s
f 11et
Приемник
ФД
АЦП
Sln
ФД
Sln
Процессор
управления,
контроля
КРЛ
Навиrационное
оборудование
Телеметрия
а)
Наземный cerMeHT
КРЛ
Приемник
РПД
Архив
информационных
продуктов
Синтез
комплексноrо РЛИ
Детектирование
и HCKorepCHTHoe
накопление РЛИ
Нормализация:
радиометрическая
и rсометрическая коррекции
.Привязка
к карте
Тематическая
обработка
б)
Рис. 3.5. Структурная схема системы радиолокационноrо наблюдения:
ifo несущая частота сиrнала; Is частота принятоrо сиrнала; fhet частота rетеродина;
fif промежуточная частота; Fs частота квантования сиrнала)
114
rлава 3. Современные методы космнческоrо раднолокацнонноrо землео6зора ...
Бортовой комплекс включает в себя блок формирования сиrналов (БФС), син
хронизатор, передатчик, переключатель прием/передача, антенну, приемник с BЫXO
дами на фазовые детекторы ФД синусноrо и косинусноrо квадратурных каналов,
аналоrо цифровые преобразователи АЦП квадратурных каналов, блок сопряжения с
радиолинией передачи данных, процессор управления и контроля, навиrационное
оборудование и две радиолинии: командная КР Л и передачи данных (РПД).
Наземный комплекс включает в себя командную радиолинию, приемник РПД,
архив информационных продуктов, устройства синтеза комплексноrо радиолока
ционноrо изображения (КРЛИ), детектирования КРЛИ с получением амплитудно
ro (АРЛИ) или энерrетическоrо (ЭРЛИ) изображений, их HeKorepeHTHoro накопле
ния, нормализации, радиометрической и rеометрической коррекций, привязки к
rеоrpафическим координатам (карте), а также рабочие места для тематической об
работки радиолокационной информации.
Передатчик формирует зондирующие сиrналы U t (t) и с помощью антенны
облучает местность. Принятые отраженные сиrналы U r (t) после усиления в при
емнике и преобразования в квадратурные составляющие на выходах фазовых дe
текторов (рис. 3.5) запоминают в специальном устройстве (например, ОЗУ) с уче
том их амплитуды и фазы. После этоrо осуществляют их KorepeHTHoe суммирова
ние, аналоrичное формированию диаrpаммы антенны. Одновременное суммирова
ние СВЧ сиrналов в антенной решетке РБО заменяется в РСА последовательным
суммированием сиrналов, принятых на участке траектории, rде цель находится в
пределах луча реальной антенны РЛС. Длина искусственноrо раскрыва синтезиро
ванной антенны Lsynt в РСА соизмерима с размером элемента разрешения РБО
вдоль линии пути X ant И значительно превышает размеры физической антенны, yc
тановленной на носителе. Это позволяет реализовать высокое разрешение в РСА.
Принцип действия РСА иллюстрирует рис. З.6. На рис. З.7 дано полное изображе
ния района съемки с разрешающей способностью около 12 м (РСА «Меч КУ» КА
«Алмаз 1») с увеличенными фраrментами Р ЛИ.
, I '
ОЗУ., KOI"cpeHTHbIc ПРД/IIРМ
'-:-. .\
'ц: I
'-,
.
-, О). '. +
. .' ... .." .
...
,
i- .i; :ji f< ..
iн.&:ш" iI\.--
)
»,; 'jй:
:"" . >4: t
:::::::::::::::::::::::::::::::::::: y ...' ,.
.. .-.. -- - ...
._-- . -... --
..-. . - .....
'-'-..-.- .. __..... rr ,;* . . "
:;: L svl1t - '",:
а" .
- .
" .
Х Зl1t
..
РадиоrОJJоrрамма РСА в
,.
:" л- .Оl-:Я:::
..
Синтезированное РЛИ z
б
I "
Рис. 3.6. ПРИНЦИП действия РСА:
а бортовая аппаратура РСА; б . фото района съемки (пролив rибралтар); в радиоrолоrpамма; 2 радио
локационное изображение (РЛИ) с отметками от кораблей: Lsynt длина синтезированной апертуры, Хan. зо
на облучения антенной радиолокатора
115
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
"
" "", """'"' ' . . !. '., 1Ш" . ',." '. '< ..,
, . , : " ....... ' . . . . .: .. ..:... : .. . : . .. . ,; '., , ' , ' ., ':,"':< ., .., ' . . ,': . " "
. , : . . ,.+,' i' ,;,':,,10 w
. "*.' с;' ," ""
; '. '.. , ': . ', ' i' ' . " . > . . . . , .' ._ " , ' . ; , - . , , , ' , ' . i " ' : " " ' ,. :': , . > ::;t;
. ", , " " ,t .; J. > о"? ,
. .
c-: '"
. ...
'J.' .".
""'"
'>
t:' "'\ .to<' ' . ,,\
, ,'..: ,1
, . ,.'
.
j
"' ''''' .,.
. ..,/\ ." ":. 1
' - . :Т= . } r.':; , : . : . , . :' ,r ", . . ;. .. , ' ' . , ;:' ; ', :.'
.: !31 , . :j'- \, '_. '
' ] " .. "',' . с?,..;:'..:,.., ::-0, ;;'
. « ,. ." ".' . .:-.:.....,
-.+"' ; ' : . -<. .- , -' ,: '<1 . '.' ' . : . .
, : .: >; ,' : ::;. !: ,,- . .
. ,J ' ), " , ' '>':f:>S ',:, :..':,
10'
:' '
. .', <" , ;.. .
"-"'1:.: ,;1" t,
., , :,.
· .. *; ;1:
...
,.. . ' * ...",
.." ")';01 ',У"" -L
'
" .. ,.
. , : >'.r
· V.r'
,
.
\ " \;0)
" ".
:11
.'
,f -- ,_:
. .
...
...
.
-",'" t
:" 4,:,
\":,;
;"f ".с
,. ;
' "( ч....,: .;.-; ).'\.
· ',<f .
'< i)S: : :! :'..t '" .
'Ij
i, ,
" ',"»
l: .
Рис. 3.7. РЛИ пролива rибралтар и прилеrающих ropHoro ландшафта и долины
(видны уrодья круrлой формы, характерной для применения автоматических сельскохозяйственных TeXHO
лоrий, raBaHb с большим числом СУДОВ, морская поверхность с модуляцией ряби, вызванной ветром и влия
нием заrрязнений, а также кильватерный след на море от двиrающеrося судна (показаны стрелками))
Временные зависимости фазы, доплеровской частоты и амплитуды сиrнала
от одиночной точечной цели
Рассмотрим более подробно процесс формирования сиrнала вдоль линии пути (по
азимуту) для приведенной на рис. 3.2 rеометрии боковоrо обзора. ДЛЯ РСА нельзя
пренебреrать изменениями наклонной дальности цели в процессе движения радио..
локатора, так как они приводят к изменениям фазы принятоrо сиrнала. Текущая
наклонная дальность цели
R(t x )== (Zs ZT)2 +У! + (Vt x XT)2 ,
(3.12)
rде tx «медленное время», характеризующее движение радиолокатора.
Обычно V.tx < <R. Поэтому временную зависимость наклонной дальности це..
ли можно представить первыми членами разложением квадратноrо корня в сте..
пенной ряд
( ) 2
Vt x
R ( t ) ,;::;R + х т ( 3.13 )
х о 2R '
о
rде Ro наклонная дальность на траверзе в точке, в которой производная dR/dt и доп..
плеровская частота F Dop равн ы нулю (точка с координатами {О, У т , ZT} на рис. 3.2)
Ro == ( Zs ZT )2 + У! . (3.14)
В зарубежной литературе точку с дальностью Ro именуют «ближайшей на..
клонной дальностью» (the nearest slant range).
116
rлава 3. Современные методы космическоrо радиолокационноrо землео6зора ...
в каждом периоде зондирования излучается сиrнал
U t (1 R ) == и m (1 R ) е} 21[101 R , (3.15)
rде U т амплитуда;.IO несущая частота; lR «быстрое время».
Начальную фазу зондирующеrо сиrнала примем равной нулю.
Сиrнал от одиночной точечной цели, поступающий на вход приемника, будет
иметь фазу, определяемую задержкой сиrнала на двойное время распространения
от РЛС дО цели и от цели дО РЛС, и амплитуду, смещенную на время распростра
нения и зависящую от ЭПР цели, потерь на распространение до цели и обратно, а
также коэффициента усиления антенны в направлении на цель
Ur(tR,t x ) =KRGxan{ Vt x Х Т )Um(t R 2R x) }X P {j2 1ifO (t R 2R x) )}
{ 2 2 } (3.16)
( Vl x XT ) ( 2R(lx ) ) . .4nRo. V (lх 1xт)
KRGxant Ro и т t R С ехр ;21ifriR ; л ;21r Roл '
rде K R коэффициент потерь при распространении сиrнала до цели и G xant КУ
антенны в направлении на цель; А == c/fo длина волны РЛС; с скорость света;
txт == Х Т /V момент времени, коrда радиолокатор находится в точке «ближайшей
наклонной дальности».
Заметим, что отсчеты «медленноrо» времени дискретны t)i nT p , rде п номер
зондирующеrо импульса; Тр период зондирования. CTporo rоворя, текущую Ha
клонную дальность (азимутальный отсчет с номером п) можно найти решением
параметрическоrо уравнения, учитывающеrо время распространения излученноrо
сиrнала от n ro положения радиолокатора до цели (дальность R 1n ) плюс время pac
пространения отраженноrо сиrнала от цели до радиолокатора, движущеrося со
скоростью V (наклонная дальн ость R 2n , суммарное время дt):
R(t x )=(R in +R 2n )/2=( RJ +V 2 (пT p txт)2 + RJ +V 2 (пT p +дТ tхт)2 )/2
и
1 == (R 1n + R 2n )/2с .
На практике величиной ! пренебреrают и приближенно считают R(1 х ) R 1n .
Учет t приведен в подразделе 4.2.4.
После преобразования сиrнала в фазовом детекторе приемника на видеочас
тоту множитель, зависящий OT.IO, будет скомпенсирован, и фаза по синтезирован
ной апертуре будет иметь квадратичную зависимость от времени
( ) 2 V2(tx txт)2 4лУа т 2лу2 2 (3.17)
ffJ 1 х ffJo Jr 1 х t хт + ffJ хт ,
ROA А ROA
rде ат Vtxт /R o == Х Т /R o уrол отклонения цели от центра синтезированной апер
туры при lА О' определяющий линейный член в формуле (3.17); ffJO и ffJxт постоян
ные фазы сиrнала по апертуре синтеза.
117
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
Частота принимаемоrо сиrнала (доплеровское смещение, вызванное движени
ем РЛС) как производная фазы будет меняться по линейному закону, изменение
сиrнала по азимуту будет представлять собой ЛЧМ процесс (принято tлт---- о)
F; ( ! ) == 1 dtp(t x ) == 2V 2 (t x txт) 2V 2 t x (3.18)
Оор х 2" dt х RoA RoA
Временные зависимости параметров сиrнала приведены на рис. 3.8.
T ynt
.
.
.
+.
..
..
-.
R., ffJ, F Оор, U NN , U r
_е R( ('д
.
.
.+
..
.+
-. ..+
е. ._
..........
fDop(tx)
Iх
lJ п11 «(r)
:: ШЩf:ШЩI ' 6
U, (/ '.- ) ::II:I!I :J ! :IIП!I!! !lln' II:III(\'ЩI,:I t!
r л у)lrVilшшщни u iJ v
n 1 I \ I I I ЩШЩН.щ.:
11 1\11(1,( 11' I!!'I I !'!I'\I:!,!!,,:: I!"II::
V v Нviн ШШШШШ'
Рис. 3.8. Временные зависимости наклонной дальности R, фазы (jJ,
доплеровской частоты Foop, амплитуды U rm и MrHoBeHHoro значения сиrнала U r
при прямолинейном движении радиолокатора;
по оси абсцисс отложено траекторное время, по оси ординат условные единицы
Зона облучения антенны X ant , равная азимутальному разрешению (3.1 О) в РБО,
определяет полосу доплеровских частот сиrнала и максимальное время синтеза в
режиме непрерывной съемки (маршрутный режим)
м; == 2VX ant == 2V . Т < X ant == ROA ( 3.19 )
Оор , synt D '
Ro Dxant V xant V
rде Dxant rоризонтальный раскрыв антенны.
Синтез апертуры. Антенный подход
В литературе по РСА, особенно в ранних публикациях, рассматривали разные под
ходы для интерпретации процесса синтеза апертуры: доплеровская фильтрация,
антенный подход, соrласованная фильтрация. Воспользуемся антенным подходом.
Преобразуем (3.17) к зависимости фазы от координаты Х по апертуре синтеза
118
rлава 3. Современные методы космнческоrо раднолокацнонноrо землео6зора ...
( Х ) = 4пХ а т 2Jrх 2 + .
ffJ А R А СРХТ
о
Форма синтезированной ДНА при отклонении цели от направления траверза
( 1== 0) выражается интеrpалом Френеля
La /2 { 2 }
А( ) J А .4пХа т .2пХ dX
а т .L.I() ехр } } ,
А ROA
La /2
(3.20)
(3.21 )
rде Ао амплитудное распределение поля по синтезированной апертуре, имеющей
размер La.
Сначала пренебрежем квадратичным фазовым членом, что допустимо, если
фазовая ош ибка на краях синтезированной апертуры не превышает л!4, т.е.
La < .J RoA / 2 .
Этот случай синтеза апертуры, коrда диаrpамма синтезированной антенны
формируется в дальней зоне, называется «нефокусированным синтезом»
А(ат)=Ао L"f exp { j 4 ar } AJ=Ao L"f cos ( 41r; X J dX+jAo L"f Sin ( 41r; X J AJ=
!" 12 ""-'\ !" /2 !" 12 ""-'1
sin ( 2 па т La / А )
= A.nax / '1
2JZ"a T L a л
rде А тах амплитуда отклика в максимуме ДНА.
Форма синтезированной ДНА
( ) А(ат) sin(JZ"aT/a O ) .
G х а т ,
A.nax 1ra T / ао
G x (Х т ) = sinc(X T / РХ ),
rде функция sinc(x)==sin(7rX)I7rX; ao }J2La ширина луча синтезированной ДНА;
px RoA/2La разрешение по азимуту.
Формулы для ширины луча и разрешения по азимуту отличаются от случая
РБО (3.10) для физической антенны с rоризонтальным размером Dxant наличием
множителя 2 в знаменателе. Это обусловлено двойным фазовым набеrом по синте
зированной апертуре. Область нефокусированноrо синтеза отмечена на рис. 3.8.
Для фокусированноrо синтеза, учитывающеrо сферичность облучающей вол
ны, необходима компенсация квадратичноrо набеrа фазы по синтезированной
апертуре путем умножения подынтеrральноrо выражения в (3.23) на зависящий от
OJ { . 21r Х 2 } Т
наклоннои дальности множитель ехр } . акую процедуру выполняют при
RoA
цифровом синтезе РЛИ с применением алrоритмов соrласованной фильтрации (см.
rл. 6). Переписав (3.21) в виде зависимости от времени tx и учтя принятый по апер
туре синтеза сиrнал, получаем выражение для расчета сиrнала на выходе РСА по
(3.22)
(3.23)
(3.24)
119
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
азимуту, которое представляет собой свертку входноrо сиrнала по траектории по
U . ( ) v v Ф v { . 2п V 2 2 }
лета r t х с комплексно сопряженнои опорнои ункциеи ехр } RoA t х ,pea
лизующей соrласованную фильтрацию принятоrо сиrнала (для простоты paCCMOT
рения не учитываем дискретности tx и записываем интеrpальную сумму)
1'synt /2 { 2 }
. . . 2п V 2
Uout(t xт )== J Ur(tx txт)exp } ( х dt x .
ROA
1'synt /2
В общем случае соrласованной фильтрации принятоrо сиrнала с учетом пара
метров движения радиолокатора и влияния друrих факторов разрешающая способ
ность РСА по азимуту определяется выражением
R:Av
РХ = 2L '
synt
rде Lsynt длина синтезированной апертуры.
В обычном маршрутном (с непрерывной съемкой) режиме боковоrо обзора
длина апертуры Lsynt не может превышать размеров области облучения X ant . В этом
предельном случае разрешающая способность РСА по азимуту равна половине ro
ризонтальноrо размера антенны p}iDx ant/2 и не зависит от дальности наблюдения.
На практике существуют методы получения азимутальноrо разрешения лучше, чем
Dxan/2 так называемые, прожекторный режим, режим двойноrо приема. Они pac
смотрены в rл. 4.
Особенность формирования РЛИ высокоzо разрешения. Приведенная в
формуле (3.16) зависимость оrибающей сиrнала от TpaeKTopHoro времени
и m (! R 2R (! х ) / с) может приводить к ее смещению на MHoro элементов разре
шения по наклонной дальности. Этот эффект, называемый МИ2рацией дальности
(range migration), требует учета при синтезе РЛИ, значительно усложняя алrоритмы
синтеза (см. rл. 6).
(3.25)
(3.26)
3.3. rеометрия обзора при скошенном и бистатическом
режимах съемки
3.3.1. rеометрические соотношения в режиме скошенноrо обзора
в перспективных космических РСА Moryт применяться режимы не только боковоrо,
но и скошенноrо обзора (squint mode), в которых плоскость визирования разворачи
вают относительно нормали к вектору путевой скорости, т.е. относительно направ
ления боковоrо обзора. Малые yrлы скоса (до + 5°) встречаются при ориентации осей
КА не в rpинвичской (путевой) системе координат, как это принято в современных
космических РСА, а в орбитальной системе координат (коrда спутник стабилизиро
ван в плоскости орбиты). Работа с большими уrлами скоса (до + 60°) может исполь
зоваться для повышения оперативности съемки в прожекторном режиме, а также для
120
fлава 3. Современные методы космическоrо радиолокационноrо землеобзора ...
высокоорбитальных РСА и для получения pa
диолокационных портретов объектов в разных
ракурсах с целью их лучшеrо распознавания.
В литературе вместо термина «скошенный об
зор» используют также названия «передне
боковой обзор» или «задне боковой обзор».
rеометрия скошенноrо обзора в момент Bpe
мени F O показана на рис. 3.9.
Плоскость визирования из боковоrо об
зора OST o поворачивают BOKpyr радиус
вектора КА OS на уrол lf/ в положение OST.
При этом в момент времени F O луч антенны
направляется в упрежденную точку Т. Дуrа У О
с центральным уrлом ауо переходит в дуrу У с
уrлом ау. Из треуrольников FoOTo и F тОТ с
учетом Toro, что отрезок ТоТ' вертикаль, а
Т'Т параллелен вектору путевой скорости и
перпендикулярен плоскости OST o , имеем co
отношения
ауО = УО/ Re; FoTo = FTT' = Re sinayo;
FTT = FoTo/coslf/ = Re sinayo/coslf/ = Re sina y .
Откуда
ау == arcsin ( sin а уо / cos '1/ ) , r == arcsin ( sin YiO J
COS lf/
Yi = arcsin ( sin YiO J а = arcsin ( sin YiO J arcsin ( Sln ауО ) ,
cos lf/ у cos lf/ cos lf/
Rs
Рис. 3.9. rеометрия обзора
поперек трассы движения КА
при скошенном обзоре
(3.27)
(3.28)
(3.28)
(3.29)
R == + R; 2 Re cos ( arcsin ( sin 10 / Re cos '1/ )) ,
(3.30)
rде параметры ауо, }10 соответствуют случаю cтpororo боковоrо обзора с удалением
Уо точки наблюдения от следа КА.
Переход в РСА от боковоrо обзора к скошенному обзору иллюстрирует
рис. 3.10, на котором для наrлядности Земля изображена плоской, что допустимо в
случае низковысотных (до 1000 км) РСА. Примем, что изменение положения зоны
облучения земной поверхности реализуется путем двух движений удалением
центра зоны ТО от трассы полета в положение Tl и поворотом плоскости визирова
ния SFT 1 на уrол lf/ в положение SFT. В результате возрастает наклонная дальность
R (с соответствующими изменениями уrла падения и ухудшением энерrетическоrо
потенциала), изменяется длина синтезированной апертуры, а ее синтез реализуется
в скошенном режиме с уrлом lf/L в плоскости SToT. Разрешение поперек линии пути
находим дифференцированием ф лы (3.30) по У
121
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
dR RPR РУО sin YiO РУО
Р ..... Р. '" ..... '" (3.31 )
у R. dY l\, sin(-Yo / RJcos sinYi cos cos
Перемещение облучающеrо пятна для скошенноrо обзора обеспечивается по
воротом КА по курсу, танrажу или электронным способом, используя ФАР. В за
висимости от этоrо сечение луча вдоль линии пути, определяющее длину апертуры
синтеза, может возрастать пропорционально наклонной дальности (3.30) или
больше для пятна эллиптической формы, вытянутоrо по дальности, при ero по
вороте по курсу или в случае электронноrо сканирования в ФАР. Длину синтези
рованной апертуры определяется выражением, в котором коэффициент q учитыва
ет особенности изменения rеометрии пятна, облучающеrо земную поверхность,
L == RA RoA RoA
(3.32)
а D q D q D 2q'
xant COS lf/ xant COS lf/ L COS lf/ xant COS lf/
rде lf/L == arct g ( glf/ ) уrол между векторами ST o и STHa рис. 3.10.
slnY о
L a1
х
t
о
Рис. 3.10. ЗОНЫ облучения антенной радиолокатора при режимах.боковоrо
и скошенноrо обзора
Для самолетных РСА с малым отношением высоты к rоризонтальной дально
сти при уо 900 имеем lf/ L lf/ .
rеометрия синтеза апертуры в скошенном режиме показана на рис. 3.11. Ис
тинная длина апертуры La проектируется на нормаль к направлению визирования,
образуя эффективную длину апертуры Leff. Ширина синтезированноrо луча в этом
направлении определяется известной формулой дЛЯ РСА
a xant == 2/ 2L eff == 2/ 2L a cos lf/ L . (3.33)
122
fлава 3. Современные методы космическоrо радиолокационноrо землеобзора ...
4 х .
Arp= Л' S1па
л
'"
/..........././ ....................,.........
..........
.....
.......
.........
'If /..../
Рис. 3.11. rеометрия скошенноrо синтеза апертуры
Расширение синтезированноrо луча обусловлено уменьшением полосы спек
тра доплеровских частот сиrнала, принимаемоrо при скошенном обзоре. Разреше
ние вдоль линии пути определяется сечением синтезированноrо луча под уrлом
fF1r lf/L к оси луча (а не поперек луча, как при боковом обзоре)
R2 Dxant (
РХ == 3.34)
2L eff cos lf/ L 2 cos lf/ L
Проведенное моделирование показало, что, например, при yrле падения 450 и yr
ле скоса 350 ухудшение разрешения РСА по азимуту при скошенном обзоре не пре
вышает 16%, но возможно возрастание боковых лепестков синтезированной ДНА.
3.3.2. Мноrопоэиционные космические системы радиопокационноrо
земпеобэора
Принцип действия мноrопозиционных систем радиолокационноrо наблюдения Ha
земных объектов заключается в разделении передающей аппаратуры (<<передатчик
подсвета» ) и набора пассивных приемников. Используются также комбинирован
ные режимы моностатическоrо РСА в сочетании с пассивными приемными РСА на
спутниках, движущихся по близким орбитам, как это предусмотрено в тандемах
РСА TerraSAR X и Radarsat 2/3 [276,317,330,370,372]. Также перспективно ис
пользовать аэрокосмические мноrопозиционные системы с пассивными приемни
ками, размещенными на спутниках, самолетах и БЛА.
Мноzопозиционные космические РСА имеют следующие преимущества:
. получение высокоточных цифровых карт рельефа местности, а также Tpex
мерных изображений объектов методами одновременной интерферометрии
поперек линии пути КА при оптимальном размере интерферометрической ба
зы, поддерживаемой путем соответствующеrо управления орбитами КА (TaH
демы КА);
. возможность одновременноrо наблюдения объекта под разными ракурсами,
что повышает вероятность ero обнаружения и распознавания;
123
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
. индикация наземных целей, двиrающихся с малыми радиальными скоростя
ми, методом интерферометрии вдоль линии пути КА с четырьмя фазовыми
центрами антенн (обеспечивается тандемами РСА с выбором смещения орбит
КА вдоль и поперек линии пути);
. поляриметрическая интерферометрия;
. MHoroKpaTHoe HeKorepeHTHoe накопление;
. повышенная помехозащищенность системы разведки, особенно при построе
нии аэрокосмической системы с леrкими приемными устройствами на БПЛА,
что значительно повышает оперативность разведки при сопровождении BoeH
ных операций. В ситуации, коrда состав длительно функционирующей KOC
мической rpуппировки, включающей пассивные датчики, разведан по KOCBeH
ным признакам (например, синхронность передачи больших потоков инфор
мации), создание оrpаниченноrо набора станций помех, следящих за спутни
ками, не является сложной технической проблемой. Поэтому, включение в
систему наблюдения мобильных летательных аппаратов с приемными РСА
обеспечит скрытность получения разведывательной информации.
Принципиально мноrопозиционные и, как частный случай, бистатические
системы MorYT иметь совпадающую rеометрию наблюдения, коrда передатчик и
приемник находятся по одну сторону от точки наблюдения (рис. 3.12), и с оппо
зитной rеометрией, коrда прием ведется по друrую сторону от передатчика. На
рис. 3.12, rде У 1 У 2 зона подсвета от КА; Т центр зоны приема самолетным РСА;
}1 уrол падения облучающей волны; Y1D уrол падения приемной волны; МJ
уrол поворота плоскости приема. По казан случай, как при боковом обзоре, коrда
подсвечивающий луч антенны передатчика и луч приемноrо датчика устанавлива
ются в плоскостях, нормальных, соответственно, вектору путевой скорости КА V s ,
или вектору скорости приемноrо датчика V D . В общих случаях такая rеометрия не
обязательна.
,...
V s
.. :-. -: -.
: ш. 'ч.. . .
s ,.......
у
о
.х
Рис. 3.12. rеометрия бистатическоrо обзора с совпадающими направлениями наблюдения:
Y 1 У 2 зона подсвета от КА; Т центр зоны приема самолетным РСА; }1 уrол падения облучающей волны;
Y1D уrол падения приемной волны; '1/0 уrол поворота плоскости приема
124
fлава 3. Современные методы космическоrо радиолокационноrо землеобзора ...
Положение передатчика подсвета в rеоцентрической rринвичской системе KO
ординат характеризуется координатами XsYsZs. Положение приемноrо датчика оп
ределяется координатами XDYDZ D . Наклонные дальность облучения R цели Т с KO
ординатами XTYTZ T и дальность приема отраженноrо сиrнала R D характеризуются
формулами
R == ( Х Т Xs)2 +(У Т Ys)2 +(ZT Zs)2 , (3.35)
R D == (XT XD)2 +(У т YD)2 +(ZT ZD)2 . (3.36)
Одна из важнейших проблем при бистатическом зондировании состоит в син
хронизации движений передающеrо и приемноrо модулей. Соrласование reoMeT
рии обзора обеспечивается проrнозными траекторными измерениями с их KoppeK
тировкой по аппаратуре GPS, установленной на обоих датчиках. Для временной
синхронизации возможно применение кодированных синхропосылок, использова
ние прямоrо сиrнала от передатчика, восстановление строчной структуры данных в
процессе синтеза РЛИ. KorepeHTHocTb сиrналов обеспечивается применением BЫ
сокостабильных опорных reHepaTopoB.
Взаимное расположение облучающей и прием ной волн характеризуется уrла
ми: направление облучения уrлом падения облучающей волны 1, направление
приема рассеянноrо излучения уrлом падения Y1lJ, отсчитываемым от местной
вертикали в точке наблюдения, и уrлом 'f/D поворота плоскости приема.
Указанные выше параметры бистатическоrо обзора учитываются при расчете
энерrетическоrо потенциала РСА, включая оценку УЭПР отражающей местности при
yrлах наблюдения YtD и 'f/D, отличных от yrла падения при моностатическом обзоре.
При работе в режиме тандема двух КА можно обеспечить оптимальную «мяr
кую» интерференционную базу (от 200 м до 1 км В зависимости от диапазона волн
РСА), значительно превышающую размеры «жесткой» базы (60 м), реализованной
в бортовом комплексе SIR C/X SAR SRTM космическоrо корабля Space Shuttle
[521]). При этом повышается точность вычисления карт рельефа местности, а TaK
же точность измерения скорости движущихся объектов за счет «мяrкой» базы BMe
сто разделения приемной ФАР на две секции по азимуту (см. подраздел 4.2.4).
Для режима тандема координаты обоих КА должны быть близкими и разли
чаться на величину интерферометрической базы, образуемой интервалом времени
задержки положения на орбите (вдоль орбиты) и смещением rеоrpафическоrо поло
жения узла орбиты BToporo КА. Соответственно R r-.J R D , YiD r-.J }1, 'f/D == о. в этих усло
виях разрешающая способность (и друrие параметры) получаемых РЛИ близки.
При образовании сложной орбитальной rpуппировки для мноrопозиционноrо
зондирования разрешающая способность бистатическоrо РЛИ будет зависеть от
rеометрии обзора
С'с
ру == . . / '
SlnYi +SlnYiD COS'f/D
rде Те ==1/дF длительность сжатоrо импульса, обратно пропорциональная ширине
спектра зондирующеrо сиrнала.
(3.37)
125
Радиолокационные системы землео6зора космическоrо базирования
Разрешающая способность по азимуту определиться через наклонную даль
ность до приемноrо датчика и время синтеза, которое для аэрокосмической систе
мы может быть оrpаничено временем пролета спутником зоны, облучаемой пере
дающей антенной
т == RA
synt D V
а sg
(3.38)
RDA
РХ == ,
VD ynt
rде V sg скорость следа КА на поверхности Земли.
3.3.3. rеометрия обзора при бистатическом квазизеркапьном
космическом режиме съемки
Для rлобальноrо мониторинrа океанских явлений широкие возможности дает при
менение оппозитноrо бистатическоrо зондирования, использующеrо наклонное
«квазизеркальное» зондирование поверхности океана, при котором РСА принимает
сиrналы от «радиолокационноrо
блика», образованноrо «подсветом»
поверхности с передающеrо косми
ческоrо аппарата. rеометрия TaKoro
оппозитноrо бистатическоrо обзора
показана на рис. 3.13.
Пусть заданы высоты орбит пе
редающеrо Hs и приемноrо H D КА и
текущий центральный уrол aSD меж
YD ду подспутниковыми точками. Точка
зеркальноrо отражения Т m между пе
редающим КА S и приемным КА D
будет удалена от обоих КА с наклон
ными дальностями R и R D , обеспечи
Рис. 3.13. rеометрия бистатическоrо вающими равенство уrлов падения }1
квазизеркальноrо обзора и отражения YiD.
В оппозитной системе в области квазизеркальноrо приема разрешающая спо
собность резко ухудшается. Она определяется большим пятном (бликом) на Ha
блюдаемой поверхности. Положение зеркальной точки Т т (центральный уrол а т )
находят из следующих уравнений при Ylli=}1
s
Rs
а l11
о
sln Yi
Re + Hs
sina sin(Yi am)
m
R Re
sln YiD
Re +H D
sin(a SD aт)
R
sin(a SD am YD)
Re
126
(3.39)
(3.40)
fлава 3. Современные методы космическоrо радиолокационноrо землеобзора ...
При равной высоте орбит обоих спутников имеем для уrлов падения и OTpa
жения
Yi = YiD = arcsin( ; sin( a SD /2)). (3.41)
rде = +Hs радиусорбитКА; R= Я;+R; 2 RDсоs(аSD/2) наклон
пая дальность от каждоrо из КА ДО точки зеркальноrо отражения.
Суммарная наклонная дальность определится формулой
( ) 2 2 ( a SD Д У ]
R SD Y == Rs +Re 2RsRDCOS +
2 Re
2 2 ( a SD Y )
+ п +R 2п R cos
..L е ..L D 2 R '
е
(3.42)
rде ДУ приращение rоризонтальной дальности (по дуrе большоrо Kpyra) относи
тельно зеркальной точки.
Разрешающую способность бистатическоrо РСА в зависимости от удаления
текущей точки от зеркальной точки можно определить, решая уравнение относи
тельно Ру при заданном разрешении РСА по наклонной дальности PR
PR == R SD ( Y + Ру ( Y)) R SD ( Y) . (3.43)
На рис. 3.14 приведена зависимость разрешения по rоризонтальной дальности
от удаления текущей точки от зеркальной точки при высоте орбит обоих КА
800 км, их удаления друr от друrа на 2000 км. Уrол падения для зеркальной точки
равен 600, полоса зондирующеrо сиrнала 300 мrц (разрешение по наклонной
дальности 0,5 м).
РУ' м
.
I
.
I
I
.. 1.
50 ш ш t шt t r ш
40 ................................................. .................................................. .................................. ...... ...... ........................................ ................................................ .................................................
: р : ::
30 шшl ш i ш + : + ш ш
20 t t t t
I 1 ..
I I ..
l' ,.
1 О t I t I t
I
о
600
400
200
о
200
400
/1 У, км
Рис. 3.14. Зависимость разрешения по rоризонтальной дальности
от удаления текущей точки от зеркальной точки Hs HD 800 км.
Масштаб тонкой кривой уменьшен в 1 О раз
127
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
3.3.4. 6истатический режим обзора с подсветом от передающей РЛС
на rеостационарной орбите
Определенные перспективы и преимущества перед низкоорбитальной космической
rруппировкой для зондирования океана имеет сочетание подсвета с КА на reocTa
ционарной орбите с системой низкоорбитальных спутников [182, 183*]. rеометрия
обзора по казана на рис. 3.15. Задавая значения радиусов орбит передающеrо КА
Rst == 42164 км и приемных датчиков R D1 , R D2 в формулах (3.40), (3.42) и (3.43),
можно рассчитать зависимость разрешения по rоризонтальной дальности от удале
ния текущей точки от зеркальной точки.
На рис. 3.16 приведена зависимость разрешения по rоризонтальной дальности
от расстояния относительно точки зеркальноrо отражения при квазизеркальном
бистатическом обзоре с подсветом от РЛС на rеостационарной орбите. Высота op
бит приемных КА 800 км.
,
,
,
,
,
ROI :
,
,
,
, "
, ,
, ,
, '
, ,'R D2
, "
, ,
, "
"
о .. .... .. .. ..
Боковой обзор
Скошенный обзор
Rst
Рис. 3.15. rеометрия бистатическоrо обзора с подсветом от РЛС на rеостационарной орбите
dY,M
40
о
600
oo
200
о
200
400 У, км
30
Рис. 3.16. Разрешение по rоризонтальной дальности
при квазизеркальном бистатическом обзоре с подсветом от РЛС на rеостационарной орбите
(масштаб тонкой кривой уменьшен в 10 раз)
128
fлава 3. Современные методы космическоrо радиолокационноrо землеобзора ...
3.4. Энерrетические характеристики космических радиолокаторов
эемлеобэора
Мощность принимаемоrо РСА сиrнала вычисляют с помощью уравнения радиоло
кационной дальности [54, 214]. Одна из форм записи этоrо уравнения в виде про
изведения трех сомножителей характеризует физические процессы при распро
странении, рассеянии и приеме сиrналов
Р. = G ст Seff (3.44)
r 4пR 2 4пR 2 L '
rде Pt излучаемая мощность; G коэффициент усиления (КУ) антенны; R Ha
клонная дальность; (У эффективная площадь наблюдаемой цели; Seff эффектив
ная площадь антенны; L суммарные потери при двойном распространении сиrна
ла (в тропосфере, ионосфере, а также в растительности при обнаружении объектов
сквозь листву и др).
Если не рассматривать потери в трассе распространения сиrнала, то первый co
множитель представляет собой плотность потока мощности излучения на расстоя
нии R от РЛС. Числитель BToporo сомножителя (Y эффективная поверхность pac
сеяния (ЭПР) цели определяет долю отраженноrо сиrналов в направлении РЛС, а
ero знаменатель учитывает распределение электромаrнитной энерrии в пространстве
на расстоянии R от цели, т.е. у РЛС. Произведение первоrо и BToporo сомножителей
определяет плотность потока мощности отраженноrо сиrнала в раскрыве приемной
антенны РЛС. Будучи умноженным на эффективную площадь антенны, это произве
дение определяет мощность сиrнала от цели на входе приемника.
К эхо сиrналу от местности добавляются собственные (тепловые) шумы ап
паратуры. Так же, как и сиrнал от местности, они представляют собой случайный
процесс, только с очень широким спектром частот. Приемник выделяет из спектра
полосу, соответствующую своей полосе пропускания. В классической теории pa
диолокации, рассматривающей задачу обнаружения точечных целей на фоне шу
мов приемника, обычно оценивают отношение сиrнал/шум по мощности для двух
сечений радиолокационноrо тракта: на входе детектора оrибающей и после HeKO
repeHTHoro накопления (последетекторная фильтрация).
Применительно к РБО и РСА, предназначенным для наблюдения протяжен
ных объектов, характеризуемых удельной эффективной поверхностью рассеяния
(УЭПР) (УО, влияние шумов приемника характеризуют параметром (УОпе «(УО шумово
[о эквивалента NESZ noise equivalent sigma zero). Это такое значение УЭПР фо
на местности, который создает на выходе приемника (или синтезированноrо РЛИ)
мощность, численно равную мощности шумов прием ника. Влияние последетек
TopHoro HeKorepeHTHoro накопления оценивается отдельно как параметр, обеспечи
вающий улучшение радиометрическоrо разрешения или изменение кривых Bepo
ятности обнаружения компактных объектов.
Значение (УО пе, характеризующее чувствительность РБО или РСА, вычисляют
по формуле (учтено, что Seff== GА?/4п)
5 1492
129
о (4п-)3 R4pnL
о- пе == 2 2 '
G А РхРу
(3.45)
rде рх, РУ разрешение на местности для рассматриваемых сечений тракта РБО
или РСА; рхХру площадь элемента разрешения на местности; L суммарные по
тери в трассе распространение сиrнала (без проникновения в листву); Рп мощ
ность шумов на входе приемника, определяемая выражением
1;. == k [ + То (Fn 1)] == 4 .10 21 Fn.
(3.46)
Здесь k == 1,38 .10 23 Вт/rц ок постоянная Больцмана, То абсолютная темпера
тура прием ной системы, Те абсолютная температура источника сиrнала (для РЛС
обзора земной поверхности принимают Т е ==Т о ==290 0 К), ДF полоса пропускания
приемника, Р п шумфактор приемника.
Значения излучаемой мощности и шумов приемника относятся к фланцу aH
тенны. Потери в антенном тракте учитывают в значении коэффициента усиления
(или эффективной площади антенны).
Заметим, что для разных сечений трактов РБО или РСА (вход приемника, Kore
рентная обработка сжатие по дальности дЛЯ РБО и РСА или синтез РЛИ дЛЯ РСА)
значения разрешающей способности рх, ру MOryт быть разные, но величина 0-0 пе OCTa
ется постоянной. Это связано с тем, что сжатие сиrнала по дальности и/или азимуту
приводит к уменьшению площади разрешаемоrо элемента и пропорционально
уменьшает ero ЭПР. Отношение сиrнал/шум+фон по уменьшенной ЭПР от фона Me
стности сохраняется. Напротив, для малоразмерных целей оно возрастает с увеличе
"ием коэффициента сжатия сиrнала и уменьшением площади фона.
При расчетах энерrетическоrо потенциала по формулам уравнения дальности
(3.44) (3.46) обычно принимают, что в случае простоrо зондирующеrо импульса
излучаемая мощность равна импульсной Pt P imp . Для широкополосных ЛЧМ или
ФМ импульсов принимают Pt P impk e , rде ke==tlilT коэффициент сжатия по дально
сти при полосе сиrнала ДF и длительности импульса 'С. Можно также ввести OT
дельные обозначения для разрешения на местности до сжатия по дальности РУ} и
азимуту PXl и после синтеза РЛИ со сжатием по дальности p rp yllk e и по азимуту
P rPXl IN synt , rде N synt число KorepeHTHo суммируемых импульсов по азимуту.
Соотношения (3.44) (3.46) позволяют по заданному значению чувствительно
сти 0-0 пе РБО или РСА вычислить требуемую импульсну мощность P imp И cpeд
нюю мощность Р ер
(4п-)3 R41;.L
тp == О 2 2
O"ne G А PYIPXl
(4п-)3 R4pnL
О 2 2 '
O"ne G А kcpyPxNsynt
(3.47)
P ==Р ПnР ( )-
130
fлава 3. Современные методы космическоrо радиолокационноrо землео6зора ...
По значениям импульсной и средней мощностей с учетом выбранноrо типа
передающеrо устройства и допустимой скважности для выходноrо усилителя
мощности задают длительность зондирующеrо импульса т и вычисляют коэффи
циент сжатия зондирующеrо сиrнала по длительности kc==/:;FT.
3.5. Радиометрическое разрешение в радиолокаторах
эемпеобзора
3.5.1. Радиометрическое разрешение в РБО
Пространственно протяженные объекты (например, фон местности или rрупповые
объекты) при облучении их радиоволнами создают рассеянное излучение, часть
KOToporo перехватывается приемной антенной РЛС (рис. 3.17). Каждый участок
фона представляет собой хаотический набор элементарных отражателей и по
разному ориентированных. В пределах каждоrо элемента разрешения РЛС проис
ходит векторное суммирование сиrналов от этих элементарных отражателей и
формируется суммарный сиrнал, причем, как правило, доля энерrии каждоrо OTpa
жателя MHoro меньше суммарной энерrии в элементе разрешения. Сиrнал, прини
маемый РЛС от данноrо элемента разрешения, будет иметь случайное значение
ЭПР, которое может изменяться от ракурса наблюдения, от элемента к элементу
или от захода к заходу съемки в несколько раз. Похожее явление происходит и при
зондировании сверхширокополосными сиrналами с их коrерентной обработкой
(соrласованной фильтрацией) до тех пор, пока размер разрешаемоrо элемента пре
вышает размер неоднородностей наблюдаемоrо объекта (поверхности).
Для радиолокационных изображений характерно наличие спекл шума, обу
словленноrо узкополосностью зондирующеrо сиrнала (малое отношение дF/fo).
Такое же явление наблюдается в оптическом диапазоне волн при освещении узко
полосным лазерным излучением поверхностно распределенных объектов.
Сравним два случая, представленных на рис. 3.18: наблюдение при освещении
источником белоrо света с широким спектром (диапазон длин волн Alight ==
== 390...770 мкм) и монохроматический подсвет лазерным источником (Al aser ""
'" 700 мкм), аналоrичный узкому спектру одночастотноrо радиолокационноrо Ha
блюдения.
J::s :
,--
.«
. :!.(::
Л
" '
: '
- ........
: , . . ..-.;0. .
_.
.i: :.1: ::;) ' :p.;:J
а)
б)
в)
Рис. 3.17. Формирование диаrpаммы обратноrо рассеяния от шероховатой поверхности (а, б)
и от rpупповоrо объекта корабля (в)
131
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
ЯRW >,. If:lr(. «:";' : '., :.:.. '. ;;:. ._.; ., . о.. :_:_. ,.__
- ,
Wt I E
:.? -
Ш2б
ш1
I
, 5\:ff!J, мв
(оЙ
в)
tjr'!r,Jf
lв.g;
-
- ,
а)
б)
-:о 1
<,/
Рис. 3.18. Обложка книrи, снятая в белом свете (а) и в свете лазера (б) и соответствующие
rистоrpаммы яркости (в, 2) (СКО флуктуаций яркости различаются в 12 раз)
Диаrрамма обратноrо рассеяния (ДОР) от распределенных объектов при радио
локационном наблюдении (а также лазерном под свете ) имеет' мноrолепестковую
структуру, причем yrловая ширина лепестка пропорциональна отношению длины
волны к размерам элемента разрешения (или размерам rрупповоrо объекта, если он
меньше элемента разрешения). В частности, дЛЯ ДОР по азимуту будем иметь
А
а х , (3.48)
Ха
rде Ха == РХ азимутальное разрешение РБО или размер rрупповоrо объекта по
азимуту.
Сиrнал, принятый от однородной шероховатой поверхности, является raycco
вым процессом, к которому добавляются шумы приемника. Сиrнал на выходе ли
нейноrо амплитудноrо детектора А распределен по закону Релея:
р(А) == exp { А: } , (3.49)
u sq 2u sq
rде u 2 Sq дисперсия процесса (квадрат среднеквадратичноrо отклонения) на входе
детектора, определяемая средней ЭПР данноrо элемента, шумами приемника и KO
эффициентом передачи сквозноrо тракта РБО Q:
U;q == Q(т п == Q( (то + (Т e ), (3.50)
rде c?sn == с? + с?nе эквивалентное значение УЭПР, определяемое суммарным
процессом фон + шум, включающим сиrнал, отраженный от наблюдаемой MeCTHO
сти с УЭПР с? и шумы приемника, характеризуемые значением шумовоrо эквива
лента с?nе.
В практике обработки сиrналов в РБО и РСА обычно применяют не ампли
тудный (линейный), а квадратичный (энерrетический) детектор, выходной сиrнал
2
KOToporo Е А пропорционален мощности процесс а на входе детектора или значе
нию суммарной УЭПР дЛЯ данноrо элемента разрешения на местности. Для KBaд
ратичноrо детектора выходной сиrнал имеет экспоненциальное распределение
р(Е) == exp { Е2 } . (3.51)
2u sq 2u sq
132
rлава 3. Современные методы космическоrо радиолокационноrо землео6зора ...
С учетом формулы (3.50) плотность распределения отсчетов (однократных
наблюдений) суммарной УЭПР фон+шум
z
1 O
p(z)==oe Й- sп ,
a sn
rде z случайное значение суммарной УЭПР Фон+шум, определяемое процессом
на выходе квадратичноrо детектора при однократном наблюдении.
При движении радиолокатора изменяется ракурс наблюдения данноrо элемента
разрешения, что приводит к флуктуациям принятоrо сиrнала. При усреднении при
нимаемоrо сиrнала (последетекторное HeKorepeHTHoe накопление) дисперсия флук
туаций выходноrо процесса уменьшается обратно пропорционально числу незави
симых наблюдений в каждом элементе разрешения N. Плотность распределения OT
счетов УЭПР будет подчиняться закону i распределения с 2N степенями свободы,
который в нормированном виде находят по формуле [154*, 160*, 163*, 295]
NN N: ( z J N l
PN(Z)= О (N l), e й- 5О о
O"sn . O"sn
При больших N плотность вероятности приближается к rayccoBY закону [1]:
( J 2
1 z
N l
1 N 2 а О
PN(Z)= ТN e 50 .
(то v2;
sn
(3.52)
(3.53)
(3.54)
Среднее значение, дисперсия и среднеквадратичное отклонение (СКО) отсче
тов УЭПР соответственно
а02 о
М, {z} = (т п; D{z} = ;. ; CKO{z} = . (3.55)
Законы распределения плотности вероятности и интеrральные законы распре
деления при последетекторном накоплении приведены на рис. 3.19.
р
.. . . I I I . I I
. . . I . . . I I
.. . . I I I . I .
I . I I . I .. I I
1 6 .j.. . .j.. .j.. .j.. .j.. .j.. .j..
, i . 16 i i ; i i !
1,2 =i =t! t=
== 1: : i : ; i : i :
' . T T t i" t t т' r.' шt
О 8 ... . : ........: . ......i .............i........_...... ......... . ...... ........ ... ..... .... .............. ......4........
, : : : : : : :
: .. 4: : : : : :
0,4 : :. . :=R+;f=r =
t ш! + i r t t t
00
2
4
3
z
F
I I I
I I I I I I I I I
1 ,2 Jш т l ш + шJ + tшшt + ш+ ш
I I ! ! ! I i I !
ш tшш ! ' шшl : I I ; ;
О 8 t l ш + ш!шшl t l шшlш t l шШ
, I I I I I I I
I I I I I I I I I
ш t j ш J Jшш t ' шшtш t ш t !
N == 1 1 I I I I I
I I I I I I
0,4 Ш I ш I шшtшшt ш tшш т ' + I t t
I I J I I
1 14 I I I I i i i
t ш t t ш tш t t ш t t ш
I 16 I I I ! I I I
I I I : : ! I ,
00 1 2 3 4
z
Рис. 3.19. Плотности вероятностир(z) и интеrральные функции распределения F(z) процесс а
на выходе квадратичноrо детектора при и 2 == 1 и числе независимых наблюдений
sq
в элементе разрешения, равном N
133
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
Частным случаем при N 1 является экспоненциальное распределение (3.51).
Число независимых наблюдений определяется интервалом корреляции флуктуаций
и периодом выборок. ДЛЯ РБО пространственный интервал корреляции флуктуа
ций по азимуту при наблюдении фона местности соответствует ширине лепестка
ДОР (3.48) и имеет значение, равное rоризонтальному размеру антенны РБО Dxant
X corr Ra х == RA/ X ant ==Dxant . (3.56)
Интервал временной корреляции флуктуаций при наблюдении фона MeCTHO
сти в РБО равен времени, за которое радиолокатор перемещается на азимутальный
размер антенны:
'corr Dxant/ V , (3.57)
rде V путевая скорость.
Поскольку интервал корреляции азимутальноrо сиrнала в РБО значительно
меньше длительности сиrнала, принимаемоrо от данноrо элемента (T sig Xa nt/V),
возможно усреднение флуктуаций сиrнала за время наблюдения, причем макси
мальное число независимых наблюдений в элементе разрешения составляет
N х < N Хmах == Xant/ Dxant == RA/ D;ant . (3.58)
При наблюдении rрупповых целей, размеры которых меньше, чем азимуталь
ное разрешение РБО, число независимых наблюдений вычисляют по формуле
{ Xant/VТ p Ха < X ant
N x ==
Xant/X a Xa>Xant
(3.59)
rде Тр период зондирования; VT p путь, проходимый радиолокатором за период
зондирования.
В РБО в отличие от РСА нет оrраничений на выбор периода повторения зон
дирующеrо сиrнала. Ero выбирают из требуемой полосы съемки, и может оказать
ся, что ero величина превышает интервал корреляции флуктуаций принимаемоrо
сиrнала. Тоrда число отсчетов сиrнала N x будет меньше N xmax , но все они будут
некоррелированными.
Радиометрическое разрешение характеризует возможность различения объ
ектов, имеющих яркостные контрасты, т.е. отличающиеся по значениям ЭПР или
УЭПР. ДЛЯ оценки радиометрическоrо разрешения предлаrались различные крите
рии [295, 319, 413], основанные на оценке вероятности ошибки правильноrо обна
ружения яркостноrо контраста. Сравнение этих критериев показало, что наиболее
устойчивым параметром является оценка среднеквадратичноrо отклонения флук
туаций наблюдаемоrо процесса.
Техническим параметром, характеризующим радиометрическое разрешение
РБО или РСА, является значение среднеквадратичноrо отклонения (СКО) Флуктуа
ций наблюдаемоrо процесса при большом отношении сиrнал/шум, коrда c?sn'Zc?
Разрешаемое приращение УЭПР (дифференциальный контраст) и разреша
емый абсолютный контраст (в децибелах) определяются формулами
134
rлава 3. Современные методы космическоrо радиолокационноrо землео6зора ...
1
oK sn == JN '
Кsп,дБ ==lOIOg(l+ .iN ),
rде N число независимых наблюдений (в общем случае по площади наблюдае
Moro объекта, см. подраздел 3.5.2).
На практике важны случаи, коrда требуется оценка радиометрическоrо раз
решения участков местности с малой УЭПР, близкой к чувствительности РБО или
о
РСА (j' nе (используют термин радиометрическая чувствительность). При наблю
дении участков местности, окруженных неотражающей поверхностью, например,
при обнаружении контраста вода/суша, разрешаемая УЭПР
(3.60)
(3.61 )
О
О o-ne
(j'min == JN .
(3.62)
При оценке разрешаемоrо контраста между двумя участками с разными УЭПР
с! и a формулы (3.60}--{3.62) принимают вид
О О
БК == 0-1 o-
0-0
1 + (то / 0-0
ne .
JN
(3.63)
( 1 + (то / 0-0 J
а)О == а О (1 + оК) == а О 1 + .!N .
(3.64)
Разрешаемый контраст между участками фона, измеряемый в децибелах
K dB == lOIOg( 1 + 1 + 1i а О J .
(3.65)
Заметим, что приведенные оценки радиометрическоrо разрешения по значе
нию СКО флуктуаций (3.63) характеризуют также случайную поrpешность изме
рения УЭПР по результатам радиолокационной съемки (СКО { а)О } == а)О). Вероят
ность ошибки обнаружения контраста между участками, определяемоrо выражени
ем (3.64), составляет около 0,35. Повышение точности измерений и повышение Be
роятности различения контрастов между участками достиrается увеличением чис
па наблюдений, в том числе путем усреднения отсчетов по площади наблюдаемоrо
участка (межэлементное HeKorepeHTHoe накопление см. подраздел 3.5.2).
3.5.2. Радиометрическое разрешение в РСА
В РСА получение высокоrо пространственноrо разрешения связано с коrерентной
обработкой TpaeKTopHoro сиrнала в пределах зоны облучения ДНА по азимуту. В
результате в каждом элементе разрешения Р ЛИ формируется однократное наблю
135
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
дение N 1. Возможен обмен пространственноrо разрешения на радиометрическое
разрешение. Для этоrо увеличивают размеры элемента разрешения РЛИ по азиму
ту и/или по дальности с увеличением ero площади в N e раз и применяют внутри
элементное HeKorepeHTHoe накопление (N e наблюдений в элементе разрешения).
Это достиrается путем уменьшения длины синтезированной апертуры в N x раз, по
сравнению с предельной, а также разделением спектра зондирующеrо сиrнала на
N R субспектров по дальности
N e == N x N R . (3.66)
Применение такой обработки при синтезе РЛИ облеrчает требования к BЫ
числительным средствам синтеза и поэтому часто использовалось в РСА преды
дущих поколений. В современных РСА при наличии высокопроизводительной BЫ
числительной техники более эффективно получение Р ЛИ с предельным разреше
нием по азимуту и дальности и применение межэлементноrо HeKorepeHTHoro HaKO
пления по площади наблюдаемоrо объекта. Полное число наблюдений
N == NeN s , (3.67)
rде N s ==Sgeom/ РхРу число элементов разрешения по площади объекта.
Межэлементное HeKorepeHTHoe накопление (усреднение отсчетов Р ЛИ по
площади наблюдаемых объектов) широко используют при тематической обработке
РЛИ (см. rл. 7 и 9). Выделяя участки с однородной статистикой (поля, лесные Mac
сивы), в том числе методами автоматической сеrментации РЛИ, определяют их
конфиrурацию и усредняют параметры сиrнала по всей площади выделенноrо cer
мента. Такая процедура позволяет резко повысить радиометрическое разрешение .и
точность измерения УЭПР протяженных объектов для их идентификации и изме
рения радиофизических характеристик при тематическом дешифрировании.
Технические параметры РСА или РБО: чувствительность с? nе, пространствен
ное разрешение вдоль Рх и поперек ру трассы КА и радиометрическое разрешение
дК (или число наблюдений N e ) в элементе разрешении на местности однозначно
определяют ошибки измерения контраста и точности оценки УЭПР объекта с за
данной площадью.
3.6. Факторы, опредепяющие выбор параметров РСА.
Функция неопредепенности сиrнапов
3.6.1. Вид функции неопредепенности сиrнапов в космических РСА
в отличие от РСА авиационноrо базирования в космических РСА проблема обеспе
чения однозначности измерения времени задержки и доплеровской частоты прини
маемых сиrналов является крайне сложной. Она обусловлена высокой скоростью
движения радиолокатора относительно цели и большими наклонными дальностями
наблюдения. При расчете параметров РСА необходимо выбирать высокую частоту
повторения (а значит, малый период повторения) зондирующих сиrналов для пере
дачи спектра доплеровских частот, определяемоrо rоризонтальным размером aHTeH
ны (для однозначности сиrналов по азимуту) с учетом требований по полосе съемки
136
rлава 3. Современные методы космическоrо радиолокационноrо землео6зора ...
поперек трассы КА, которая оrpаничивается выбранным периодом зондирования
(однозначность сиrналов по дальности) [253, 310, 312, 313, 337,401,442,469].
Функция неопределенности (ФН) зондирующеrо сиrнала, предложенная в 50 x
rодах П. Вудвордом [54], описывает комплексную оrибающую сиrнала на выходе
радиолокационноrо приемника как функцию дальности и радиальной скорости и
определяет разрешающую способность, меру неопределенности, теоретическую
точность измерения дальности и скорости целей. Основное определение ФН (ино
rда ее называют «телом неопределенности») это авто корреляционная функция
зондирующеrо сиrнала при смещении ero по времени или частоте, показывающая
потенциальные возможности сиrнала по измерению времени задержки или смеще
ния по доплеровской частоте
00 *
х(М,Ф)== f u(t)u(t+М)е j2лФtdt, (3.68)
oo
rде д.t задержка по времени; Ф смещение по частоте; u комплексные значе
ния принятоrо сиrнала; * комплексно сопряженная величина.
Применяемые в радиолокации зондирующие сиrналы различаются амплитуд
ной и частотной зависимостями от времени. Их можно характеризовать корреля
ционными функциями (при смещении по времени), зависимостью при смещении
по частоте, функцией неопределенности (при смещениях по времени и частоте),
длительностью (проекция сечения ФН на временную ось), полосой частот (проек
ция сечения ФН на частотную ось). Наиболее широко используемый вид зонди
рующих сиrналов в космических РСА пачки ЛЧМ--импульсов, которые имеют
ряд преимуществ, например, перед фазоманипулированными сиrналами:
. одинаковая структура по координатам азимута и дальности;
. сохранение формы при сдвиrе по доплеровской частоте;
. сохранение формы при преобразовании из временной области в частотную и
обратно;
. возможность применения эффективноrо алrоритма ЛЧМ масштабирования
для коррекции миrрации дальности и интерполяции комплексных сиrналов.
След функции неопределенности для одиночноrо ЛЧМ импульса на плоскости
время частота показан на рис. 3.20. Про
екция следа ФМ на ось t равна длительно
сти импульса r, на ось F ширине спект
ра ДР. Вычисление автокорреляционной
функции включает в себя умножение зон
дирующеrо сиrнала на сопряженный t
ЛЧМ"множитель, который можно pac
сматривать как опорную функцию в co r
rласованном фильтре обработки сиrнала.
В результате умножения частотная MOДY Рис. 3.20. След функции неопределенности
ляция В импульсе оказывается скомпен на плоскости время частота
сированной (deramped signal). После для одиночноrо ЛЧМ импульса
137
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
дующее KorepeHTHoe суммирование вычисление интеrрала в (3.68) приводит для
1 == О К возрастанию амплитуды выходноrо импульса до максимальноrо значения,
пропорциональноrо длительности импульса. При смещении по времени 111"* О им
пульс оказывается заполненным разностной частотой и амплитуда суммирован
Horo сиrнала падает. В результате формируется показанный на рис. 3.20 узкий сжа
тый отклик,с, равный сечению ФН вдоль оси 1. База сиrнала произведение поло
сы на длительность, определяет коэффициент сжатия kc == М'т. Разрешение по
времени задержки равно длительности сжатоrо импульса Те == т / ke == 1 / м' , разре
шение по частоте равно PF == 1/, сечению ФН по оси F.
При сохранении общей сущности имеется несколько вариантов ФН. Наиболее
подходящим дЛЯ РСА является определение ФН как функции реакции СО2ласован
НО20 фильтра (импульсноrо отклика РСА pulse response) на точечную цель. При
этом под оrибающей сиrнала следует рассматривать форму зондирующеrо им
пульса и вызванные формой ДНА изменения амплитуды в пачке зондирующих им
пульсов. Таким образом, используемое в теоретических исследованиях ФН поня
тие нормированной амплитуды сиrнала для импульсов прямоуrольной формы с
амплитудой И таХ можно представить в обобщенном виде
11 u (! )12 dt == k I OO U ax 'l" G yant (ДУk)2 Gx t (а п )2 == 1 ,
k oo,n (R + k )
(3.69)
oo
rде G yant (ДУk) И G xant (а п ) уrломестная и азимутальная ДНА по мощности; ДУk
arcsin( (пFpA )/( 2 g))
уrол визирования от направления максимума ДНА; а п ==
M 1e
уrловое положение п ro боковоrо лепестка по азимуту (доплеровской частоты);
Rs
коэффициент учета криволинейности движения КА, близкий к
M 1e ==
Recos a y
единице для низкоорбитальных РСА (см. подраздел 5.4).
К основным свойствам ФН относятся ее максимальное
Максимальное значение ФН имеет в начале координат
значение и объем.
тах Ix( Дl, Ф)I == Ix( о, 0)1 == 2Е .
(3.70)
Если сиrнал нормирован соrласно (3.69), то максимальное значение равно
единице.
Объем ФН, заключенный между поверхностью Iх(мФ)1 2 и плоскостью Ft,
инвариантен к законам изменения амплитуды и фазы. Это свойство не позволяет
изменить объем тела неопределенности путем изменения закона модуляции
00 00
Л u (t)1 2 dt== J Л х (t,ф)1 2 dtdФ==lх(о,о)1 2 ==(2Е)2.
(3.71 )
oo
oo
138
rлава 3. Современные методы космическоrо радиолокационноrо землео6зора ...
Из этоrо следует, например, что попытки уменьшить уровень боковых лепе
стков или ложных лепестков неоднозначности (см. ниже) приведут к расширению
rлавноrо лепестка или увеличению числа боковых лепестков при сохранении пол
ной энерrии соrласно (3.71).
Импульсный отклик РСА определяет реакцию системы (фильтра обработки)
на точечную цель. ФН является предельным частным случаем импульсноrо откли
ка, коrда амплитудная характеристика фильтра обработки совпадает с амплитуд
ным распределением сиrнала, фазовая характеристика комплексно сопряжена с
сиrналом.
Для пачки ЛЧМ импульсов с периодом повторения Тр, длительность которой
превышает несколько периодов повторения зондирующеrо сиrнала, форма им
пульсноrо отклика (являющеrося функцией неопределенности) имеет вид (рис.
3.21) двумерной «иrольчатой» структуры в координатах «время задержки» tR (оп
ределяет наклонную дальность) и «траекторное время» tx вдоль трассы полета
(азимута), которое дЛЯ РСА эквивалентно смещению по доплеровской частоте. Ин
тервал между лепестками ФН по задержке равен периоду повторения зондирующе
ro сиrнала Тр, а по азимуту времени, для KOToporo изменение доплеровской час
тоты сиrнала равно частоте повторения зондирующеrо сиrнала Fp==-l/T p .
!J: :.J. . :
О '';i "" .. ,> . ": "
, !. \ , """'" - ",-". '.. ;"
,60 5 : :, ;' , с ' :;I;: :' ?';I:! : .,;J";I!'i:t;';" "
R O ' ,. .. ......:: :.! , . . , " " "..<: : . : ;it . . . . , . ' ':':: :'"' """" 100
зо " "" " .",.... ' '.,j{:tr, ,. l :{ . ..' ../;;.:<------ 2 S 0
.. "' y,." "" ' ' 200
'7 0 с:. : . , ! ," ... "' .,...;.:..>:, 1 ...- 5 ' О L'"
'''':::"1/,'&.:. '. 'Ц, ..... .;.>. ,'о'::,.!.:',,', I Л
1 O > . :, ',j: :-;";""""" 1 00 [)O I J
O : o '::; ,..-- 50 1.'( = 217
lе
а)
.
.
.
.
.
.
.
.
.
б)
Рис. 3.21. Форма импульсноrо отклика РСА дЛЯ пачки ЛЧМ импульсов:
а отображение в виде рельефа; б яркостное РЛИ (значения по осям координат условные;
область однозначности сиrналов показана светлым овалом)
Явления, связанные снеоднозначностью сиrналов по азимуту и дальности рассматривают..
ся в подразделах 3.6.2 и 3.6.3.
Для подавления ложных боковых лепестков луч ДНА должен быть сужен до
размеров светлоrо овала на рис. 3.21, что обеспечит пространственную фильтра
цию помех неоднозначности.
3.6.2. Неоднозначность сиrналов РСА по азимуту
Доплеровская частота отраженноrо сиrнала зависит от путевой скорости и уrла Ha
блюдения
139
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
2 g. 2 g
F Dop =т sша T а (3.72)
rде V sg путевая скорость; а уrол от нормали к вектору путевой скорости.
Соrласно теореме Котельникова для передачи доплеровских частот сиrнала
нужно, чтобы частота повторения превышала удвоенную максимальную частоту
2 g
Fp > 2Fmax == k x f1F Dop == kx (3.73)
Dxant
rде bl?Dop 2V / Dxant полоса доплеровских частот; k x == 1,3. . .1,5 коэффициент запаса,
обеспечивающий подавление помех неоднозначности до уровня минус 20.. .25 дБ.
Появление неоднозначности по азимуту иллюстрирует рис. 3.22.
В непрерывном ЛЧМ колебании после ero квантования по времени с частотой
повторения Fp частоты, которые выше Fp!2, не воспроизводятся, поскольку возникает
строб эффект. Появляется неоднозначность сиrнала, которая при водит к тому, что
энерrия из побочных спектров с центральными частотами, кратными Рр, «сворачивает
ся» в область rлавноrо лепестка, имеющеrо нулевую центральную частоту (рис. 3.23).
Непрерывный
ЛЧМ СИПlал
+
. . . Ш!. WЛfМW !I!.\.tJ.a'А I\А
. Irt1lfJПv lf i'fm11 i;.,.irJf'V;
ДискреТИ'3ация с Fp
н ул и частоты
в)
....
........
. ......
а)
б)
( )
Результат синтеза
сиrнала
Область однозначности rОЛОI раммы
F
Р р /2
FJ)/2
Рис. 3.22. Возникновение неоднозначности по азимуту:
а непрерывное ЛЧМ колебание; б квантование процесса по времени (дискретные отсчеты); в резуль
тат синтеза сиrнала снеоднозначностью; 2 временные зависимости доплеровской частоты и сиrнала по
сле дискретизации
G(F Dop )
F
р
Полоса
обработки
Fp
F Dop
Рис. 3.23. «Сворачивание» энерrии побочных максимумов в область rлавноrо лепестка
140
rлава 3. Современные методы космическоrо радиолокационноrо землео6зора ...
Как правило, помехи неоднозначности не видны на уровне отражения от зем
ной поверхности. Однако на участках rpаницы вода/суша они MOryт создавать лож
ные образы, затрудняющие дешифрирование снимков. Так, на рис. 3.24 приведено
РЛИ Ладожскоrо озера (РСА «Меч К» КА «KOCMoc 1870»), на котором видны apTe
факты, вызванные неоднозначностью по азимуту. Яркость изображения водной по
верхности, кроме прибрежной зоны, повышена блаrодаря работе быстродействующеrо
АРУ по дальности. На водной поверхности видны возмущения, вызванные, дождем,
вихрями, а также артефактами отражения от суши, смещенными по азимуту.
1;., ..;<:. ... .
, . -, ,,
Возможный артефакт Jlожная береroвая линия
· .....:. .,,,. '"t';";. ;';:' .'" .., ... , .'
. " :>'i.. .. ,'1;:[ :;i, ': ;':;', ::):.
\, >;:. .".... ..... .,
'. .. . . > :'
- . I \
"'k"f\ .i::?\ ; "" f ; ;:; "
$ '. »:А1- ";"
: ";).,
. ;..
,
'Jw" . ""c.
': ,...
, :.' :'2'; . 1.' ;t" .
.' :4..7 ;.:. '"
'.. .
. * "" . " .
:., "..,. '. .1: ., ..
'.<, " y , .ф" w.;" '
"," ,y , . , . , :'( i" , lo:.. :tIC),' ... -...
!'...::. . ч<,. '....::
;,..
\:; "
\
) ,
:JL" " 7:'
.
. ',J-
-:' !
/' :"., ,',"
'i
..
"
(
.' : 't-".' .! ". l 'o/
.$j.';Jf.
(А'
.'
. ?.
' '-.. \.. .c :i
,
"
-""{'.у..., ' '
,> 'i:" ; ?" '( :::. ,:: i' ,;:',,,
t: '"- 't.'.J . Х'
'!"<OII.
, .
"\i .
. .S- .
Отраженный от водной поверхности сиrнал,
вызванныЙ метеоролоrическими явлениями
Рис. 3.24. Образование артефактов на РЛИ, вызванных неоднозначностью
сиrналов по азимуту
Интеrральный уровень паразитных сиrналов (отношение мощности сиrналов
неоднозначности к мощности сиrнала в максимуме синтезированной ДНА) зависит
от полосы доплеровских частот, используемой для синтеза РЛИ, отношения часто
ты повторения к полосе доплеровских частот, а также от уровня боковых лепестков
антенны РСА по азимуту. Он равен
I ( (Dop2+nFp G (FDOP) )
JF oOP1 +пР р
ах == п 2 (3.74)
( 'DoР2 G F (F DoP ) ]
Оорl
rде п номера зон неоднозначности (обычно не более п == + 1); F Dop1 , F Dop2 преде
лы инrerpирования при синтезе Р ЛИ; G F ( F Dop ) == G х ( а) пересчет азимутальной
формы ДНА по полю из уrловой координаты к доплеровской частоте с учетом co
отношения R == 2dR 4V а
Оор Adt А .
141
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
3.6.3. Неоднозначность сиrналов РСА по дальности
Периодическая структура излучаемоrо сиrнала (3.1) приводит к неоднозначности
по дальности, вызванная тем, что в строб приема MorYT приходить сиrналы, OTpa
женные целями не только от «cBoero» зондирующеrо импульса, но и от предыду
щих периодов зондирования и также от более поздних периодов зондирования.
Сложность проблемы для космических РСА вызвана тем, что для передачи широ
Koro спектра доплеровских частот приходится выбирать период повторения MHoro
меньше времени запаздывания сиrнала. Интервал неоднозначности по времени пе
ресчитывается в «рекуррентную дальность», равную половине расстояния распро
странения радиоволн за длительность периода повторения
Rp == с Т р /2 . (3.75)
Первое условие неоднозначность по дальности исключается путем про
странственной селекции сиrналов, т.е. применением узкой диаrраммы антенны в
вертикальной плоскости, ослабляющей отраженные сиrналы от соседних зон, yдa
ленных на рекуррентную дальность. Требуемая ширина луча по уrлу места должна
удовлетворять двум условиям обеспечению полосы захвата и отстройки от сиr
налов неоднозначности. rеометрические соотношения, связывающие зону захвата,
рекуррентную дальность и ширину ДНА, определяются из треуrольников SAB и
АВС на рис. 3.25.
s
Рис. 3.25. Проявление неоднозначности сиrналов по дальности
(для упрощения Земля показана плоской)
Для обеспечения требуемой полосы захвата АС (отмечена жирной линией на
рис. 3.25) необходимо, чтобы ширина уrломестной ДНА Xtnt была не менее величины
> АВ L\YCOSYi Mctg Yi ( 3.76 )
Yant R== R R
rде дУ и L1 R полосы съемки на местности и по наклонной дальности; R наклон
ная дальность центра полосы съемки; J1 уrол падения.
142
rлава 3. Современные методы космическоrо радиолокационноrо землеобзора ...
Второе условие подавление сиrналов от соседних зон неоднозначности
требует выбора ширины уrломестной ДНА таким образом, чтобы ее след АС (по
лоса съемки на местности) на поверхности Земли был меньше расстояния по Земле
между точками пересечения соседних окружностей 4 и 5 с радиусами, кратными
рекуррентной дальности. В противном случае (правая область рисунка, окружно
сти 6 1 О) в строб приема будут попадать сиrналы с нескольких интервалов peKYP
рентной дальности. Таким образом, ширина уrломестной ДНА оrpаничена макси
мальным значением
Rp ctg Yi
rant < R k ' (3.77)
r
rде k r == 1,2...1,4 коэффициент запаса, определяемый допустимым уровнем сиrна
лов неоднозначности по дальности, который рассчитывается по формуле дальности
с учетом формы ДНА и изменения наклонной дальности.
Отношение мощностей ложных сиrналов к мощности полезноrо сиrнала для
paBHoMepHoro фона (для двух соседних зон неоднозначности) определяется COOT
ношением
R 4
aR ==
G;ant (у( R))
G t (У( R + Rp) Уо) G ant (У( R ) Уо)
4 + 4
(R+Rp) (R )
(3.78)
rде R наклонная дальность до цели; Y уrол визирования; Gyant(Y YO) КУ aHTeH
ны в направлении уrла визирования у в уrломестной плоскости; Уо уrломестное
положение максимума ДНА; Rp рекуррентная дальность; R+R p и R Rp расстоя
ния до целей, формирующих сиrналы неоднозначности. Значения '}(R), '}(R+R p ) и
J{R Rp) по формулам (3.4Н3.6).
Вертикальный размер антенны находят по выбранной из условий (3.76) и
(3.77) ширины ДНА по уrлу места.
Вертикальный размер антенны находят по выбранному из обоих условий уrлу
ДНА
Dyant ==А/ Yant . (3.79)
При этом полоса съемки
D
ду == yant (3.80)
V 4k r k x sin Yi
Влияние помех неоднозначности проявляется в виде ложных изображений,
накладывающихся на изображение наблюдаемоrо участка местности. Значения KO
эффициентов запаса k r , kx выбирают с учетом отношения сиrнал/шум на выходе
РСА. Примерные нормы на допустимый интеrральный уровень ложных сиrналов
минус 20...25 дБ. Экспериментально установлено, что эта норма обеспечивает BЫ
сокое качество изображения для большинства сюжетов радиолокационной съемки.
Однако в нетипичных ситуациях (например, rеолоrическая разведка шельфа), KO
rда область неоднозначности приходится на область с высоким отражением (rоры),
143
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
а основной лепесток ДНА на область с низким отражением (море), возможны по
казанные на рис. 3.26 помехи неоднозначности по дальности, существенно сни
жающие достоверность получаемой радиолокационной информации.
Отдельноrо внимания требует оценка помех от альтиметровых сиrналов, при
нимаемых по боковым лепесткам ДНА от участка местности под РЛС. Дело в том,
что при вертикальных уrлах отражение имеет характер, близкий к зеркальному, а,
кроме Toro, отраженный сиrнал формируется большой площадкой в виде Kpyra с
радиусом, оп ределяемым раз реш ением по наклонной дальности:
raltim == (H + PR)2 н 2 -J 2H PR ' (3.81)
rде Н высота орбиты КА; PR разрешение по наклонной дальности для данноrо
сечения тракта РСА, по которому оценивается влияние помех от альтиметровоrо
сиrнала в приемном тракте (длительность излученноrо импульса) или на выходе
РСА (определяется длительностью сжатоrо импульса). Соответственно ЭПР пло
щадки фона точно под РЛС
O"altim == 2Jrr a l t i m O"° (о) == 2п-Н PRO"° (о) . (3.82)
('УША
р ЛИ }\'IОРЯ
РЛИ ropHoro рельефа
Зона ззхвата
.МОРЕ
Зона неоднозначности по дальности
Рекуррентная дальность
....>' . ,.,-, ,:"".,
,>
, '""
.iW'!
. ... ",, ';, '.
' ' '; <"'. , "
.., 1\
":1 : ""1. .
.....-
.' ,'.. . .
'.,
t
'\,
. ' . :: \::. '.': ': .. ," . " ...
оС ':'.. i' : ' ::: :' r.,
РЛИ ropHoro рельефа. ,," , ,'..
. -"{ . . , .
Расфокусированнос РЛИ
из зоны неоднозначности
РЛИ МОрЯ
Рис. 3.26. Образование ложноrо расфокусированноrо изображения
ropHoro рельефа на фоне морской поверхности
(Черное море, побережье Турции, РСА «Меч К» КА «KOCMOC 1870»)
Используя формулы (3.81) и (3.82), получаем выражение для относительноrо
уровня мощности альтиметровоrо сиrнала по отношению к сиrналам в rлавном ле
пестке ДНА
2п-0"° (о )R 4
aaltim == 2 ( ( ) ) О ( ) 3 '
G yant r R r О О" ri н Р х
rде О"О(}1) УЭПР фона в точке наблюдения с уrлом падения }1.
(3.83)
144
rлава 3. Современные методы космическоrо радиолокационноrо землео6зора ...
Обычно выбор параметров РСА дЛЯ обеспечения однозначности сиrналов
представляет собой итерационную процедуру. После выбора rоризонтальноrо раз
мера антенны из условия однозначности по азимуту (доплеровской частоте) pac
считывают вертикальный размер антенны по формуле (3.79) для середины полосы
обзора (в пределах уrлов падения 30.. .500). Затем проверяют отсутствие HeOДHO
значности на заданной дальней rранице полосы обзора и выполнение требований
по полосе захвата на малых дальностях. Если различия оказываются большие, то
задаются максимальным размером антенны, исходя из ширины луча на максималь
ной дальности, а в ближней зоне формируют широкий луч по уrлу места.
Следует иметь в виду, что сиrналы от целей, облученные в разных периодах
зондирования и суммирующиеся в стробе приема, будут при синтезе Р ЛИ форми
ровать отметки, расфокусированные по азимуту. Вид функции неопределенности
зондирующеrо сиrнала в РСА при смещении по азимуту и дальности показан на
рис. 3.27, rде: а rипотетический случай, коrда нет ослабления паразитных макси
мумов, 6 реальная ситуация применения пространственной селекции COOTBeTCT
вующим выбором ДНА по уrлу места и азимуту.
а)
б)
Рис. 3.27. ВИД функции неопределенности РСА при смещении цели по дальности и азимуту:
а без пространственной селекции; б с учетом пространственной селекции, создаваемой антенной РСА
Характерно, что парази ные максимумы при смещении по дальности имеют
меньшую амплитуду, но растянуты по азимуту (расфокусировка). Общая энерrия в
каждом из паразитных лепестков на рис. 3.27 одинакова.
Возможны пути снижения помех неоднозначности (см. rл. 8).
3.7. Особенности работы систем радиолокационноrо наблюдения
космическоrо базирования при воздействии активных помех
Одной из важнейших характеристик систем радиолокационной разведки является
эффективность их работы в условиях ведения радиоэлектронной борьбы (РЭБ).
Помехозащищенность РЛС в общем случае принято оценивать параметрами
скрытности и помехоустойчивости работы [32, 33*, 62,105,118,187].
Скрытность характеризует степень защищенности излучаемых сиrналов РЛС
от обнаружения и измерения их параметров системой радиотехнической разведки
(РТР) противника и создания специально орrанизованных помех. Помехоустойчu
вость характеризует эффективность работы РЛС в условиях воздействия помех.
145
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
Заметим, что постановка помех радиолокаторам дистанционноrо зондирова
ния Земли в мирное время запрещена Международными соrлашениями и TpaKTyeT
ся как вооруженный акт. Поэтому задача РЭБ должна рассматриваться в контексте
информационноrо обеспечения военных операций в конкретных условиях BOOPy
женноrо конфликта.
В отличие от самолетных РЛС, дЛЯ которых траектория полета, время вклю
чения и параметры РЛС противнику неизвестны, ситуация для космических РСА
землеобзора иная. Орбитальное движение КА с РСА заранее известно по данным
траекторных измерений, а параметры аппаратуры по данным средств РТР. Bы
сокий уровень мощности зондирующеrо сиrнала у поверхности Земли облеrчает
задачу РТР, в том числе при переходе на литерные частоты. Априорно предпола
rают, что каждый раз, коrда КА с РСА появляется в секторе, приrодном для прове
дения съемки, она выполняется. Таким образом, параметр «скрытность» дЛЯ KOC
мических РСА не применяется.
Для оценки помехоустойчивости РСА проведем расчет энерrетическоrо по
тенциала постановщика помех, обеспечивающеrо подавление космическоrо РСА
землеобзора. Результаты TaKoro расчета применимы и для решения задачи защиты
от разведки противника. Будем считать, что сторона, создающая помехи, распо..
лаzает следующей информацией о РСА:
. рабочий диапазон волн РСА А;
. ширина полосы зондирующеrо сиrнала ДР в ожидаемом режиме наблюдения;
· rеометрические размеры антенны РСА по rоризонтали Dxant и вертикали D hant
И ее площадь Sant == DxantxDyant;
· импульсная мощность излучения P imp ;
· длительность зондирующеrо импульса 1;
. наклонная дальность до РСА R.
Рассмотрим задачу подавления РСА с высокой разрешающей способностью,
предназначенноrо для обнаружения и распознавания малоразмерных наземных цe
лей, имеющих малый контраст по отношению к окружающему фону (до 1 О дБ).
Эта ситуация имеет место, в частности, при скрытии передислокации техники из
одноrо места расположения в друrое при подrотовке военных операций.
Практика использования современных космических РСА предусматривает
полное использование ресурсов КА по энерrоснабжению и объему передаваемой
на Землю информации для проведения реrулярной съемки земной поверхности.
Блаrоприятные условия для повторной съемки определяются циклом повторения
орбит (обычно от 1 О до 25 сут с возможным специальным выбором параметров op
биты КА для уменьшения цикла до трех суток [436]). Съемка ведется с получением
комплексных РЛИ, приrодных для фазовой (интерферометрической) обработки с
исключением отметок от стационарных объектов.
Проведенное моделирование зашумленных КР ЛИ с разрешением 1...2 м по
казало, что для YBepeHHoro подавления РСА в этой ситуации достаточно, чтобы
спектральная плотность помехи превышала спектральную плотность процесса от
146
rлава 3. Современные методы космическоrо радиолокационноrо землео6зора ...
фона местности более, чем на 25 дБ, т.е., чтобы результирующее отношение сиr
нал/помеха было меньше минус 15 дБ. Тоrда на РЛИ MorYT обнаруживаться только
отметки от мощных отражателей зданий, мостов, но в целом РЛИ будет непри
rодным для дешифрирования.
Приведенная цифра отношения сиrнал/помеха может быть уточнена из сле
дующих соображений. Если провести сrлаживание РЛИ с потерей пространствен
Horo разрешения, то для площадных rрупповых объектов (стоянка техники) OTHO
шение сиrнал/помеха может возрасти, и не исключено обнаружение факта исчез
новения большоrо скопления объектов в одном месте и появление их в друrом
месте (без распознавания типа объектов).
Эффективное подавление РСА обеспечивается созданием в полосе зонди
рующеrо сиrнала непрерывной шумовой помехи с потоком мощности вдоль TpaeK
тории РСА, который позволяет снизить вероятность обнаружения целей на фоне
подстилающей поверхности. Не входя в детали радиоэлектронной борьбы (РЭБ),
рассмотренные в [33*,62, 118], дадим rрубую оценку требований к постановщику
помех для подавления РСА космическоrо базирования.
Возможны следующие ситуации при создании активных помех дЛЯ РСА:
1) постановка помех по rлавному лепестку ДНА радиолокатора, направленной
на объект разведки;
2) постановка помех по боковым лепесткам ДНА.
В первом случ.ае с менее жесткими требованиями по энерrовооруженности
возможно применить более простую аппаратуру постановщика помех с антенной,
имеющей круrовую ДНА по азимуту и 30...70° по уrлам места, которые совпадают
с рабочими уrлами места РСА. Второй случай требует применения узконаправлен
ных антенн, следящих за спутником с РСА.
Мощность cYMMapHoro процесса от местности (несжатый сиrнал) определится
формулой дальности (см. раздел 3.4):
G 2 О
limp (J limpSeff(J RA ст
== 2 2 S eff == 4 2 . '
4Л' R 4Л' R 4Л' R А Dxant 2 Sln Yi
(3.84)
rде сделана замена G == 4Л' Seff / А 2 КНД антенны РСА; (УО УЭПР фона MeCTHO
сти (суша); (J ЭПР облучаемоrо участка местности с rеометрическими размерами
(у == (УО М ду == (J0 RA ст
Dxant 2 sin Yi '
(3.85)
rде (УО УЭПР подстилающей поверхности; дк == RA/ Dxant зона облучения aH
тенны РСА вдоль линии пути; ду == cr/2sin Yi зона поперек линии пути, COOTBeT
ствующая длительности зондирующеrо импульса (}1 уrол падения).
Преобразуя формулу дальности (3.84) для случая распространения сиrнала в
одну сторону от передатчика помех дО РСА, найдем мощность шумовой помехи
на входе приемника РСА
147
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
pGtp
Prpn == 2 Seff ,
4Jl'R
rде P tp МОЩНОСТЬ передатчика помех; G tp КНД антенны передатчика помех.
Задав отношение сиrнал/шум+помеха и пренебреrая составляющей шума
qsnp == р.: / (Рrn + Prpn) / Prpn , получим формулу для расчета мощности передат
(3.86)
чика помех
о
21impD yant O" ст
p . , (3.87)
qsnpRAGtp 2 Sln Yi
rде множитель 2 в первой дроби учитывает потери при использовании круrовой
поляризации излучаемой помехи для подавления поляриметрических РСА.
Оценим необходимую мощность источника помех применительно к rипоте
тическим РСА со следующими параметрами:
диапазоны волн Х С, S, L;
2
размеры антенны РСА DxantxDyant 5x2 м для x и С диапазонов волн и
DxantxDyant 10x3 м 2 дЛЯ S и L диапазонов волн;
наклонная дальность R 600 км;
импульсная мощность P imp 500 Вт для x и С диапазонов волн и P imp
1000 Вт дЛЯ S и L диапазонов волн;
длительность зондирующеrо импульса T 10 мкс;
уrол падения Ii 40°.
Примем, что УЭПР фона в указанных диапазонах обратно пропорциональна
длине волны. Их расчетные значения приведены в табл. 3.1. Зададим отношение
сиrнал/помеха qsnp 0,0032 ( 25 дБ).
Для постановщика помех по rлавному лучу предполаrаем использование aH
тенны с круrовой ДНА по азимуту, а по уrлу места в пределах 30...70. КНД Ta
кой антенны равен Gtp 4,55. Расчеты по формуле (3.87) сведены в табл. 3.1.
Таблица 3.2. Параметры постановщика помех
Параметр Диапазон волн РСА
Х С S L
Площадь антенны РСА, м 2 10 10 30 30
Импульсная мощность РСА, Вт 500 500 1000 1000
Расчетная УЭПР фона местности, дБ 15 17,7 20 23
Подавление РСА по rлавному лепестку ДНА
Площадь антенны постановщика помех, м 2 О 3.10 3 1 1.1 0 3 3 2.1 0 3 19 1.1 0 3
, , , ,
Излучаемая мощность помехи, Вт 5360 1535 6540 1092
Подавление РСА по боковым лепесткам ДНА C::: 25 дБ)
Площадь антенны постановщика помех, м 2 0,12 0,41 1,23 1,23
Диаметр антенны постановщика помех, м 0,46 0,86 1,5 1,5
Излучаемая мощность помехи, Вт 4671 1340 5352 5352
148
rлава 3. Современные методы космическоrо радиолокационноrо землео6зора ...
Требования по мощности MorYT быть снижены в разы при создании помех в
меньшем секторе по азимуту, в котором ожидается появление РСА. ДЛЯ подавле
ния РСА по боковым лепесткам ДНА энерrетический потенциал постановщика
помех P tpn .G tp должен возрасти в сотни и тысячи раз. Это можно реализовать при
менением остронаправленной антенны, установленной на подвижной платформе
для слежения за спутником с РСА. Ширина луча антенны не должна быть уже 5°,
чтобы не возникало проблем, связанных с ошибками проrнозирования траектории
спутника с РСА. КНД антенны для этоrо случая G tp ==1650, т.е. в 363 раза больше,
чем для подавления РСА по rлавному лепестку ДНА при ненаправленной ДНА по
становщика помех. Параметры постановщика помех для подавления РСА по боко
вым лепесткам с уровнем минус 25 дБ приведены в табл. 3.2. Такая аппаратура
реализуема в наземных (мобильных) или корабельных условиях, однако эффектив
ность подавления может быть снижена принятием на борту специальных мер по
вышения помехозащищенности, часть из которых рассмотрена ниже.
Применение в РСА мноrосекционных АФАР с мноrоканальными выходами
позволяет динамически управлять формой ДНА, направляя нуль ДНА на источник
помех. В принципе число подавляемых источников равно числу секций АФАР
(приемных каналов) минус единица.
Более эффективно использовать в АФАР приемные модули с цифровым BЫ
ходом, обеспечивающие rибкое управление положением луча ДНА. ЭТО расширит
возможности подавления помех путем формирования нулей ДНА по азимуту и yr
лу места. При задаче наблюдения локальных участков с кадровой съемкой и orpa
ниченным объемом выходных данных (кадровый прожекторный режим) адаптив
ная обработка сиrналов для режекции помех может быть реализована на наземном
пункте обработки информации при синтезе Р ЛИ.
Помехоустойчивость системы радиолокационноrо наблюдения космическоrо
базирования может быть существенно повышена путем мноrопозиционноrо зонди
рования с увеличением состава орбитальной rруппировки или применением пас
сивных приемников на авиационных носителях, включая БЛА. Ниже приведены
формулы для расчета мощности передатчика помех при бистатическом радиолока
ционном зондировании.
Мощность сиrнала от местности на входе приемноrо датчика равна
р. mpG а2 S mpG Sant2G'° R 2 A cr
r2 2 2 ant2 2 2 .'
4JrR 4JrR 2 4JrR 4JrR 2 D xant2 2S1nYi
(3.88)
rде R 2 наклонная дальность; Sant2 эффективная площадь антенны приемноrо
датчика; Dxant2 rоризонтальный размер приемной антенны.
Принятая мощность помехи
pGtp
Prpn2 = 2 Sant2. (3.89)
4JrR 2
В отличие от paccMoTpeHHoro выше моностатическоrо случая задача подавле
ния такой системы значительно усложняется из за необходимости создания BceHa
149
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
правленноrо поля помех высокоrо уровня, достаточноrо для подавления приемных
РСА по боковым лепесткам. Возможность использования в мноrопозиционной
системе авиационных датчиков, для которых неизвестны их количество и азимуты
относительно постановщика помех является важным ресурсом повышения поме
хоустойчивости аэрокосмической информационной системы в целом [234].
Имеются предложения по снижению мощности постановщика помех путем
использования имитационных помех, получаемых путем модуляции принятоrо
прямоrо сиrнала от РСА с последующим ero переизлучением. Предполаrается, что
яркость ложных отметок на синтезированном Р ЛИ соизмерима с яркостью отметок
от реальных объектов, что соответствует уменьшению (на 20.. .25 дБ) мощности
постановщика помех по сравнению с шумовой помехой. Недостаток таких методов
в отсутствии rарантированноrо скрытия объекта защиты. Не исключено, что при
менение алrоритмов интерферометрической обработки по серии снимков выявит
эти искусственные образования и позволит режектировать их на снимках.
При защите оrраниченных территорий возможно снижение средней мощности
шумовой помехи в несколько раз путем синхронизации излучения помехи с MO
ментом прихода зондирующеrо импульса РСА. Длительность шумовоrо импульса
уменьшают до величины
'рп == 2 опе sin Yi / С +, , (3.90)
rде Y zone протяженность защищаемой зоны поперек линии пути спутника с РСА.
В целом создание постановщиков помех для космических РСА сложная
техническая задача, при решении которой необходимо учитывать следующие
факторы:
· цель РЭБ и методы ее достижений для конкретных объектов и территорий;
· результаты анализа действующих и перспективных средств аэрокосмической
радиолокационной разведки и их параметры, в том числе в возможных «экс
периментальных» режимах, выходящих за рамки выдел нной Реrламентом
радиосвязи полосы частот для радиолокации Земли из космоса;
· возможности реализации сложной антенной системы с rибким управлением
ДНА по данным об орбитальной обстановке со средствами разведки;
· синхронизацию работы постановщика помех с зондирующими сиrналами
РСА, измеренными средствами РТР.
С учетом рассмотренных аспектов аппаратурной реализации в задаче РЭБ и
тактике орrанизации РЭБ в боевых условиях [33*], можно сделать вывод, что аэро
космическая система радиолокационноrо наблюдения при надлежащем ее по
строении может иметь достаточно высокую устойчивость к активным помехам.
150
rлава 4
рЕжимы рАБоты КОСМИЧЕСКИХ РСА
4.1. Основные режимы радиопокационноrо обзора
Рассмотренные в rл. 3 явления, связанные снеоднозначностью сиrналов в космиче
ских РСА, оrpаничивают возможности одновременной реализации высокой разре
шающей способности по азимуту и широкой полосы съемки (зоны захвата) по даль
ности, а также ее перенацеливания в полосе обзора. Расширение полосы обзора по
зволяет уменьшить время повторной съемки заданных районов и повысить опера
тивность радиолокационноrо наблюдения. Эти вопросы, связанные с rеометрией
космическоrо землеобзора и необходимым составом орбитальной rpуппировки для
получения требуемоrо периода обновления информации, обсуждаются в rл. 5.
Выбор, расчет и оптимизация параметров РСА являются итерационной про
цедурой, в которой следует учитывать располаrаемые ресурсы КА по энерrопо
треблению, массе, тепловыделению, конструкции и компоновке аппаратуры на КА.
Современная тенденция нахождения компромисса для удовлетворения требований,
предъявляемых к информационной системе, предусматривает создание мноrоспут
никовой орбитальной rpуппировки с компактными РСА, располаrающими широ
ким набором режимов работы и параметров зондирующих сиrналов, которые
управляются цифровыми командами. Режимы работы РСА включают в себя KOM
бинацию режимов обзора, поляриметрические режимы, индикацию движущихся
целей, интерферометрическое зондирование. Предусматриваются также режимы
мноrопозиционноrо зондирования.
Основные режимы обзора в космических РСА (рис. 4.1) включают в себя:
1) маршрутный режим обзора непрерывной съемки (МР);
2) широкозахватный режим Скансар (СС);
3) прожекторный кадровый режим (ПР).
Поляриметрическое и интерферометрическое зондирование в этих режимах
обзора реализуют путем управления параметрами бортовых устройств РСА. Haд
лежащим образом выбирают время съемки набора Р ЛИ для совместной обработки,
а при необходимости управляют параметрами орбиты КА.
4.1.1. Маршрутный режим обзора
Маршрутный режим обзора, показанный на рис. 4.1 ,а, это режим непрерывной
съемки в течение длительноrо времени, при котором полоса съемки фиксирована
слева или справа относительно следа КА в пределах технически возможной полосы
обзора. Из условий однозначности сиrналов, рассмотренных в rл. 3, в маршрутном
режиме разрешение по азимуту не может быть лучше половины rоризонтальноrо
раскрыва антенны, а реализуемая полоса съемки (зона захвата) поперек линии пути
151
Радиолокационные системы землеобзора космическоrо базирования
не может превысить значения, paBHoro рекуррентной дальности, деленной на синус
уrла падения. В маршрутном режиме современных РСА положение зоны захвата
относительно следа КА можно задавать произвольно в пределах полосы обзора.
Маршрутный (МР)
Скансар (СС)
Прожекторный (ПР)
La длина
апертуры синтеза
а)
в)
б)
Рис. 4.1. Основные режимы обзора космических РСА:
а маршрутный; б Скансар; в прожекторный
Однако расширение полосы обзора в сторону максимальных дальностей требу..
ет увеличения вертикальноrо размера антенны. Приближение ее к надиру сопровож
дается ухудшением разрешения поперек линии пути (по rоризонтальной дальности).
При проектировании РСА с широкой полосой обзора условие неоднозначности и по
тенциал проверяют на максимальной дальности, зону захвата на минимальной
дальности. Если при приближении к надиру не обеспечивается нужная зона захвата
(из за оrpаничения уrломестной ДНА), то формируют луч необходимой ширины.
При изменении положения зоны захвата в пределах полосы обзора необходимо из
менять в небольших пределах частоту повторения таким образом, чтобы время рас..
пространения до центра заданной полосы съемки не было кратными периоду зонди
рован