Съемочные радиолокационные системы с синтезированной апертурой

4.7.4. Съемочные радиолокационные системы с синтезированной апертурой
4.7.4.1. Композиция, процесс съемки, построение снимков

Как указывалось выше, геометрическое разрешение радиолокационных систем с реальной апертурой может быть улучшено путем применения более коротких волн или путем увеличения длины передающей антенны. Однако оба эти пути повышения геометрического разрешения РЛ-снимков порождают новые проблемы. Уменьшение длины волны вызывает снижение количества излучаемой в импульсе энергии.
Значительное (за пределы 5 м) увеличение длины антенны технически ограничено размерами и грузоподъемностью самолета. Эти проблемы были решены разработкой радиолокационных систем с синтезированной апертурой.
Радиолокационные системы с синтезированной апертурой, или РЛСА (SAR-радар с синтезированной апертурой) работают с относительно короткой антенной. Через регулярные промежутки времени она излучает относительно широкий лепесткообразный луч на местность в сторону от траектории полета (рис. 108). При поступательном движении платформы со съемочной системой располагающийся в полосе съемки объект перемещается внутри излучаемого антенной радиолуча (рис. 108, а). Во время полета объект облучается со многих следующих друг за другом позиций в пределах смещающегося «лепестка» радиоантенны и отраженные от него импульсы энергии принимаются радиоантенной также со многих следующих друг за другом позиций. Вследствие кажущегося перемещения наземного объекта через радиолуч после отражения на объекте происходит изменение частоты и фазы излученных антенной радиоимпульсов. Эти основанные на эффекте Доплера разностные изменения частоты показаны на доплеровской диаграмме на рис. 108, а. Вследствие движения самолета эта разностная доплеровская частота отраженных от наземного объекта сигналов возрастает от некоторого минимума в момент входа в радиолуч в позиции А до максимума в позиции Б непосредственно против самолета. Затем частота вновь падает до минимума в позиции В, когда объект выходит из радиолуча. Частота, амплитуда и фазовые характеристики отраженных от объекта радиосигналов за то время, в течение которого объект облучается антенной, накапливаются в электронном устройстве. Каждая точка внутри облучаемого пространства имеет свою, только ей присущую картину изменений доплеровских частот.

Рис. 108. Принципы и параметры съемки и разрешение на местности радиолокационных систем с синтезированной апертурой (по [337], с изменениями)
а – доплеровское изменение частоты отраженного сигнала обусловлено относительным перемещением объекта на местности через радиолуч; б – разрешение радиолокатора с синтезированной апертурой: L – синтетически удлиненная антенна (L эфф), D - действительная длина антенны.

Принятые приемником системы РЛСА радиоотражения регистрируются совместно с данными об изменениях их частоты и фазы. Интерференционные сигналы каждого радиоэха записываются как первичный материал либо на фотопленку в виде голограммы с помощью электронно-лучевой трубки, либо в цифровой форме на магнитную ленту. После завершения полета, уже на земле, эти данные, сочетающие в себе фазовую характеристику и характеристику наклонной дальности близлежащих импульсов и их отражений, перерабатываются таким образом, что получается радиолокационный снимок. В этом случае «длиной антенны» служит ширина облучаемого на Земле пятна, которая, безусловно, заметно больше, чем физические размеры излучающей и приемной антенн. Длина, таким образом, синтезированной антенны (L) соответствует отрезку траектории между позициями Р1 и Р2 на рис. 108, б. Преобразование первичных съемочных данных РЛСА в радиолокационный снимок осуществляется в случае оптической записи с помощью когерентных оптических процессоров, а в случае магнитной – с помощью ЭВМ и устройств воспроизведения изображений.

4.7.4.2. Пространственное разрешение систем РЛСА

При описанном способе регистрации пространственное разрешение определяется эффективной апертурой (Lэфф), связанной с расстоянием R от траектории выражением (Lэфф=R/L). Оно улучшается с ростом удаления объекта. Отсюда следует, что азимутальное разрешение составляет примерно половину физической длины антенны независимо от удаления и длины волны используемого излучения [310]. Синтезированная апертура излучающей антенны имеет, таким образом, эффект очень узкого постоянного по ширине в азимутальном направлении радиолуча. Это схематически показано в виде покрытой точками полосы на рис. 108, б.
В специальной разновидности аппаратуры РЛСА, так называемой фокусированной системе, с помощью корректировки смещения фаз достигается дополнительное улучшение азимутального разрешения. Корректировка фазовых смещений компенсирует влияние сферических искривлений волнового фронта путем фильтрации данных о фазах приходящих от наземных объектов отраженных сигналов. Упомянутое выше теоретическое азимутальное разрешение фокусированных систем РЛСА располагается между значениями половины физической длины антенны и половины реальной длины антенны. Это достижимо только в фокусированных системах РЛСА [198].
Так как азимутальное разрешение систем РЛСА не зависит от удаления (R) и длины волны (X), эти системы особенно ценны для дистанционного зондирования. Поэтому применение радиолокационных систем высокого разрешения возможно и с искусственных спутников Земли. В этих случаях дополнительным преимуществом для достижения высокого разрешения являются постоянство угла визирования с орбиты спутника в комбинации с большой высотой полета и стабильностью съемочной платформы. На самолетах такая высокая стабильность траектории и положения съемочной платформы недостижима. Системы РЛСА на спутниках могут доставлять данные, существенно дополняющие многозональные съемки спутников типа «Лэндсат», поскольку они, с одной стороны, производятся в ином спектральном диапазоне и, с другой – могут осуществляться в таких районах, где облачность и туманы временами или постоянно мешают съемочной аппаратуре спутника «Лэндсат», работающей в более коротковолновых диапазонах (МСС, РБВ, ТМ).
Поскольку азимутальное разрешение радиолокационных систем РЛСА не зависит от длины волн, на которых они работают, в будущем будет возможно применение на самолетах и спутниках «многозональных» радиолокационных систем, одновременно работающих на нескольких различных частотах. Путем взаимно увязанной интерпретации многочастотных радиолокационных отражений от земной поверхности можно достичь более точного определения вещественного состава и состояния горных пород, почв и растительности.
Поперечное (по углу места) разрешение в системах РЛСА, так же как в системах РЛСБО, зависит от длительности импульса зондирующего сигнала.
Разрешение на местности, т.е. пространственная величина элемента разрешения, для большинства применяемых самолетных систем РЛСА может достигать 1,5х1,5 м. Разрешение на местности испытанной в ФРГ канадской многочастотной фокусированной радиолокационной системы РЛСА-580 достигало, к примеру, значений 5х5 м при высоте полета над местностью 6 км. Масштаб изображений в этом случае составлял 1:135000 [228] (рис. 109).

Рис. 109. Параметры съемки одного из залетов РЛСА [228].

На природно-ресурсных спутниках система РЛСА в первый раз была испытана в рамках проекта «Сисат». Функционирующая в L-диапазоне система РЛСА «Сисат А» в 1978 г. снимала при высоте орбиты 795 км полосу местности шириной около 100 км с разрешением на местности около 25х25 м. Угол визирования составлял примерно 23°. На рис. 110 показана часть такого снимка, на котором изображены город Кёльн и его окрестности в масштабе 1:125000.

Рис. 110. Снимок района Кёльна со спутника «Сисат» (НАСА). Масштаб 1:125000.

Тематическое картирование и изучение динамических процессов облегчается, если для интерпретации будут поступать снимки, сделанные в различных длинах волн и с помощью различных систем датчиков. В этой связи важно, чтобы были возможны как оптическая обработка голографически записанных аналоговых данных РЛСА, так и количественная обработка цифровых данных, допускающая геометрические корректировки и изменения масштабов снимков. С одной стороны, это позволит составлять высокоточные радиолокационные мозаики, а с другой – будут возможны поэлементные сравнения данных перекрывающих друг друга съемок РЛСА и многозональных сканеров. Это было, к примеру, опробовано на отдельных тестовых участках для данных «Сисат А» и снимков «Лэндсат» (см. Manual of Remote Sensing, 2 ed., 1983).
В ноябре 1981 г. система РЛСА в L-диапазоне была применена в США во время полета космического корабля «Шаттл». Этой системой SIR-A более 7 ч делались радиолокационные снимки многих районов Земли с высоты 250 км. Угол визирования в этом полете составлял 50°, а ширина полосы съемки – 50 км. Пространственное разрешение снимков SIR-А – примерно 40х40 м. Снимки и их интерпретация показаны на рис. 236-239.