Введение в радиолокационную съемку с синтезированной апертурой

Значение радиолокационной съемки



RADAR — это аббревиатура от Radio Detection and Ranging (радиообнаружение и определение дальности). Его способность определять дальность и движение делает его подходящим для многих применений, таких как управление воздушным движением, определение скорости транспортных средств на дорогах и отслеживание штормов. Радар также используется в качестве технологии визуализации, в которой импульсы микроволновой энергии испускаются антенной, а полученные отражения используются для создания изображений.

Наиболее важным свойством радара для визуализации является то, что его относительно длинные волны проникают сквозь слои, пыль и даже вулканический пепел, и он может получать изображения независимо от большинства погодных условий. Учитывая, что это океаническая планета, с огромным количеством водяного пара, постоянно конденсирующегося в облака над большими областями поверхности Земли, радар является основной технологией дистанционного зондирования и становится основным источником изображений, когда облачный покров препятствует другим средствам получения данных.



В таблице 1 показано распределение частот (f) и длин волн (λ) установленных радиолокационных диапазонов. Длины волн намного длиннее, чем у видимого света.

Таблица 1. Обозначения диапазонов частот РЛС
(Стандарт IEE 521-1984).

Системы радиолокационной визуализации избегают длин волн короче K-диапазона, потому что они отражаются водяным паром и другими атмосферными частицами. На самом деле, высокочастотные микроволновые диапазоны используются в доплеровских радиолокационных метеорологических приборах для обнаружения дождя и штормов. Наиболее типичными полосами визуализации являются X-диапазон, C-диапазон и некоторые из очень длинных диапазонов длин волн. Длины волн L-диапазона и сверхвысокочастотных (UHF) радаров настолько длинные, что они могут проникать сквозь листву и иногда используются для получения изображения сквозь кроны деревьев в лесных районах.



Помимо проникновения в облачный покров, радар обладает и другими характеристиками, которые делают его ценным для применения в дистанционном зондировании:

• Поскольку радар обеспечивает собственное освещение, данные могут собираться независимо от солнечного света в дневное или ночное время.



• Этот метод называется радиолокатором с синтезированной апертурой (SAR) и обеспечивает высокое разрешение с той замечательной особенностью, что его разрешение не ухудшается с расстоянием. Расстояние ослабляет силу радиолокационных отражений и может увеличивать шум изображения, но, как будет показано далее в этой статье, размер ячейки разрешения не увеличивается с увеличением расстояния.

• Поскольку радары не имеют фиксированной линзы, как оптические системы, они являются гибкими в отношении разрешения и покрытия земли, так что одна система может собирать данные с больших площадей с низким разрешением, со средних областей со средним разрешением и небольших областей с высоким разрешением.



• Измерения, проводимые радаром, являются естественно точными, а системы радиолокационной визуализации могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы иметь выдающуюся геометрическую точность (Ager, 2001).

• Наконец, и, возможно, это самое важное, радиолокационная съемка является последовательной. Радиолокационные антенны излучают импульсы микроволновой энергии, в которых характеристики волн контролируются и согласованы импульс к импульсу. Эта естественная согласованность позволяет создавать такие продукты, как цифровые модели рельефа и чувствительные измерения изменений поверхности Земли с течением времени. Радар как эхо-измерительная система



Антенна радара испускает отдельные импульсы микроволнового излучения. Импульсы посылаются с частотой повторения импульсов (PRF) в диапазоне 2 000 в секунду и более. Как показано на рисунке 1, эти импульсы рассеиваются в каждом прямом ионе, и небольшая часть, называемая радиолокационным обратным рассеянием, возвращается на антенну. Радар измеряет характеристики эхо-сигналов, в том числе время прохождения импульса от антенны к земле и обратно к антенне, силу отражения и фазу обратной волны. То есть, радар может определить, возвращается ли волна на пике, впадине или где-то посередине.



Время прохождения импульса используется для определения дальности от антенны до земли. Дальность легко вычислить и она просто равна скорости импульса, которая представляет собой известную скорость света, умноженную на время прохождения туда и обратно, деленное на два:

Радиолокационные данные, связанные с этими импульсными измерениями, часто называют «быстрыми» значениями, в то время как движение датчика по траектории полета называется «медленным временем»."



На рисунке 2 показано измерение прочности обратного рассеяния в зависимости от времени. В этом примере импульс сначала отражается в ближней области. Большая часть ассоциированных отражений с равнинной поверхности удаляется от антенны, и поэтому измеренное обратное рассеяние относительно слабое. За этим следует более сильное обратное рассеяние, вызванное текстурой деревьев, а затем очень слабое возвращение от спокойной реки. Отражение передней стороны холма очень сильное, что привело бы к ярким пикселям на радиолокационном изображении

Рисунок 1. Обратное рассеяние РЛС.

Рисунок 2. Измерение обратного рассеяния.

Геометрия получения радиолокационных данных

Аэродинамические и космические радиолокационные датчики выводят изображение сбоку траектории полета датчика. Большинство радаров собирают данные под углом то есть ортогонально к направлению полета. На рисунке 3 это показано следующим образом широкостороннее направление. Некоторые радары могут прищурить коллекцию , чтобы отобразить территорию перед или за широким углом.

Угол наклона вниз от горизонта называется впадиной. Угол падения формируется между вектором, который перпендикулярен уровню в определенном месте и линии между этой точкой и антенной. Угол скольжения равен дополнению к углу падения. То есть, угол падения 55° эквивалентен углу скольжения 35° и наоборот. На рисунке 4 показана простая процедура получения данных, во время которой Радар изображает широкий угол и составляеи длинную полосу изображения, объединяя многие тысячи инди- видуальных импульсов. Это создает радиолокационные изображения С дальностью и размерами азимута. Диапазон относится к размеру вдоль широкоугольный угол, а азимут равен ортогонально этому направлению. Рисунок 4. Дальность РЛС и размерность по азимуту.

Обзор характеристик радиолокационных изображений


Вариации коэффициента отражения

Внешний вид радиолокационных изображений определяется геометрией получения данных, способом излучения и отражения энергии от объекта, а также характером отражения объекта.



В примерах, приведенных на рисунке 5, деревья создают диффузное отражение, которое обычно приводит к умеренному обратному рассеянию и серым пикселям на изображении. Имейте в виду, однако, что длинные волны радара, такие как UHF-диапазон, вообще не будут отражаться от деревьев, а вместо этого будут проходить сквозь листья и отражаться от стволов деревьев и поверхности земли. Предметы, спрятанные под пологом леса, были бы видны на таких изображениях. Вода обычно плоская по отношению к микроволнам и сильно отражает энергию от антенны; поэтому на радиолокационных изображениях она часто очень темная. Однако, если поверхность воды более неровная, как это часто бывает в открытом океане, отражения от волн будут относительно яркими по сравнению с поверхностью воды. Вертикальные объекты, такие как здания, дают сильную отдачу и выглядят белыми на радиолокационных изображениях.



Комбинированные эффекты этих диффузных, зеркальных и угловых отражений (см. рис. 5) очевидны на аэрофотоснимке Вашингтона, округ Колумбия, показанном на рисунке 6. Возможно, наиболее примечательным аспектом изображения является четкое различие между реками Потомак и Анакостия и поверхностью суши. Множество отражений можно увидеть на мостах и в зданиях центра округа Колумбия.

Рисунок 5. Вариации коэффициента отражения.

Рисунок 6. Радиолокационное изображение Вашингтона, округ Колумбия, бортовой датчик. Изображение предоставлено Сандийской национальной лабораторией

Тени радара



На рисунке 7 микроволновая энергия освещает гору, а также участки перед ней и позади нее. Как отмечалось ранее, передняя стена горы, имеющая меньший локальный угол падения, сильно отражает и создает яркие пиксели, в то время как окружающие области создают различные оттенки серого. Дальняя сторона горы вообще не проиллюстрирована, потому что гора блокирует энергию радара в этой области. В отличие от темных теней на оптических изображениях, тени радара черные. На самом деле это нулевые области, потому что в них нет отражения, но они могут включать в себя шум сигнала и другие артефакты изображения.

Радиолокационными тенями нельзя манипулировать, регулируя контрастность или яркость изображения, как это можно сделать для оптических изображений. Если бы солнце освещало эту гору с подобного угла, его прямые лучи были бы заблокированы точно так же, но солнечный свет ослабляется атмосферой и рассеивается достаточно, чтобы осветить заблокированные области. По образу и подобию Капитолий США (рис. 8), энергия поступает с верхней части сцены, и тени падают с обратной стороны зданий.

Рисунок 7. Геометрия радиолокационной тени.

Рисунок 8. Тени радара Капитолия США, Вашингтон, округ Колумбия. Изображение предоставлено Сандийской национальной лабораторией

Рисунок 9. Радиолокационный ракурс. Рисунок 11. Радиолокационная станция.

Рисунок 10. Ракурс РЛС на снимке SIR-C, Камчатка, Россия. Предоставлено НАСА

Ракурс и пересадка



Еще одной интересной характеристикой радиолокационной визуализации является человек, при котором приподнятые объекты проецируются на радиолокационное изображение.


Радар определяет местоположение пикселя отражающего объекта в часть в зависимости от его дальности. Обратите внимание, что наклонная передняя часть горы на рисунке 9 имеет очень небольшое отклонение в дальности. Это означает, что вся передняя стена горы будет вдавливаться на изображение в пространство всего в несколько пикселей. Это называется ракурсом. Этот эффект можно увидеть на изображении, полученном с помощью радара НАСА SIR-C, показанном на рисунке 10. В том, что энергия поступает сверху и ударяет по облицовочным склонам с очень небольшими изменениями диапазона, что приводит к сжатым, ярким сигнатурам.

На рисунке 11 показана гора, освещенная под более крутым углом. В этом случае вершина горы имеет тот же диапазон, что и область слева от горы. Это означает, что горная вершина и равнина с одинаковым хребтом занимают один и тот же пиксель на изображении. Гора наклонялась в эту область с эффектом, называемым пересадкой. Пересадка характерна для гор и всегда происходит для башен и зданий. Степень простоя увеличивается с увеличением крутых углов получения данных, и направление стоянки перпендикулярно направлению полета датчика.

Радиолокационное изображение, показанное слева на рисунке 12, получено с космического радиолокационного комплекса TerraSAR-X. Радиолокационная подсветка пришла слева на этом изображении, и движение датчика было направлено вверх к верхней части изображения. Отстой перпендикулярен движению датчика, а здание наклонено влево. Обратите внимание, что сигнатура подъездной дороги частично заблокирована смещенной сигнатурой крыши купола Аламо. На этом снимке также изображена в ракурсе левая сторона крыши купола Аламо и черная тень здания справа.



Ракурс и промежуточная остановка часто обсуждаются как уникальные характеристики радиолокационного изображения, но оптические изображения демонстрируют аналогичные эффекты на наклонных изображениях. Высокие предметы наклоняются на оптические изображения из-за смещения рельефа, и пиксели на дальней стороне наклонных изображений сжимаются в масштабе. Эти искажения, как правило, более заметны на радиолокационных изображениях, потому что они всегда должны быть сняты под углом; они не могут быть отображены в нижней точке, как оптическое изображение Digital Globe, показанное справа на рисуноке 12 (см. Oliver and Quegan, 2004, для получения более подробной информации о характеристиках снимков SAR).

Рисунок 11. Радиолокационная станция.

Рисунок 12. Радиолокационная остановка над Аламо Доум, Сан-Антонио, Техас. (слева) © Astrium Services / Infoterra GmbH; (справа) ©Цифровой глобус

Несколько замечаний о поляризации





Радиолокационные и другие формы электромагнитного излучения состоят из электрического и магнитного полей, перпендикулярных друг другу. Поляризация электромагнитной волны относится к ориентации электрического поля. Если электрическое поле ориентировано по отношению к поверхности Земли, как показано слева на рисунке 13, то говорят, что волна поляризована по вертикали.



Поскольку радары излучают когерентное излучение, поляризация контролируется, и датчик может быть сконфигурирован для испускания и записи волн выбранной поляризации. Внешний вид окончательного образа может быть различным в зависимости от поляризации, используемой для освещения земли, и физической структуры отражающих объектов.

Например, высокие объекты рассеивают вертикальную поляризованную энергию заметнее, чем горизонтальная поляризованная энергия, в то время как линии сильнее отражаются от горизонтальной поляризации.

В то время как поляризация электромагнитной волны может принимать различные ориентации, радары обычно используют вертикальные или горизонтальные импульсы или некоторую комбинацию этих двух импульсов (см. Ван Зил и Yunjin, 2011, для всестороннего обсуждения). Например, радар может передавать горизонтальные импульсы и регистрировать горизонтально ориентированную часть обратного рассеяния. Такая система называется HH, обозначая горизонтальную передачу и горизонтальный прием. Однако, когда импульс определенной поляризации попадает на объект, часть энергии обратного рассеяния может быть перевернута в ориентацию. Таким образом, можно организовать циклы передачи и приема для обработки различных поляризаций. Передача может быть H, но прием может быть настроен на V, что обозначается HV и называется кросс-поляризацией.

Изображение Сан-Франциско слева на рисунке 14 имеет HH поляризацию. В данном случае спутник RADARSAT-2 излучал волны с горизонтальной поляризацией и регистрировал горизонтально поляризованное обратное рассеяние. Среднее изображение имеет высоковольтную поляризацию. Заметьте, что сигнатуры этих двух сцен сильно отличаются. Кросс-поляризация часто полезна в приложениях для обнаружения судов, потому что в некоторых условиях она подавляет природу открытого океана, обеспечивая при этом яркие сигнатуры для судов. С другой стороны, поляризация HH сохраняет сигнатуру океана и иногда может быть использована для регистрации сигнатур кильватерного следа. На этих двух изображениях совершенно очевидны различные сигнатуры поверхности океана. Такие коллекции с двойной поляризацией (HH, HV) могут использоваться вместе для улучшения возможностей обнаружения судов.



Некоторые радары имеют возможность изменять поляризацию от одного импульса к другому. Все изображения RADARSAT-2 на рисунке 14 были собраны во время одной операции по получению изображений, называемой quad-pol, при которой антенна поочередно излучала волны H и V и записывала данные HH, HV, VV и VH (MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd., 2009). Изображения HV и VH похожи, и на самом деле с помощью quad-pol получается три различных изображения. На рисунке 15 показаны эти изображения, объединенные в композит в ложных цветах, полученный путем проецирования изображения HH красным цветом, HV зеленым и VV синим. Таким образом, многие почвопокровные растения могут быть выделены.

Рисунок 14. Мультиполяризованные радиолокационные изображения. © Макдональд, ДеттвИлер энд Ассошиэйтс Лтд. Все права защищены

Рисунок 15. Многополярный композит в ложных цветах. © Макдональд, Деттвилер и Ассошиэйтс Лтд. Все права защищены

Разрешение по азимуту SAR Чтобы оценить всю мощь радиолокационной съемки с синтезированной апертурой, полезно сначала рассмотреть ограничения разрешения реальных апертурных радаров. На заре радиолокационной визуализации возможно создать изображений с хорошим разрешением из большого расстояния. Это связано с тем, что разрешение по азимуту было эквивалентно размеру диаграммы направленности луча на землю. На рисунке 16 показано, что размер ячейки наземного разрешения для такой системы равен ширине луча, умноженной на дальность действия. По этой причине ранние радары для получения изображений имели разрешение по азимуту в сотнях метров. Поскольку ширина луча является функцией ширины (d) в азимутальном измерении прямоугольной антенны (β = λ/d), антенны большего размера могли бы улучшить разрешение. Однако было просто невозможно создать антенны достаточно больших размеров, чтобы обеспечить хорошее разрешение по азимуту. Метод SAR был разработан в начале 1950-х годов для преодоления этой проблемы, но широкое распространение он получил только в середине 1980-х годов. SAR использует различные местоположения датчика, когда он перемещается по траектории полета, регистрируя эхо-сигналы обратного рассеяния, для имитации или синтеза большой антенны из маленькой. В процессе формирования изображения отдельные циклы передачи и приема выполняются из многих местоположений по мере перемещения датчика. В процессе SAR эти местоположения обрабатываются так, как если бы они были элементами решетки одной длинной антенны, растянутой вдоль траектории полета. Все измерения времени, амплитуды и фазы, которые собираются последовательно, обрабатываются так, как если бы они были получены одновременно с одной очень длинной антенны.


На рисунке 17 показана антенна радара, освещающая пролив Гибралтара с тысячами импульсов, образующих одну большую синтетическую апертуру. Эти изображения гарантируют, что отражения записываются из каждого из множества мест приема, образуя огромную светосилу. Эти местоположения не могут быть разделены более половины длины антенны, что определяет малую скорость, с которой должны излучаться импульсы, называемые ипульсами частоты повторения. В случае с коммерческими космическими радарами как COSMO-SkyMed, TerraSAR-X и RADARSAT-2, освещение может длиться две-три секунды, создавая синтетические апертуры длиной до 20 км (см. Немецкий аэрокосмический центр, 2010; I Талианское космическое агентство, 2009; Макдональд, Деттвилер и Associates Ltd., 2009). Синтез апертуры основан на когерентном характере радиолокации освещения. Антенна измеряет фазу каждого объекта и возвращается с исключительной точностью. Для какого-либо конкретного основания отражателя, фаза его эхо-сигнала изменяется в каждой точке приема. Радар регистрирует «фазовую историю» эхо-сигналов, а формирование SAR изображения называется обработкой фазовой истории. Оказывается, что разрешение по азимуту зависит только от длины волны, энергии микроволны и угла стянутого по синтезированной апертуре:

У него есть замечательная особенность, заключающаяся в том, что он независим от расстояния. Для заданного радиолокационного диапазона разрешение по азимуту SAR не ухудшается, когда угол когерентного сбора равен главному. Обратите внимание, что на рисунке 18 длина апертуры естественным образом увеличивается для больших расстояний, когда Δθ остается постоянным. Разрешение по азимуту может быть довольно малым даже для космических радаров. Коммерческие радары, которые в настоящее время доступны, способны получать изображения с разрешением 1 м даже в диапазонах, которые приближаются к 1 000 км. (Апертура син- Обработка диссертаций и SAR et al., 1986a,b,c; Керлендер и McDonough, 1991; Carrara et al., 1995; Jakowatz et al., 1996; Stimson, 1998.)

Рисунок 16. Разрешение по азимуту для радара с реальной апертурой.

Рисунок 17. Апертурные синтезыесть. Изображение предоставлено НАСА

У него есть замечательная особенность, заключающаяся в том, что он независим от расстояния. Для заданного радиолокационного диапазона разрешение по азимуту SAR не ухудшается, когда угол когерентного сбора равен главному. Обратите внимание, что на рисунке 18 длина апертуры естественным образом увеличивается для больших расстояний, когда Δθ остается постоянным. Разрешение по азимуту может быть довольно малым даже для космических радаров. Коммерческие радары, которые в настоящее время доступны, способны получать изображения с разрешением 1 м даже в диапазонах, которые приближаются к 1 000 км. (Апертура син- Обработка диссертаций и SAR et al., 1986a,b,c; Керлендер и McDonough, 1991; Carrara et al., 1995; Jakowatz et al., 1996; Stimson, 1998.)

Режимы Spotlight и Stripmap



Схема получения данных, показанная на рисунке 18, называется режимом прожектора. При сборе прожекторов луч радара направляется в фиксированную область на земле, аналогично лучу прожектора, производящему изображения с высоким разрешением и ограниченным покрытием земли. В отличие от этого, коллекция stripmap (см. рис. 19) похожа на коллекцию метлы для оптических изображений, и она получает длинные изображения со средним разрешением. Коллекция Stripmap объединяет в себе данные от импульсов с перекрывающимися, широкими угловыми следами.



Коллекции Stripmap имеют более короткие синтетические апертуры, чем изображения в центре внимания. Они эквивалентны площади луча на земле, но область получения изображений намного больше. В отличие от случая с радаром грубой силы, где след луча был эквивалентен ячейке разрешения по азимуту, здесь площадь луча определяет размер синтезированной апертуры.



В отличие от радаров с реальной апертурой, более широкие лучи SAR обеспечивают лучшее разрешение.



Разрешение по азимуту Stripmap — это длина физической антенны (d), деленная на 2:

Это уравнение может быть выведено из более общего выражения для разрешения по азимуту SAR. Угол ширины луча (λ/d) для полосовой карты SAR эквивалентен углу когерентного сбора (Δθ), и подстановка ширины луча в общее уравнение дает уравнение полосовой карты.



Может показаться, что использование очень маленькой антенны даст превосходное разрешение по азимуту NT Stripmap. Хотя технически это правда, использование маленькой антенны также снижает мощность, создает больше шумов на радиолокационном изображении и требует очень высокого повторения импульсов


Возможно использование 5-метровой антенны в космосе для получения разрешения по азимуту Stripmap 3 м, но что-то намного меньшее неосуществимо. Режим прожектора позволяет получать изображения с высоким разрешением с помощью больших мощных антенн с низким уровнем шума.



Замечание о доплеровском сдвиге



Доплеровский сдвиг — это кажущееся смещение частоты, вызванное относительным движением между источником волны и подслушивающим устройством. Классическим примером этого явления является гудок поезда, в котором постоянная высота звука кажется сдвинутой вверх, когда поезд приближается к неподвижному слушателю, и смещается вниз после того, как поезд проходит. Широко распространено неверное понимание что доплеровский сдвиг является основой обработки SAR. Термин «допплер» часто используется в терминологии SAR, например, в терминах «Доплеровская фазовая история» и «Доплеровский конусный угол зрения». Кроме того, многие онлайн-учебники по SAR объясняют обработку SAR как функцию доплеровских сдвигов. Это не так.



Все радиолокационные эхо-сигналы действительно подвержены влиянию доплеровского сдвига, но доплеровские вариации частоты не нужны для синтетической апертуры. Обработка SAR основана на фазовых изменениях, вызванных различными расположениями приемной антенны. Эти фазовые колебания больше для более длинных синтетических апертур, потому что эхо-сигналы регистрируются в большем количестве мест. Доплеровский сдвиг не имеет к этому никакого отношения. Учтите, что изменения фазы не требуют движения; они могут быть записаны с помощью серии фиксированных антенн, которые дублируют датчик получения местоположений. В этом случае не было бы доплеровского смещения, но сформировалось бы идентичное изображение. Доплеровские сдвиги действительно имеют место в радиолокационных изображениях, но они удаляются при обработке, и они не нужны для синтеза большой антенны.

Рисунок 18. Когерентный угол получения изображения в режиме прожектора. Изображение предоставлено NASA Рисунок 19. Синтетическая апертура для stripmap SAR.

Рисунок 19. Синтетическая апертура для stripmap SAR.
Изображение предоставлено НАСА

Улучшение разрешения по дальности



Как и при обсуждении разрешения по азимуту, мы сначала рассмотрим разрешение по дальности для простого радара, заметим, что оно не может обеспечить хорошее разрешение, а затем устранить проблему, чтобы произвести уравнение разрешения, которое опять-таки не зависит от расстояния. Рассмотрим иллюстрацию на рисунке 20. На нем показан радиолокационный импульс, испускаемый антенной и отражающийся от двух домов. Импульс излучается со скоростью света в течение некоторого очень короткого времени, поэтому его длина импульса равна c, умноженной на длительность импульса. Этот длинный импульс ударяет по первому дому и отражается от него. Затем он продолжается ко второму дому, и передний конец импульса начинает отражаться, в то время как задний конец импульса продолжает двигаться к дому. В этом случае два дома достаточно разделены в пространстве, чтобы создать два различных отражения. На рисунке 21 ситуация немного отличается. В этом случае два дома находятся ближе друг к другу, два отражения смешиваются, и радар «видит» только один объект.



Разрешение по диапазону для простого импульса составляет половину длины импульса.



Для того, чтобы можно было различить два объекта, они должны быть разделены по дальности не менее, чем на половину длины импульса. Наклонный диапазон просто относится к линии между объектом и антенной.

Разрешение по диапазону для такого импульса полностью зависит от длительности импульса, и даже для импульса очень короткой длительности, возможно, одной миллионной долей секунды, длина импульса равна. Такой импульс даст разрешение наклонного диапазона 150 м. Можно укоротить импульс, но это требует значительной мощности, и просто невозможно обеспечить хорошее разрешение по дальности с помощью простых импульсов.

К счастью, для решения этой проблемы можно использовать так называемый чирпированный импульс. Чирпированный импульс — это импульс, в котором частота изменяется в пределах импульса. На рисунке 22 сравнивается простой импульс фиксированной частоты с чирпированным импульсом, который изменяется с постоянной, или линейной, скоростью. Термин «чирпирование» используется потому, что звуковая волна такой формы звучит как щебетание птицы.

Рисунок 20. Два различных отражения- Наземные объекты в наклоне направление дальности, отраженное сигналы должны приниматься отдельно

Рисунок 21. Смешанные отражения. В

В этом случае два дома ближе, и отражения смешаны между собой. Только один объект будет виден на изображении.

Зависимость между временной длительностью импульса и его полосой пропускания (B) равна T = 1/B. Подставляя это значение в уравнение для разрешения по диапазону, мы получаем

Существенная проблема заключается в том, что для чирпированных импульсов B — это изменение частоты внутри импульса. Таким образом, чирпированные импульсы не требуют неоправданно малой длительности для получения большой полосы пропускания и улучшенного разрешения по диапазону. Эффективная временная длительность чирпированного импульса обратно пропорциональна изменению его частоты. В результате получается мощное утверждение:



Разрешение по диапазону для чирпированного импульса =

Это еще одно замечательное уравнение разрешения радара. Разрешение по дальности зависит исключительно от изменения частоты импульса и не имеет ничего общего с расстоянием или длительностью импульса. Опять же, коммерческие космические радары являются хорошим примером оперативной реализации принципов радиолокационной съемки.



В настоящее время эти системы имеют максимальную полосу пропускания импульсов от 300 до 400 МГц, что обеспечивает разрешение по дальности около 0,5 м. Интересно отметить, что некоторые коммерческие компании рассматривают возможность значительного увеличения передачи полосы пропускания для своих систем следующего поколения.

Рисунок 22. Простой импульс против чирпированного импульса.

Разрешение по наземному диапазону



Предыдущее обсуждение относится к разрешению в наклонном диапазоне. Окончательное радиолокационное изображение проецируется на поверхность земли, и там, где это делается, размеры пикселя в диапазоне равны удлинённым. Обратите внимание, что на рисунке 23 компонент разрешения наклонного диапазона проецируется на землю в зависимости от угла скольжения. Разрешение наземного диапазона на самом деле ухудшается при более крутых сборах. Это противоположно эффекту для оптических изображений, где наилучшее разрешение находится в нижней точке. Читатель может себе представить, что очень малый угол даст наклонный наземный диапазон разрешений, которые примерно эквивалентны, и чрезвычайно крутой угол получения данных даст существенно удлиненные ячейки с разрешением в наземном диапазоне. Для средних углов получения данных
для коммерческих космических радаров максимальное разрешение наклонной дальности 0,5 м преобразуется примерно в 1,0 м на земле.



Заключительное замечание о разрешении SAR



Конечно, расстояние имеет значение при радиолокационной съемке. Большие расстояния приводят к очень слабым сигналам обратного рассеяния, а создание космических радиолокационных систем требует мощных и чувствительных сигналов.



Однако методика SAR, используемая в сочетании с импульсами CHIRPED приводят к разрешению по азимуту и дальности, которые не зависят от расстояния между датчиком и землей. Это просто невозможно для пассивных систем дистанционного зондирования, которые регистрируют отраженный солнечный свет или излучают его.

Малая радиация. Мы начали нашу дискуссию с выражений для разрешения по азимуту и дальности простых РЛС, которые были сильно ограничены и заменили их выражениями элегантными и мощными.

Рисунок 23. Разрешение по наземному диапазону.

Формирование продукта SAR



Важно иметь в виду, что система радиолокационной визуализации на самом деле ничего не знает об изображениях. РЛС не имеет объективов для фокусирования световой энергии на цифровых детекторах, из которых извлекаются пиксельные изображения. SAR знает только о своих необработанных измерениях времени, амплитуды и фазы, и ими манипулируют с помощью алгоритмов обработки сигналов в изображения и другие продукты.



На рисунке 24 показана простая диаграмма процесса обработки продуктов SAR. Необработанные радиолокационные измерения преобразуются в данные фазовой истории, которые содержат эхо-измерения и временные данные, необходимые для дальнейшей обработки. Файл данных истории фаз не является графическим продуктом и не может быть просмотрен, но он преобразуется в пиксельную форму, называемую «сложным изображением». Заметьте, что комплексное изображение является основным радиолокационным продуктом, используемым для создания изображения TUDE и многие другие радиолокационные продукты, которые не могут быть сгенерированы только на основе амплитудных данных SI MPLE. (Обратите внимание, что некоторые производные продукты, такие как карты оседания и высот моделей, требуют более одного сложного изображения.)



Сложное изображение отличается от обычного в том, что традиционный образ имеет одно значение, яркость, для каждого пикселя, в то время как радиолокационное сложное изображение имеет два значения для каждого пикселя. Эти величины можно рассматривать как амплитуду и фазу.



Амплитудные данные содержат традиционную информацию о яркости.



Данные о фазе содержат очень точную относительную информацию о времени, необходимую для расширенной обработки.

Рисунок 24. Цепочка формирования продукта SAR. Примеры входных спутниковых данных вверху: (слева) COSMO-СкайМед. Источник: Telespazio; (в центре) RADARSAT-2. Источник: MD Robotics Ltd.; (справа) TerraSAR-X.

Источник: EADS Astrium

Сложное изображение, показанное на рисунке 25, получено с помощью коммерческого поисково-розыскного радиолокационного узла COSMO-SkyMed. Изображение сверху воспроизводит данные амплитуды. Изображение в нижней части было создано из той же операции, но на нем отображается связанные с ним фазовые измерения для каждого пикселя. Амплитудное изображение просто интерпретировать, в то время как связанное с ним фазовое изображение, по-видимому, включает только случайное рассеяние измерений. Это вводит в заблуждение, так как измерения фазы точны и имеют большую ценность.



Метод, называемый интерферометрией постоянного рассеяния, демонстрирует ценность информации о фазе. Несколько радиолокационных коллекций участка снимаются с течением времени почти из одного и того же места в космосе, и результирующие фазовые изображения обрабатываются для измерения очень тонких изменений поверхности земли. Микроволновая подсветка постоянна от изображения к изображению, и это контрастирует с освещением солнечным светом, которое не является когерентным и значительно варьируется из-за различий в погоде. Если радиолокационное изображение управляется таким образом, что земля освещается несколько раз одним и тем же датчиком из мест, которые изменяются только на короткое расстояние от базовой линии, то фазовые сигнатуры стабильных наземных объектов могут быть сопоставлены для вычисления изменений расстояний между рассеивателями и антенной.



Фазовые измерения настолько чувствительны, что непоследовательные изменения, такие как движение листьев, вызывают фазовые изменения. При сравнении данных фаз на нескольких изображениях участки с растительностью, которые изменились из-за ветра и дождя часто «разлагаются». Их фазовые сигнатуры не могут быть сопоставлены от изображения к изображению. Тем не менее, фазовые сигнатуры стабильных наземных объектов могут быть использованы для определения очень тонких изменений в структуре поверхности с течением времени.



Пример на рисунке 26 показывает просадку поверхности вокруг нефтяного месторождения в Кувейте. Эта карта оседания была сгенерирована из стэка 16 изображений TerraSAR-X, собранных в период с 2008 год по 2011. На карте показано дефляция грунта из-за истощения нефтяных месторождений.



Проседание происходит со скоростью около 10 мм в год в красных зонах. Это замечательная чувствительность, особенно если учесть, что измерения производились космическим аппаратом более 800 км.

Рисунок 25. Снимок комплекса SAR, COSMO-SkyMed. © e-GEOS. Все ригизарезервированы

Поисково-спасательные системы космического базирования



Поисково-спасательные работы космического базирования особенно подходят для применения в океане, поскольку спутники имеют глобальный доступ и предлагают многократные возможности получения данных для обслуживания меняющегося состояния морских феноменов. С тех пор, как в 1978 году Seasat впервые продемонстрировал ценность космического SAR, был запущен ряд космических систем. Эти системы включают в себя космические шаттлы НАСА под названием Spaceborne Imaging Radar (SIR) A, B и C, которые работали в 1980-х и начале 1990-х годов. Система SIR-C была инновационной в том смысле, что она включала в себя датчики X-, C- и L-диапазонов на одной большой антенне, а также поддерживала четырехполяризацию. В 1991 году в Советском Союзе был запущен телескоп «Алмаз» (S-диапазон), и в том же году европейцы запустили ERS-1 (С-диапазон). В 1992 году Япония запустила JERS-1, который был L-диапазоном, как Seasat и ранние миссии SIR. За ними последовали дополнительные европейские и японские системы, а в 2000 году была запущена миссия НАСА под названием Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), которая включала в себя две антенн.



60-метровая мачта использовала интерферометрию для создания модели рельефа, близкой к глобальной.

Рисунок 26. Карта местности, коллекции TerraSAR-X.

Совсем недавно радиолокационные станции высокого разрешения были запущены Канадой (RADARSAT-2, C-диапазон), Италией (COSMO-SkyMe d, X-диапазон) и Германией (TerraSAR-X и TanDEM-X, X-диапазон). Эти SAR имеют разрешение до 1 м. Они также включают в себя широкозахватные режимы ScanSAR, которые могут охватывать области шириной в сотни километров. COSMO-SkyMed, представляющая собой группировку из четырех спутников и TerraSAR-X, является двухполярной системой, а RADARSAT-2 — четырехполярной. Германия также запустила спутник-близнец под названием TanDEM-X, который летает в с помощью TerraSAR-X, для поддержки интерферометрической миссии, аналогичной SRTM. Тем не менее, пара TerraSAR-X/TanDEM-X будет собирать данные в течение примерно трех лет, а не только 11 дней, как это было с SRTM, и их данные будут использоваться для генерации информации о высотах для всего земного шара со скоростью, которая будет заметно более плотной, чем лучшие данные SRTM. Эти системы свидетельствуют о появлении высокоэффективных космических поисково-спасательных систем высокого разрешения для поддержки коммерческих и государственных приложений в глобальном масштабе.


Обзор применения SAR-изображений в океане



Для применения в океане важно иметь в виду, что радиолокационная энергия не может проникнуть в воду более чем на несколько миль.



Взаимодействие SAR с поверхностью зависит от длины волны и поляризации радара, угла падения и шероховатости поверхности. Обратное рассеяние SAR, возникающее в результате взаимодействия радара с небольшими, индуцированными ветром волнами, называемыми волнами Брэгга, которые по размеру аналогичны длине волны радара. SAR обнаруживает эти брэгговские волны и, таким образом, может наблюдать течения и вихри на поверхности океана. На рисунке 27 показано, как SAR обнаруживает структуру водной поверхности, показывающую волны, корабли и следы судов в Гибралтарском проливе. Кросс-поляризованные изображения (HV или VH) иногда могут использоваться для подавления океанских сигнатур и лучшего выделения сигнатур кораблей.

Объекты, движущиеся вдоль линии прямой видимости РЛС, смещаются от фактического местоположения. Это видно на рисунке 27, где сигнатуры судов смещены со своих кильватерных следов. Величина водоизмещения может быть использована для оценки скорости корабля. На этом изображении хорошо видно все движение судов и направление движения судна, а в некоторых случаях можно оценить скорость.

Легко представить себе ценность объединения изображений поисково-спасательных операций с совпадающими данными автоматизированной идентификационной системы (АИС), используемыми для определения идентичности, местоположения и курса судна. Таким образом, суда, которые не излучают информацию АИС, могут быть идентифицированы на изображении SAR для отслеживания и, возможно, физического поиска. Следующая миссия RADARSAT, получившая название RADARSAT Constellation Mission, будет включать в себя три спутника, которые будут нести приемники АИС для получения информации о зоне, охваченной изображениями SAR.



Масло и поверхностно-активные вещества имеют тенденцию подавлять брэгговские волны и обычно темнее на радиолокационных изображениях, чем окружающая вода (см. Caruso et al., 2013, в этом выпуске).

Рисунок 27. Обнаружение судов и кильватерного следа, Гибралтарский пролив, TerraSAR-X. © Astrium Services / Infoterra GmbH

Разлив нефти из глубоководных месторождений хорошо виден на изображении RADARSAT, показанном на рисунке 28. Радар может пробивать лед порядка нескольких длины волны, и это создает рассеяние объема, которое, как видно, обеспечивает более яркое обозначение льда, чем окружающая вода. на рисунке 29 (см. обсуждения в Jackson and Apel, 2004 и Dierking, 2013 в этом выпуске).

Небольшие поверхностные волны, которые так хорошо обнаруживает SAR, также могут быть использованы для извлечения другой информации, не являющейся непосредственно на самом изображении. Например, можно рассчитать скорость и направление ветра (Gierach et al., 2012), а также для обнаружения активных явлений и структур под поверхностью океана, таких как подводные течения и отмели. Радар также использовался для измерения текущей скорости в реках с помощью метода, называемого интерферометрией вдоль трассы, который использует данные о фазе, собранные двумя антеннами, разделенными по линии полета. Экспериментальный режим TerraSAR-X обеспечивает два фазовых центра с базовой линией 0,8 м, и это показало перспективность получения скоростей тока с точностью до 0,1 м с^–1 (Romeiser et al., 2007, 2010; «Ромайзер и Рунге», 2007; Romeiser, 2013, в этом номере).

Рисунок 28. Разлив нефти в Мексиканском заливе, RADARSAT-1. © Макдональд, Деттвилер и партнеры Л. тд. Все права защищены

Рисунок 29. Арктические льды, COSMO-SkyMed. © e-GEOS. Все права защищены

Итоги по радиолокационной съемке



Земля – это планета-океан, которая всегда частично покрыта облаками и дымкой. Радар является единственной технологией дистанционного зондирования, которая позволяет получать изображения в таких условиях, и в этом ее преимущество.

Тем не менее, присущая радару точность и естественная когерентность, наряду с методами синтеза апертуры и чирпированных импульсов, объединились за последние несколько лет, чтобы произвести революцию в ценности радиолокационных изображений. В настоящее время существуют три коммерческие программы космических радаров, которые могут регулярно получать изображения с разрешением 1 м, независимо от расстояния до земли, а также могут варьировать свое покрытие и разрешение для получения изображений больших участков земли и широких районов открытого океана. Существуют также бортовые радары, которые предоставляют длинные полосы мозаики изображений и точные модели рельефа.



Такие системы имеют множество применений, выходящих за рамки гарантированного получения данных, независимо от облачности. В список входят обнаружение разливов нефти и судов в открытом океане; картографирование арктических льдов, наводнений, прибрежных, топографических, речных и обезлесенных объектов; точное измерение движения грунта, вызванного проседанием поверхности, землетрясениями, оползнями и вулканической активностью; мониторинг наступления и отступления ледников; мониторинг портов и гаваней; мониторинг объектов и многое другое.



Радар с синтезированной апертурой был огромным шагом вперед в обработке изображений, позволившей получать изображения с высоким разрешением на любом расстоянии, что дает SAR уникальную возможность среди всех технологий визуализации. В настоящее время SAR-визуализация комбинируется с другими распространенными технологиями, такими как дифференциальный GPS и быстрая и недорогая компьютерная обработка. Вместе эти технологии совершают революцию в обработке радиолокационных данных, открывая возможности генерации продуктов, которые были недостижимы всего несколько лет назад.



Пожалуй, лучшим примером реализации позитивной SAR-визуализации является немецкая миссия TanDEM-X, которая создает непрерывную модель рельефа с высоким разрешением по всей планете (Немецкий аэрокосмический центр, Институт микроволн и радаров, 2013 г.). Два радиолокационных космических аппарата, летающих в формате на расстоянии 200 м друг от друга, испускают и регистрируют импульсы микроволнового излучения. Все измерения орбитального движения, дальности, амплитуды и фазы выполняются с высочайшей точностью, независимо от облаков ии расстояний, потому что это и есть природа SAR-визуализации.

Ссылки

Агер, Т.. 2001. Активные сенсорные системы. С. 301–349 в современной фотограмметрии. Э.М. Михаил, Дж.С. Бетел и Дж.К. Макглоун, edis, John Wiley & Sons.

Каррара, В.Г., Р.М. Маевски и Р.С. Гудман. 1995. Spotlight Synthetic Aperture Radar: Алгоритмы обработки сигналов. Дом Артех, 554 стр.

Карузо, М.ДЖ., М. Мильяччо, Х.Т. Харгроув, О. Гарсия-Пинеда и

Х.К. Грабер. 2013. Разливы нефти и пятна с помощью радара с синтезированной апертурой.

Океанография 26(2):11 2–123, http://dx.doi.org/10.5670/oceanog.2013.34.

Curlander, J.C., and R.N. McDonough, 1991. Радар с синтезированной апертурой: системы и обработка сигналов. John Wiley & Sons, 647 стр.

Дайеркинг, В. 2013. Мониторинг морского льда с помощью радара с синтезированной апертурой.

Океанография 26(2):100–111, http://dx.doi.org/10.5670/oceanog.2013.33.

Немецкий аэрокосмический центр. 2010. Спецификация базового продукта наземного сегмента TerraSAR-X, выпуск 1.7. 109 с., http://www.astrium-geo.com/ NA/1249-TERRASAR-X-Technical-DocumeNts.

Немецкий аэрокосмический центр, Институт микроволн и радиолокации. 2013. ТанДЕМ-Х

Дом науки, http://www.dlr.de/hr/en/desktopdefault.aspx/tabid-2317.Герах, М.М., Х.К. Грабер и М.Дж. Карузо. 2012. Зазорная струя, полученная из SAR,

характерные черты с подветренной стороны Филиппинского архипелага. Дистанционное зондирование окружающей среды 117:289–300, http://dx.doi.org/10.1016/j.rse.2011.10.004.

Итальянское космическое агентство. 2009. Справочник по продуктам COSMO-SkyMed SAR, ред. 2.

105 с., http://www.e-geos.it/products/pdf/csk-product справочник.pdf.

Джексон, К.Р., и Дж.Р. Апель, ред. 2004. Морской радар с синтезированной апертурой Руководство пользователя . Министерство торговли США, 464 стр.

Jakowatz, C.V., D.E. Wahl, P.H. Eichel, D.C. Ghiglia, and P.A. Thompson. 1996.

Радиолокатор с синтезированной апертурой в режиме прожектора: подход к обработке сигналов.

Springer Science, 448 стр.

MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. 2009. Описание продукта RADARSAT-2, выпуск 1/6, 46 стр., http://gs.mdacorporation.com/products/ sensor/radarsat2/RS2_Product_Description.

Оливер К. и С. Куиган. 2004. Понимание радиолокационных изображений с синтезированной апертурой. SciTech Publishing, 464 стр.

Ромайзер, Р. 2013. Будущее океанографии SAR-Bas: измерения тока с высоким разрешением с помощью интерферометрии вдоль трассы. Океанография 26(2):92–99, http://dx.doi.org/10.5670/oceanog.2013.37.

Ромайзер Р., Рунге Х. 2007. Теоретическая оценка нескольких возможных режимов InSAR TerraSAR-X для измерений океанических течений.

IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 45:21–35, http:// dx.doi.org/10.1109/TGRS.2006.885405.

Ромайзер, Р., Х. Рунге, С. Сучандт, Й. Шпренгер, Х. Вайльбир, А. Сорманн, Д. Стаммер. 2007. Измерения течений в реках космическим спутником InSAR. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 45:4,019–4,030, http://dx.doi.org/10.1109/TGRS.2007.904837.

Ромайзер Р., Зучандт С., Рунге Х., Штайнбрехер У., Грюнлер С. Первый анализ TerraSAR-X вдоль трассы текущих полей, полученных от InSAR. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 48:820–829, http:// dx.doi.org/10.1109/TGRS.2009.2030885.

Стимсон, Г.В. 1998. Введение в бортовую радиолокационную станцию. Scitech Publishing, 576 стр. Ulaby, F.T., R.K. Moore, A.K. Fung. 1986а. Микроволновое дистанционное зондирование: активное и Passive, vol. 1: Fundamentals and Radiometry. Дом Артека, 456 стр.

Ulaby, F.T., R.K. Moore, A.K. Fung. 1986b. Микроволновое дистанционное зондирование, том 2:

Радиолокационное дистанционное зондирование и теория поверхностного рассеяния и излучения. Дом Артека , 608 стр.

Ulaby, F.T., R.K. Moore, A.K. Fung, 1986c. Микроволновое дистанционное зондирование, том 3:

От теории к применению. Artech House, 1,120 стр.

Ван Зил, Дж.Дж., и К. Юнджин. 2011. Радиолокационная поляриметрия с синтезированной апертурой. John Wiley & Sons, 647 стр.