CC BY
37УДК 621.396.96
ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ОДНОПРОХОДНОГО РСА ИНТЕРФЕРОМЕТРА ПЕРЕДНЕБОКОВОГО ОБЗОРА
Шимкин Павел Евгеньевич
аспирант кафедры радиотехнических приборов и антенных систем ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт».
E-mail: shimkinpy@gmail.com. Адрес: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14.
Аннотация: В настоящее время, среди известных методов организации интерферометрической съемки с помощью радиолокатора с синтезированной апертурой антенны (РСА) для получения трехмерных изображений подстилающей поверхности, наиболее перспективным по показателю оперативности получаемой информации является однопроходный РСА интерферометр переднебокового обзора. В работе рассмотрен интерферометрический однопозиционный комплекс дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) на базе авиационного РСА, позволяющий производить оперативную оценку рельефа подстилающей поверхности за один проход носителя. Описаны главные этапы создания имитационной модели и обоснован выбор ее основных параметров. Приведены результаты имитационного моделирования алгоритмов интерферометрической обработки сигналов комплекса в пакете прикладных программ MATLAB. Продемонстрирована возможность использования предлагаемой схемы построения однопроходного бортового РСА интерферометра в задачах построения цифровых моделей рельефа.
Ключевые слова: однопроходный РСА интерферометр, моделирование радиолокационных систем, цифровая модель рельефа, трехмерное изображение.
Введение
В последнее время, повышение информативности средств дистанционного зондирования Земли можно связать с развитием теории и техники радиолокационной интерферометрии. Она позволяет решать такие задачи как получение высокоточных топографических карт и цифровых моделей рельефа (ЦМР) местности, определение сдвигов, уклонов земной поверхности, мониторинг приграничных территорий и др. Кроме того, немаловажным фактором является оперативность получаемой интерфе-рометрической информации и последующее ее применение для решения вышеперечисленных задач. Если говорить о применении авиационных интерферометрических РСА (ИРСА) в качестве инструмента для определения рельефа местности и составления ЦМР, то, на сегодняшний день, одной из наиболее перспективных схем построения интерферометра является однопроходный интерферометрический одно-позиционный РСА при переднебоковом обзоре [1, 2]. Помимо оперативности, простоты и гибкости, однопроходный интерферометр при пе-
реднебоковом обзоре имеет достаточно высокие точностные характеристики [3, 4].
Подход, заключающийся в создании имитационной модели ИРСА, во-первых, позволяет проверить предложенный способ организации интерферометрической съемки, во-вторых, при достаточно высокой сложности такого радиолокационного комплекса, реальная проверка алгоритмов его работы затруднена из-за финансовых или технических возможностей. Кроме того, эксперименты могут быть проведены только в небольшом диапазоне вариаций условий наблюдения, что недостаточно для полного анализа системы. В связи с этим, проведение компьютерного моделирования является одним из основных и эффективных методов изучения такой сложной системы.
Геометрия визирования
Предлагаемая схема построения однопроходного переднебокового интерферометра отличается от общеизвестных схем, например, интерферометр с «мягкой» базой, подробная модель которого приведена в [5], тем, что про-
странственное разнесение обеспечивается за счет естественного перемещения носителя РСА и стабилизации луча - которую можно обеспечить, выбрав телескопический способ зондирования. На рис. 1 изображена геометрия организации интерферометрической съемки, которая поясняет принцип работы ИРСА на примере одиночной точечной цели, имеющей координаты (х1, yi, z i). При синтезе изображения эта цель сформирует элемент разрешения, имеющий конечные размеры Ах х Ду , где Ах -разрешающая способность по азимуту; Ду -разрешающая способность по горизонтальной дальности.
Принцип работы заключается в последовательном наблюдении за поверхностью на дальности R1, угле азимута а1 в первом сеансе и R2, а2 - во втором, при высоте полета носителя Н , угле места в и скорости V (см. рис. 1), где L - размер синтезируемой апертуры. Второй сеанс наблюдения производится при перемещении носителя на расстояние базы интерферометра В . Также, на рис. 1. Хс и Ус -координаты центра кадра моделируемого рельефа поверхности; Х0 и У0 - размеры кадра по
соответствующим координатам.
Возможность оценки высоты элемента разрешения с помощью предлагаемой схемы наблюдения за поверхностью появляется благодаря наличию перпендикулярной проекции В± базы интерферометра В (см. рис. 1). Тогда, соотношение для высоты элемента разрешения от параметров съемки и разности фаз отраженных от поверхности сигналов ф определяется с помощью:
(
z = H - R 1 -
R2 + B2 -f R-—ф 1 I 1 4^
2R1B cosa1
2Y
(1)
Структура имитационной модели
В качестве целевой платформы моделирования выбран пакет прикладных программ MATLAB, в котором основным представителем набора инструментов для компьютерного моделирования РЛС является Phased Array System Toolbox.
Весь процесс имитационного моделирования может быть представлен в виде последова-
Рис. 1. Геометрия визирования переднебокового интерферометра
тельности операций, состоящих из: 1) задания в модель эталонной ЦМР и ее параметров; 2) ввода параметров ИРСА; 3) моделирования траекторного сигнала, его обработки и формирование пары радиолокационных изображений РЛИ в двух сеансах наблюдения; 4) вычисления интерферометрической разности фаз (ИРФ); 5) интерферометрической обработки с конечным получением карты высот рельефа.
Следует отметить, что при размере базы интерферометра В меньшей, чем интервал синтезирования L необходимо использовать только один сеанс наблюдения с разделением на подинтервалы на этапе цифровой обработки сигналов, как это сделано в работе [6].
Цифровая модель рельефа
На данном этапе происходит формирование радиолокационного рельефа исследуемой поверхности согласно феноменологической модели [7]. Каждый элемент разрешения Дг хАу на поверхности Земли представляется набором отдельных парциальных отражателей, распределенных по нормальному закону, на которые накладываются известные из экспериментальных результатов условия рассеяния.
В качестве исходных данных для имитационной модели однопроходного интерферометра возьмем ЦМР, изображенную на рис. 2, согласно которому центр кадра имеет координаты Хс = 4330 м, YC = 2500 м. Размеры кадра определяются пятном облучения диаграммы направленности антенны на поверхности.
Предположим, что используется фазированная антенная решетка с шириной луча в азимутальной плоскости 7,5° и угломестной -5,5° . При высоте полета носителя Н = 5 км, углах визирования 0 = 45° и а1 = 30° , т.е. дальности примерно 7,5 км, получим кадр размером 1 х 1 км. В связи с этим, элементарные отражатели, формирующие распределенную цель, в данном случае рельеф поверхности, будут расположены на поверхности в интервале горизонтальных дальностей и азимута согласно рис. 2. Тип поверхности представляет собой по виду пологую овражно-холмистую структуру, по типу - сухую почву с средне-квадратической ординатой мелкой шероховатости ак = 2 см и перепадами высот рельефа от -60 до 80 м.
ЦМР поверхности
60
. ^ Дальность У,
Азимут X, м
Рис. 2. Цифровая модель рельефа
Рис. 3. УЭПР для сухой почвы
В качестве модели удельной эффективной поверхности рассеяния (УЭПР) используется экспериментально полученная натурная широкодиапазонная модель УЭПР для различного типа поверхностей. Она учитывает сред-неквадратическую ординату мелкой шероховатости поверхности ак, угол падения на поверхность в и длину волны X и имеет следующий вид [8]:
и
{в,ик ,Я) = Л^ |-0 + С j
exp
D
1 +
Я
(2)
где A, В, С, D - коэффициенты эмпирической модели. В [7] приведены значения для этих констант в частотном диапазоне частот от 3 до 95 ГГц для некоторых типов поверхностей.
На рис. 3 представлена зависимость УЭПР от угла падения для сухой почвы на частоте 10 ГГц.
Параметры ИРСА
Для примера используется РСА X - диапазона, длина волны X = 3 см. В качестве зондирующего сигнала - линейно-частотно модулированный (ЛЧМ) сигнал с шириной спектра А/ = 30 МГц, который даст предельное разрешение по координате наклонной дальности
Дг = 2^ = 5 м, и, следовательно, горизон-
Аг
тальной дальности Ду =-= 7 м. Для до-
sinв
стижения разрешающей способности по азимуту, например, равной Ах = Ду = 7 м необходимо синтезировать апертуру длиной
= 46 м. Длительность импульса
2 Ах sina1
ти можно выбрать из скважности Q . Пусть
2R„
Q = 1°, тогда с учетом того что
' 5° мкс,
ти = 5 мкс. Период повторения зондирующих импульсов авиационного РСА выбирается из условия однозначности формирования РЛИ как по азимуту, так и по дальности: 2Я т d
- +г„ + tAn <Tn <
2 V sin а.
(3)
где скорость полета носителя V = 250 м/с , размер антенны авиационной РЛС в азимутальной плоскости da = 0,3 м, tАП = 3 мкс -время работы антенного переключателя. Тогда, 58 < ТП < 848 мкс. Пусть ТП = 60 мкс.
Выражения для расчета оптимальной базы интерферометра приведены в [3, 4]. Для выбранных параметров комплекса имеем следующую зависимость потенциальной точности оценивания рельефа от размера базы интерфе-
c
8 10 12 14 Размер базы интерферометра, м Рис. 4. Зависимость СКО оценки рельефа в зависимости от размера базы интерферометра при параметрах: Дf = 30 МГц; 0 = 45° ; а1 = 30°; Н = 5 км; SNR = 10 дБ; аь = 2 см
рометра (рис. 4), где SNR - отношение [9].
фон/шум.
Согласно рис. 4 предельная потенциальная точность однопроходного переднебокового ИРСА примерно 2 м достигается при оптимальном размере базы B равным 8 м. Как было отмечено ранее, при таких параметрах системы (B < L) будет использован один интервал синтезирования для формирования пары РЛИ.
Синтез РЛИ
Осуществляется моделирование траекторного сигнала с последующей его обработкой и формированием РЛИ по алгоритму обратного проецирования (back projection algorithm for SAR)
Результатом данного этапа обработки является пара амплитудных РЛИ исследуемой поверхности, изображенных на рис. 5. При выбранных параметрах наблюдения и ЦМР эффект затенения отсутствует.
Вычисление ИРФ
Если обозначить РЛИ, полученные в двух сеансах наблюдения как Р1 и Р2, то интерферо-грамма получается в результате их попиксель-ного комплексно-сопряженного перемножения (4), а интерферометрическая разность фаз (ИРФ) определяется как аргумент от результата перемножения (5) или с помощью функции арктангенса:
Р.1И1 ! РЛИ г
IJ.9 0.9
Рис. 5. Пара РЛИ поверхности, полученные в первом и втором сеансе наблюдения
Азимут X, м
Рис. 6. ИРФ моделируемой поверхности
1РЛ (л; у) = Р1 (x, у) Р2*(x, у) = = |Р (x,у)|'|Р2 (x,у)|ехр{]\_Фр (x,у)-ФР2 (x,у(4)
ФгЛ (x y) = arg jX (x y)j =
N
=Е[Фр. (x, у)-ФР2 (x, y)], (5)
Фрр (x, y) = arctan
Im
Re
X ( x, y )
n=1
X (x, y)
,n = 1
(6)
где N - кратность некогерентного накопления.
Рис. 6 иллюстрирует результат вычисления ИРФ для моделируемой поверхности.
На рис. 7 показан эффект влияния ухудшения отношения фон/шум на качество ИРФ. Видно, что при отношении фон/шум меньше -10 дБ наблюдается полное разрушение ИРФ.
Далее следуют стандартные процедуры ин-терферометрической обработки (см. рис. 8) [10,11], включающие в себя: 1) операцию устранения линейного набега фазы по дальности, связанную с эффектом влияния «плоской» поверхности Земли, заключающуюся в вычитании из исходной ИРФ рассчитанную ИРФ для «плоской» поверхности; 2) операцию раскрытия фазовой неоднозначности, связанную с тем, что высотная разностнофазовая составляющая ИРФ может изменяться на несколько интервалов кратных 2 ж , заключающуюся в восстановлении истинной разности фаз по значениям, приведенным к промежутку (-ж,ж); здесь применен известный алгоритм 2-0 раз-
ИРФ
Азимут Л НЕ
II РФ
авос
4800
Азимут X, -м
Азннут X. м
в) г)
Рис. 7. Влияние отношения фон/шум на качество ИРФ: а) фон/шум 10 дБ; б) 0 дБ; в) -10 дБ; г) -20 дБ
ИРФ n.iocKorii Земли
4600
а)
Сверну ta и И РФ
4600
4200 Азимут X. м
2000
,влл _ Дальность Y, м
3SM 3600
-г so«
-III
4SP0
4200 Азимут X, м
3800
3000
Дальность V, м
б)
'•'i -л : и РФ
JSOT
J200 Азимут X, и
3W0
2000
Дальность Y, и
в) г)
Рис. 8. ИРФ от заданной поверхности (а), рассчитанная ИРФ «плоской» поверхности (б), результат устранения линейного фазового набега (в), развернутая ИРФ (г)
ворачивания фазы - алгоритм Гольдшейна-
Литература
Вернера-Зебкера [12], являющийся типичным представителем методов следящих за путями; 3) масштабирование развернутой ИРФ и получение карты высот рельефа согласно однозначной связи между изменениями ИРФ и изменениями высоты рельефа поверхности (1).
Выводы
Разработана имитационная модель однопроходного авиационного ИРСА, позволяющая анализировать работу комплекса в широком диапазоне вариаций условий наблюдения, параметров ЦМР и параметров ИРСА. Результаты интерферометрической обработки сигналов предложенной схемы организации интерферо-метрической съемки показали возможность его использования в качестве перспективного инструмента в задачах оперативного измерения рельефа подстилающей поверхности.
1. Бабокин М.И. Оценка топографического рельефа местности в РСА при переднебоковом обзоре// Цифровая обработка сигналов в РСА / Под ред. Е.Ф. Толстова. Смоленск: Изд-во ВА ВПВО РФ. 2005. С. 171-181.
2. Бабокин М.И., Ефимов А.В., Карпов О.А., Титов М.П. Однопроходный интерферометр при переднебоковом обзоре // Радиотехника. 2014, №7. С. 16-2°.
3. Баскаков А.И., Шимкин П.Е. Исследование потенциальной точности определения местного рельефа авиационным интерферометрическим РСА при переднебоковом обзоре // Радиотехника. 2°13. № 1°. С. 71-74.
4.Баскаков А.И., Шимкин П.Е. Сравнение точностных характеристик двух способов построения авиационных интерферометрических РСА // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2°15. № 22. С. 77-83.
5. Шимкин П.Е., Баскаков А.И. Моделирование алгоритмов обработки сигналов двухпроходного авиационного интерферометрического РСА// Журнал радиоэлектроники. 2°15. № 11. С. 3 (http://jre.cplire.ru/jre/nov15/8/text.html) (Посещение 13 июня 2°16 г.).
6. Шимкин П.Е., Баскаков А.И., Бабокин М.И. Экспериментальная отработка алгоритмов оценивания рельефа с помощью однопроходного перед-небокового РСА интерферометра // ^Всероссийские Армандовские чтения: Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред / Материалы VII Всероссийской научной конференции. -Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2016. С. 244-250.
7. Баскаков А.И., Жутяева Т.С., Лукашенко Ю.И. Локационные методы исследования объектов и сред: Учебник для студ. учреждений высш. проф. образования/ Под ред. А.И. Баскакова. - М.:Изд. центр «Академия», 2011.384с.
8. Richards M.A., Scheer J.A., Holm W.A. Principles of Modern Radar: Basic Principles. SciTech Publishing. Raleigh, NC, 2010, 934 p.
9.Soumekh M. Synthetic Aperture Radar Signal Processing With Matlab Algorithms. Wiley, New York, 1999, 616 p.
10. Richards M.A. A Beginner's Guide to Interfer-ometric SAR Concepts and Signal Processing [AESS Tutorial IV], Aerospace and Electronic Systems Magazine, IEEE, vol. 21, no. 6, June, 2006, p. 5-29.
11. Melvin W.L., Sheer J.A. Principles of Modern Radar: Advanced Techniques. SciTech Publishing. Edison, NJ, 2013, pp. 337-398.
12. Goldshtein R.M., Zebker H.A., Werner C.L. Satellite radar interferometry: two-dimensional phase unwrapping. RadioScience, vol. 23, № 4, 1988, pp. 713-720.
Работа выполнена при финансовой поддержке Государственного задания в сфере научной деятельности в проектной части № 8.152.2014/К
Поступила 05 июля 2016 г.
English
Simulation model for one-pass RSA interferometer of anterolateral survey
Pavel Evgenyevich Shimkin - Post-graduate student Department of Radio Devices and Antenna Systems National Research University Moscow Power Engineering Institute.
E-mail: shimkinpy@gmail.com.
Address: 111250, Russia, Moscow, Krasnokazarmennaya Street, 14.
Abstract: Modern synthetic aperture radar (SAR) installed aboard aviation or space carriers enable to receive radar images (RI) with resolution capacity of a few meters order and above. But using conventional SAR enables to receive only 2D distributions of echo strength, to study terrain and reflective properties of the investigated area. Further enhancement of geo information content of aviation and space Earth remote-sensing (ERS) instruments is interconnected with the theory and technology development of radar interferometry, in particular, enabling to solve the problem of receiving detailed land topography with 3D image. Besides, an important factor is operational efficiency of the received information about the underlying terrain. The proposed scheme of the interferometer development using the anterolateral survey cross-section SAR has important advantages among the known methods of SAR interferometric sensing, namely: - obtaining information on hand during one pass; -no need to have the second receiving antenna or the second flight over the same terrain section;- besides, there is possibility to arrange the interferometer base of different extent to reveal measurement ambiguity. The work examines the simulation model of the ERS interferometric facility on the basis of the airborne SAR enabling to make an operational assessment of the underlying terrain for one pass of the carrier. The main phases of the model development and choosing its critical parameters are described.
Results of algorithm simulation modeling of interferometric signal processing given in MATLAB application package are given. Possibility of using the proposed scheme of developing one-pass onboard SAR interferometer to create terrain digital models is shown.
Key words: one-pass SAR interferometer, radar systems modeling, terrain digital model, 3D image.
References
1. Babokin M.I. Terrain topography estimation in SAR anterolateral survey.- SAR Digital signal processing. Ed. by E.F. Tolstov. Smolensk: Publ. VA VPVO RF. 2005. P. 171-181.
2. Babokin M. I., Yefimov A.V., Karpov O. A., Titov M.P. Anterolateral survey one-pass interferometer. - Radi-otekhnika. 2014, No. 7. P. 16-20.
3. Baskakov A.I., Shimkin P.E. Potential accuracy investigation for defining local terrain with airborne interferometric anterolateral survey SAR. - Radiotekhnika. 2013. No. 10. P. 71-74.
4. Baskakov A.I., Shimkin P.E. Precision characteristics comparison for two development methods of airborne interferometric SAR. - International Scientific Journal "Alternativnaya energetika i ekologiya". 2015. No. 22. P. 7783.
5. Shimkin P.E., Baskakov A.I. Signal processing algorithm modeling of two-pass airbourne interferometric SAR. - Zhurnal radioelektroniki. 2015. No. 11. P. 3 (http://jre.cplire.ru/jre/nov15/8/text.html) (Visited on June 13, 2016).
6. Shimkin P.E., Baskakov A.I., Babokin M. I. Experimental development of terrain estimation algorithms with one-pass anterolateral survey SAR interferometer. -VI All-Russian Armandovsky readings: Radio physical methods in media remote sensing. - Materialy VIIVserossyskoy nauchnoy konferentsii. - Murom: Publ. - MI VLSU, 2016. P. 244-250.
7. Baskakov A.I., Zhutyaeva T.S., Lukashenko Yu.I. Research locational methods for objects and media: The textbook for the students of higher vocational education institutions.- Ed. by A.I. Baskakov. - M.: Izd. tsentr "Akad-emiya", 2011.384 p.
8. Richards M.A., Scheer J.A., Holm W.A. Principles of Modern Radar: Basic Principles. SciTech Publishing. Raleigh, NC, 2010, 934 p.
9.Soumekh M. Synthetic Aperture Radar Signal Processing With Matlab Algorithms. Wiley, New York, 1999, 616 p.
10. Richards M.A. A Beginner's Guide to Interferometric SAR Concepts and Signal Processing [AESS Tutorial IV], Aerospace and Electronic Systems Magazine, IEEE, vol. 21, no. 6, June, 2006, p. 5-29.
11. Melvin W.L., Sheer J.A. Principles of Modern Radar: Advanced Techniques. SciTech Publishing. Edison, NJ, 2013, pp. 337-398.
12. Goldshtein R.M., Zebker H.A., Werner C.L. Satellite radar interferometry: two-dimensional phase unwrapping. RadioScience, vol. 23, No. 4, 1988, pp. 713-720.
