Многобазовый интерферометрический гидролокатор бокового обзора для построения высокоточной батиметрии Текст научной статьи по специальности «Математика»

РАДИОЛОКАЦИЯ

МНОГОБАЗОВЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ ГИДРОЛОКАТОР БОКОВОГО ОБЗОРА ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ВЫСОКОТОЧНОЙ БАТИМЕТРИИ

Болдинов Р.О., Скнаря А.В.

НИИ приборостроения им. В.В. Тихомирова, https://niip.ru г. Жуковский 140180, Московская область, Российская Федерация Поступила 24.08.2018

Представлена действительным членом РАЕН В.В. Колесовым

Представлены требования к перспективным гидролокационным комплексам и результаты разработки гидролокатора для построения высокоточной батиметрии, а также программного обеспечения для обработки его данных. Проведены натурные испытания макета такого гидролокатора - многобазового интерферометрического гидролокатора бокового обзора. Получены результаты восстановления глубин с точностью не хуже 2% от глубины в подлокаторной точке, что удовлетворяет современным требованиям Международной гидрографической организации.

Ключевые слова: гидролокатор, однобазовая и многобазовая интерферометрия, батиметрия УДК 621.396.96_

Содержание

1. Введение (213)

2. Материалы и методы (214)

3. результаты (214)

4. обсуждение (215)

5. заключение (216) Литература (216)

1. ВВЕДЕНИЕ

В последнее время развитие технических возможностей построения современных гидролокаторов бокового обзора (ГБО) позволило получать акустические изображения поверхности дна высокого качества. Но дальнейшее повышение информативности акустического исследования поверхности дна связано с развитием технологии и техники получения детального рельефа и формированием трехмерного изображения поверхности дна. Поэтому на сегодняшний день задача создания технологий и гидроакустических комплексов, способных с высокой точностью и высокой разрешающей способностью формировать кроме акустических изображений, также трехмерные изображения поверхности дна является актуальной. Такую задачу способен решить, в частности, интерферометрический гидролокатор бокового обзора (ИГБО) [1].

История развития ИГБО включает в себя уже не одно десятилетие и все это время данная система постоянно развивалась и совершенствовалась.

И здесь следует особо отметить, что очень многие успехи в области достижений в современной гидролокации были заложены еще в

ХХ веке и базировались на достижениях в области межпланетной радиолокации, ярким представителем которой был академик В.А. Котельников. Именно использование многих достижений в области межпланетной радиолокации позволили, в том числе, и тогда, и сейчас успешно решать очень многие задачи. И разработка отечественных ИГБО относится к таким задачам.

Совершенствование ИГБО осуществлялось и за счет постоянного соревнования с многолучевыми эхолотами (МЛЭ) при решении задачи построения рельефа дна. Обе данные системы обладают и положительными и отрицательными качествами.

К недостаткам "стандартного" ИГБО следует отнести в первую очередь низкую точность измерения глубин в областях с особой формой рельефа дна, а именно при резких скачках и перепадах глубины. Рельеф с такой геометрией в основном проявляется при обследовании шельфовых зон морских акваторий с подводным горным рельефом, а также при контроле состояния подводных сооружений. Точность восстановления глубин на таких участках поверхности дна, в большинстве случаев, является непригодной для гидрографического использования.

Немногочисленные публикации на эту тему не дают ответа на сформулированную выше проблему повышения точности измерения глубин.

Целью настоящей работы является разработка системы, позволяющей не только производить площадную сьемку и трехмерное картографирование поверхности дна, но и

БОЛДИНОВ Р.О., СКНАРЯ А.В.

РАДИОЛОКАЦИЯ

повысить точность измерения глубин, используя методы, базирующиеся на статистической теории радиотехнических систем, теории вероятностей и случайных процессов, теории оптимальной фильтрации, а также лабораторных исследованиях и натурных испытаниях.

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Геометрия визирования классического однобазового интерферометрического гидролокатора бокового обзора представлена на рис. 1.

Интерферометр состоит из одной приемопередающей (А2) и одной приемной (А1) антенн, угол отклонения плоскости базы В интерферометра от вертикали равен в, а угол визирования на объект на поверхности дна — а. Искомая глубина в точке ^ равна G = Н — £

Принцип действия ИГБО основан на нахождении разности фаз между двумя сигналами, отраженными от одного и того же элемента разрешения на поверхности дна, и принятыми двумя разнесенными в пространстве приемными антеннами. Найденная разность фаз является основой для построения рельефа исследуемого участка дна [2, 3].

Если разность хода лучей обозначить как АЯ = Я1 — К2, где Я1 = ^т/2 и Я2 = <--т2/2 (, — скорость звука в водной среде), то выражение для интерферометрической разности фаз (ИРФ) двух сигналов принимает вид:

Аф = 2п(Я1 — Я2)/Х = 2пАЯ/Х, (1)

где X — длина волны.

Опуская ряд математических преобразований, получим окончательную глубину до точки Р [2]:

' * + в= -(я,-^' -С05<в)—^^ (2)

О, =1

я,2 + в2 — я -

11 --

~2Л)

2 вя

уО

Рис. 1.

Выражение (2) определяет однозначную связь между глубиной до элемента разрешения на поверхности дна, ИРФ, базой В и наклонной дальностью Я..

Именно 'стандартный" ИГБО и стал прообразом при разработке новой его модификации — многобазового ИГБО.

Рис. 2. ,

Особенности геометрии обзора поверхности дна многобазовым интерферометрическим гидролокатором бокового обзора (МИГБО), состоящим из одной приемо-передающей (А.) и N-1 приемных (А2 — Ам) антенн, представлены на рис. 2. Угол отклонения плоскости базы В интерферометра от вертикали равен в, угол визирования на объект на поверхности дна (элемент разрешения) — а.

Процесс обработки эхо-сигналов в многобазовом ИГБО может быть представлен в виде блок-схемы, изображенной на рис. 3.

В блок-схеме рис. 3: АП — антенный переключатель; ПРД — передатчик; ПРМ1 — приемный тракт первого приемного канала; ПРМ N — приемный тракт №го приемного канала; ИРФ — интерферометрическая разность фаз.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ

Рассмотрим некоторые этапы обработки, показанные на рис. 2, более подробно на примере данных, полученных в процессе испытаний макета многобазового ИГБО на испытательном полигоне НИИП им. В.В. Тихомирова.

Макет многобазового ИГБО имеет следующие характеристики: центральная частота — 250 кГц; ширина спектра зондирующего сигнала — 30 кГц; вид зондирующего сигнала — ЛЧМ импульс; длительность зондирующего импульса — от 3 мс; количество приемных антенн — 6; максимальный размер антенной базы — 2.5 см; угол отклонения

1прд1—4ап

т -

Формирование коплексных отсчетов отваженного сигнала

Формирование коплексных отсчетов отраженного сигнала

Свертка по дальности • . . Свертка по дальности

Р. 1,1 П Ш'П: 'НИ!' [11Ч[]

| Фильтрация ИРФ

I

Раскрытие фазовой неоднозначности

Масштабирование ИРФ и расчет карты глубин

Рис. 3. Блок-схема этапов обработки эхосигналов в многобазовом, ИГБО.

РАДИОЛОКАЦИЯ

МНОГОБАЗОВЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ215 ГИДРОЛОКАТОР БОКОВОГО ОБЗОРА ...

Рис. 4. Акустическое изображение с 1-го канала многобазового ИГБО.

плоскости базы от вертикали — 30°; ширина ДН излучающей антенны по азимуту — 1°.

На рис. 4, в качестве примера, представлено акустическое изображение поверхности дна, полученное в реальном времени после обработки с первого канала макета многобазового ИГБО.

Антенная система многобазового ИГБО позволяет сформировать пять интерферограмм, соответствующих разным антенным базам.

Наиболее трудоемкий этап

интерферометрической обработки

раскрытие фазовой неоднозначности (или "разворот" интерферограммы). Возникновение фазовой неоднозначности связано с тем, что разностнофазовые значения комплексного сигнала вычисляются в диапазоне [-п, п], а сама разность фаз может изменяться на несколько таких интервалов. Поэтому для получения информации об относительных глубинах необходимо устранить фазовую неоднозначность. Существует уже несколько десятков методов решения этой проблемы [7]. Условно их можно разделить на два класса: локальные методы и глобальные (интегральные) методы. Для каждого класса существуют свои решения.

В процессе обработки данных многобазового ИГБО использовался многобазовый метод

Рис. 5. Яркостное изображение карты глубин.

Рис. 6. Яркостное изображение карты глубин в географических координатах.

раскрытия неоднозначности [8], использующий информацию с разных интерферограмм. Использование данного метода позволяет повысить точность расчета "развернутых" разностнофазовых значений, а следовательно, и расчета глубин, а также избежать ошибок, присущих типовым однобазовым методам раскрытия неоднозначности.

Ниже представлены некоторые возможности разработанного программного обеспечения многобазового ИГБО.

На рис. 5 представлено яркостное изображение карты глубин в реальном времени участка дна с рис. 4 в координатах дальность -время зондирования.

На рис. 6 представлена выкладка карты глубин в реальном времени участка дна рис. 4 в географических координатах.

На рис. 7 показана мозаика, состоящая из двух пересекающихся карт глубин, в географических координатах.

4. ОБСУЖДЕНИЕ

Из рис. 6 видна значительная корреляция глубин с пересекающихся галсов. Также в пределах исследуемой области на дне было произведено измерение глубин однолучевым эхолотом в реперных точках. Далее было проведено сравнение глубин, полученных в результате обработки в

Рис. 7. Мозаика из 2-х галсов в географических координатах.

БОЛДИНОВ Р.О., СКНАРЯ А.В.

РАДИОЛОКАЦИЯ

многобазовом ИГБО и глубин, полученных с помощью эхолота в реперных точка. В результате была рассчитана точность измерения глубин в зоне обзора, не превышающей 3 глубины, которая получилась не хуже 2% (~10 см) от глубины в подлокаторной точке.

Полученная точность удовлетворяет требованиям 5-й редакции стандарта S-44 Международной гидрографической организации [9].

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе получены следующие результаты:

1. Проведены обзор, анализ и обоснование требований к современным и перспективным гидролокационным комплексам, предназначенным для получения детальных трехмерных изображений и высокоточного формирования батиметрических карт глубин.

2. Разработаны алгоритмы обработки интерферометрических данных в многобазовом интерферометрическом гидролокаторе бокового обзора.

3. Разработан макет многобазового интерферометрического ГБО.

4. Подтверждена работоспособность макета многобазового ИГБО на основе реальных данных, полученных в ходе его натурных испытаний. Показана возможность восстановления глубин при резких перепадах рельефа с помощью многобазового интерферометрического ГБО с точностью не хуже 2% от глубины в подлокаторной точке, что удовлетворяет требованиям 5-ой редакции Стандарта S-44 Международной гидрографической организации.

5. Получен патент на полезную модель "Интерферометрический гидролокатор бокового обзора" (РФ. 167401.2017.01.10) в январе 2017 года.

ЛИТЕРАТУРА

1. Richards MA. A beginners Guide to Interferometric SAR Concepts and Signal Processing. IEEE Aerospace and Electronics Systems Magazine, Tutorial Issue IV, 2007, 22(9(2)):5-29.

2. Болдинов РО, Баскаков АИ, Скнаря АВ. Потенциальная точность интерферометрического гидролокатора бокового обзора. Вестник МЭИ, 2016, 3:66-71.

3. Болдинов РО, Скнаря АВ, Тощов СА. К вопросу о применении алгоритмов построения рельефа дна в интерферометрическом гидролокаторе бокового обзора "НЕМАН ИГБО-500". Журнал радиоэлектроники, 2017, 2; http://jre.cplire.ru/.

4. Rodriguez E, Martin JM. Theory and design of interferometric synthetic aperture radars. IEE Proceedings-F, 1992, 139(2):147-159.

5. Sintes C, Llort-Pujol G, Gueriot D. Coherent probabilistic error model for interferometricsidescan sonars. IEEE J. of oceanic engineering, 2010, 35(2) :412-423.

6. Kendall WB. Unambiguous accuracy of an interferometer angle-measuring system. IEEE Trans. SET-11, 1965, 2:62-70.

7. Ghiglia DC, Pritt MD. Two-dimensional phase unwrapping: theory, algorithms, and software. New York, John Wiley, 1998.

8. You YN, Xu HP, Li JL, et al. Multi-baseline phase unwrapping via maximum likelihood phase gradient estimation. Proc. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), Quebec city, QC, Canada, 2014, pp. 374-377.

9. Стандарт S-44 "Стандарты МГО для съемки рельефа морского дна" Международной гидрографической организации (МГО), 5-я редакция. Монако, 2008, с. 17-18.

Болдинов Роман Олегович

НИИП им. В.В. Тихомирова г. Жуковский 140180, Моск. обл., Россия [email protected] Скнаря Анатолий Васильевич

к.т.н., с.н.с.

НИИП им. В.В. Тихомирова

г. Жуковский 140180, Моск. обл., Россия

[email protected]

MULTI-BASELINE INTERFEROMETRIC SIDE SCAN SONAR FOR THE CONSTRUCTION OF HIGH-PRECISION BATHYMETRY Roman O. Boldinov, Anatoly V. Sknarya

V.V. Tikhomirov Scientific Research Institute of Instrument Design, https://niip.ru Zhukovsky 140180, Moscow Region, Russian Federation [email protected], [email protected]

Abstract. Some results of processing data obtained with the help of multi-base interferometric sonar during its full-scale tests are presented. The possibility of reconstructing depths with the help of a multi-base interferometric sonar sonar with an accuracy not worse than 2% of the depth at the subterranean point is shown, which meets the requirements of the 5th edition of the International Hydrographic Organization Standard S-44.

Keywords: sonar, single-baseline and multi-baseline interferometry, bathymetry UDC 621.396.96

Bibliography - 9 references Received24.08.2018 RENSIT, 2018, 10(2):213-216_DOI: 10.17725/rensit.2018.10.213