Авиационные и космические комплексы дистанционного зондирования Земли с интерферометрической обработкой многомерных сигналов (26.07.2010)

Автор: Бабокин Михаил Иванович

В шестом разделе анализируются вычислительные затраты, необходимые для реализации алгоритмов оценки рельефа местности (как наиболее сложных и затратных), и предлагаются пути их снижения, заключающиеся в разработке субоптимальных алгоритмов, способных при существенно меньшей трудоемкости обеспечить требуемую точность измерения параметров.

Предлагаемая система оценки рельефа местности представляет собой комбинацию многомерного когерентного фазового измерителя рельефа местности, реализуемого на основе двух (активной и пассивной) РСА, комплексной обработки навигационной информации от автономных датчиков собственного движения носителей, совместной пространственной и временной синхронизацией и приведением к единому масштабу многомерного дискретного представления участка земной поверхности. Для нормального функционирования бистатической РСА требуются обеспечить функционирование обеих разнесенных составных частей как единого устройства, т.е. обеспечить три вида синхронизации:

- передающая и приемная ДНА должны быть направлены на один участок земной поверхности (пространственная синхронизация);

- на приемной позиции должны быть точно известны моменты времени излучения зондирующих сигналов на всем интервале накопления принимаемых отраженных сигналов (временная синхронизация);

- относительный уход частоты (фазы) колебаний задающих гетеродинов приемной и передающей позиций не должен превышать допустимого значения (фазовая синхронизация).

Структура и алгоритмы функционирования система оценки рельефа местности при ОПБО подобны ББО, с тем условием, что нет необходимости синхронизировать работу двух бортов и, что оба комплексных изображения в двух сеансах картографирования будут формироваться методом гармонического анализа с применением БПФ.

Система оценивания состояния взволнованной морской поверхности представляет собой комбинацию многочастотного фазового измерителя на основе РСА с высокой разрешающей способностью и системы комплексной обработки навигационной информации от автономных датчиков собственного движения носителя. Количество каналов дальности и количество фильтров может значительно превышать количество элементов разрешения, для того чтобы обеспечить высокую корреляцию «соседних» выборок (шаг между выборками меньше элемента разрешения).

Приведено описание методов, способных обеспечить комплекс РСА априорными данными, как относительно местного рельефа (стереометры и углмоместные интерферометрические методы измерения средней высоты), так и параметров взволнованной морской поверхности (скаттерометры), а также методы повышения точности навигационного обеспечения.

Седьмой раздел работы посвящен реализации алгоритмов оценки рельефа местности, уклонов и сдвигов земной, параметров состояния морской поверхностей в универсальных программных пакетах, предназначенных для моделирования, обработки и анализа реальных сигналов РСА авиационного и космического базирования.

Технология внедрения нового программного обеспечения в вычислительную систему РЛ комплекса имеет несколько этапов:

– выбор конкретных алгоритмов, позволяющих решать поставленную задачу, и проверка их функционирования в заданных условиях;

– разработка технического задания на программирование выбранных алгоритмов обработки сигналов и управления комплексом;

– написание программ для сигнальных процессоров и управляющих ЭВМ и их отладка на эмуляторе вычислительной системы;

– отладка программного обеспечения в наземных условиях на стенде математического моделирования (СММ) и стенде главного конструктора (СГК);

– регистрация РГЛГ в реальном полёте с последующей отладкой программного обеспечения в наземных условиях;

– доводка программ в ходе летно-конструкторских испытаний (ЛКИ) и подтверждение заявленных характеристик.

Для оптимизации процесса внедрения новых режимов работы РЛК и снижения материальных и временных затрат на их отладку, используют имитационное моделирование, представляющее программные пакеты моделирования. Прежде всего, с помощью этих пакетов программ моделируются траекторные многомерные сигналы (радиоголограммы) различного уровня сложности, в различных тактических ситуациях для рассматриваемых вариантов построения многомерного комплекса РСА:

Модель из одного точечного отражателя на абсолютно поглощающем фоне с учётом местного рельефа или состояния взволнованной морской поверхности;

Модели из одного или нескольких отражателей, расположенных на местности с равномерным фоном отражений с учётом местного рельефа или состояния взволнованной морской поверхности;

Модели поверхности с неравномерным фоном отражений, с учётом местного рельефа или состояния взволнованной морской поверхности.

Уже сейчас, имитационное моделирование дало важные для понимания интерферометрического оценивания местного рельефа, результаты:

- влияние наземных объектов с различным отклонением по высоте и разным уровнем отражённого сигнала друг на друга, могут существенно исказить интерферометрические измерения,

- для решения задачи интерферометрического оценивания местного рельефа, из рассмотрения необходимо исключать искусственные объекты и пограничные области между протяжёнными объектами с различным отклонением по высоте,

- для повышения точности измерения местного рельефа, необходимо обеспечить низкий уровень боковых лепестков по азимуту и по дальности,

- при интерферометрическом оценивании рельефа протяжённых объектов необходимо учитывать наличие фазового шума;

- при ОПБО присутствует «краевой» эффект в азимутальном направлении, а при ББО по дальности, влияние которого необходимо учитывать.

и высокой степени корреляции парных сигналов (без относительного пространственного смещения в разных проходах, без относительных смещений внутри элемента разрешения).

Наиболее полная проверка и отладка возможна по сигналам, записанным в схожих условиях на борту реального носителя (носителей). В период с 1999 г. группой в составе Е.Ф. Толстова, А.М. Яковлева, О.А. Карпова, М.П. Титова, О.Е. Цветкова, А.В. Ефимова при активном участии автора были разработаны и применялись на практике аппаратные и программные средства регистрации радиоголограмм для авиационных носителей. Другим источником радиоголограмм была обширная база реальных сигналов, записанных в период с 1990 по 1992 г. космической РСА «Меч - КУ» КА «Алмаз-1».

Целью экспериментов являлось визуальное и инструментальное сравнение трёхмерных изображений, сформированных с помощью алгоритмов оценки местного рельефа, и имеющимися данными об объекте, полученными из других источников.

На первом этапе обработке подвергались фрагменты радиоголограмм, записанных в ходе одного из испытательных полетов на авиационном носителе с помощью бортового регистратора РЛСУ «БАРС». На рисунке 3 представлен один и тот же участок района горы Багдо (Астраханская область, вблизи озера Баскунчак): фрагмент оптической спутниковой съёмки, три трёхмерных изображения местного рельефа и радиолокационное изображение, полученные методом ОПБО.

. Можно сказать, что трижды измерения повторились без существенных отклонений. Незначительные искажения проявляются на мелких деталях при малом отношение сигнал/шум и изменении ракурса.

При детальном анализе двух изображений рельефа местности, можно выделить некоторые отличия, особенно проявляющиеся на краях пространственно протяжённых объектов, имеющих сложный рельеф, но в основном измерения устойчиво подтверждаются, как при последовательном сравнении, так при сравнении с данными других источников и наблюдениями автора.

. На рисунке 5 представлены радиолокационное изображение вулканического острова, полученное в результате обработки радиоголограммы методом «быстрой свёртки» и трёхмерное изображение карты уклонов, в соответствии с алгоритмом частотно-фазового оценивания.

Очевидно, что вулканический остров имеет значительные перепады высот. Это правдоподобно отражается на трёхмерной карте уклонов.

Проверка работоспособности алгоритмам оценивания параметров взволнованной морской поверхности также проводилась по реальным сигналам РСА «Меч - КУ» КА «Алмаз-1». На рисунке 6 представлено РЛИ и две карты ортогональных волновых параметров, полученных в соответствии с алгоритмами пространственно-фазового оценивания район пролива, где смешиваются воды разной гидродинамической природы.

Для этого фрагмента характерно то, что можно выделить пространственные зоны со сменой направления движения, и даже смежные зоны, где направление движения значительно изменяется. Две матрицы ортогональных волновых параметров, полученные с помощью алгоритмов оценивания, имеют размер, совпадающий с размером радиолокационного изображения, даёт информацию о направлении и динамике движения на поверхности морских вод.

Проверка алгоритмов по реальным сигналам подтвердила работоспособность полученных алгоритмов оценивания при различных условиях отражения зондирующего сигнала от разного типа поверхностей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Для достижения поставленной цели в работе на основе анализа требований к перспективным и существующим (модернизированным) многомерным комплексам РСА, предназначенным для дистанционного зондирования поверхности Земли, формирования детальных трехмерных изображений, наблюдения за динамичными процессами и оценки параметров их состояния, определены методы, предложения по структуре, тактико-технические характеристики и пути их достижения.

Проведенные исследования позволили разработать рекомендации по структуре, алгоритмам функционирования и параметрам системы совместной обработки многомерных сигналов перспективных и модернизации существующих РЛК авиационного и космического базирования. Предложены структурные схемы системы обработки и обоснованы предложения по её структуре в составе PЛК. Предложения частично реализованы в перспективных БРЛС самолетов – Су-30МКИ, МиГ-29 и в космическом комплексе «Метеор-3М» с РСА «ЭЛСАР».


загрузка...