Методы дистанционного зондирования земли радарами с синтезированной апертурой

На правах рукописи

ЗАХАРОВ Александр Иванович

МЕТОДЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ РАДАРАМИ С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ

Специальность 01.04.03 — «Радиофизика»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

доктора физико-математических наук

Фрязино – 2012

Работа выполнена во Фрязинском филиале Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН (ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН)

Официальные оппоненты:	Неронский Леон Богуславович, доктор технических наук, профессор, ОАО «Концерн радиостроения «ВЕГА», главный научный сотрудник отдела 7
	Кутуза Борис Георгиевич, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБУН Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, зав. лабораторией радиофизических методов в аэрокосмических исследованиях природно-техногенной среды
	Переслегин Сергей Владимирович, доктор физико-математических наук, ФГБУН Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, ведущий научный сотрудник лаборатории оптики океана

Ведущая организация:

ФГУП “Центральный научно-исследовательский институт машиностроения”

Защита состоится «31» мая 2013 г. в 10-00, на заседании диссертационного совета Д 002.231.02 при ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН по адресу: 125009, Москва, ул. Моховая, д.11, к.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН.

Автореферат разослан «__»____________2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук А.А.Потапов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящее время вопросы создания и эксплуатации спутниковых радаров с синтезированной апертурой (РСА) для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) пользуются заслуженным вниманием во всё мире. Основными достоинствами этих систем съёмки являются нетребовательность к условиям освещенности исследуемого района и нечувствительность к погодным условиям в зоне съемки в сочетании с достаточно высоким пространственным разрешением.

В отличие от оптических снимков, радиолокационные изображения содержат фазовую информацию, которая может быть полезна в неменьшей степени, нежели широко используемая интенсивность обратного рассеяния радиосигнала. Так, разность начальных фаз сигналов элементов радиолокационных изображений в схеме интерферометрической съемки с повторяющихся траекторий носителя содержит информацию о рельефе поверхности и мелкомасштабных изменениях/смещениях подстилающих покровов за время между съемками.

Современные результаты исследований применимости данных РСА показывают, что извлечь наиболее полную информацию о структуре отражающего слоя поверхности можно путём привлечения двух или более информационных каналов, отличающихся различными параметрами зондирующего сигнала, поляризацией радиоволны на излучении/приеме, ракурсами съемки. Использование многоканальных радиолокационных данных, полученных на разных поляризациях и длинах волн, несет качественно новую информацию по сравнению с одноканальной радиолокационной системой. Интерферометрические наблюдения поверхности Земли с помощью РСА — также одно из самых современных направлений исследования в ДЗЗ.

Среди созданных ранее, а также работающих в настоящее время можно назвать такие радары, как SEASAT, SIR-A, SIR-B (США), SIR-C/X и SRTM (США, Германия), ERS-1, ERS-2, ENVISAT (Европейское Космическое Агентство), RADARSAT-1, 2 (Канада), JERS-1 и PALSAR (Япония), TerraSAR-X (Германия), Cosmo-SkyMED (Италия). Среди успешно эксплуатировавшихся отечественных РСА можно упомянуть «Космос-1870» и «Алмаз-1».

В России к настоящему времени нет полноценного средства радарного наблюдения Земли из космоса в виде РСА. Нет также единого представления о требуемых параметрах радара, предпочтительных для решения отечественных прикладных и научных задач, о наборе задач, которые может решать радар в зависимости от таких параметров, как длина волны несущей, состав поляризационных измерений и др.

Актуальность исследований обусловлена необходимостью уточнения возможностей космических РСА, разработки новых методов обработки информации и поиском новых приложений радиолокационных данных, определением и уточнением возможностей РСА в решении задач дистанционного зондирования Земли, а также необходимостью выработки рекомендаций по предпочтительным параметрам перспективного отечественного РСА.

Основной целью данного исследования является определение возможностей РСА в дистанционной зондировании Земли и выработка требований к перспективному космическому РСА, предназначенному для решения научных и прикладных задач с учетом интересов отечественных потребителей.

Основными задачами, решаемыми в работе, являются:

- рассмотрение основных соотношений в радиолокационной системе и определение ключевых параметров РСА, позволяющих эффективно решать задачи наблюдения Земли;

- демонстрация возможностей РСА при решении различных тематических задач ДЗЗ;

- анализ метода интерферометрической съемки рельефа поверхности Земли, разработка новых алгоритмов обработки информации, демонстрация новых возможностей интерферометрической съемки;

- исследование возможностей радарной поляриметрии при съемке поверхности Земли, сравнение различных схем организации поляриметрических измерений, теоретическое обоснование выбора наиболее эффективной схемы, демонстрация новых возможностей поляриметрических измерений;

- исследование влияния атмосферы на искажение радиолокационной информации, разработка метода компенсации эффекта Фарадея при измерениях полной матрицы рассеяния земных покровов;

- разработка новых методов внешней калибровки космического РСА, демонстрация возможностей новых калибровочных целей на примере обработки данных экспериментов с современными РСА;

- сравнение различных схем построения РСА и выбор параметров перспективного отечественного РСА.

Научная новизна. В диссертационной работе проанализированы основные соотношения, определяющие параметры РСА и характеристики получаемой информации, влияние интегрального уровня боковых лепестков на свойства получаемого радарного изображения. Исследована возможность решения различных тематических задач в зависимости от параметров используемого РСА, продемонстрированы новые возможности радиолокационных измерений при комплексировании радиолокационных измерений, в том числе при разновременном картировании, интерферометрической съемке и измерении полной матрицы рассеяния естественных покровов. Разработаны новые методы обработки данных в интерферометрической схеме съемки рельефа, получены новые результаты по наблюдению динамики подстилающей поверхности. Отмечена важность калибровочного обеспечения современных РСА и исследованы принципиально новые средства внешней калибровки. Проведен анализ списка решаемых задач и обоснованы предпочтительные параметры перспективного РСА, предназначенного для решения научных и прикладных задач отечественного потребителя. Выполнен расчет влияния атмосферных неоднородностей на характеристики радиолокационного материала, разработана методика измерения эффекта Фарадея на измерения полной матрицы рассеяния и коррекции искажений по измерениям поляриметрического РСА. Исследованы различные варианты структуры перспективного РСА в зависимости от способа разделения поляризационных измерений, проведен сравнительный анализ этих схем и даны рекомендации по наиболее предпочтительной структуре и параметрам перспективного поляриметрического РСА.

Достоверность и обоснованность полученных соискателем результатов достигнута корректной постановкой проблем, строгостью выполненного физико-математического анализа и используемого математического аппарата. Результаты подтверждаются физическими представлениями о механизме рассеяния сигнала отражающими объектами, анализом экспериментальных данных современных зарубежных космических радаров, материалами других авторов, коллег по совместным работам и из смежных отраслей, а также выводами исследований, проводившихся в нашей стране и за рубежом, апробацией работы на международных и Российских конференциях и публикациями соискателя.

Методы анализа, принятые в диссертации, базируются на устоявшихся физических представлениях о механизме рассеяния радиоволн поверхностью, принципах организации и функционирования радиолокационных систем дистанционного зондирования Земли, на строгих математических методах анализа когерентности рассеянных сигналов и исследовании составляющих параметра декорреляции, позволяющих оценивать степень влияния различных источников искажения информации.

Основные положения, вынесенные на защиту

• По степени мешающего влияния интегрального уровня боковых лепестков автокорреляционной функции, сигналы с линейной частотной модуляцией являются предпочтительным видом сигналов при радарном картировании протяженных покровов.
• Радиолокационная интерферометрия – эффективный метод измерения рельефа поверхности и обнаружения динамики поверхности за время между съемками с субсантиметровой точностью.
• Радиолокационная поляриметрия – эффективный метод изучения свойств подстилающей поверхности при условии корректной организации измерений матрицы рассеяния.
• Искажающее влияние фарадеевского вращения плоскости поляризации сигнала калиброванного поляриметрического радара с синтезированной апертурой при зондировании подстилающих покровов можно определить по измерениям полной матрицы рассеяния поверхности и скомпенсировать.
• Результаты многолетнего эксперимента показывают, что новые средства внешней радиометрической калибровки – искусственные постоянные отражатели на базе параболических антенн ОКБ МЭИ обладают высокой временной стабильностью, сравнимой со стабильностью лучших образцов калибровочных целей типа уголковых отражателей или транспондеров.
• Поляриметрический радар L-диапазона является наиболее предпочтительным перспективным поляриметрического радаром с синтезированной апертурой для решения отечественных научных и прикладных задач ДЗЗ.

Прикладная значимость работы заключается в создании новых методов обработки информации РСА, демонстрации возможности решения новых тематических задач, развитии методов внешней калибровки РСА, обосновании параметров перспективного РСА для России.

Научно-практическое значение работы состоит в следующем:

- показано, что интегральный уровень боковых лепестков двумерной функции неопределенности может оказывать существенное влияние на качество радиолокационных измерений, особенно на измерения начальной фазы сигнала при интерферометрической съемке рельефа; сигнал с линейной частотной модуляцией является наиболее предпочтительным в дистанционном зондировании Земли по сравнению с другими используемыми в радиолокации сигналами;

- рассмотрены различные методы тематического анализа амплитудной радиолокационной информации, полученной в различных диапазонах волн и на разных поляризациях сигнала, и приведены примеры её использования при решении ряда задач ДЗЗ. Приведенные примеры дают представление о зависимости эффективности решения тематических задач от параметров радиолокационной съемки;

- предложен новый метод выявления естественных постоянных отражателей для ограниченного набора радиолокационных снимков и проведена успешная обработка данных радара TerraSAR-X для опасных карстовых и оползневых участков в зоне железных дорог и газопроводов, в результате которой показана возможность измерения подвижек почв с миллиметровой точностью. Отмечено, что использование длинноволновых радаров типа японского радара PALSAR L-диапазона позволяет снизить остроту проблемы временной декорреляции;

- предложен новый подход к оценке искажения элементов полной матрицы рассеяния естественных покровов для поляриметрического РСА, проведено сравнение различных схем разделения измерений элементов полной матрицы рассеяния с точки зрения потери информации, потоков данных, аппаратурных требований, и даны рекомендации по наиболее перспективным схемам.

- показана возможность оценки угла фарадеевского вращения по разности фаз внедиагональных элементов матрицы рассеяния в круговом базисе. Отмечено преимущество кругового базиса для решения этой задачи, заключающееся в том, что уклоны рельефа поверхности не вносят искажений в измерения угла фарадеевского вращения и могут быть в свою очередь оценены через разность фаз диагональных элементов матрицы рассеяния в круговом базисе;

- исследован новый тип калибровочных целей – параболические антенны с диаметром зеркала 4.7 м калибровочного полигона ОКБ МЭИ «Медвежьи Озера», имеющие ЭПР 49дБм2 в С-диапазоне, показана высокая радиометрическая стабильность этих калибровочных целей. По результатам анализа радарных снимков полигона ОКБ МЭИ получена оценка параметров искажающих матриц этого поляриметрического РСА на излучении и приеме;

- разработана методика поиска наземных естественных стабильных отражателей и в результате обработки серии из полусотни снимков радара PALSAR показано, что существуют стабильные естественные отражатели со стабильностью лучшей, чем у калибровочных антенн ОКБ МЭИ;

- проведено исследование списка решаемых с помощью РСА задач дистанционного зондирования в зависимости от таких его параметров, как разрешение, длина волны несущей, поляризация сигнала, точность калибровки. Обосновано преимущество L-диапазона для работы перспективного Российского РСА, предложены его основные параметры, такие как состав поляризационных измерений, режимы работы, разрешающая способность и др.;

- рассмотрены варианты организации поляризационных измерений, проведено их сравнение и предложены наиболее предпочтительные параметры перспективного отечественного РСА.

Апробация работы: результаты работы, изложенные в диссертации, докладывались на международных, всероссийских, отраслевых конференциях и симпозиумах: на международных семинарах по калибровке радаров с синтезированной апертурой CEOS SAR Workshop в Нидерландах, США, Японии в 1993, 1994, 1998, 2001 гг.; на Генеральных ассамблеях URSI во Франции и Индии в 1996 и 2004 гг.; на Европейских конференциях по радарам с синтезированной апертурой EUSAR в 2000, 2004, 2006, 2008, 2010 гг.; на Международных симпозиумах по дистанционному зондированию IGARSS в 1999, 2000, 2003, 2011, 2012 гг.; на ХIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн., Санкт-Петербург, 1996 г.; на Всероссийских симпозиумах «Радиолокационное иследование природных сред», Санкт-Петербург, в 2002, 2004, 2006, 2007, 2009 гг.; на Международной научно-технической конференции “К.Э.Циолковский - 140 лет со дня рождения”, Рязань, 1997 г.; на Всероссийской научной конференции “Физические проблемы экологии (физическая экология)”, Москва,1997 г.; на II Всероссийском совещании “Аэрокосмические методы и геоинформационные системы в лесоведении и лесном хозяйстве”, Москва, 1998 г.; на III Всероссийской научной конференции “Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды”, Муром, 1999 г. ;на 3й Международной научно-технической конференции “Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоэкоинформатика”, Рязань, 2000; на Всероссийской научной конференции “Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими методами”, Муром, 2001 г.; на V Международной конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации – ПТСПИ’2003», г.Владимир, 2003 и 2004 гг.; на Всероссийских открытых конференциях «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.; на Симпозиуме ERS-Envisat Symposium, Sweden, 2000; на Симпозиуме ENVISAT-ERS Symposium, Austria, 2004 г.; на XXII Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (РРВ-22), Ростов-на-Дону, 2008 г.; на Всероссийской научной школе и конференции “Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред”, Муром. 2009, 2010, 2012 гг.; на X Всероссийской конференции «Проблемы мониторинга окружающей среды (ЕМ-2009)», Кемерово, 2009 г.; на Первой молодежной тектонофизической школе-семинаре, Москва, ИФЗ им. О.Ю.Шмидта РАН, 2009 г.; на Всероссийских конференциях «Радиолокация и радиосвязь». Москва, ИРЭ РАН, 2009, 2010 гг.; на Российской научной конференции «Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой». Улан-Удэ, 2010; на II Всероссийском семинаре «Геодинамика. Геомеханика и геофизика».. п. Новый Энхалук, Республика Бурятия, 2011 г.; на IX Международном симпозиуме по проблемам инженерного мерзлотоведения, г. Мирный, 2011 г.; на Международной IEEE Сибирской Конференции по управлению и связи SIBCON, Красноярск, 2011 г.; на 21-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2011 г.; на 5-ом Белорусском космическом конгрессе, Минск, 2011 г.; на Международных семинарах по научным и прикладным задачам радарной поляриметрии и поляриметрической интерферометрии (POLINSAR), Италия, 2007, 2009 гг.; на Симпозиумах руководителей научных проектов ALOS PI Symposium, Япония, 2001, Греция 2008, Япония 2010 гг.

Личный вклад автора заключается в развитии методов анализа радиолокационной информации, организации измерений, обработке радиолокационной информации и демонстрации новых возможностей РСА при решении задач ДЗЗ. Автор руководил основными этапами выполненных работ, проводил конкретные исследования. Им проработаны теоретические вопросы организации поляриметрической съемки естественных покровов, разработаны новые методы обработки данных интерферометрической съемки поверхности Земли, проведено исследование возможностей РСА при решении задач ДЗЗ в зависимости от его параметров.

В работе были использованы данные современных зарубежных радаров космического базирования ERS-1/2, ENVISAT, PALSAR, JERS-1, SIR-C, TerraSAR-X, полученных в рамках научных проектов, во многих из которых автор был научным руководителем: