Визуализация с высоким разрешением и широким диапазоном обзора

Эта статья поднимает множество проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны ) Эта статья может быть слишком технической, чтобы ее могло понять большинство читателей . Пожалуйста, помогите улучшить его, чтобы он был понятен неспециалистам , не удаляя технические детали. ( Ноябрь 2016 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) Эта статья, возможно, содержит оригинальные исследования . Пожалуйста, улучшите его , проверив сделанные утверждения и добавив встроенные цитаты . Заявления, содержащие только оригинальные исследования, следует удалить. ( Ноябрь 2016 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Поиск источников:  «РСА-изображения с высоким разрешением и широкой полосой обзора»  -  новости  · газеты  · книги  · ученые  · JSTOR ( ноябрь 2016 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) Эта статья написана как исследовательская статья или научный журнал, в котором могут использоваться чрезмерно технические термины, или же она может быть написана не как энциклопедическая статья . Пожалуйста, помогите улучшить его , переписав в энциклопедическом стиле . ( Ноябрь 2016 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Получение изображений с высоким разрешением и широкой полосой обзора (HRWS) является важным разделом в построении изображений с помощью радаров с синтезированной апертурой (SAR), метода дистанционного зондирования, способного обеспечивать изображения с высоким разрешением независимо от погодных условий и солнечного света. Это делает SAR очень привлекательным для систематического наблюдения за динамическими процессами на поверхности Земли, что полезно для мониторинга окружающей среды, картографирования ресурсов Земли и военных систем.

Технология SAR предоставила геологам структурную информацию о местности для разведки полезных ископаемых, ^[1] разливы нефти ^[2], границы на воде для экологов, состояние моря и карты ледовой опасности для навигаторов ^[3], а также разведданные, наблюдение, разведку и обнаружение информации для военных операции. ^[4]

Обычные системы SAR ограничены тем, что широкая полоса обзора может быть достигнута только за счет ухудшения разрешения по азимуту . Поскольку важны и широкая зона покрытия, и выход с высоким разрешением, это создает проблемы и противоречит требованиям к конструкции космических систем SAR и связанных с ними новых алгоритмов.

Постановка проблемы и основы [ править ]

Формулировка проблемы [ править ]

Современные системы SAR с высоким разрешением довольно ограничены в отношении своих возможностей обнаружения. ^{[ необходима цитата ]}

Требования к космическому SAR

Примером может служить TerraSAR-X , немецкий спутник наблюдения Земли. Его основной полезной нагрузкой является радарный датчик X-диапазона (3,1 см) с различными режимами работы, что позволяет ему обеспечивать несколько режимов визуализации для записи изображений с разной шириной полосы обзора, разрешением и поляризацией, см. Рисунок для более подробной информации. В режиме полосковой карты (пространственное разрешение 3 м) требуется 10 недель, чтобы нанести на карту земной массив Земли. Это ограничение также создало проблему при разработке TanDEM-X., который является двойным спутником TerraSAR-X. Пролетая в тесном строю всего на расстоянии нескольких сотен метров друг от друга, два спутника одновременно снимают местность под ними, но под разными углами. Для выполнения одного глобального интерферометрического захвата суши для TanDEM-X требуется один год.

Чтобы преодолеть это, некоторые ученые предлагают миссию Тандем-L, которая является ярким примером. ^[5] Концепция миссии Tandem-L основана на использовании двух спутников, работающих в L-диапазоне (длина волны 24 см), который имеет гораздо большую длину волны по сравнению с X-диапазоном. Большая длина волны позволяет ему выполнять требования для томографических измерений трехмерной структуры растительности и ледяных областей, а также для крупномасштабной съемки деформаций с точностью до миллиметра.

Для будущих миссий SAR может потребоваться картографирование на один или даже два порядка лучше, чем у Tandem-L, целью которого является исследование динамических процессов на поверхности Земли. Для этого требуется чрезвычайно мощный инструмент SAR, способный наносить на карту всю поверхность Земли два раза в неделю с полной поляризацией и с пространственным разрешением значительно ниже 10 м. С другой стороны, некоторые другие миссии требуют гораздо более высокого пространственного разрешения.

Основы [ править ]

При использовании одного спутника частое и непрерывное покрытие может быть достигнуто только при съемке широкой полосы обзора.

Ширина полосы пропускания ограничивает интервал повторения импульсов (PRI) или, что эквивалентно, частоту повторения импульсов (PRF), которая равна 1 / PRI следующим образом.

Если датчик SAR летит со скоростью , а на земле находятся две цели P и Q , азимутальный угол рассчитывается как . Для SAR с небольшой полосой пропускания обычная линейная зависимость между азимутальной частотой и углом с длиной волны описывается следующим образом:${\ displaystyle v}$${\ Displaystyle \ Дельта \ фи = \ фи Р- \ фи Q}$${\ displaystyle \ lambda}$

${\ displaystyle PRF = (- 2v / \ lambda) * sin \ phi = (- 2v / \ lambda) * \ phi}$

Чтобы оптимизировать производительность и контролировать диапазон неоднозначностей, PRI должен быть больше, чем время, необходимое для сбора сигналов со всей освещенной полосы. Однако, с другой стороны, чтобы избежать огромных уровней неоднозначности азимута, большой PRI предполагает использование небольшой доплеровской полосы пропускания и ограничивает достижимое разрешение по азимуту. ^[6]

ScanSAR с несколькими азимутальными каналами [ править ]

Одним из примеров является комбинация смещенных фазовых центров по азимуту со сканером низкого разрешения ScanSAR или наблюдения за ландшафтом с помощью режима прогрессивного сканирования (TOPS). ^[7]

Как и в классическом ScanSAR, ^[8] всплески азимута используются для картирования нескольких полос. Инновационная работа многоканальных систем SAR в пакетных режимах показана на втором изображении, где рассмотрены многоканальные конфигурации с одной передающей («Tx») антенной и несколькими приемными («Rx») антеннами, Tx и Rx могут быть реализованы на отдельных платформах. а также по отдельности на той же платформе или даже интегрированы в одну антенну по модульной технологии приема и передачи (T / R).

Одним из ключевых этапов является многоканальная обработка азимута. Многоканальный SAR по азимуту можно интерпретировать как линейную систему функций фильтра, которые характеризуют импульсные характеристики отдельных апертур по амплитуде и фазе в зависимости от доплеровской частоты . Слева показана общая модель системы.${\ displaystyle f}$

${\ Displaystyle U_ {s} (е)}$характеризует сцену, а - азимутальный импульсный отклик одноапертурной системы, дающий эквивалентный моностатический сигнал SAR. Функции представляют канал между передатчиком (Tx) и каждым приемником (Rx ) в отношении моностатической импульсной характеристики, в результате чего получается соответствующий многоканальный сигнал SAR . Предполагая, что один передатчик и несколько каналов приемника, физическое расстояние вдоль пути между Rx и задается как Δx, а λ представляет собой длину волны несущей, представляет наклонный диапазон и и представляет скорости датчика и луча на земле соответственно. .${\ Displaystyle H_ {s} (е)}$${\displaystyle U(f)}$${\displaystyle H_{s}(f)}$${\displaystyle j}$${\displaystyle j}$${\displaystyle U_{j}(f)}$${\displaystyle j}$${\displaystyle T_{x}}$${\displaystyle R_{0}}$${\displaystyle v_{s}}$${\displaystyle v_{g}}$

После приема каждый сигнал дискретизируется по азимуту с помощью PRF, и, следовательно, максимальная ширина полосы сигнала составляет N⋅PRF в соответствии с эффективной частотой дискретизации. Затем компактную характеристику всей системы дает матрица , в которой следует отметить зависимость от параметра PRF.${\displaystyle H(f)}$

Согласно обобщенной теореме выборки, N независимых представлений сигнала, каждое из которых подвергается субдискретизации с частотой 1 / N от частоты Найквиста сигнала, позволяют однозначно «реконструировать» исходный сигнал из наложенных доплеровских спектров N представлений. Это означает, что любой сигнал с ограниченной полосой частот однозначно определяется в терминах откликов или, что то же самое, соответствующих функций . Это справедливо независимо от пространственного распределения выборки до тех пор, пока образцы не совпадают в пространстве. Затем инверсия дает матрицу, которая содержит в своих строках N функций, каждая из которых представляет фильтр для многоканальной обработки канала.${\displaystyle U(f}$${\displaystyle U_{j}(f)}$${\displaystyle H_{j}(f)}$${\displaystyle H(f)}$${\displaystyle P(f)}$${\displaystyle P_{j}(f)}$${\displaystyle j}$

${\displaystyle P(f)=H^{-1}(f)}$

Затем исходный сигнал восстанавливается путем фильтрации каждого канала соответствующим фильтром «восстановления» и последующей когерентной комбинации всех взвешенных каналов приемника. Связанная с этим потеря разрешения из-за совместного использования синтетической апертуры между различными полосами обзора компенсируется сбором радиолокационных эхосигналов с несколькими смещенными азимутальными апертурами.${\displaystyle U(f)}$${\displaystyle j}$${\displaystyle P_{j}(f)}$

Возможным недостатком многоканальных подходов ScanSAR или TOPS является довольно высокий доплеровский центроид ^[9], который является одним из наиболее важных параметров, которые необходимо оценивать при вычислении изображений SAR. Для некоторых из отображаемых целей, если требуется высокое разрешение. Более того, большие углы косоглазия также могут затруднить совместную регистрацию в интерферометрических приложениях.

Одноканальный SAR с несколькими лучами возвышения [ править ]

Помимо многоканального ScanSAR, большой интерес представляют концепции, основанные на одновременной регистрации эхо-сигналов различных импульсов, передаваемых широколучевым осветителем и исходящих с разных направлений. ^[10]

Потому что он имеет следующие преимущества: несколько апертур, которые смещены по траектории, могут собирать дополнительные образцы вдоль синтетической апертуры, и в то же время они обеспечивают эффективное подавление азимутальной неоднозначности. Более того, управляя высоконаправленным лучом приемника, следующим за импульсом радара, когда он движется по земле, несколько каналов по углу места могут улучшить SNR (отношение сигнал-шум) без уменьшения ширины полосы обзора. Кроме того, усовершенствованные многоканальные архитектуры SAR позволяют избежать использования отдельных антенн Tx и Rx и позволяют увеличить зону покрытия без необходимости либо удлинения антенны, либо использования пакетных режимов.

Для достижения этих преимуществ приемная антенна обычно разделяется на несколько субапертур, и каждая из них подключается к отдельным каналам приемника. Затем записанные в цифровой форме сигналы субапертуры объединяются в пространственно-временном процессоре для одновременного формирования нескольких независимых лучей и сбора дополнительной информации о направлении рассеянных радиолокационных эхо-сигналов.

Альтернативой планарной решетке является рефлекторная антенна в сочетании с цифровой фидерной решеткой, которая представляет особый интерес для низкочастотных радиолокационных систем, работающих в L- и P-диапазонах (1 м), ^[11] сочетает в себе возможности цифрового формирования диаграммы направленности. с высокой направленностью антенны с большим рефлектором.

Архитектура на основе отражателя дает возможность использовать все элементы решетки одновременно для передачи широкого луча без перетекания, что требуется для освещения в широкой полосе обзора.

Для параболоидального отражателя с решеткой облучателя, расположенной близко к фокальной точке, сигналы, поступающие с заданного направления, обычно соответствуют только одному или очень небольшому подмножеству активированных элементов питания. И это свойство может снизить сложность реализации и стоимость радара с цифровым формированием луча.

Однако этот метод также имеет недостаток, заключающийся в наличии слепых диапазонов в полосе обзора, поскольку радар не может принимать во время передачи.

Цифровое формирование луча с помощью рефлекторной антенны [ править ]

Интересной альтернативой планарной антенне является отражатель, питаемый многоканальной антенной. Параболический отражатель фокусирует приходящую плоскую волну на одном или небольшом подмножестве питающих элементов. Поскольку эхо-сигналы в полосе обзора приходят в виде плоских волн от увеличивающихся углов обзора, поэтому необходимо считывать только один элемент питания за другим, чтобы направить луч с высоким коэффициентом усиления вместе с приходящими эхо-сигналами. Недостатком многолучевого режима является наличие слепых зон в полосе обзора, поскольку радар не может принимать во время передачи. ^{[12] [13]}

Было предложено несколько инновационных методов, использующих несколько приемных апертур («Rx»), чтобы преодолеть ограничения, присущие традиционному SAR для получения изображений HRWS. Для достижения оптимальной производительности соотношение между скоростью датчика и смещением по трассе этих субапертур должно привести к равномерно распределенным эффективным фазовым центрам , таким образом , ведущих к равномерной выборке принимаемого сигнала. Для этого требуется, чтобы оптимальная PRF была равна .${\displaystyle v}$${\displaystyle \Delta x}$${\displaystyle N}$${\displaystyle 2v/N\Delta x}$

Если выбрана неоптимальная частота повторения импульсов, собранные образцы располагаются неравномерно. Это требует дополнительного этапа обработки после преобразования с понижением частоты и квантования многоапертурного азимутального сигнала до того, как могут быть применены традиционные моностатические алгоритмы (такие как алгоритм Доплера диапазона (RDA) ^[14] и Алгоритм масштабирования ЛЧМ (CSA) ^[15] ). . Для этого отдельные сигналы апертуры рассматриваются как независимые каналы Rx (см. Рисунок ниже, A / D означает аналого-цифровой преобразователь). Целью обработки по азимуту является объединение каналов, каждый из которых имеет полосу пропускания , субдискретизированную с, чтобы получить сигнал, эффективно дискретизированный с${\displaystyle N}$${\displaystyle N*PRF}$${\displaystyle PRF}$${\displaystyle N*PRF=PRF_{eff}}$, которые достигают критерия Найквиста путем усреднения после обработки. Таким образом, выходной сигнал в оптимальном случае свободен от наложения спектров.

Staggered-SAR [ править ]

Как указывалось в предыдущем разделе, для многолучевых режимов он имеет недостаток, заключающийся в наличии слепых диапазонов в полосе обзора, поскольку радар не может принимать во время передачи. Смещенный SAR ^[16] может преодолеть этот недостаток, непрерывно изменяя PRI циклически, что позволяет получать изображение широкой непрерывной полосы обзора без необходимости в длинной антенне с множеством апертур.

Почему это сработает? Поскольку при построении спутниковых изображений SAR длина антенны и требуемое разрешение по азимуту устанавливают верхнюю границу выбранного PRI . ПОИ , в свою очередь, ограничивает максимальную непрерывную ширину валка в наклонной дальности, который лишь незначительно под влиянием несжатого передаваемой длительности импульса . Непрерывный временной интервал, в котором может быть получено радиолокационное эхо, ограничен сверху интервалом времени между концом переданного импульса и, скажем, началом следующего . Однако, когда радар передает, устройство не может принимать эхо-сигнал радара, поэтому радар может принимать сигнал только от целей, которые находятся внутри . Разница между этими двумя временными интервалами вызывает слепую зону, которая определяется как${\displaystyle \tau }$${\displaystyle PRI-\tau }$${\displaystyle PRI-2\tau }$${\displaystyle \tau }$${\displaystyle c_{0}*\tau }$, где - скорость света в свободном пространстве.${\displaystyle c_{0}}$

Если PRI однороден, слепые диапазоны останутся неизменными по азимуту, а после сжатия по азимуту изображение будет иметь слепые полосы ширины . Если PRI изменяется, тем не менее, слепые диапазоны все еще существуют, но положение этих слепых диапазонов также изменяется и будет различным для каждого передаваемого импульса, поскольку переданный импульс связан только с предыдущими переданными импульсами. Таким образом, когда принимается во внимание общая синтетическая апертура, оказывается, что в каждом наклонном диапазоне отсутствуют только некоторые из переданных импульсов, поэтому можно получить изображение SAR в широком непрерывном диапазоне. На рисунке справа показано расположение слепого диапазона как фиксированная PRI и разнообразной ИРП .${\displaystyle c_{0}*\tau }$

Ссылки [ править ]