Сравнительный обзор современных радиолокационных систем

      Комментарии к записи Сравнительный обзор современных радиолокационных систем отключены

Сравнительный обзор современных радиолокационных систем

Д. Б. Никольский

На данный момент идет активное развитие рынка данных дистанционного зондирования Почвы (ДЗЗ) в разных направлениях: это и возможность применения новых, ранее недоступных данных, и появление новых разработок обработки, новых ответов на базе данных ДЗЗ. Сейчас возможно четко выделить два пара обособленных направления получения пространственной информации о земной поверхности: съемка в видимой и инфракрасной территориях спектра – пассивное ДЗЗ (за исключением теплового ИК диапазона) и съемка в сантиметровом (радио) диапазоне – активное ДЗЗ. Эти, приобретаемые в оптической области спектра, употребляются весьма обширно и технологии их обработки прекрасно созданы, в отличие от радиолокационных данных, активное использование которых для ответа широкого круга задач — от классификации и до построения правильных цифровых моделей местности/рельефа (ЦММ/ЦМР) и карт смещений земной поверхности — лишь начинается в Российской Федерации. Возможно выделить последовательность главных тенденций в данной области:

  • Повышение пространственного разрешения, и как следствие точностных черт радарных данных.
  • Уменьшение периода между повторными съемками.
  • Возможность интерферометрической съемки.
  • Возможность многополяризационной съемки.
  • Применение данных, взятых в разных диапазонах разными сенсорами.
  • Запуск тандемных миссий с целью проведения единовременной интерферометрической съемки.

На данный момент на орбите находится 8 радарных космических аппаратов (КА), эти с которых дешёвы пользователям. Как и при с оптическими данными, с целью достижения прекрасных результатов при ответе разных задач нужно корректно выбрать данные. Цель данной статьи, продемонстрировать какие конкретно современные радарные эти представлены на ранке ДЗЗ, и какие конкретно классы задач возможно решать посредством тех либо иных данных.

Особенности радиолокационных данных

Спутниковое радиолокационное дистанционное зондирование проводится в радиодиапазоне: длины волн от 1 мм до 1 метра, частоты от 0.3 до 300 ГГц. Сенсор направляет луч энергетических импульсов на объект (около 1500 импульсов в секунду). Часть импульсов отражается обратно от объекта, и совокупность измеряет как обратный сигнал, так и расстояние до цели в зависимости от времени прохождения сигнала до цели и обратно. Для радиолокации применяют длины волн, определенные следующим образом (таблица 1):

Таблица 1. Микроволновый радиодиапазон

Диапазон

 Протяженность волны, см

Частота, ГГц
Ka Band 0,8 – 1,1 40,0 – 26,0
K Band 1,1 – 1,7 26,5 – 18,5
Ku band 1,7 – 2,4 18,5 – 12,5
X Band 2,4 – 3,8 12,5 – 8,0
C Band 3,8 – 7,5 8,0 – 4,0
S Band 7,5 – 15,0 4,0 – 2,0
L Band 15,0 – 30,0 2,0 – 1,0
P Band 30,0 – 100,0 1,0 – 0,3

Диапазоны Ka, K и Ku употребляются для радиолокаторов, расположенных на воздушных радарных совокупностях, но они уже достаточно редки. Диапазоны X, C и L употребляются для получения данных как с самолетов, так и из космоса, S и P используются лишь для зондирования со спутников. Радиосигнал способен попадать через дождевые капли и облачность, эта свойство определяется длиной волны.

Сигнал с длиной волны более 2 см гарантированно попадает через облачность, при длине волны 3-4 см и больше сигнал попадает и через ливень. Протяженность волны значительно влияет на амплитуду отраженного радиолокационного сигнала, и на чертей обратного рассеяния от подстилающей поверхности.

Работа на более долгих радиоволнах (L-диапазон) снабжает сильные отраженные сигналы в основном для более больших объектов земной поверхности, и частичное проникновение радиоволн через снежный и растительный покровы и, при определенных условиях, через почву и песок. Более маленькие волны (C- и X-диапазоны) нужны для обнаружения границ малых объектов местности, помимо этого, излучение на в этих диапазонах имеет  тенденцию более очень сильно отражаться растительным и снежным покровами, и землёй.

 а) Искажение наклонной дальности

б) Эффект складки

в) Переналожение

г) Радиолокационная тень

Рис. 1. Эффекты, появляющиеся на радарных снимках обусловленные рельефом местности и геометрией съёмки

Геометрия съемки для радарных совокупностей значительно отличается от оптических, поскольку съемка выполняется при большом отклонении от надира. Для радарных данных совокупность координат снимка выглядит следующим образом: азимут – направление, параллельное траектории и дальность – наклонное расстояние от сенсора до поверхности.

Значения углов съемки изменяются в зависимости от режимов и сенсоров съемки и могут быть около от 8° до 60°, такая геометрия съемки приводит к ряду геометрических искажений на снимках (рис. 1): искажение наклонной дальности (неравномерность разрешения снимка по дальности), эффект складки, переналожения и радиолокационные тени. Устранение этих эффектов выполняется при ортотрансформировании данных по правильной ЦМР.

На рис. 2 приведены два изображения, наглядно демонстрирующие большие отличия в геометрии съемки между радиолокационными и оптическими данными.

Радарные изображения имеют последовательность радиометрических изюминок: на снимках кроме того для однородной поверхности проявляются большие вариации уровня яркости между соседними пикселями, создавая зернистую текстуру. Это — спекл-шум, что появляется по причине того, что результирующее изображение конкретного пиксела получается в следствии сложения множества значений, поскольку антенна сенсора синтезируется.

При получении изображений употребляется принцип радиолокации с синтезированной апертурой (РСА, или SAR). Все современные датчики — это SAR совокупности, и на всех радарных изображениях присутствует спекл-шум. Использование как раз SAR совокупностей позвано тем, что при маленьких размерах настоящих антенн КА нереально взять высокое пространственное разрешение.

При применении же синтезированной апертуры, в то время, когда антенна синтезируется на большом участке орбиты, удается достигнуть  большого пространственного разрешения. Спекл-шум (зернистость на рис. 3) – это мультипликативное искажение, другими словами, чем посильнее сигнал, тем посильнее искажение.

Для устранения спекл-шума употребляются разные типы фильтрации.

а) TerraSAR-X (режим SCANSAR, пространственное разрешение 16 м)

б) Landsat-7(комбинация каналов: 3-2-1, пространственное разрешение 30 м)

Рис. 2. Сравнение радарного снимка и снимка в видимой территории спектра

Наровне со спекл-шумом, на изображении присутствуют радиометрические искажения, вызванные геометрией съемки. Так как съемка проводится под разными углами для разных точек снимка, то появляется неоднородность яркости по полю снимка: при малом угле – бросче, чем при большем угле съемки (см. рис. 3).

Данное искажение устраняется методом введения разных коэффициентов усиления антенны по полю снимка.

Еще одна группа искажений позвана рельефом поверхности и геометрией съёмки: это области затенений и переналожений, они относятся к геометрическим искажениям, вместе с тем воздействуют на радиометрию.

Рис. 3. Радиометрические искажения (снимок ERS-1)

Многие из современных радарных спутниковых совокупностей ДЗЗ (ALOS-PALSAR, TerraSAR, Radarsat-2 и др.) разрешают приобретать изображения при разной поляризации излучения. Поляризация определяется ориентацией вектора электромагнитной индукции, при сотрудничестве с объектом поляризация изменяется и несет в себе данные об объекте.

Рис. 4. Кроссполяризация

Параллельная поляризация: излученный и принятый сигнал имеет одну и ту же поляризацию: HH и VV (с какой поляризацией облучается поверхность, с такой же поляризацией принимается обратноотраженное излучение), такие типы поляризации имеют тенденцию фиксировать обратное рассеяние волн от объектов, ориентированных в том же самом направлении, что и падающая волна.

Кроссполяризация: излученный и принятый сигнал имеют разную поляризацию: HV и VH (облучение поверхности идет при одной поляризации, а принимается отраженный сигнал с другой поляризацией), такие типы поляризации разрешают фиксировать отраженные сигналы, образующиеся в следствии объемного рассеивания, которое деполяризует энергию, как к примеру, при сигналов, отраженных от земной поверхности и стволов деревьев.  На рис.4 схематично продемонстрирован принцип кроссполяризации.

Изображения, приобретаемые при разных поляризациях излучения, разрешают более корректно проводить классификацию объектов подстилающей поверхности. Как видно из приведенного примера (рис. 5) при применении ложноцветового поляриметрического композитного изображения мы можем четко классифицировать объекты: голубые и светло синий тона – это не высокий растительность, красные – лес, зеленые – болотная растительность, более чёрные оттенки говорят об увлажнении поверхности.

В этом случае по снимку с единичной поляризацией различить лес и низкорослую растительность достаточно сложно – тоновые отличия минимальны.

а) Поляризация НН

б) Композитное поляриметрическое изображение HV-HH-VV

Рис. 5. ALOS PALSAR PLR

Сравнительный обзор современных радиолокационных совокупностей

На данный момент на орбите находятся 8 радиолокационных КА, эти с которых дешёвы пользователям, кроме этого большое число аппаратов планируется к запуску в ближайшие пара лет. В таблице 2 приведен последовательность главных черт радарных совокупностей: диапазон, периодичность съемки, большое пространственное разрешение, соответствующая ему полоса захвата, и возможность поляриметрической съемки.

Таблица 2. Современные и перспективные радарные совокупности ДЗЗ

Спутник

 Страна Запуск Диапа-территорий Период, дней Съемка ПЛ
ПР,м

ПС, км
ERS-2 Европа 21.04.1995 C 35 30 100 —
Radarsat-1 Канада 04.11.1995 C 24 8 50 —
Envisat /ASAR Европа 01.03.2002 C 35 25 100 +/-
ALOS / PALSAR Япония 24.01.2006 L 46 7 70 +
COSMO-SkyMed-1* Италия 07.06.2007 X 16 1 10 +
TerraSAR-X Германия 15.06.2007 X 11 1 10х5 +
COSMO-SkyMed-2* Италия 08.12.2007 X 16 1 10 +
Radarsat-2 Канада 14.12.2007 C 24 3 20 +

Перспективные совокупности
COSMO-SkyMed-3 Италия Лето 2008 X 16 1 10 +
Кондор-Э Российская Федерация Осень 2008 S — 1-2 10-20 —
RISAT-1 Индия Октябрь 2008 C 12 2 10 +
TanDEM-X Германия Лето 2009 X 11 1 10х5 +
Huan Jing-1C (HJ-1C) Китай 2009 S 31 1 — —
SAOCOM-1A/1B Аргентина 2010 L 16 7 50 +
Kompsat-5 Ю. Корея 2010 X — 1 5 н/д

ПР – большое пространственное разрешение, которое дает совокупность

ПС – полоса съемки, соответствующего режима

ПЛ – возможность поляриметрической съемки (- нет, + имеется, +/- частично, н/д — нет данных)

*   – вопрос коммерческого распространения данных в России уточняется

Существующие эти возможно поделить по нескольким группам: 1 – эти среднего разрешения (ERS  и ENVISAT), 2 – большого разрешения (Radarsat и ALOS PALSAR) и 3 – очень высокого разрешения (TerraSAR-X, COSMO-SkyMed). Все приведенные спутники кроме этого имеют возможность проводить съемку с более низким разрешением, но большей территории (в таблице приведено наилучшее разрешение).

Серьёзным параметром есть период повторения орбиты – это минимально вероятный период для получения интерферометрической пары радиолокационных снимков тем либо иным сенсором, или для получения снимка территории при однообразной геометрии. Минимальный период на сегодня – 11 дней имеет спутник TerraSAR-X, большой ALOS – 46 дней. В последней колонке продемонстрирована возможность сенсоров приобретать поляриметрические эти.

направляться подчернуть, что для всех находящихся на орбите сенсоров, за исключением ALOS-PALSAR, существует возможность заказа новой съемки, причем даты проведения съемки согласовываются с клиентом. Что касается данных ALOS-PALSAR, съемка данным аппаратом земной поверхности выполняется по особой программе и архив данных всегда пополняется. На рис.

6 приведен замысел съемок Земной поверхности КА ALOS (PALSAR) в трех главных режимах.

Рис. 6. Замысел съемки Земной поверхности КА ALOS (PALSAR) в трех режимах, за период 04.2008 – 09.2009

Как видно из приведенного замысла (рис. 6), съемка территории России ведется и планируется систематично. Главными съемочными режимами являются FBS (единичная поляризация) и FBD (двойная поляризация).

Съемка в широкополосном режиме (WS, разрешение 100 м), кроме этого проводится на регулярной базе.

Цена радиолокационных данных зависит от разрешающей сенсора и способности. В таблице 3 приведена обобщенная информация по главным стоимости и техническим параметрам радиолокационных данных, приобретаемых разными SAR-совокупностями.

Таблица 3. Главные стоимость и технические параметры радиолокационных данных

Спутник

 Режим съемки ПР, м Размер сцены, км Поляри-зация 1 Цена данных 2, руб.
Архив 3 Новая съемка 4
сцена 1 кв. км сцена

1 кв. км
1 2 3 4 5 6 7 8 9
TerraSAR-X HighSpot 1 5?10 НН/VV 121500 2430 243000 4860
SpotLight 2 10?10 HH/VV либо HH+VV 121500 1215 243000 2430
1 2 3 4 5 6 7 8 9
TerraSAR-X StripMap 3 30?50 HH/VV/ HV/VH

либо

HH+HV/ VV+VH/ HH+VV

 94500 63 135000 90
ScanSAR 16 100?150 HH/VV 69300 4,6 99000 6,6
Radarsat-2 Ultra-Fine 3 20?20 HH/VV/ HV/VH 138000 345 135000 337,5
Fine 5 8 50?50 HH/VV/ HV/VH

либо

HH+HV/ VV+VH

 93000 37,2 90000 36,0
Standard 5 25 100?100 93000 9,3 90000 9,0
Wide 5 30 150?150 93000 4,1 90000 4,0
ScanSAR Narrow 5 50 300?300 93000 1,03 90000 1,0
ScanSAR Wide 5 100 500?500 93000 0,4 90000 0,36
Extended High 25 75?75 HH 93000 16,5 90000 16,0
Fine

Quad-Pol

 12 25?25 полная 138000 220,8 135000 216
Standard

Quad-Pol

 25 25?25 138000 220,8 135000 216
ALOS / PALSAR Fine Beam Single (FBS) 7 70?70 HH/VV 13750 2,8 — —
Fine Beam Dual (FBD) 14 70?70 HH+HV/VV+VH 13750 2,8 — —
Polarimetric (PLR) 24 35?70 Полная 13750 5,6 — —
ScanSAR 100 350?350 HH/VV 13750 0,1 — —
Radarsat-1 6 Fine 8 50?50 HH 94375 37,8 90000 36,0
Standard 25 100?100 94375 9,4 90000 9,0
Extended High 25 75?75 94375 16,8 90000 16,0
Wide 30 150?150 94375 4,2 90000 4,0
Extended Low 35 170?170 94375 3,3 90000 3,1
ScanSAR Narrow 50 300?300 94375 1,05 90000 1,0
ScanSAR Wide 100 500?500 94375 0,4 90000 0,36
Envisat / ASAR Image (IM) 25 100?100 VV 10800 1,1 18000 1,8
Alternating Polarisation (AP) 25 100?100 VV+VH 10800 1,1 18000 1,8
Wide Swath (WS) 100 400?400 VV 10800 0,07 18000 0,1
ERS-2 Image (IM) 30 100?100 VV 6480 0,65 10800 1,1

1    —  символ / значит, что выбирается какая-то одна поляризация из указанных

2   — цена данных указана не учитывая НДС

3   — для различных спутников, эти являются архивными по окончании следующих сроков:

TerraSAR-X:  HighSpot и SpotLight – 6 месяцев, StripMap и ScanSAR – 12 месяцев;

Radarsat-1,2: по окончании исполнения съемки;

ALOS-PALSAR: по окончании исполнения съемки;

ENVISAT, ERS-2: по окончании исполнения съемки

4  — обычный режим съемки. При заказе новой съемки для последовательности спутников существует понятие приоритетной съемки, при которой цена данных возрастает.

5  — при заказе данных Radarsat-2 вероятно выбрать единичную либо двойную поляризацию, за двойную – доплата в размере 5000 руб.

6   — архивные эти Radarsat-1, полученные до 1 января 1999 предлагаются по сниженной цене — 37 500 руб.

Как видно из вышеприведенных таблиц (2 и 3) на рынке представлены достаточно разнообразные эти, как по разрешению, диапазонам съемки, так и по цене. По этим обстоятельствам при применении радиолокационных данных принципиально важно верно выбирать нужные снимки для ответа конкретных задач.

Литература:

  • TERRAFIRMA ATLAS.  NPA, ESA, BGS Terrafirma Partners, 2005 http://terrafirma.eu.com/Documents/TERRAFIRMA_ATLAS.pdf
  • http://www.infoterra.de
  • http://gs.mdacorporation.com/
  • Киенко Ю. П. Базы космического природоведения. Картгеоцентр-Геоиздат, 1999.

Загоризонтная радиолокация


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: