1.2. Развитие радиолокационного
мониторинга Земли
Эволюция аэрокосмического мониторинга Земли
Радары аэрокосмического радиолокационного мониторинга Земли прошли в своем развитии ряд поколений4.
Характерными особенностями радаров с синтезированной апертурой первого поколения являются использование антенных решеток с неуправляемой диаграммой направленности. Изменение положения полосы обзора достигалось механическим поворотом летательного аппарата или антенны. В качестве усилителей мощности чаще всего применялись ЛБВ с корпоративной системой запитки излучающих элементов. Комплексы являются одно-частотными (С- или L-диапазоны) и одноканальными (сигналы линейной поляризации НН или WJ системами, обеспечивающие работу в одном-двух режимах (обзорный и детальный, которые определялись шириной луча). Пространственное разрешение 20...30 м (максимальное до 10 м). Скорость передачи данных 60... 120 Мбит/с. Системы обработки строились на основе оптических комплексов и не обеспечивали работу в режиме реального масштаба времени. К системам первого поколения можно отнести радары с синтезированной апертурой SIR-A и -В (США), а также радиолокаторы, установленные на борту КА Seasat (США), ERS-1 и -2 (Европа), «Алмаз» (Россия) и JER3-1 (Япония).
Отличительной чертой комплексов второго поколения, используемых в настоящее время, является применение фазированных антенных решеток (ФАР) или активных ФАР с электронным сканированием луча в угломестной (реже и в азимутальной) плоскости. В активных решетках применяются твердотельные приемопередающие модули (в том числе СВЧ-микросхемы, созданные по технологии MMIC) и фазовращатели станций являются одно- или многочастотными системами (диапазоны частот L, С и X) с одним или несколькими поляризационными каналами. Благодаря использованию ФАР с электронным сканированием луча, современные станции работают в трех-семи режимах, в том числе в широкополосном режиме ScanSAR и телескопическом режиме с высоким разрешением. Типовая разрешающая способность 8...100 м. Ширина спектра ЛЧМ-сигналов 10...40 МГц. Скорость передачи информации с борта ЛА 100...225 Мбит/с. В основном используются тяжелые спутниковые платформы (типовая масса КА 2...8 т). Благодаря использованию высокопроизводительных вычислительных систем с параллельной архитектурой достигнута высокая скорость обработки радиолокационной информации (задержка несколько часов), позволяющая приблизиться к реальному масштабу времени. К радарам с синтезированной апертурой второго поколения можно отнести системы, установленные на борту космических аппаратов RARADSAR-1 (Канада), Alos (Япония), Envisat-1 (Европа) и на модуле «Природа» (Россия). Наиболее современной спутниковым радаром с синтезированной апертурой в настоящее время является трехчастотная четырехканальная поляриметрическая система SIR-C/X-SAR (США, ФРГ, Италия), которая устанавливается в грузовом отсеке космического корабля (КК) Shuttle и использует его энергетические ресурсы. Недостаток5 системы состоит в малой продолжительности работы (10...12 суток), ограниченной длительностью пребывания корабля Shuttle на орбите.
Разработка радаров с синтезированной апертурой третьего поколения началась в конце 90-х годов. Особенности этих радаров с синтезированной апертурой - высокое разрешение (единицы метров) и применение платформ малого и среднего класса (массой 700... 1500 кг). Спутники предполагается оснастить активными ФАР с двумерным электронным сканированием (реже только сканированием в угломестной плоскости) или параболическими управляемыми антеннами. Благодаря азимутальному сканированию луча кроме традиционных режимов работы перспективные радары с синтезированной апертурой смогут обеспечить съемку с высоким разрешением в телескопическом и стереополосовом (look-steering) режимах. Многофункциональные радары с синтезированной апертурой будут работать в одном-двух частотных диапазонах (как правило, используются С- или Х-диапазоны для достижения высокого разрешения), возможно с несколькими поляриметрическими каналами.
Дополнительные режимы работы радаров с синтезированной апертурой - селекция движущихся целей, интерферометрическая съемка.
Размер снимаемого участка местности может меняться от 2...5 до 300...500 км, а разрешающая способность - от единиц метров до 100... 150 м (благодаря применению широкополосных сигналов может быть достигнуто сверхразрешение - до 0,3 м). Для снижения массы платформы и радара разрабатываются развертываемые в космосе надувные панели солнечных батарей и антенны радара с низким удельным весом, а также перспективные малогабаритные приемопередающие модули и технологии микроэлектромеханических компонентов.
Планируется также разработать двухантенные системы для обеспечения высокоточной однопроходной интерферометрической съемки (впервые испытана на комплексе SIR-C/X-SAR в феврале 2000 г. во время полета КК Shuttle). Скорости передачи данных возрастут до 300...600 Мбит/с. Благодаря использованию транспьютеров, цифровых процессоров обработки сигналов и сверхбольших интегральных схем VLSI наряду со специализированными вычислительными системами будет обеспечен режим обработки радиолокационной информации в масштабе времени, близком к реальному.
Основной чертой радаров с синтезированной апертурой третьего поколения является достижение высоких характеристик при относительно низких финансовых затратах. К таким системам следует отнести перспективные космические аппараты с радарами Dis-coverer-2, Radar-1, LightSAR (США), Radarsat-2 (Канада), TerraSAR (ФРГ, Великобритания), МКА НПО машиностроения (Россия).
Современное состояние аэрокосмического
радиолокационного мониторинга
Нас интересуют вопросы использования радаров с синтезированной апертурой в задачах глобального, регионального и локального мониторинга поверхности суши и Мирового океана. При этом будем подразделять весь класс радаров данного типа на спутниковые и авиационные - самолетные и вертолетные. Такое деление радаров связано с некоторыми специфическими особенностями их конструкции и эксплуатации на борту того или иного летательного аппарата, а также с пространственной иерархией (масштабным рядом) получаемой с их помощью информации, которая должна быть адекватна масштабам зондируемых территорий, объектов и явлений.
В таблице 1.1. приведены основные характеристики отечественных и зарубежных радаров с синтезированной апертурой, являющихся наиболее типичными представителями современных средств аэрокосмического радиолокационного мониторинга Земли.
Таблица 1.1.
Спектральные, поляризационные и пространственные
характеристики аэрокосмических радаров
№
пп
|
Наименование прибора (разработчик)
|
Длина волны, см
|
Поляризация
|
Полоса
обзора, км
|
Разрешение, м
|
1.
|
Радар космического аппарата «Алмаз-1Б» (Россия)
|
9,6
|
ГГ
|
20-45
|
10-15
|
2.
|
AMI-SARUC3ERS-1.2 (Евр. косм, агентство)
|
5,66
|
ВВ
|
100
|
30(10)
|
3.
|
Радар UC3 Radarsat (Канада)
|
5,3
|
ВВ
|
100-170
|
25-100
|
4.
|
Спутниковый радар JERS-1 (Япония)
|
23
|
ГГ
|
75
|
18
|
5.
|
Космический радар SIR-C/X-SAR (США, Германия, Италия)
|
3,1; 5,66; 23,4
|
ВВ
|
50
|
10-30
|
6.
|
Самолетный радар - интерферометр InSAR STAR-3I (Канада)
|
3,1
|
ВВ
|
6-8
|
2,5
|
7.
|
Самолетный радар «ИМАРК» (Россия)
|
3,9; 23;68; 254
|
ВВ, ГГ
|
24
|
15-25
|
8.
|
Самолетный радар CARABAS (Швеция)
|
500 (средняя)
|
ГГ
|
30
|
2,5
|
9.
|
Вертолетный радар MkV (США)
|
100 (средняя)
|
ВВ
|
0,5
|
1
|
10.
|
Вертолетный радар Альба-Ф (Россия)
|
3
|
ГГ
|
260
|
3-5
|
Источник: Лаверов Н.П., Канащенков А.И. Современное состояние и перспективы развития средств аэрокосмического радиолокационного мониторинга Земли // Концепции, 2003, №1.
Получаемая с их помощью информация используется6 во многих научных и хозяйственных отраслях, таких как глобальная и региональная экология, геология, гидрология, гляциология, океанология, картография, сельское и лесное хозяйство и др. С экономической точки зрения использование радиолокационной информации особенно эффективно оказалось для задач:
поиска и доразведки месторождений;
проектирования и прокладки трасс магистральных трубопроводов, железных и шоссейных дорог;
мониторинга ледовой обстановки в арктических районах;
определения состояния морской поверхности для обеспечения безопасности судовождения;
обнаружения нефтяных пятен на суше и морской поверхности, образовавшихся в результате аварий при добыче и транспортировке углеводородного сырья;
изучения экологического состояния лесов и оценки запасов древесины;
создание 3D-моделей мегаполисов.
Основные тенденции развития
радиолокационного мониторинга
Удешевление радаров. Важнейшим фактором, оказывающим заметное влияние на развитие аэрокосмических радаров с синтезированной апертурой является сокращение (как в России так и за рубежом) бюджетного финансирования выделяемого на эти цели, что заставляет изменить тенденцию создания новых радаров и пересмотреть планируемые технические и технологические решения в сторону их удешевления. Что касается радаров космического базирования, то здесь приходится ориентироваться и на менее дорогие средства выведения полезной нагрузки на орбиту. Одним из главных следствий этой тенденции является все более широкое привлечение коммерческого сектора к участию в финансировании этапа разработки и создания аппаратуры, пересмотр списка приоритетных задач и их ориентация на коммерческое использование7 данных радаров с синтезированной апертурой.
Выбор приоритетов. Актуальной проблемой, стоящей перед разработчиками аэрокосмических радаров, является корректный выбор списка8 приоритетных задач дистанционного зондирования, осуществляемый на основе оценки информативности получаемых данных. Такой список характеризует качественные показатели информативности космических радаров, работающих в X, С, S и L - диапазонах. Отметим, что Р-диапазон не является перспективным для космических радаров по условиям его распространения через ионосферный слой. Вместе с тем, следует отметить, что ЕКА уже приступило к разработке космического радара «MIMOSA», длина волны которого 1 м. Качественные выводы здесь явно недостаточны - необходим более строгий, количественный подход9 к оценке информативности радара. Наряду с вопросами оценки информативности радаров необходимо также рассматривать весь замкнутый цикл мониторинга и управления состоянием объектов земной поверхности, в котором радару отводится роль подсистемы измерения. Целесообразно смена ориентации стратегии совершенствования радиолокационных средств дистанционного зондирования на интенсивный путь развития, делать основной упор не на механическом повышении количественных характеристик радаров (разрешение, полоса обзора, многочастотность и Т.п.), а на стремлении к максимальному сохранению полезной информации, содержащейся в данных дистанционного зондирования, на доведение их до конечного потребителя. Это означает исключить диссипацию информации при ее транспортировке от объекта зондирования до потребителя. Наиболее перспективным путем решения этой проблемы является «заключение» информации в замкнутый цикл мониторинга и управления состоянием природно-антропогенных объектов.
Однако сегодня такой подход нуждается в существенной коррекции в силу следующих причин:
с экономической точки зрения целесообразно ориентироваться не только на решение отечественных задач, поскольку данные радара могут найти применение и во многих зарубежных странах;
современное направление развития аэрокосмических радаров характеризуется10 созданием в различных странах достаточно простых малогабаритных специализированных (по национальным задачам) радаров, которые, в принципе, должны дополнять друг друга по своим техническим параметрам и. как следствие, по информативности.
Это предполагает осуществление широкого беспрепятственного обмена данными и технологиями обработки эхо-сигнала радара (в том числе и тематической обработки), обеспечение единого формата и протокола обмена. Однако такое тесное сотрудничество не всегда может быть гарантировано в условиях изменяющейся политической обстановки в мире и при наличии собственных коммерческих интересов фирм-разработчиков.
Модульность архитектуры. Проектируемые радары должны иметь более открытую, модульную архитектуру, в которой различные стандартные модули позволяли бы осуществлять смену длины волны радара, его поляризации, разрешающей способности и других характеристик радара. Это придаст им большую гибкость, адаптируемость к условиям съемки и характеру решаемых задач. Кроме того, чрезвычайно важным обстоятельством представляется возможность изменения в ходе космической радарной съемки угла визирования земной поверхности и реальной полосы захвата на местности.
Эффективная тематическая обработка данных. Необходимо обратить особое внимание на вопросы корректной тематической обработки получаемых данных, в том числе распределенной, реализуемой по сетевой схеме (в том числе с использованием сети Internet), позволяющей привлекать к процедурам обработки все имеющиеся базы данных и знаний, а также накопленный за десятилетия опыт. В настоящее время значительное количество полезной информации диссипирует на пути от получателя информации к ее конечному потребителю вследствие использования неэффективных методов тематической обработки, осуществляемой в отсутствие необходимых моделей динамики состояния зондируемых объектов, а также функций связи состояния этих объектов с параметрами принимаемого эхо-сигнала. Учет потенциальных возможностей корректной тематической обработки и экономических требований в рамках всего замкнутого контура мониторинга-управления состоянием природных и природно-антропогенных объектов предполагает значительно меньшие финансовые затраты, чем создание все более сложных космических радаров, поскольку важно не только получить как можно больше первичных данных, но еще важнее извлечь из них полезную информацию, сохранить и довести ее до конечного потребителя. Последнему сегодня не так нужны высококачественные радарные изображения земной поверхности, сколько реальные прогнозные сценарии развития экологической или иной ситуации, конкретные рекомендации по поддержке принятия управленческих решений по ним.
Комплексирование средств дистанционного зондирования
Радиолокационные средства аэрокосмического мониторинга Земли уже сегодня по многим своим возможностям в области информационного обеспечения потребителей релевантными данными дистанционного зондирования сопоставимы и даже превосходят средства оптического диапазона. Разумеется, они не могут заменить собой последние, поскольку физические механизмы формирования рассеянного объектом зондирования сигнала в этих диапазонах существенно различны, что делает целесообразным сочетание обоих видов информации (оптической и радиолокационной) и, как следствие, создание комплексов аппаратуры, оптимально сочетающих возможности как оптических, так и радиолокационных сенсоров. Критерием такой оптимизации мог бы стать такой параметр как «эффективность - стоимость».
Современные экономические методы. В настоящее время слабо берутся в расчет вопросы экономики, маркетинга, изучения потенциального рынка информационных услуг.
|
