Способ измерения кратковременных смещений на поверхности Земли Российский патент 2025 года по МПК G01V3/17 G01S13/90 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокаторах с синтезированной апертурой антенны (РСА), устанавливаемых на борт аэрокосмических носителей, использующих метод дифференциальной интерферометрии для оперативного обнаружения и измерения кратковременных смещений поверхности Земли по кадру радиолокационного изображения (РЛИ).

Уровень техники

Известен способ радиолокационной дифференциальной интерферометрии [Massonnet D, Feigl K.L. Radar interferometry and its application to changes in the earth’s surface, Rev. Geophys, vol. 36, no. 4, pp. 441-500, 1998], позволяющий получать проекцию смещений поверхности Земли между парой и более кадрами РЛИ относительно линии радиозондирования с сантиметровой точностью, предназначенным для относительно стабильных явлений на поверхности Земли, например, долговременных просадок почвы и пр.

Недостатком вышеуказанного способа является то, что при любом естественном кратковременном изменении на поверхности Земли, приводящем к раскорреляции информации на РЛИ, будет наблюдаться существенное снижение точности дифференциально-фазовых измерений вплоть до невозможности восстановления информации. Данный эффект особенно типичен для природных объектов, например, волн на морской поверхности, поскольку они могут быть сильно изменчивы в процессе наблюдения. В связи с этим известный способ не применим для измерения кратковременных смещений на поверхности Земли.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому изобретению является обобщенный метод вдоль трассовой интерферометрии и, в частном случае, способ динамической интерферометрии [Пат. US6911931B2, МПК G01S 13/90; G01V 3/17] для обнаружения волновых процессов с организацией с использованием одного РСА, установленного на борту одного носителя, но с формированием двух и более обрабатываемых каналов с одновременной обработкой сигналов с двух антенн или двух апертур одной антенны РСА.

Недостатком данного способа является то, что информация о волновых процессах извлекается из дифференциальной пары РЛИ, полученных с как минимум двух пространственно-разнесенных приемников РСА. Для этого физически на одном носителе РСА необходимо размещать пару антенн или одну антенну, разделенную на две подапертуры, в связке с независимой парой приемников РСА. В первом случае этот факт повышает стоимость и сложность системы, а во втором случае ухудшает потенциальное разрешение по пространственным координатам.

Раскрытие сущности изобретения

Технической задачей изобретения является измерение кратковременных смещений на поверхности Земли с помощью РСА, установленного на борт одного носителя за относительно короткий интервал наблюдения - в течение времени синтезирования апертуры с помощью одной антенны и одного приемника РСА.

Техническим результатом изобретения является повышение оперативности и точности получения информации за один проход носителя РСА, а также упрощение системы измерения кратковременных смещений на поверхности Земли.

Это достигается тем, что в известном способе измерения кратковременных смещений на поверхности Земли, заключающийся в том, что на борту одного носителя размещают один радиолокатор с синтезированной апертурой антенны (РСА), с помощью которого формируют базу интерферометра вдоль трассы полета носителя, при этом осуществляют излучение зондирующих сигналов и прием отраженных от земной поверхности сигналов синтезом набора радиолокационного изображения (РЛИ) и их последующей дифференциальной интерферометрической обработкой, согласно изобретению используют один приёмопередатчик РСА, осуществляют переднебоковой обзор в первом сеансе наблюдения и дальнейшем аналогичном наборе сеансов наблюдения за одной и той же областью поверхности Земли путем излучения зондирующих сигналов и приема сигналов, отраженных от поверхности Земли, после проведения серии сеансов наблюдения на интервале синтезирования осуществляют адаптивную фильтрацию дифференциальных интерферометрических измерений набора РЛИ с извлечением информации о кратковременных смещениях на поверхности Земли с помощью формулы:

где - длина волны передатчика РСА; , , , - дальность, азимут, угол места и угол скольжения до mn элемента разрешения РЛИ в k-ом сеансе измерения соответственно; - расстояние между парными сеансами наблюдения; , ; , и , - оценки комплексного коэффициента отражения (комплексного значения пикселя в кадре РЛИ) для mn элемента разрешения РЛИ в k-ом измерении первой пары РЛИ и второй пары РЛИ соответственно; - количество измерений, каждое из которых состоит из четырёх сеансов (по два парных сеанса наблюдения с базовым параметром и между парами).

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. представлена схема организации дифференциальной интерферометрической съемки с помощью одного носителя РСА, установленного на борт одного космического аппарата (КА), осуществляющего наблюдение за поверхностью Земли на орбите R_КА. И приняты следующие обозначения: XYZ - локальная система координат КА; Rз - радиус поверхности Земли; H - высота полета КА; V -путевая скорость КА; - угол скольжения при наблюдении за поверхностью Земли; - точечная цель на поверхности Земли с координатами x_mn, y_mn, динамически изменяющая свою высоту от до за время синтезирования апертуры T_С размером L; , , - дальность, азимут и угол места до точечной цели в первом и k-ом сеансе наблюдения соответственно; B₀ - база интерферометра, определяемая естественным перемещением носителя на расстояние VT₀; - смещение между парными сеансами наблюдения за поверхностью Земли; - момент времени парного сеанса наблюдения за поверхностью Земли.

Осуществление изобретения

Способ измерения кратковременных смещений на поверхности Земли заключается в следующем.

На борту одного носителя размещают один радиолокатор с синтезированной апертурой антенны (РСА) с одной антенной и с одним приемником РСА.

Одной апертурой и одним каналом когерентной обработки сигналов осуществляют переднебоковой обзор в первом сеансе наблюдения и дальнейшем аналогичном наборе сеансов наблюдения за одной и той же областью поверхности Земли путем излучения зондирующих сигналов и приема сигналов, отраженных от поверхности Земли.

С помощью РСА формируют набор малых, относительно интервала синтезирования, баз дифференциального интерферометра вдоль трассы полета носителя, после проведения серии сеансов наблюдения на интервале синтезирования осуществляют адаптивную фильтрацию дифференциальных интерферометрических измерений набора РЛИ с извлечением информации о кратковременных смещениях на поверхности Земли с помощью формулы:

(1)

где - длина волны передатчика РСА; , , , - дальность, азимут, угол места и угол скольжения до mn элемента разрешения РЛИ в k-ом сеансе измерения соответственно; - расстояние между парными сеансами наблюдения; , ; , и , - оценки комплексного коэффициента отражения (комплексного значения пикселя в кадре РЛИ) для mn элемента разрешения РЛИ в k-ом измерении первой пары РЛИ и второй пары РЛИ соответственно; - количество измерений, каждое из которых состоит из четырёх сеансов (по два парных сеанса наблюдения с базовым параметром и между парами).

Сущность способа измерения кратковременных смещений на поверхности Земли заключается в многократном последовательном ее наблюдении при переднебоковом обзоре и постоянной высоте полета носителя H и скорости полета V с помощью одного приемопередатчика, установленного на борт одного носителя РСА. При этом первый сеанс наблюдения, заключающийся в излучении зондирующих сигналов и приеме отраженных от поверхности Земли сигналов с синтезом первого радиолокационного изображения (РЛИ) осуществляется на дальности r⁰, угле места и азимутальном угле . Через определенный интервал времени T₀, соответствующий естественному перемещению носителя вдоль линии пути на расстояние B₀=VT₀ осуществляется второй и аналогично последующие k сеансов наблюдения за той же областью поверхности Земли на дальности r^k, угле места и азимуте , также заключающиеся в излучении зондирующих сигналов и приеме отраженных от поверхности Земли сигналов с синтезом РЛИ. Таким образом формируется ряд сеансов наблюдения за поверхностью Земли с синтезом нескольких высококоррелированных РЛИ, количество которых определяется соотношением T_C/T₀. После проведения многократных сеансов наблюдения и синтеза РЛИ производится адаптивная фильтрация с дифференциальной интерферометрической обработкой попарных РЛИ с извлечением информации о кратковременных смещениях на поверхности Земли.

Принцип работы поясняется на примере одиночной точечной цели , имеющей координаты x_mn, y_mn и подвергающейся смещению по высоте от до за время ее наблюдения с момента времени T₀ до момента времени , соответствующим последовательным естественным перемещениям КА на расстояние B₀ и в процессе синтезирования апертуры размером L за время T_C.

Пространственное разнесение при формировании продольной базы дифференциального интерферометра обеспечивается за счет естественного перемещения КА при движении с путевой скоростью V при высоте полета H. Наблюдение земной поверхности ведётся при отклоненном угле , угле падения и дальности в первом сеансе наблюдения. Через определенный интервал времени, соответствующий смещению носителя вдоль линии пути на расстояние B₀ = VT₀, второй сеанс возобновляется, так что значительная часть сигналов первого и второго сеансов повторяется, что определяет их высокую степень корреляции. Формируется набор сеансов наблюдения, количество которых определяется отношением T_C/T₀ (T_C - время синтезирования апертуры L, T₀ < T_C).

На фиг. показано положение носителя РСА в начальный момент времени (t = 0) и в момент начала следующего сеанса наблюдения (t = T₀), а затем положение того же КА в двух сеансах через интервал при стабилизации луча реальной диаграммы направленности антенны на одном участке земной поверхности. Парные сигналы для дифференциального интерферометра организуются за счёт естественного пролёта носителя, когда в разных сеансах наблюдения происходят фазовые отклонения, зависящие от состояния местного рельефа. Таким образом, через интервал , соответствующий смещению КА вдоль линии пути на расстояние , формируется следующая пара сигналов для следующего дифференциального интерферометра. Количество подобных пар определяет мультивременной процесс пространственного наблюдения, позволяющий применить процедуру рекуррентной фильтрации, а анализ этих разностно-фазовых отклонений даёт возможность извлечь информацию об изменении местного рельефа, тем самым определив кратковременные смещения на поверхности Земли.

Рабочий диапазон дальностей до поверхности, влияющий на выбор углов, определяется тактическими параметрами РСА. Выбор первоначального азимутального угла визирования сводится к возможности синтеза РЛИ при скошенном телескопическом обзоре, что в свою очередь требует специальных методов формирования РЛИ. Длина интервала синтезирования выбирается из необходимой разрешающей способности по азимуту и рабочей длины волны передатчика РСА. Размер базы интерферометра выбирается существенно меньшим (до четверти), чем интервал синтезирования РЛИ. Принципиально использование одного увеличенного интервала синтезирования с разбиением на подинтервалы для организации множества малых баз интерферометра на этапе цифровой обработки сигналов. Интервалы времени между парными сеансами T₀ и смежными измерениями являются ключевыми значениями, влияющими на основные характеристики дифференциального интерферометра. Например, при условии морской поверхности, на которой кроме местных рельефных изменений: волн, приливов, отливов, сложных береговых процессов с выходом внутренних волн, во избежание «разрушительных» фазовых отклонений между сеансами наблюдения, можно определить следующее предельное значение: мс, где м - разрешающая способность по горизонтальной дальности; м/с - скорость движения волны; мс, где см, км/с, с, км. Первое ограничение получено из условия допустимого смещения по дальности между сеансами парного наблюдения (одна сотая часть от величины разрешения по горизонтальной дальности). Второе ограничение - из условия допустимого смещения по доплеровской частоте (одна сотая часть от величины разрешения по частоте). Ограничения достаточно жёсткие и в самом критическом случае при м/с расстояние между парными сеансами наблюдения не может превышать м. Однако, при условии спокойной морской поверхности или снижении условия допустимости, расстояние между сеансами наблюдения может быть увеличено на порядок, т.е. до м.

Использование изобретения позволяет повысить оперативность и точность получения информации за один проход носителя РСА, а также упростить систему измерения кратковременных смещений на поверхности Земли.

Повышение оперативности получения информации о кратковременных смещениях на поверхности Земли достигается за счет однопроходности дифференциального интерферометрического комплекса при переднебоковом обзоре, способного измерять вертикальные подвижки рельефа земной поверхности. Известные [Пат. США US 6911931 B2] дифференциальные интерферометры для измерения вертикальных подвижек рельефа, реализуют многопроходную организацию радионаблюдения при боковом обзоре (поперечные интерферометры).

Другая известная группа [Пат. США US 6911931 B2] продольных интерферометров выделяется тем, что при боковом обзоре в одном проходе оперативно использует пару антенн, или подрешёток вдоль линии пути носителя, а параметром их измерения является радиальная скорость движения земной или морской поверхности.

В предлагаемом способе оценка вертикальных подвижек рельефа земной поверхности осуществляется в одном проходе, а значит оперативно, за счёт переднебокового обзора, при этом проявления равномерного радиального движения поверхности подавляются.

Облучение земной или морской поверхности осуществляют когерентными импульсными широкополосными (ФКМ, ЛЧМ) сигналами с помощью бортовой РЛС с одной передающей антенной. Приём отражённых сигналов осуществляется также одной приёмной антенной с одним приёмным каналом.

На фиг. представлен мультивременной процесс наблюдения земной или морской поверхности при отклоненном угле (угол отклонения синтезированного луча от нормали к линии пути носителя) или при переднебоковом обзоре. Если , то наблюдение ведётся при боковом обзоре.

В первом сеансе наблюдение за определённым участком поверхности осуществляется с периодом зондирования импульсов время T_C - время синтезирования апертуры. Второе наблюдение отличается от первого только тем, что выборки сигнала сдвинуты по времени на T₀ < T_C/4, кратного периоду зондирования T_П.

Эта пара сильнокоррелированных сигналов является основой для формирования первого однопроходного интерферометра при переднебоковом обзоре, с помощью которого производят оценку относительного рельефа местности.

Через определённый интервал времени , кратный периоду зондирования T_П, формируют следующую пару сильнокоррелированных сигналов для формирования второго интерферометра, с помощью которого производят следующую оценку относительного рельефа местности.

Третий интерферометр организуют из оценок двух уже сформированных и разность оценок относительных рельефов или вертикальный сдвиг поверхности получают через определённый интервал . Особо следует отметить, что при комплексном сопряжении третьего интерферометра (см. формулу (1)), производят компенсацию фазового набега из-за горизонтального равномерного движения поверхности.

За время прохода рабочего участка траектории носителя РСА подобную трёхэтапную дифференциальную интерферометрическую обработку могут возобновлять k раз по одному траекторному сигналу, что может дать дополнительную информацию о протекающем процессе и значительно повысить точность измерения.

Итак, информацию извлекают из одного траекторного сигнала, длительностью, сравнимой с интервалом синтезирования апертуры антенны, причём базовые параметры и могут изменяться в процессе обработки в зависимости от поставленной задачи или отрабатываться несколько вариантов с различными базовыми параметрами по одному сигналу. Использование одного и того же сигнала одноканального приёмника, значительно упрощает систему измерения быстропротекающих сдвигов поверхности.

Рассмотрим подробно определяющее выражение (1) для извлечения информации о кратковременных смещениях на поверхности Земли. За пролёт носителя РСА вдоль объекта исследования, можно сформировать 5…10 измерений (при телескопическом обзоре, когда антенна стабилизируется лучом на определённом участке, количество измерений будет ещё больше).

Каждая из оценок , , , получена любым известным методом с использованием техники синтезирования апертуры с предварительной парной фазовой коррекцией относительно ровной неподвижной поверхности.

Интерферометры с разнесением фазовых центров антенн или подрешёток одной антенны вдоль линии пути облучают участок поверхности одной антенной, а прём сигналов осуществляют на разнесённые в пространстве антенны или подрешётки, так что интерферометрическая разность формируется только после отражения сигнала от поверхности. При прочих равных условиях предлагаемый вариант однопроходного интерферометра с одной приёмо-передающей антенной будет иметь вдвое большую крутизну интерферометра, а значит и точнее измерять быстрые подвижки.

Сравним крутизну продольного интерферометра со смещёнными фазовыми центрами (2) и предлагаемого однопроходного дифференциального интерферометра с переднебоковым обзором (3):

, (2)

где - разность фаз между пространственно-смещёнными измерениями, связанную с движением поверхности для mn пикселя в кадре РЛИ,; - скорость движения поверхности в радиальном направлении для mn пикселя в кадре РЛИ; - расстояние между фазовыми центрами двух продольных антенн или подрешёток;

, (3)

где - разность фаз между пространственно-смещёнными измерениями, связанную с вертикальным сдвигом поверхности для mn пикселя в кадре РЛИ; при .

Трудно сравнить по одному критерию интерферометры, работающие в значительно отличающихся условиях, но если предположить, что м, м, м/c, м, , то крутизна заявляемого интерферометра, а значит и точность, будет более чем на порядок выше.

Кроме стоимости и надёжности, два приёмника с двумя антеннами или два приёмника с одной антенной, разбитой на подрешётки, требуют отдельной системы калибровки и юстировки, что приводит к усложнению интерферометрической системы и дополнительным факторам, ухудшающим точность измерений.

Использование изобретения позволяет повысить оперативность и точность получения информации за один проход носителя РСА, а также упростить систему измерения кратковременных смещений на поверхности Земли.

Изобретение относится к измерительной радиотехнике и может быть использовано в радиолокаторах с синтезированной апертурой антенны (РСА), устанавливаемых на борт аэрокосмических носителей, для измерения кратковременных смещений поверхности Земли. Технический результат: повышение оперативности и точности получения информации за один проход носителя РСА, а также упрощение системы измерения. Сущность: на борту одного носителя размещают один радиолокатор с синтезированной апертурой антенны (РСА) с одной антенной и с одним приемником РСА. Одной апертурой и одним каналом когерентной обработки сигналов осуществляют переднебоковой обзор в первом сеансе наблюдения и дальнейшем наборе сеансов наблюдения за одной и той же областью поверхности Земли путем излучения зондирующих сигналов и приема сигналов, отраженных от поверхности Земли, с синтезом набора радиолокационного изображения (РЛИ). После проведения серии сеансов наблюдения на интервале синтезирования осуществляют адаптивную фильтрацию дифференциальных интерферометрических измерений набора РЛИ с извлечением информации о кратковременных смещениях на поверхности Земли с помощью формулы

где - длина волны передатчика РСА; , , , - дальность, азимут, угол места и угол скольжения до mn элемента разрешения РЛИ в k-м сеансе измерения соответственно; - расстояние между парными сеансами наблюдения; , ; , и , - оценки комплексного коэффициента отражения - комплексного значения пикселя в кадре РЛИ для mn элемента разрешения РЛИ в k-м измерении первой пары РЛИ и второй пары РЛИ соответственно; - количество измерений, каждое из которых состоит из четырёх сеансов по два парных сеанса наблюдения с базовым параметром и между парами. 1 ил.

Способ измерения кратковременных смещений на поверхности Земли, заключающийся в том, что на борту одного носителя размещают радиолокатор с синтезированной апертурой антенны (РСА), с помощью которого формируют базу интерферометра вдоль трассы полета носителя, при этом осуществляют излучение зондирующих сигналов и прием отраженных от земной поверхности сигналов с синтезом набора радиолокационных изображений (РЛИ) и их последующей дифференциальной интерферометрической обработкой, отличающийся тем, что используют один приёмопередатчик РСА, осуществляют переднебоковой обзор в первом сеансе наблюдения и дальнейшем наборе сеансов наблюдения за одной и той же областью поверхности Земли путем излучения зондирующих сигналов и приема сигналов, отраженных от поверхности Земли, после проведения серии сеансов наблюдения на интервале синтезирования осуществляют адаптивную фильтрацию дифференциальных интерферометрических измерений набора РЛИ с извлечением информации о кратковременных смещениях на поверхности Земли с помощью формулы:

где – длина волны передатчика РСА; , , , – дальность, азимут, угол места и угол скольжения до mn элемента разрешения РЛИ в k-м сеансе измерения соответственно; – расстояние между парными сеансами наблюдения; , , , и , – оценки комплексного коэффициента отражения - комплексного значения пикселя в кадре РЛИ для mn элемента разрешения РЛИ в k-м измерении первой пары РЛИ и второй пары РЛИ соответственно; – количество измерений, каждое из которых состоит из четырёх сеансов по два парных сеанса наблюдения с базовым параметром и между парами.