История радара с синтезированной апертурой

История радара с синтезированной апертурой начинается в 1951 году с изобретения этой технологии математиком Карлом А. Уайли и ее развития в следующем десятилетии. Первоначально разработанная для использования в военных целях, эта технология с тех пор применяется в области планетологии .

Изобретение

Мадрид , Испания, снимок с аэрофотоснимка диаметром 16 см.

Карл А. Уайли , Математик из Goodyear Aircraft Company в Личфилд-Парке, штат Аризона , изобрел радар с синтезированной апертурой в июне 1951 года, работая над корреляционной системой наведения для программы межконтинентальных баллистических ракет «Атлас» . В начале 1952 года Уайли вместе с Фредом Хейсли и Биллом Велти сконструировали систему проверки концепции, известную как DOUSER (« Доплеровский поисковый радар без лучей»). В 1950-х и 1960-х годах компания Goodyear Aircraft (позже Goodyear Aerospace) представила многочисленные достижения в области SAR-технологий, многие из которых были реализованы с помощью Дона Бекерлега.

Независимо от работы Уайли, экспериментальные испытания, проведенные в начале 1952 года Шервином и другими в Лаборатории систем управления Университета Иллинойса, показали результаты, которые, как они указали, «могут стать основой для радиолокационных систем со значительно улучшенным угловым разрешением» и могут даже привести к созданию систем, способных фокусировки на всех дистанциях одновременно.

В обеих этих программах обработка сигналов радара осуществлялась методами фильтрации электрических цепей. По сути, мощность сигнала в изолированных дискретных диапазонах доплеровской частоты определяла интенсивность изображения, которое отображалось в совпадающих угловых положениях в пределах надлежащего диапазона. Когда использовалась только центральная (нулевая доплеровская полоса) часть отраженных сигналов, эффект был таким, как если бы существовала только эта центральная часть луча. Это привело к появлению термина «заточка доплеровского луча». Отображение отражений от нескольких соседних ненулевых доплеровских частотных диапазонов привело к дальнейшему «разделению луча» (иногда называемому «несфокусированным радаром», хотя его можно было бы считать «полусфокусированным»). Патент Уайли, поданный в 1954 году, все еще предлагал аналогичную обработку. Громоздкость имевшейся тогда схемы ограничивала степень, в которой эти схемы могли еще больше улучшить разрешение.

Принцип был включен в меморандум автор Вальтер Хаус из General Electric, который был частью тогда секретного отчета летней учебной конференции Министерства обороны 1952 года под названием TEOTA («Глаза армии»), целью которого было выявить новые методы, полезные для военной разведки и технического сбора разведывательной информации. Последующая летняя программа 1953 года в Мичиганском университете под названием «Проект Росомаха» определила несколько тем TEOTA, включая разрешение сублучей с помощью допплера, как исследовательские усилия, которые будут спонсироваться Министерством обороны (DoD) на различных этапах. академические и промышленные исследовательские лаборатории. В том же году группа из Иллинойса создала изображение «полосовой карты», демонстрирующее значительное разрешение по ширине луча.

Проект Мичиган

Цели

Более продвинутый проект фокусированного радиолокатора был среди нескольких схем дистанционного зондирования , назначенных в 1953 году проекту «Мичиган», программе, спонсируемой тремя службами (армия, флот, военно-воздушные силы) в Мичиганского университета . исследовательском центре Уиллоу-Ран (WRRC) Эта программа находится в ведении Армейского корпуса связи . Первоначально названный проектом радара бокового обзора, он был реализован группой, сначала известной как Радарная лаборатория, а затем как Лаборатория радиолокации и оптики. Предлагалось учитывать не просто кратковременное существование нескольких отдельных доплеровских смещений, но всю историю постоянно меняющихся смещений от каждой мишени по мере ее пересечения с лучом. Ранний анализ, проведенный доктором Луи Дж. Катроной, Уэстоном Э. Вивианом и Эмметом Н. Лейтом из этой группы, показал, что такая полностью сфокусированная система должна обеспечивать на всех диапазонах разрешение, равное ширине (или, по некоторым критериям, , полуширина) реальной антенны, передаваемой на радар самолета и постоянно направленной бортом в сторону траектории самолета.

Техническая и научная база

Требуемая обработка данных заключалась в расчете взаимных корреляций принятых сигналов с выборками форм сигналов, ожидаемых от единичных амплитудных источников на различных дальностях. В то время даже большие цифровые компьютеры имели возможности, близкие к уровню современных четырехфункциональных портативных калькуляторов, поэтому были далеко не в состоянии выполнить такой огромный объем вычислений. Вместо этого устройством для выполнения корреляционных вычислений должен был стать оптический коррелятор .

Было предложено, чтобы сигналы, принимаемые бегущей антенной и когерентно регистрируемые, отображались в виде одной линии трассировки дальности поперек диаметра лицевой поверхности электронно-лучевой трубки , при этом последовательные формы линии записывались как изображения, проецируемые на пленку, движущуюся перпендикулярно длина этой линии. Информация о проявленной пленке должна была быть впоследствии обработана в лаборатории на оборудовании, которое еще не было разработано, что является основной задачей проекта. В первоначальном предложении процессора предполагалось, что расположение линз будет умножать записанные сигналы поточечно с известными формами сигналов, пропуская свет последовательно как через сигнальную пленку, так и через другую пленку, содержащую известную структуру сигнала. Последующий этап суммирования или интегрирования корреляции должен был выполняться путем схождения соответствующих наборов продуктов умножения посредством фокусирующего действия одной или нескольких сферических и цилиндрических линз. По сути, процессор должен был представлять собой оптический аналоговый компьютер. выполнение крупномасштабных скалярных арифметических вычислений одновременно во многих каналах (со множеством световых «лучей»). В конечном итоге потребуются два таких устройства, их выходные сигналы должны быть объединены как квадратурные компоненты полного решения.

Желание сохранить компактность оборудования привело к записи эталонного рисунка на 35-миллиметровую пленку . Испытания сразу показали, что узоры на пленке были настолько мелкими, что демонстрировали выраженные дифракционные эффекты, которые мешали резкой окончательной фокусировке.

Это привело Лейта, физика, который разрабатывал коррелятор, к осознанию того, что эти эффекты сами по себе могут посредством естественных процессов выполнять значительную часть необходимой обработки, поскольку продольные полосы записи действуют как диаметральные срезы серии круглые оптические зональные пластины. Любая такая пластина действует как линза: каждая пластина имеет определенное фокусное расстояние для любой заданной длины волны. Запись, которая считалась скалярной, стала распознаваться как пары векторных единиц разного знака многих пространственных частот плюс величина «смещения» нулевой частоты. Необходимое корреляционное суммирование изменилось с пары скалярных на одно векторное.

Каждая полоса зонной пластины имеет два равных, но противоположных по знаку фокусных расстояния: одно реальное, где луч, проходящий через нее, сходится к фокусу, и одно виртуальное, где другой луч, кажется, отклонился от другой стороны зонной пластины. Компонент нулевой частоты ( смещение постоянного тока ) не имеет фокуса, но перекрывает как сходящийся, так и расходящийся лучи. Ключом к получению из сходящейся волновой составляющей сфокусированных изображений, которые не перекрываются нежелательной дымкой от двух других, является блокирование последней, позволяя только полезному лучу проходить через правильно расположенную апертуру выбора полосы частот.

Для каждого диапазона радара создается полоса зональной пластины с фокусным расстоянием, пропорциональным этому диапазону. Этот факт стал принципиальной сложностью при проектировании оптических процессоров . Следовательно, технические журналы того времени содержат большой объем материалов, посвященных способам борьбы с изменением фокуса в зависимости от дальности.

Для такого серьезного изменения подхода используемый свет должен был быть одновременно монохроматическим и когерентным — свойства, которые уже были требованиями к излучению радара. Лазеры также были в будущем, и лучшим доступным на тот момент приближением к источнику когерентного света был выходной сигнал ртутной лампы , пропущенный через цветной фильтр, который был согласован с зеленой полосой спектра лампы, а затем максимально сконцентрированный. на очень маленькую диафрагму, ограничивающую луч. Хотя полученное количество света было настолько слабым, что приходилось использовать очень длительную экспозицию, работоспособный оптический коррелятор был собран вовремя, чтобы его можно было использовать, когда появятся соответствующие данные.

Хотя создание этого радара было более простой задачей, основанной на уже известных методах, эта работа требовала достижения линейности сигнала и стабильности частоты, которые были на самом высоком уровне. Соответствующий прибор был спроектирован и изготовлен Лабораторией радиолокации и установлен на самолете C-46 ( Curtiss Commando ). Поскольку самолет был передан WRRC армией США и управлялся и обслуживался собственными пилотами и наземным персоналом WRRC, он был доступен для многих полетов, время от времени соответствующих потребностям радиолокационной лаборатории, что важно для обеспечения возможности частого повторного тестирования и «отладки». " постоянно развивающегося сложного оборудования. Напротив, группа из Иллинойса использовала C-46, принадлежащий ВВС, на котором пилоты ВВС летали только по предварительной договоренности, что, по мнению этих исследователей, привело к ограничению менее чем желательной частоты летных испытаний. своего оборудования, отсюда и низкая пропускная способность обратной связи по результатам испытаний. (Более поздняя работа с новыми самолетами Convair продолжила местный контроль расписания полетов мичиганской группы.)

Результаты

Выбранная в Мичигане антенна шириной 5 футов (1,5 м) из остатков времен Второй мировой войны теоретически была способна обеспечить разрешение 5 футов (1,5 м), но сначала использовались данные только с 10% ширины луча, цель на тот момент заключалась в том, чтобы чтобы продемонстрировать разрешение 50 футов (15 м). Было понятно, что более высокое разрешение потребует дополнительной разработки средств для обнаружения отклонения самолета от идеального курса и траектории полета, а также для использования этой информации для внесения необходимых поправок в наведение антенны и принимаемые сигналы перед обработкой. После многочисленных испытаний, в которых даже небольшая атмосферная турбулентность не позволяла самолету лететь прямо и ровно, достаточно для получения точных данных на высоте 50 футов (15 м), один предрассветный полет в августе 1957 года дало похожее на карту изображение территории аэропорта Уиллоу Ран, которое действительно демонстрировало разрешение 50 футов (15 м) в некоторых частях изображения, тогда как ширина освещенного луча там составляла 900 футов (270 м). Хотя Министерство обороны рассматривало возможность прекращения программы из-за отсутствия результатов, этот первый успех обеспечил дальнейшее финансирование для продолжения разработки, ведущей к решениям этих признанных потребностей.

Первое успешное сфокусированное радиолокационное изображение с синтезированной апертурой, аэропорт Уиллоу Ран и его окрестности, август 1957 года. Изображение предоставлено Мичиганским университетом.

Общественное признание

Принцип SAR был впервые публично признан в пресс-релизе в апреле 1960 года об экспериментальной системе AN/UPD-1 армии США, которая состояла из бортового элемента, произведенного Texas Instruments и установленного на самолете Beech L-23D , и мобильного наземного устройства передачи данных. станция обработки производства WRRC, установленная в военном фургоне. В то время природа процессора данных не была раскрыта. Техническая статья в журнале IRE ( Институт радиоинженеров ) в феврале 1961 года. профессиональной группы военной электроники описал принцип SAR, а также версии C-46 и AN / UPD-1, но не рассказал, как обрабатывались данные, а также не сообщил, что максимальная разрешающая способность UPD-1 составляла около 50 футов (15 м). Однако в июньском номере Профессиональной группы IRE по теории информации за 1960 г. была опубликована длинная статья. по «Системам оптической обработки и фильтрации данных» членами Мичиганской группы. Хотя в нем не говорилось об использовании этих методов для радиолокации, читатели обоих журналов вполне могли понять существование связи между статьями одного и того же автора.

Вьетнам

Оперативная система, которая будет установлена ​​на разведывательной версии самолета F-4 «Фантом», была быстро разработана и некоторое время использовалась во Вьетнаме, где она не произвела благоприятного впечатления на своих пользователей из-за сочетания низкого разрешения (аналогичного УПД-1), пятнистость его когерентно-волновых изображений (похожая на пятнистость лазерных изображений) и малоизученное отличие его дальномерных/междальномерных изображений от ракурсных/угловых оптических, знакомых военным фотоинтерпретаторам. Уроки, которые он преподал, были хорошо усвоены последующими исследователями, разработчиками операционных систем, инструкторами по интерпретации изображений, а также спонсорами Министерства обороны дальнейших разработок и приобретений.

Последующее улучшение

В последующих работах скрытые возможности метода в конечном итоге были достигнуты. Эта работа, основанная на передовых конструкциях радиолокационных схем и точном обнаружении отклонений от идеального прямого полета, а также на более сложных оптических процессорах, использующих лазерные источники света и специально разработанные очень большие линзы, изготовленные из удивительно прозрачного стекла, позволила группе из Мичигана улучшить разрешение системы, с интервалом примерно в 5 лет, сначала до 15 футов (4,6 м), затем до 5 футов (1,5 м), а к середине 1970-х годов - до 1 фута (последнее только на очень коротких интервалах дальности, пока обработка еще продолжалась). оптически). Последние уровни и связанный с ними очень широкий динамический диапазон оказались пригодными для идентификации многих объектов, представляющих военную важность, а также особенностей почвы, воды, растительности и льда, изучаемых различными исследователями-экологами, имеющими допуски, позволяющие им получить доступ к тому, что тогда было засекречено. образы. Аналогичные усовершенствованные операционные системы вскоре последовали за каждым из этих шагов более высокого разрешения.

Сравнение самого раннего изображения РСА с более поздним изображением улучшенного разрешения. Кроме того, источник света для обработки данных был заменен с ртутной лампы на лазер. Данные изображения предоставлены Мичиганским университетом и Министерством природных ресурсов Канады.

Даже ступень разрешения 5 футов (1,5 м) перегружала возможности электронно-лучевых трубок (ограниченных примерно 2000 различимыми элементами по диаметру экрана) передавать достаточно мелкие детали для передачи сигнала на пленку, в то же время охватывая широкий диапазон полос, и аналогичным образом облагали налогом системы оптической обработки. Однако примерно в то же время цифровые компьютеры, наконец, стали способны выполнять обработку без подобных ограничений, и последующее представление изображений на мониторах с электронно-лучевой трубкой вместо пленки позволило лучше контролировать тональное воспроизведение и сделать более удобное измерение изображения.

Достижению наилучшего разрешения на больших расстояниях способствовало добавление возможности поворачивать более крупную бортовую антенну, чтобы постоянно более сильно освещать ограниченную целевую область при сборе данных по нескольким степеням ракурса, устраняя предыдущее ограничение разрешения шириной антенны. . Это называлось режимом прожектора, который больше не создавал изображения с непрерывной полосой обзора, а вместо этого создавал изображения изолированных участков местности.

Платформа вне атмосферы

На самом раннем этапе разработки SAR стало понятно, что чрезвычайно плавная орбитальная траектория внеатмосферной платформы делает ее идеально подходящей для операций SAR. Ранний опыт работы с искусственными спутниками Земли также продемонстрировал, что доплеровские сдвиги частоты сигналов, проходящих через ионосферу и атмосферу, были достаточно стабильными, чтобы обеспечить очень высокое разрешение, достижимое даже на расстояниях в сотни километров. Первые космические изображения Земли с помощью РСА были продемонстрированы в рамках проекта, который сейчас называется Quill (рассекречен в 2012 году).

Оцифровка

После начала первоначальной работы некоторые возможности для создания полезных секретных систем не существовали еще два десятилетия. Этот, казалось бы, медленный темп развития часто сопровождался прогрессом других изобретений, таких как лазер, цифровой компьютер , миниатюризация схем и компактное хранение данных. С появлением лазера оптическая обработка данных стала быстрым процессом, поскольку она обеспечивала множество параллельных аналоговых каналов, но разработка оптических цепочек, подходящих для согласования фокусных расстояний сигнала с диапазонами, проходила в несколько этапов и, как оказалось, требовала некоторых новых оптических компонентов. Поскольку процесс зависел от дифракции световых волн, он требовал антивибрационного оборудования , чистых помещений и высококвалифицированных операторов. Даже в лучшем случае использование ЭЛТ и пленки для хранения данных накладывало ограничения на глубину диапазона изображений.

На нескольких этапах достижение часто чрезмерно оптимистичных ожиданий в отношении цифрового вычислительного оборудования оказалось намного дольше, чем ожидалось. Например, система SEASAT была готова к выводу на орбиту до того, как стал доступен ее цифровой процессор, поэтому для получения своевременного подтверждения работы системы пришлось использовать быстро собираемую схему оптической записи и обработки. разработала первый цифровой SAR-процессор В 1978 году канадская аэрокосмическая компания MacDonald Dettwiler (MDA) . Когда его цифровой процессор был наконец завершен и использован, цифровому оборудованию того времени требовалось много часов, чтобы создать одну полосу изображения из каждого прогона нескольких секунд данных. Тем не менее, хотя это было шагом вниз по скорости, это был шаг вперед в качестве изображения. Современные методы теперь обеспечивают и высокую скорость, и высокое качество.

Сбор данных

Макет немецкого разведывательного спутника САР-Лупе внутри ракеты Космос-3М.

Высокоточные данные могут быть собраны самолетами, пролетающими над рассматриваемой местностью. В 1980-х годах в качестве прототипа приборов для полетов на космических кораблях НАСА НАСА использовало радар с синтезированной апертурой на NASA Convair 990 . В 1986 году этот самолет загорелся при взлете. В 1988 году НАСА перестроило РСА C, L и P-диапазонов для полетов на самолете НАСА DC-8 . Названный AIRSAR , он выполнял миссии по всему миру до 2004 года. Другой такой самолет, Convair 580 , эксплуатировался Канадским центром дистанционного зондирования примерно до 1996 года, когда он был передан Министерству окружающей среды Канады по бюджетным причинам. Большинство геодезических работ в настоящее время выполняются с помощью спутниковых наблюдений. Такие спутники, как ERS-1 /2, JERS-1 , Envisat ASAR и RADARSAT-1, были запущены специально для проведения такого рода наблюдений. Их возможности различаются, особенно в плане поддержки интерферометрии, но все они собрали огромное количество ценных данных. Во время полета на космическом шаттле также было установлено радиолокационное оборудование с синтезированной апертурой. Миссии SIR-A и SIR-B в 1980-х годах, миссии Shuttle Radar Laboratory (SRL) в 1994 году и миссия Shuttle Radar Topography в 2000 году.

« Венера -15» и «Венера-16» , за которыми позже последовал космический зонд «Магеллан» , в течение нескольких лет картировали поверхность Венеры с помощью радара с синтезированной апертурой.

Титан — развивающийся объект в Лигейя-Маре (ЮАР; 21 августа 2014 г.).

Радар с синтезированной апертурой был впервые использован НАСА на океанографическом спутнике Seasat Лаборатории реактивного движения в 1978 году (эта миссия также включала в себя альтиметр и скаттерометр ); Позже он был более широко развит в миссиях космического радара визуализации (SIR) на космическом шаттле в 1981, 1984 и 1994 годах. Миссия Кассини к Сатурну использовала SAR для картирования поверхности главного спутника планеты Титана , поверхность которого частично скрыта от прямой оптический контроль по атмосферной дымке. Радар зондирования SHARAD на Mars Reconnaissance Orbiter и MARSIS инструмент на Mars Express наблюдали коренную породу под поверхностью полярного льда Марса, а также указали на вероятность наличия значительного количества водяного льда в средних широтах Марса. Лунный разведывательный орбитальный аппарат , запущенный в 2009 году, оснащен поисково-спасательным инструментом Mini-RF , который был разработан в основном для поиска отложений водяного льда на полюсах Луны .

Титан – Лигейя Маре – САР и более четкие и нечеткие виды.

Проект Mineseeker разрабатывает систему определения наличия в регионах наземных мин на основе дирижабля со сверхширокополосным радаром с синтезированной апертурой. Первоначальные испытания показывают многообещающие результаты; радар способен обнаружить даже закопанные пластиковые мины.

Национальное разведывательное управление имеет парк (теперь рассекреченных) радиолокационных спутников с синтезированной апертурой, обычно обозначаемых как «Лакросс» или «Оникс» .

В феврале 2009 года на вооружение ВВС Великобритании поступил самолет-разведчик Sentinel R1 , оснащенный бортовой радарной системой SAR ( ASTOR ).

Вооруженных сил Германии ( Бундесвер ) Военная разведывательная спутниковая система SAR-Lupe полностью введена в эксплуатацию с 22 июля 2008 года.

По состоянию на январь 2021 года несколько коммерческих компаний начали запуск группировок спутников для сбора SAR-изображений Земли.

Распределение данных

Венеция, Италия, снято в 2023 году со спутника UMBRA.

Спутниковый комплекс на Аляске обеспечивает производство, архивирование и распространение среди научного сообщества данных и инструментов SAR, полученных в результате активных и прошлых миссий, включая выпуск в июне 2013 года недавно обработанных изображений Seasat SAR 35-летней давности.

Центр передового дистанционного зондирования юго-восточных тропических регионов (CSTARS) передает и обрабатывает данные SAR (а также другие данные) с различных спутников и поддерживает Майами Университета Школу морских, атмосферных и наук о Земле . CSTARS также поддерживает операции по оказанию помощи при стихийных бедствиях, океанографические и метеорологические исследования, а также исследовательские проекты в области портовой и морской безопасности.

См. также

• Синтез апертуры § История
• История радара