РСА-изображения с высоким разрешением и широкой полосой обзора

Получение изображений с широкой полосой обзора высокого разрешения ( HRWS ) является важной отраслью радиолокационной визуализации с синтезированной апертурой (SAR), метода дистанционного зондирования, способного обеспечивать изображения с высоким разрешением, независимо от погодных условий и солнечного освещения. Это делает SAR очень привлекательным для систематического наблюдения за динамическими процессами на поверхности Земли, что полезно для мониторинга окружающей среды , картографирования земных ресурсов и военных систем.

Технология SAR предоставила геологам информацию о структуре местности для разведки полезных ископаемых. ^{[ 1 ]} разлив нефти ^{[ 2 ]} границы на воде для экологов, карты состояния моря и ледовой опасности для мореплавателей, ^{[ 3 ]} а также разведка, наблюдение, рекогносцировка и обнаружение информации для военных операций. ^{[ 4 ]}

Обычные системы SAR ограничены тем, что широкий диапазон обзора может быть достигнут только за счет ухудшения разрешения по азимуту . Поскольку важны как широкий диапазон охвата, так и выходные данные с высоким разрешением, это создает проблемы и противоречит требованиям к разработке космических систем SAR и связанных с ними новых алгоритмов.

Постановка задачи и основы

Постановка задачи

Современные поисково-спасательные системы высокого разрешения весьма ограничены в возможностях сбора данных. ^{[ нужна ссылка ]}

Требования к космическим поисково-спасательным службам

Примером может служить TerraSAR-X , немецкий спутник наблюдения за Землей. Его основной полезной нагрузкой является радарный датчик X-диапазона (3,1 см) с различными режимами работы, что позволяет ему обеспечивать несколько режимов формирования изображения для записи изображений с различной шириной полосы обзора, разрешением и поляризацией, более подробную информацию см. на рисунке. В режиме полосовой карты (пространственное разрешение 3 м) для составления карты суши Земли требуется 10 недель. Это ограничение также создало проблему при разработке TanDEM-X , спутника-близнеца TerraSAR-X. Пролетая плотным строем на расстоянии всего лишь нескольких сотен метров друг от друга, два спутника одновременно фотографируют местность под ними, но под разными углами. Для получения одного глобального интерферометрического изображения суши Земли для TanDEM-X требуется один год.

Чтобы преодолеть эту проблему, 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. Более длинная длина волны позволяет ему выполнять требования для томографических измерений трехмерной структуры растительности и ледяных регионов, а также для крупномасштабного исследования деформаций с точностью до миллиметра.

Будущие миссии SAR могут потребовать картографических возможностей на один или даже два порядка лучше, чем у Тандем-Л, целью которого является исследование динамических процессов на поверхности Земли. Для этого требуется чрезвычайно мощный инструмент SAR, способный дважды в неделю картографировать всю поверхность Земли в полной поляризации и с пространственным разрешением значительно ниже 10 м. С другой стороны, некоторые другие миссии требуют гораздо более высокого пространственного разрешения.

Основы

При наличии одного спутника частое и бесперебойное покрытие может быть достигнуто только в том случае, если снимается широкая полоса обзора.

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

Если датчик SAR летит со скоростью $v$ , а на земле находятся две цели P и Q , азимутальный угол рассчитывается как $\Delta \phi =\phi P-\phi Q$ . Для SAR с малой полосой пропускания обычная линейная зависимость между частотой азимута и углом с длиной волны $\lambda$ описывается следующим образом:

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

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

ScanSAR с несколькими азимутальными каналами

Одним из примеров является сочетание смещенных фазовых центров по азимуту с режимом ScanSAR низкого разрешения или наблюдением местности с помощью прогрессивного сканирования (TOPS). ^{[ 7 ]}

Как и в классическом ScanSAR, ^{[ 8 ]} Пакеты 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 отдельно на одной платформе или даже интегрированы в одну антенну с помощью технологии модуля передачи и приема (T/R).

Одним из ключевых этапов является многоканальная обработка азимута. Многоканальный РСА по азимуту можно интерпретировать как линейную систему функций фильтра, характеризующих импульсные характеристики отдельных апертур по амплитуде и фазе в зависимости от доплеровской частоты. $f$ . Общая модель системы показана слева.

$U_{s}(f)$ характеризует сцену, в то время как $H_{s}(f)$ - азимутальная импульсная характеристика системы с одной апертурой, что дает $U(f)$ что дает эквивалентный моностатический сигнал SAR. Функции $H_{s}(f)$ представляют канал между передатчиком (Tx) и каждым приемником $j$ (Прием $j$ ) относительно моностатической импульсной характеристики, в результате чего получается соответствующий многоканальный сигнал SAR $U_{j}(f)$ . Если предположить, что имеется один передатчик и несколько каналов приемника, физическое расстояние по трассе между Rx $j$ и $T_{x}$ определяется как Δx, а λ представляет длину волны несущей, $R_{0}$ представляет наклонную дальность, и $v_{s}$ и $v_{g}$ представляют скорости датчика и луча на земле соответственно.

После приема каждый сигнал дискретизируется по азимуту с помощью PRF, и, следовательно, максимальная полоса пропускания сигнала составляет N⋅PRF в соответствии с эффективной частотой дискретизации. Тогда компактную характеристику всей системы дает матрица $H(f)$ , где следует отметить зависимость от параметра PRF.

Согласно обобщенной теореме выборки, N независимых представлений сигнала, каждое из которых субдискретизировано с частотой 1/N частоты Найквиста сигнала, позволяют однозначно «реконструировать» исходный сигнал из совмещенных доплеровских спектров N представлений. Это означает, что любой сигнал с ограниченной полосой пропускания $U(f$ однозначно определяется с точки зрения ответов $U_{j}(f)$ или, что то же самое, соответствующими функциями $H_{j}(f)$ . Это справедливо независимо от пространственного распределения выборок, пока выборки не совпадают в пространстве. Тогда инверсия $H(f)$ дает матрицу $P(f)$ который содержит в своих строках N функций $P_{j}(f)$ каждый представляет собой фильтр для многоканальной обработки канала $j$

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

Исходный сигнал $U(f)$ затем восстанавливается путем фильтрации каждого канала $j$ с соответствующим фильтром «реконструкции» $P_{j}(f)$ и последующее когерентное объединение всех взвешенных каналов приемника. Связанная с этим потеря разрешения из-за совместного использования синтетической апертуры между различными полосами обзора компенсируется путем сбора радиолокационных эхосигналов с помощью нескольких смещенных азимутальных апертур.

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

Одноканальный РСА с несколькими лучами угла места

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

Потому что это имеет следующие преимущества: Несколько апертур, смещенных вдоль пути, могут получать дополнительные выборки вдоль синтетической апертуры, и в то же время они обеспечивают эффективное подавление неоднозначностей азимута. Более того, управляя лучом приемника с высокой направленностью, 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, современные многоканальные архитектуры SAR позволяют избежать использования отдельных антенн Tx и Rx и обеспечить увеличение зоны покрытия без необходимости удлинения антенны или использования пакетных режимов.

Для достижения этих преимуществ приемная антенна обычно разделяется на несколько субапертур, каждая из которых подключается к отдельным каналам приемника. Затем записанные в цифровом виде субапертурные сигналы 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 отражательная антенна в сочетании с цифровой облучающей решеткой, что представляет особый интерес для низкочастотных радиолокационных систем, работающих в L- и P-диапазоне (1 м), ^{[ 11 ]} сочетает в себе возможности цифрового формирования луча с высокой направленностью большой рефлекторной антенны.

Архитектура на основе отражателя дает возможность использовать все элементы решетки одновременно для передачи широкого луча без перелива, что необходимо для освещения с широкой полосой обзора.

Для параболоидного отражателя с облучателем, близким к фокальной точке, сигналы, поступающие с заданного направления, обычно соответствуют только одному или очень небольшому подмножеству активированных облучателей. И это свойство могло бы снизить сложность реализации и стоимость радара с цифровым формированием луча.

Однако у этого метода есть и недостаток: наличие слепых зон поперек полосы обзора, поскольку радар не может принимать сигналы во время передачи.

Цифровое формирование луча с рефлекторной антенной

Интересной альтернативой планарной антенне является рефлектор, питаемый многоканальной решеткой. Параболический отражатель фокусирует поступающую плоскую волну на одном или небольшом подмножестве облучающих элементов. Поскольку эхо-сигналы полосы обзора приходят в виде плоских волн под увеличивающимися углами обзора, следовательно, необходимо считывать только один облучающий элемент за другим, чтобы направлять луч с высоким усилением согласованно с поступающими эхо-сигналами. Недостатком многолучевого режима является наличие слепых зон по всей полосе обзора, поскольку радар не может принимать сигналы во время передачи. ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}

Было предложено несколько инновационных методов с использованием нескольких приемных апертур («Rx») для преодоления присущих традиционным SAR ограничений для получения изображений HRWS. Для оптимальной работы соотношение между скоростью датчика $v$ и смещения вдоль пути $\Delta x$ принадлежащий $N$ субапертуры должны обеспечивать равноотстоящие эффективные фазовые центры, что приводит к равномерной выборке принимаемого сигнала. Для этого необходимо, чтобы оптимальный PRF был равен $2v/N\Delta x$ .

Если выбран неоптимальный PRF, собранные выборки будут расположены неравномерно. Это требует дальнейшего этапа обработки после преобразования с понижением частоты и квантования сигнала азимута с несколькими апертурами перед использованием традиционных моностатических алгоритмов (таких как алгоритм дальнего допплера (RDA)). ^{[ 14 ]} и алгоритм масштабирования чирпа (CSA) ^{[ 15 ]}) можно применять. При этом отдельные сигналы апертуры рассматриваются как независимые каналы Rx (см. рисунок ниже, A/D означает аналого-цифровой преобразователь). Целью обработки азимута является объединение $N$ каналы, каждый имеет пропускную способность $N*PRF$ , подвыборка с $PRF$ чтобы получить сигнал, эффективно дискретизированный с помощью $N*PRF=PRF_{eff}$ , которые достигают критерия Найквиста путем усреднения после обработки. Таким образом, в оптимальном случае выходной сигнал не имеет наложений.

Пошаговый SAR

Как указывалось в предыдущем разделе, для многолучевых режимов он имеет недостаток, заключающийся в наличии слепых зон по всей полосе обзора, поскольку радар не может принимать сигналы во время передачи. Пошаговый SAR ^{[ 16 ]} можно преодолеть этот недостаток, непрерывно изменяя PRI циклическим образом, что позволяет получать изображения широкой непрерывной полосы обзора без необходимости использования длинной антенны с несколькими апертурами.

Это работает, поскольку при спутниковых изображениях РСА длина антенны и требуемое разрешение по азимуту устанавливают верхнюю границу выбранного PRI . PRI , в свою очередь , ограничивает максимальную ширину непрерывной полосы обзора в наклонном диапазоне, на которую лишь незначительно влияет длина передаваемого несжатого импульса. $\tau$ . Непрерывный интервал времени, в течение которого может быть получен радиолокационный эхо-сигнал, ограничен сверху временным интервалом между концом переданного импульса и началом следующего, скажем $PRI-\tau$ . Однако во время передачи радар устройство не может принимать радиолокационное эхо, поэтому радар может принимать сигнал только от целей, находящихся в пределах $PRI-2\tau$ . Разница между этими двумя временными интервалами $\tau$ вызывает зону слепой зоны, которая определяется выражением $c_{0}*\tau$ , где $c_{0}$ это скорость света в свободном пространстве.

Если PRI однородный, слепые дальности останутся неизменными по азимуту, а после сжатия по азимуту изображение будет иметь слепые полосы шириной $c_{0}*\tau$ . Хотя PRI изменяется, слепые диапазоны все еще существуют, но положение этих слепых диапазонов также меняется и будет различным для каждого передаваемого импульса, поскольку передаваемый импульс связан только с предыдущими переданными импульсами. Таким образом, если принять во внимание общую синтетическую апертуру, окажется, что на каждой наклонной дальности отсутствуют только некоторые из переданных импульсов, поэтому можно получить изображение РСА в широкой непрерывной полосе обзора. На рисунке справа показано расположение слепой зоны как для фиксированного , так и для переменного PRI .

Ссылки

^ Рамадан Т.М., Онси Х. М. Использование изображений ERS-2 SAR и Landsat TM для геологического картирования и разведки полезных ископаемых района Сол-Хамид, юго-восточная пустыня, Египет [C] // Семинар по применению SAR-поляриметрии и поляриметрической интерферометрии. Национальное управление дистанционного зондирования и космической науки. Египет. 2003.
^ Кале К. В. Достижения в области компьютерного зрения и информационных технологий [M]. ИК Интернэшнл Пвт Лтд., 2008 г.
^ Ван Л., Скотт К.А., Сюй Л. и др. Оценка концентрации морского льда во время таяния на основе сцен Dual-Pol SAR с использованием глубоких сверточных нейронных сетей: тематическое исследование[J]. Транзакции IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию, 2016, 54(8): 4524-4533.
^ Совет NS. C4ISR для будущих военно-морских ударных групп [M]. Пресса национальных академий, 2006.
^ http://www.dlr.de/hr/en/Portaldata/32/Resources/dokumente/broschueren/Tandem-L_web_Broschuere2014_en.pdf ^{[ только URL-адрес PDF ]}
^ Гуарниери А. М. Адаптивное устранение неоднозначности азимута в изображениях SAR [J]. Транзакции IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию, 2005, 43(3): 625-633.
^ Геберт, Николас, Герхард Кригер и Альберто Морейра. «Многоканальная обработка азимута в режиме ScanSAR и TOPS». Транзакции IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию 48.7 (2010): 2994-3008.
^ Томиясу К. Концептуальные характеристики спутникового радара с синтезированной апертурой и широкой полосой обзора [J]. Транзакции IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию, 1981 (2): 108–116.
^ Каффорио С., Гуччионе П., Гуарниери А. М. Оценка доплеровского центроида для данных ScanSAR[J]. Сделки IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию, 2004, 42(1): 14-23.
^ Кригер, Герхард и др. «Передовые концепции для визуализации SAR со сверхширокой полосой обзора». Материалы Европейской конференции по радарам с синтезированной апертурой (EUSAR). Том. 2. ВДЭ, 2008.
^ «Диапазоны радиолокации и длины волн» .
^ Геберт Н., Кригер Г., Морейра А. РСА-изображения с широкой полосой обзора и высоким разрешением с помощью цифрового формирования луча – анализ производительности, оптимизация, проектирование системы [J]. ЕВСАР 2006, 2006.
^ Кригер, Герхард, Николас Геберт и Альберто Морейра. «Многомерное кодирование сигналов: новый метод цифрового формирования луча для дистанционного зондирования радиолокаторов с синтезированной апертурой». Транзакции IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию 46.1 (2008): 31-46.
^ Ву С, Цзинь М. Моделирование и алгоритм корреляции космических сигналов SAR [J]. Транзакции IEEE по аэрокосмическим и электронным системам, 1982 (5): 563-575.
^ Рэни Р.К., Рунге Х., Бэмлер Р. и др. Прецизионная обработка SAR с использованием масштабирования чирпа [J]. Транзакции IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию, 1994, 32(4): 786-799.
^ Виллано, Микеланджело, Герхард Кригер и Альберто Морейра. «Поэтапное SAR: получение изображений с широкой полосой обзора с высоким разрешением за счет непрерывного изменения PRI». Транзакции IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию 52.7 (2014): 4462-4479.

[1] Рамадан Т.М., Онси Х. М. Использование изображений ERS-2 SAR и Landsat TM для геологического картирования и разведки полезных ископаемых района Сол-Хамид, юго-восточная пустыня, Египет [C] // Семинар по применению SAR-поляриметрии и поляриметрической интерферометрии. Национальное управление дистанционного зондирования и космической науки. Египет. 2003.

[2] Кале К. В. Достижения в области компьютерного зрения и информационных технологий [M]. ИК Интернэшнл Пвт Лтд., 2008 г.

[3] Ван Л., Скотт К.А., Сюй Л. и др. Оценка концентрации морского льда во время таяния на основе сцен Dual-Pol SAR с использованием глубоких сверточных нейронных сетей: тематическое исследование[J]. Транзакции IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию, 2016, 54(8): 4524-4533.

[4] Совет NS. C4ISR для будущих военно-морских ударных групп [M]. Пресса национальных академий, 2006.

[5] ttp://www.dlr.de/hr/en/Portaldata/32/Resources/dokumente/broschueren/Tandem-L_web_Broschuere2014_en.pdf ^{[ только URL-адрес PDF ]}

[6] Гуарниери А. М. Адаптивное устранение неоднозначности азимута в изображениях SAR [J]. Транзакции IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию, 2005, 43(3): 625-633.

[7] Геберт, Николас, Герхард Кригер и Альберто Морейра. «Многоканальная обработка азимута в режиме ScanSAR и TOPS». Транзакции IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию 48.7 (2010): 2994-3008.

[8] Томиясу К. Концептуальные характеристики спутникового радара с синтезированной апертурой и широкой полосой обзора [J]. Транзакции IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию, 1981 (2): 108–116.

[9] Каффорио С., Гуччионе П., Гуарниери А. М. Оценка доплеровского центроида для данных ScanSAR[J]. Сделки IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию, 2004, 42(1): 14-23.

[10] Кригер, Герхард и др. «Передовые концепции для визуализации SAR со сверхширокой полосой обзора». Материалы Европейской конференции по радарам с синтезированной апертурой (EUSAR). Том. 2. ВДЭ, 2008.

[11] «Диапазоны радиолокации и длины волн» .

[12] Геберт Н., Кригер Г., Морейра А. РСА-изображения с широкой полосой обзора и высоким разрешением с помощью цифрового формирования луча – анализ производительности, оптимизация, проектирование системы [J]. ЕВСАР 2006, 2006.

[13] Кригер, Герхард, Николас Геберт и Альберто Морейра. «Многомерное кодирование сигналов: новый метод цифрового формирования луча для дистанционного зондирования радиолокаторов с синтезированной апертурой». Транзакции IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию 46.1 (2008): 31-46.

[14] Ву С, Цзинь М. Моделирование и алгоритм корреляции космических сигналов SAR [J]. Транзакции IEEE по аэрокосмическим и электронным системам, 1982 (5): 563-575.

[15] Рэни Р.К., Рунге Х., Бэмлер Р. и др. Прецизионная обработка SAR с использованием масштабирования чирпа [J]. Транзакции IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию, 1994, 32(4): 786-799.

[16] Виллано, Микеланджело, Герхард Кригер и Альберто Морейра. «Поэтапное SAR: получение изображений с широкой полосой обзора с высоким разрешением за счет непрерывного изменения PRI». Транзакции IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию 52.7 (2014): 4462-4479.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]