Mobile VHB-band SAR for Earth remote sensing

Full Text

Введение Один из первых в мировой истории техники авиационный радиолокационный комплекс ДЗЗ УКВ диапазона «МАРС» был разработан в ИРЭ АН УССР (в настоящее время Исследовательский Центр Радиофизических Методов Дистанционного Зондирования Земли им. А.И. Калмыкова НАН Украины, г. Харьков) по ТЗ ЦСКБ (г. Самара) в 1990 г. В начале 1991 г. прошли его успешные авиационные испытания. Разработка велась в обеспечение перспективных проектов космических систем ДЗЗ по инициативе известного советского ученого - радиофизика, профессора А.И. Калмыкова. Основной мотивацией разработки подобных радиолокационных комплексов являлось создание средств подповерхностного зондирования с борта летательных аппаратов, многочастотное зондирование, наблюдение замаскированных или укрытых целей [1-2]. В таблице 1 приведены основные сравнительные характеристики авиационных РСА УКВ диапазона, разработанных в разные годы и МРЛК. В настоящее время продолжают быть актуальными исследования по применению информации низкочастотных радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА) в различных коммерческих приложениях ДЗЗ, таких как всепогодная картография, мониторинг районов стихийных бедствий и катастроф, наблюдение подземной инфраструктуры. Особенно интересен поиск новых приложений, основанных на высокой проникающей способности радиоволн данного диапазона. В этой связи разработка мобильного комплекса, реализующего все основные технологии радиолокационного наблюдения в данном диапазоне, представляется актуальной задачей. Таблица 1. Основные характеристики авиационных РСА УКВ диапазона Название проекта Страна, разработчик, город Диапазон частот, МГц Разрешение, м Тип сигнала Реализация, год Летательный аппарат «МАРС» СССР, ИРЭ РАН УССР, Харьков 160-172 16-25 ЛЧМ 1990 ИЛ-18д CARABAS-I, II Швеция 20-90 2-5 ЛЧМ 1992 ИМАРК Россия, НПО «Вега», Москва 113-123 15-20 РИ 1994 Ту-134А «Компакт» Россия, НИИТП, Москва 113-163 3-5 ЛЧМ 2005 Любой тип авиационного носителя «МРЛК» Россия, ПГУТИ, Самара 115-165 3-5 ФМС 2013 Любой тип мобильного носителя 1. Основные характеристики МРЛК Основные характеристики МРЛК показаны в таблице 1. На рис. 1 показан вариант размещения МРЛК на автомобиле, использованный в процессе экспериментальной отработки. Данный РЛК обеспечивает формирование радиолокационных изображений местности (РЛИ) с максимальным пространственным разрешением 3×3 м2, в полосе от 500 до 20000 м справа по движению автомобиля на трассе при наличии соответствующей видимости. Рис. 1. МРЛК, размещенный на автомобиле. РЛК состоит из радиопередающего устройства (РПУ), радиоприемного устройства (РПРУ), набора антенн и фидеров, предназначенных для различных вариантов размещения МРЛК, высокоскоростного переключателя «прием/передача» (для моностатического режима), устройства цифровой регистрации и обработки информации, вторичного источника питания. Радиопередающее устройство МРЛК Радиопередающее устройство (РПДУ) РСА формирует фазоманипулированный сигнал, кодированный M-последовательностью с базой от 63 до 4095, на перестраиваемой несущей от 100 до 200 МГц, с периодом повторения от 0,1 до 83000 Гц. Полоса частот РПДУ составляет 50 МГц, пиковая мощность в импульсе от 90 до 500 Вт, в зависимости от типа используемого источника питания. Структурная схема РПДУ приведена на рис. 2, где использованы следующие обозначения: «ЮСБ» - сигнал управления интерфейса USB, «ПИ» - преобразователь интерфейса USB - RS232, «ДТМ» -датчик температуры, «ДТК» -датчик тока, «ДНВ» - датчик напряжения питания, «ДН5» - датчик напряжения 5 В, «П» - процессор, «СЧ» - счетчик адреса, «ЗУ» - запоминающее устройство, «К» - коммутатор, «М» - модулятор, «ВЧГ» - высокочастотный генератор, «РУ» - регулируемый усилитель, «УМ» - усилитель мощности, «АНТ» - антенный выход, «ВЧ2» - радиочастотный выход, «Син» - выход синхронизации. Необходимая M-последовательность формируется либо процессором «П», реализованном на микропроцессоре ATMEGA8535, либо загружается из внешней ЭВМ в запоминающее устройство «ЗУ» в цикле ожидания, в режиме отсутствия передачи, побайтно. Максимальная длина M-последовательности составляет 32768 бит. В режиме передачи процессор устанавливает в счетчике «СЧ» начальный адрес выборки «ЗУ» и запускает передачу. Из «ЗУ» по текущему адресу считывается восемь бит и передаются в коммутатор, где они далее последовательно передаются на фазовый модулятор с частотой 50 МГц, на второй вход которого подается высокочастотный сигнал с частотой 140 МГц, формируемый в синтезаторе частот «ВЧГ» реализованном на микросхеме SN761683. Частота на выходе синтезатора может быть перестроена в диапазоне 100 … 200 МГц с шагом перестройки 50 кГц. С выхода модулятора высокочастотный сигнал поступает на регулируемый усилитель «РУ» для изменения амплитуды выходного сигнала, а затем на вход усилителя мощности «УМ» выполненного на микросхеме RA60H1317M и далее на антенный выход. Рис. 2. Структурная схема передатчика МРЛК Максимальная импульсная мощность передатчика составляет 240 Вт (или 500 Вт при использовании внешнего «УМ», реализованного на базе двух микросхем RA60H1317M). Работа «УМ» управляется синхросигналом, амплитуда которого изменяется регулируемым усилителем. Для синхронизации внешних устройств применяется выход синхронизации «Син», амплитуда напряжения на котором изменяется регулируемым усилителем «РУ». Для использования внешнего усилителя мощности используется дополнительный высокочастотный маломощный выход «ВЧ2» амплитуда которого также регулируется регулируемым усилителем. В РПУ встроены датчики температуры «ДТМ», тока потребления «ДТК», входного напряжения «ДНВ» и др., параметры которых контролируются в процессоре. Процессором также устанавливаются параметры регулируемых усилителей. Управление передатчиком осуществляется по интерфейсу USB с последующим преобразованием в RS232 с гальванической развязкой в блоке преобразователя интерфейса «ПИ» с помощью внешнего ПК. Радиоприемное устройство обеспечивает прием в заданной полосе частот и линейное усиление минимального отраженного сигнала (60-90 Дб) до уровня, используемого в АЦП 1.35/212 = 330 мкВ. В качестве АЦП используется канал первичной обработки, состоящий из базового несущего модуля FMC106P и мезонинного модуля АЦП FM412×500M. Радиоприемное устройство МРЛК Радиоприемное устройство МРЛК предназначено для усиления радиочастотных сигналов в диапазоне 140 МГц. Структурная схема приемника диапазона 140 МГц приведена на рис. 3, где использованы следующие обозначения: «Вх» - входной сигнал, «Сс» - сигнал синхронизации, «Ус» - усилитель сигнала синхронизации, «К» - ключи стробирования входного и выходного сигналов, «У» - блок усилителя с фиксированным усилением 26 дБ, «ПФ1» - полосовой фильтр диапазона 140 МГц, «М» - аналоговый коммутатор 1 вход/выход на 4 входа/выхода, «ПФ2», «ПФ3», «ПФ4», «ПФ5» - полосовые фильтры диапазона 140 МГц, «АТ» - аттенюатор с фиксированным ослаблением -3дБ, «РУ» и «ДС» - регулируемый усилитель и детектор сигнала, «Вых» - выходной сигнал, «БУ» - блок управления. Входной сигнал «Вх» поступает на ключ стробирования входного сигнала «К», который позволяет отключать входной сигнал от тракта усиления под действием сигнала внешней синхронизации «Сс». Далее принимаемый сигнал усиливается в малошумящем усилителе «У», который собран на микросхеме SPF5122Z. Данная микросхема на частоте 140 МГц обеспечивает усиление порядка 26 дБ с уровнем собственного шума 0.35 дБ. Усиленный сигнал поступает на низкодобротный полосовой фильтр «ПФ1», который ограничивает полосу входного сигнала в районе 140 МГц. Далее отфильтрованный сигнал усиливается еще двумя усилителями «У» на 52 дБ и поступает на вход блока выбора фильтра, состоящего из аналоговых коммутаторов «М» и полосовых фильтров «ПФ2-ПФ5». Под действием сигналов управления из блока управления «БУ» происходит выбор одного из высокодобротных полосовых фильтров, которые отличаются друг от друга центральными частотами и величиной полосы пропускания. Сформированный в блоке выбора фильтра сигнал поступает в блок фиксированного усиления/ослабления, состоящего из аналоговых коммутаторов «М», усилителей «У» и аттенюатора с фиксированным ослаблением -3дБ «АТ». Под действием сигналов управления из блока управления «БУ» происходит выбор одного из режимов: 1) прохождение сигнала без преобразования, 2) ослабление на 3 дБ, 3) усиление на 26 дБ, 4) усиление на 52 дБ. С выхода блока фиксированного усиления/ослабления сигнал поступает на регулируемый усилитель и детектор сигнала «РУ» и «ДС», собранный на микросхеме AD8367. Данная микросхема позволяет усиливать сигнал в полосе до 500 МГц с переменным коэффициентом усиления от -2,5 дБ до +42,5 дБ и имеет в своем составе детектор уровня выходного сигнала. Далее полученный сигнал поступает на выход усилителя через ключ стробирования выходного сигнала «К», который позволяет отключать выходной сигнал под действием сигнала внешней синхронизации «Сс». Максимальное усиление порядка 140 дБ РПУ имеет на частоте 140 МГц. Блок управления РПУ предназначен для управления режимами работы приемника. В его состав входят центральный процессор на микропроцессоре ATMEGA8535, клавиатура, двустрочный жидкокристаллический индикатор, регистры формирователи сигналов управления. Блок управления РПУ обеспечивает: - управление сигналом стробирования входного и выходного сигналов; - выбор полосового фильтра «ПФ2»-«ПФ5»; - выбор дополнительного канала усиления/ослабления сигнала; - плавную регулировку сигнала; - измерение величины выходного сигнала; - индикацию режимов работы приемника, уровня усиления регулируемого усилителя, уровня выходного сигнала. Для минимизации уровня помех, создаваемых процессором и цифровым индикатором в канале усиления, в блоке управления реализован режим полного отключения процессора и индикации с сохранением всех режимов управления. Рис. 3. Структурная схема приемника МРЛК Антенное устройство МРЛК В качестве антенного устройства (АУ) МРЛК использована широкополосная 7-элементная антенна Yda-Yagi, оптимизированная для установки на крыше автомобиля. Основные параметры АУ: центральная частота - 140 МГц; входное сопротивление - 49,63 Ом; КСВ на частоте 140 МГц - 1,02; коэффициент усиления - 13,05 dBi; коэффициент подавления заднего лепестка - 21,95 dB. Габариты антенны проектировалась для расположения над крышей автомобиля марки ВАЗ «Калина», с направлением излучения перпендикулярно направлению движения автомобиля. С учетом Правил дорожного движения РФ на расположение грузов, выступающих за габариты автомобиля максимальная длина траверсы антенны получилась равной 1,86 м. Учитывая условия распространения радиоволн УКВ диапазона в условиях городской застройки, были предприняты максимально возможные меры для подавления боковых и задних лепестков излучения антенны. Рис. 4. Графики зависимости коэффициента усиления АУ МРЛК (GA, [dBi]) и соотношения излучения вперед/назад АУ (FB, [dB]) от частоты излучения Результатом проектирования стало применение рефлектора ромбообразной формы. Рис. 5. Диаграммы направленности антенны МРЛК в азимутальной (слева) и угломестной (справа) плоскости, с учетом влияния корпуса автомобиля Рис. 6. КСВ антенны МРЛК в рабочей полосе радиочастот. Как видно из графиков на рис. 5-6 размещение АУ на металлической крыше автомобиля приводит к подъему угла максимального излучения в угломестной плоскости на 24,8° от горизонтали. Система цифровой регистрации и программно-алгоритмическое обеспечение обработки информации МРЛК Система регистрация реализована на универсальной ЭВМ и включает в себя модуль аналого-цифрового преобразователя и систему хранения данных. Модуль АЦП состоит из несущего модуля FMC106P и аналогового мезонинного модуля FM412×500M производства ЗАО «ИнСис» (г. Москва). Модуль АЦП позволяет осуществлять преобразование двух сигналов в полосе от 10 МГц до 1300 МГц с частотой дискретизации до 400 МГц и разрядностью до 14 бит. Максимальная амплитуда входного сигнала составляет 1,35 В. Ввод данных в ЭВМ осуществляется с помощью интерфейса PCI-E×8, позволяющего осуществлять непрерывный сбор данных со скоростью потока свыше 1600 Мбайт/с. Система хранения данных представляет собой 4 твердотельных накопителя SSD OSZ Vertex-4 256 ГБ, подключаемые к ЭВМ через порты с интерфейсом SATA3. Поступающие из АЦП данные накапливаются в буферном ОЗУ и разбиваются на блоки, которые записываются на разные накопители параллельно. Предварительная обработка записанных данных состоит из оценивания параметров импульсов, разделения сигнала на квадратурные компоненты и согласованной фильтрации ФМС. В процессе оценивания параметров импульсов выполняется уточнение значения центральной частоты и длительности импульсов в отсчётах, соответствующих выбранной частоте дискретизации АЦП. В квадратурном расщепителе производится перемножение входного сигнала с комплексной синусоидой с частотой, равной центральной частоте, с последующей низкочастотной фильтрацией. ФНЧ квадратурного расщепителя объединен с согласованным фильтром и реализован в виде трансверсального цифрового фильтра с помощью алгоритма быстрой свертки на базе БПФ. Импульсная характеристика фильтра представляет собой свертку выбранной М-последовательности с ИХ фильтра нижних частот. В процессе фильтрации осуществляется так же понижение частоты дискретизации, в соответствии с полосой частот зондирующего импульса. Особенностью системы является возможность одновременной регистрации данных в «прямом» и «отраженном» канале (12 и 14 разрядов на отсчет соответственно). Эта возможность используется при реализации режима бистатической съемки. С этим связана также необходимость синхронизации «прямого» и «отраженного» каналов перед процедурой синтеза апертуры в МРЛК. Процедура синтеза аппретуры в режиме моностатической РСА может быть описана следующим выражением , (1) где - коэффициент обратного рассеяния (радиолокационное изображение); - сигнал, зарегистрированный в «отраженном» канале после предварительной цифровой обработки; - сигнал, зарегистрированный в «прямом» канале после предварительной цифровой обработки (сигнал представляет собой последовательность зондирующих импульсов после предварительной согласованной фильтрации на «нулевой» несущей); - временная задержка сигнала в процессе его переотражения от точечной цели на поверхности Земли с координатами ; - временное смещение, вызванное нестабильностью передатчика, оцениваемое в процессе синхронизации; - весовая функция, соответствующая движению в пространстве ДН антенны МРЛК. Экспериментальная отработка МРЛК На рис. 7 показано место проведения эксперимента по построению РЛИ земной поверхности при движении автомобиля по мосту. На РЛИ (см. рис. 8) трасса автомобиля находится в левом нижнем углу, расстояние от трассы до верхнего угла РЛИ примерно 8 км. Заключение В статье рассмотрены результаты разработки и экспериментальной отработки мобильного РСА УКВ диапазона. Полученные РЛИ объектов на поверхности земли позволяют качественно подтвердить заявленные характеристики РСА. МРЛК может быть использован для решения разнообразных практических задач, таких как: оперативный мониторинг районов бедствий и катастроф, непрерывное наблюдение природных объектов и элементов инфраструктуры, 3D моделирование местности и городской застройки, наблюдение подповерхностных объектов и структур, археология, лесное хозяйство. Рис. 7. Место проведения эксперимента по построению РЛИ земной поверхности (справа) при движении автомобиля по мосту (слева), стрелкой показано направление съемки Рис. 8. Полученное в ходе испытаний радиолокационное изображение (справа), совмещенное с картой Google (слева) Рис. 9. Радиолокационное изображение ЛЭП, база ФМП В = 63, оптическое изображение (слева), радиолокационное (справа) Рис. 10. Радиолокационное изображение радиомачты, оптическое изображение (слева), радиолокационное (справа)

About the authors

Alexsey Vladimirovich Borisenkov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: tors@psati.ru

Oleg Valerjevich Goriachkin

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: gor@psati.ru

Vadim Nikolaevich Dolgopolov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: tors@psati.ru

Boris Glebovich Zhengurov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: loir47@rambler.ru

Igor Gennadjevich Kurkov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: rw4hox@rambler.ru

Rinat Galliulovich Kalimullin

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: tors@psati.ru

Valery Kirillovich Movchan

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Sergey Mihajlovich Khokhlov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: hgns@mail.ru

References

Supplementary files