RELIEF RECOVERY BY SYNTHETIC APERTURE RADAR THAT PARASITES OVER TV BROADCASTING SIGNALS

Full Text

Введение В настоящее время радиолокаторы с синтезированной апертурой антенны (РСА) являются важным и достаточно эффективным инструментом дистанционного зондирования Земли. Одно из главных преимуществ использования радиолокационных систем, по сравнению с оптическими системами, является возможность применения интерферометрической обработки для построения высокоточных цифровых моделей рельефа (ЦМР). Различают однопозиционные и многопозиционные системы. Частным случаем многопозиционной системы является бистатическая конфигурация, при которой передатчик и приемник разнесены в пространстве. Сегодня в мире достаточно активно используются бистатические системы [1-9] в качестве экспериментальной базы для изучения явлений рассеивания, методов обработки, решения технических задач, связанных с приемом данных и синхронизацией. Одновременно они обеспечивают возможность выполнения следующих экспериментов: - поперечная и продольная интерферометрия; - дифференциальная интерферометрия; - селекция движущихся целей. Ключевой проблемой в любой многопозиционной (бистатической) системе является синхронизация между приемником и передатчиком, поэтому в случае с истинно пассивной (паразитической) системой необходим прямой канал синхронизации для которого источник сигнала находится в прямой видимости и который необходимо полностью записывать, в отличие от известного импульсного сигнала, для которого возможно сохранять только временные метки прихода прямого сигнала. Особенно эта задача осложняется, если в качестве передатчика используется система радиосвязи, навигации или телевизионного (ТВ) вещания. В литературе такие системы называют паразитирующими [10]. Также актуальной задачей является мониторинг с помощью дифференциальной РСА-интерферометрии городских районов, подверженных проседанию грунта, что может принести дополнительную пользу, особенно если использовать многопозиционные системы. Кроме того, многопозиционные системы могут одновременно наблюдать территорию из разных точек используя только один передатчик. В статье представлены первые шаги по оценки возможности применения бистатической интерферометрической съемки с использованием реального сигнала и получения цифровой модели высот местности с использованием однопроходной бистатической интерферометрическоой съемки в РСА, паразитирующем на ТВ сигналах. Схема радиолокационной съемки Предлагается провести полунатурное моделирование пассивной бистатической системы для интерферометрических измерений с конфигурацией, где в качестве зондирующего сигнала используется реальный сигнал от ТВ-центра, находящегося на господствующей высоте, и приемник, который расположен на автомобиле, двигающемся по мосту вдоль заданной области интереса. На рис. 1 показана условная геометрия съемки, где в точках Ant1 и Ant2 расположены приемные антенны, закрепленные на крыше автомобиля и удаленные от точки интереса на расстояния и соответственно. В качестве опорного сигнала, принимаемого в прямом канале, используется реальный записанный сигнал от телецентра на несущей частоте 703,25 МГц (50 ТВ-канал). Рис. 1. Схематичное изображение геометрии при бистатической интерферометрической съемке. В качестве отраженных сигналов используются смоделированные сигналы, которые получены, используя эталонную фоно-целевую обстановку, приближенную к реальной. На рис. 2 показана оптическое изображение и смоделированная фоно-целевая обстановка с учетом высоты. В качестве траектории движения автомобиля используется реальный трек, записанный по данным GPS приемника. На смоделированной фоно-целевой обстановке введены дополнительные тестовые объекты и одновременно с объектами, расположенными ниже траектории движения автомобиля присутствуют высотные здания. Отметим, что в условиях плотной городской застройки яркие точки будут формироваться за счет уголковых отражателей образованных конструкциями зданий. При этом можно предположить, что чем выше будет находиться отражающий элемент, тем «чище» будет от него отраженный сигнал, так как он при распространении будет в меньшей степени интерферировать с сигналами от других отражателей. Рис. 2. Реальная карта местности и смоделированная карта высот с расположением наиболее высоких зданий, слева и справа соответственно Рис. 3. Смоделированное бистатическое амплитудное и фазовое изображения (показано для одного приемного канала), слева и справа соответственно На рис. 3 показаны амплитудное и фазовое радиолокационные изображения, полученные в ходе моделирования зарегистрированное антенной расположенной в точке Ant1. Антенна в точке Ant2 так же регистрирует отраженный сигнал с некоторой вертикальной базой относительно первой антенны. Алгоритм формирования радиолокационных изображений описан в [4]. При моделировании учитывалось затенение низко расположенных объектов более высокими, что хорошо видно на полученном амплитудном изображении, где тестовые объекты затенены более высокими зданиями. Время синтеза 20 с, ширина диаграмм направленности около 60°. Интерферометрическая фаза и высота После получения двух смоделированных изображений находится интерферометрическая разность фаз. В данном случае этап совмещения двух изображений не требуется, совмещение происходит «автоматически», так как при обработке используется одна и та же область интереса. В данной ситуации не требуется также развертка фазы из-за достаточно «малой» базы интерферометра. Интерферометрическая разность фаз равна соответствующей разности расстояний от цели до первой и второй приемной антенны, при этом необходимо отметить, что фаза зависит только от расстояния от цели до приемной антенны: , (1) где согласно рис. 1, . С учетом этого для высоты точки Н, расположенной на расстоянии от приемника, с углом падения , базовой линией и интерферометрической разности фаз , можно записать . (2) Окончательно высота цели относительно высоты опорной поверхности есть . (3) На рис. 5 показана полученная интерферометрическая разность фаз и высота, пересчитанная с учетом высоты опорной поверхности относительно уровня моря. Также хорошо видно, что целесообразно вести пересчет интерферометрической разности фаз в высоту только в тех точках изображения, где амплитудная составляющая комплексного изображения имеет приемлемые значения, то есть необходимо использовать амплитудное изображение в качестве маски для полученной указанной разности фаз. На рис. 4 показана полученная модель высот, с учетом применения амплитудного изображения в качестве маски, которая сопоставима по значениям высот с моделью, показанной на рис. 2. Оценим возможности данного интерферометрического метода измерения высоты с учетом воздействия шума на принятый сигнал. Для этого так же были смоделированы два изображения, с несколькими яркими (контрольными) точками, одно из двух смоделированных бистатических изображение показано на рис. 5, отношение «сигнал/шум» -16 дБ. Данное значение отношения «сигнал/шум» можно считать предельным для данного случая, поскольку при дальнейшем увеличении шумовой составляющей полностью «рассыпаются» как амплитудное, так и фазовое изображения. Рис. 4. Полученная интерферометрическая разность фаз (слева) и пересчитанная в высоту с учетом использования амплитудного изображения в качестве маски (справа). Рис. 5. Смоделированное бистатическое изображения (показано для одного приемного канала), отношение «сигнал/шум» -16 дБ (слева) и полученная высота без применения маски Рис. 6. Полученная высота для наиболее ярких точек при отношении «сигнал/шум» -16 дБ (слева) и полученная высота при отношении «сигнал/шум» -14 дБ (справа) Таблица 1. Результаты моделирования Номер контрольной точки Высота при моделировании (эталон), м Отношение «сигнал/шум» -16 дБ Отношение «сигнал/шум» -14 дБ Полученная высота, м Погрешность измерения, м Полученная высота, м Погрешность измерения, м 1 80 82,74 2,74 78,73 1,27 2 80 87,49 7,49 82,15 2,1 3 70 70,37 0,37 69,38 0,62 4 80 59,49 20,51 81,08 1,08 На рис. 5 (справа) показана высота, пересчитанная через интерферометрическую разность фаз, на котором хорошо видно, что высота из-за воздействия помех колеблется в пределах от минус 3000 до 3000 метров, что очевидно является неприемлемыми значениями. Теперь необходимо отфильтровать заведомо ложные значения высот. Соответственно, единственным возможным способом является наложение маски из амплитудного изображения, где критерием является величина значения амплитуды в данной точке. Результаты такой обработки показаны на рис. 6 (слева), где можно наблюдать только несколько значений от самых ярких точек. На рис. 6 (справа) дополнительно показана полученная высота, при отношении «сигнал/шум» -14 дБ, где возможно достоверно восстановить высоту для большего числа точек. В таблице 1 для сравнения представлены значения высот только для самых ярких точек. Заключение В результате эксперимента и проведенного имитационного математического моделирования показана принципиальная возможность использования РСА паразитирующего на ТВ-сигнале для построения рельефа местности методом однопроходной интерферометрии поперек пути. Также показана возможность восстановления значений высоты при отношении «сигнал/шум» до -16 дБ. Предложенный метод получения высотной модели местности в дальнейшем может быть использован для измерения высот зданий городской застройки и других объектов, определения подвижек грунта и объектов наземной инфраструктуры с использованием сигналов не только ТВ-вещания, но и от других систем, в том числе космических радиотехнических комплексов различного назначения.

About the authors

Oleg Valerievich Goryachkin

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: goryachkin-ov@psuti.ru

Ivan Vladimirovich Maslov

Space Rocket Centre Progress

Email: macloff@mail.ru

References

Supplementary files