Радиолокационный мониторинг (стр. 3 )

Получаемая с их помощью информация используется[6] во многих научных и хозяйственных отраслях, таких как глобальная и региональная экология, геология, гидрология, гляциология, океанология, картография, сельское и лесное хозяйство и др. С экономической точки зрения использование радиолокационной информации особенно эффективно оказалось для задач:

―  поиска и доразведки месторождений;

―  проектирования и прокладки трасс магистральных трубопроводов, железных и шоссейных дорог;

―  мониторинга ледовой обстановки в арктических районах;

―  определения состояния морской поверхности для обеспечения безопасности судовождения;

―  обнаружения нефтяных пятен на суше и морской поверхности, образовавшихся в результате аварий при добыче и транспортировке углеводородного сырья;

―  изучения экологического состояния лесов и оценки запасов древесины;

―  создание 3D-моделей мегаполисов.

Основные тенденции развития
радиолокационного мониторинга

Удешевление радаров. Важнейшим фактором, оказывающим заметное влияние на развитие аэрокосмических радаров с синтезированной апертурой является сокращение (как в России так и за рубежом) бюджетного финансирования выделяемого на эти цели, что заставляет изменить тенденцию создания новых радаров и пересмотреть планируемые технические и технологические решения в сторону их удешевления. Что касается радаров космического базирования, то здесь приходится ориентироваться и на менее дорогие средства выведения полезной нагрузки на орбиту. Одним из главных следствий этой тенденции является все более широкое привлечение коммерческого сектора к участию в финансировании этапа разработки и создания аппаратуры, пересмотр списка приоритетных задач и их ориентация на коммерческое использование[7] данных радаров с синтезированной апертурой.

Выбор приоритетов. Актуальной проблемой, стоящей перед разработчиками аэрокосмических радаров, является корректный выбор списка[8] приоритетных задач дистанционного зондирования, осуществляемый на основе оценки информативности получаемых данных. Такой список характеризует качественные показатели информативности космических радаров, работающих в X, С, S и L - диапазонах. Отметим, что Р-диапазон не является перспективным для космических радаров по условиям его распространения через ионосферный слой. Вместе с тем, следует отметить, что ЕКА уже приступило к разработке космического радара «MIMOSA», длина волны которого 1 м. Качественные выводы здесь явно недостаточны - необходим более строгий, количественный подход[9] к оценке информативности радара. Наряду с вопросами оценки информативности радаров необходимо также рассматривать весь замкнутый цикл мониторинга и управления состоянием объектов земной поверхности, в котором радару отводится роль подсистемы измерения. Целесообразно смена ориентации стратегии совершенствования радиолокационных средств дистанционного зондирования на интенсивный путь развития, делать основной упор не на механическом повышении количественных характеристик радаров (разрешение, полоса обзора, многочастотность и Т. п.), а на стремлении к максимальному сохранению полезной информации, содержащейся в данных дистанционного зондирования, на доведение их до конечного потребителя. Это означает исключить диссипацию информации при ее транспортировке от объекта зондирования до потребителя. Наиболее перспективным путем решения этой проблемы является «заключение» информации в замкнутый цикл мониторинга и управления состоянием природно-антропогенных объектов.

Однако сегодня такой подход нуждается в существенной коррекции в силу следующих причин:

―  с экономической точки зрения целесообразно ориентироваться не только на решение отечественных задач, поскольку данные радара могут найти применение и во многих зарубежных странах;

―  современное направление развития аэрокосмических радаров характеризуется[10] созданием в различных странах достаточно простых малогабаритных специализированных (по национальным задачам) радаров, которые, в принципе, должны дополнять друг друга по своим техническим параметрам и. как следствие, по информативности.

Это предполагает осуществление широкого беспрепятственного обмена данными и технологиями обработки эхо-сигнала радара (в том числе и тематической обработки), обеспечение единого формата и протокола обмена. Однако такое тесное сотрудничество не всегда может быть гарантировано в условиях изменяющейся политической обстановки в мире и при наличии собственных коммерческих интересов фирм-разработчиков.

Модульность архитектуры. Проектируемые радары должны иметь более открытую, модульную архитектуру, в которой различные стандартные модули позволяли бы осуществлять смену длины волны радара, его поляризации, разрешающей способности и других характеристик радара. Это придаст им большую гибкость, адаптируемость к условиям съемки и характеру решаемых задач. Кроме того, чрезвычайно важным обстоятельством представляется возможность изменения в ходе космической радарной съемки угла визирования земной поверхности и реальной полосы захвата на местности.

Эффективная тематическая обработка данных. Необходимо обратить особое внимание на вопросы корректной тематической обработки получаемых данных, в том числе распределенной, реализуемой по сетевой схеме (в том числе с использованием сети Internet), позволяющей привлекать к процедурам обработки все имеющиеся базы данных и знаний, а также накопленный за десятилетия опыт. В настоящее время значительное количество полезной информации диссипирует на пути от получателя информации к ее конечному потребителю вследствие использования неэффективных методов тематической обработки, осуществляемой в отсутствие необходимых моделей динамики состояния зондируемых объектов, а также функций связи состояния этих объектов с параметрами принимаемого эхо-сигнала. Учет потенциальных возможностей корректной тематической обработки и экономических требований в рамках всего замкнутого контура мониторинга-управления состоянием природных и природно-антропогенных объектов предполагает значительно меньшие финансовые затраты, чем создание все более сложных космических радаров, поскольку важно не только получить как можно больше первичных данных, но еще важнее извлечь из них полезную информацию, сохранить и довести ее до конечного потребителя. Последнему сегодня не так нужны высококачественные радарные изображения земной поверхности, сколько реальные прогнозные сценарии развития экологической или иной ситуации, конкретные рекомендации по поддержке принятия управленческих решений по ним.

Комплексирование средств дистанционного зондирования

Радиолокационные средства аэрокосмического мониторинга Земли уже сегодня по многим своим возможностям в области информационного обеспечения потребителей релевантными данными дистанционного зондирования сопоставимы и даже превосходят средства оптического диапазона. Разумеется, они не могут заменить собой последние, поскольку физические механизмы формирования рассеянного объектом зондирования сигнала в этих диапазонах существенно различны, что делает целесообразным сочетание обоих видов информации (оптической и радиолокационной) и, как следствие, создание комплексов аппаратуры, оптимально сочетающих возможности как оптических, так и радиолокационных сенсоров. Критерием такой оптимизации мог бы стать такой параметр как «эффективность - стоимость».

Современные экономические методы. В настоящее время слабо берутся в расчет вопросы экономики, маркетинга, изучения потенциального рынка информационных услуг.

Глава 2. Принципы радиолокационного мониторинга

2.1. Общие сведения о радиотехнических системах

Двадцатое столетие было веком зарождения и бурного развития радиотехнических систем (РТС), без которых невозможно представить повседневную деятельность и развитие человеческого общества. Радиотехнические системы широко используют практически во всех сферах государственного управления, в промышленности, на транспорте и в связи, в сельском хозяйстве, в сфере образования, науки, культуры и других областях.

Количество радиотехнических систем, различных по виду и назначению, непрерывно растет. Например, для передачи информации используют системы тропосферной, радиорелейной, спутниковой и сотовой связи, системы радиовещания и телевидения, радиотелеметрические системы, системы передачи команд и др. Системы извлечения информации включают:

―  радиолокационные и навигационные;

―  дистанционного зондирования окружающей среды;

―  разведки ископаемых и состояния поверхности Земли;

―  радиотехнической разведки и др.

Информационные технологии, применяемые в РТС, интенсивно развиваются, особенно в течение последних 10-15 лет. Широкое применение цифровых методов формирования и обработки сигналов, использование интегральной и функциональной электроники, гибридных интегральных схем, твердотельных СВЧ-устройств позволяют существенно расширить возможности РТС, увеличить объем перерабатываемой и используемой информации и многообразие решаемых задач. В последнее время разработаны и используются адаптивные РТС, которые могут приспосабливаться к внешней помеховой и целевой обстановке, к условиям распространения радиоволн и т. д.

Роль радиотехнических систем в современном обществе

По мере развития человеческого общества возникают все большие требования к быстрому обмену информацией, ее извлечению, обработке и накоплению. Рост объема производства сопровождается увеличением номенклатуры изделий, углублением специализаций и т. п. При этом потребность в обмене информацией растет пропорционально квадрату коэффициента расширения производства. Необходимость обмена информацией в хозяйственной сфере возрастает ежегодно примерно на 10-15%. Управление хозяйственной деятельностью в масштабах предприятий, объединений и отраслей, а также государства в целом также невозможно без обмена информацией.

С развитием транспорта, особенно воздушного и морского, возникает необходимость более интенсивного обмена информацией о погоде, заявках, получении сведений о местоположении и движении самолетов и кораблей.

Повышение благосостояния и культурного уровня человечества привело к тому, что потребность в обмене информацией между людьми возрастает быстрее, чем увеличивается численность населения. Решение задачи обеспечения информационных потребностей общества возлагается на системы и аппаратуру передачи, извлечения, обработки и накопления информации. Грандиозные успехи в развитии общества были бы немыслимы без этих технических средств, к которым, в первую очередь, относятся различные радиотехнические системы (РТС).

Радиосвязь снабжает информацией все области хозяйственной деятельности человека и личные потребности людей. Радиовещание и телевидение обеспечивают доставку последних известий, культурный досуг, образование и многое другое вне зависимости от расстояний. Радиолокация и радионавигация используются почти во всех видах транспорта. Без РТС не было бы современных авиации и морского флота.

Радиотехнические системы применяются в различных научных исследованиях, медицине, метрологии, геологии, физике. В настоящее время ни одна экспериментальная наука не обходится без сложных и уникальных радиоэлектронных установок при проведении физических и медико-биологических исследований. Широкое распространение получили РТС исследования космического пространства.

Классификация радиотехнических систем

Классификация радиотехнических систем по назначению. Классифицировать РТС можно по различным признакам. Основное назначение РТС состоит в предоставлении информации потребителю, поэтому в качестве основного признака при их классификации обычно используют содержание информации или назначение системы.

Исходя из этого, можно указать следующие основные типы систем:

―  системы передачи информации (СПИ);

―  извлечения информации;

―  радиоуправления;

―  разрушения информации;

―  комбинированные системы.

Системы передачи информации. Характерной особенностью таких систем является наличие отправителя и получателя информации. На стороне отправителя сообщения преобразуются в радиосигналы, которые затем передаются по линии связи к получателю информации, где из принятых сигналов выделяется сообщение.

Структурная схема простейшей СПИ (рис. 2.1) состоит из:

―  источников сообщений (ИС), выдающих первичные сигналы;

―  формирователя группового сигнала (ФГС), объединяющего несколько первичных сигналов;

―  модулятора (М), предназначенного для формирования радиосигнала;

―  радиопередающего устройства (РПУ);

―  линии связи (ЛС), по которой радиосигнал передается к получателю сообщений;

―  радиоприемного устройства (РПрУ), осуществляющего усиление и преобразование принятого сигнала;

―  демодулятора (ДМ), выделяющего групповой сигнал;

―  устройства разделения сигналов (УРС), предназначенного для разделения сигналов и выделения сообщений, которые затем поступают к получателям сообщений (ПС).

Рис. 2.1. Упрощенная структурная схема радиосистемы передачи информации

В линии связи на радиосигналы действуют различного рода помехи: внутрисистемные, обусловленные излучением передатчиков, работающих совместно с данной СПИ в составе сети связи; помехи от других РТС, работающих на близких частотах; атмосферные, космические, организованные помехи, а также помехи, возникающие в аппаратуре.

По назначению различают следующие РТС передачи информации:

―  системы радиосвязи;

―  системы радиосвязи между мобильными объектами;

―  системы радиорелейной связи;

―  спутниковые системы связи;

―  системы радиовещания и телевидения;

―  радиотелеметрические системы;

―  системы передачи команд и др.

Радиотехнические системы извлечения информации. Характерной особенностью систем рассматриваемого класса является то, что полезная информация отображается в радиосигнале либо в процессе его распространения и отражения радиоволн, либо при не зависимом от рассматриваемой системы формировании и излучении радиоволн (естественных излучениях объектов, излучениях радиосредств противника и т. п.).

К системам извлечения информации относятся:

―  радиолокационные системы (РЛС), за исключением РЛС с активным ответом;

―  радионавигационные системы (РНС);

―  системы дистанционного зондирования окружающей среды;

―  системы разведки радиотехнических средств противника и др.

На рис. 2.2. представлена упрощенная структурная схема радиолокационной системы, состоящей из:

―  радиопередающего устройства (РПУ);

―  антенны (A1), излучающей радиоволны, направленные на цель (Ц);

―  антенны (А2), принимающей отраженный от цели сигнал;

―  радиоприемного устройства (РПрУ), которое обрабатывает принятый сигнал;

―  измерительно-индикаторного устройства (ИИУ), осуществляющего выделение информации о параметрах движения цели.

Рис. 2.2. Упрощенная структурная схема радиолокационной системы

Извлечение информации происходит при действии как внутрисистемных помех, так и помех от сторонних радиосредств, в том числе и специально создаваемых с целью подавления радиосредств.

Системы радиоуправления. Системы этого класса предназначены для управления движением различного рода подвижных объектов (ракет, искусственных спутников Земли (ИСЗ), космических аппаратов, самолетов, кораблей и т. п.). Характерной их особенностью является органическая связь радиотехнической части систем с управляемым объектом и зависимость выделяемой информации от выходных эффектов системы.

На рис. 2.3 изображена структурная схема системы самонаведения ракеты на цель (Ц). Она состоит из:

―  радиотехнического звена (РЗ), предназначенного для выявления соотношения между пространственным положением и движением цели и ракеты, а также для выдачи команд управления на автопилот (АП), который управляет рулями;

―  динамического звена (ДЗ), отображающего реакцию ракеты на управляющее воздействие;

―  кинематического звена (КЗ), определяющего связь положения и движения ракеты в пространстве с изменениями ее положения и движения относительно цели.

Информация о цели /ц и ракете /р обрабатывается в РЗ. На систему действует помеха n(t).

Системы разрушения информации. Системы этого класса предназначены для противодействия радиотехническим средствам противника. Они создают помехи нормальной работе подавляемой системы излучением мешающего сигнала.

Комбинированные системы. К этим системам относятся, например, РЛС с активным ответом. Они выполняют функции извлечения и передачи информации.

Рис. 2.3. Упрощенная структурная схема системы радиоуправления

Рассмотренная классификация РТС не является строгой. Реальные системы могут сочетать функции систем различных классов. Так, в систему радиоуправления входят системы извлечения информации (радиолокационные и радионавигационные) и передачи информации (радиотелеметрии, передачи команд и др.).

Классификация радиотехнических систем по характеру сообщений. В различных устройствах РТС (преобразователе сообщения в электрический сигнал, передатчике, модуляторе, демодуляторе) на стадиях передачи, извлечения, обработки и накопления информации используют различные виды сигналов.

В зависимости от характера сообщений и применяемых сигналов различают непрерывные, импульсные и цифровые РТС.

В непрерывных системах на основных этапах преобразования сообщения имеют непрерывный характер и отображаются в непрерывные изменения одного или нескольких параметров радиосигнала. К таким системам относят системы радиовещания и телевидения, некоторые типы навигационных систем и ряд других.

В импульсных РТС информация содержится в изменениях параметров импульсных радиосигналов. Типичными представителями таких систем являются импульсные радиолокационные системы, системы передачи информации с импульсной модуляцией и др.

В цифровых РТС сообщения отображаются в кодовые комбинации. Число различных символов, из которых состоят кодовые комбинации, называется основанием кода. Различные символы кодовой комбинации передаются соответствующими радиосигналами.

Классификация радиотехнических систем по используемым частотам. Радиотехнические системы могут работать в диапазоне от 3 кГц до 300 ГГц. Несущая частота имеет большое значение для свойств и возможностей РТС. Она существенно влияет на распространение, отражение и рассеяние радиоволн. Поэтому весь диапазон частот разделен на участки, каждый из которых имеет свои особенности (табл. 2.1):

―  мириаметровые волны проникают в глубь почвы и воды, огибают Землю, отражаются от ионосферы днем и ночью, огибают, не отражаясь, обычные объекты;

―  километровые волны поглощаются в Земле и частично огибают ее, отражаются от ионосферы ночью, огибают, не отражаясь, обычные объекты;

―  гектометровые волны поглощаются в Земле, интенсивно отражаются от ионосферы ночью, огибают, не отражаясь, обычные объекты;

―  декаметровые волны сильно поглощаются в Земле, избирательно отражаются от ионосферы, слабо отражаются от обычных объектов;

―  метровые волны очень сильно поглощаются в Земле, не отражаются от ионосферы, распространяются в пределах прямой видимости, интенсивно отражаются от обычных объектов;

―  дециметровые волны распространяются только в пределах прямой видимости, интенсивно отражаются от обычных объектов. Легко достигается направленность излучения и приема;

―  сантиметровые волны распространяются только в пределах прямой видимости, интенсивно отражаются от объектов. Легко достигается высокая направленность излучения и приема;

―  миллиметровые волны сильно поглощаются в атмосфере. Легко достигается очень высокая направленность излучения и приема.

Таблица 2.1.

Разбиение диапазона радиочастот

Диапазон радиочастот	Длина волны	Название диапазона радиочастот	Название диапазона радиоволн
З...30 кГц	10...100 км	Очень низкие частоты (ОНЧ)	Мириаметровые волны
30...300 кГц	1...10 км	Низкие частоты (НЧ)	Километровые волны
0,3...3 МГц	100...1000 м	Средние частоты (СЧ)	Гектометровые волны
3...30 МГц	10...100 м	Высокие частоты (ВЧ)	Декаметровые волны
30...300 МГц	l.-.10м	Очень высокие частоты (ОВЧ)	Метровые волны
300...3000 МГц	0,1...1 м	Ультравысокие частоты (УВЧ)	Дециметровые волны
3...30 ГГц	1...10 см	Сверхвысокие частоты (СВЧ)	Сантиметровые волны
30...300 ГГц	0,1...10 см	Крайне высокие частоты (КВЧ)	Миллиметровые волны

Наиболее часто в РТС применяются диапазоны ОВЧ, УВЧ и СВЧ. Радиоволны этих диапазонов частот интенсивно отражаются от объектов, антенны компактны и обеспечивают высокую направленность излучения и приема.

Следует отметить, что использование того или иного диапазона радиочастот для систем различных назначений, а также ширина спектра частот, отводимого системе, регламентированы Международной комиссией распределения радиочастот (МКРР). Эти ограничения влияют на выбор вида радиосигнала и построение РТС и, в конечном счете, на ее характеристики.

Классификация радиотехнических систем по модулируемому параметру радиосигнала. Радиотехнические системы извлечения информации в зависимости от информационного параметра подразделяют на амплитудные, фазовые и частотные. К первым относятся, например, системы определения направления прихода радиоволн с помощью направленных антенн; ко вторым - фазовые радионавигационные системы; к третьим - доплеровские системы измерения радиальной скорости.

В радиотехнических системах передачи информации сигналы формируются путем изменения тех или иных параметров переносчика информации по закону передаваемых сообщений. Процесс изменения параметров переносчика информации принято называть модуляцией, если передаваемые сообщения непрерывные, и манипуляцией, если передаваемые сообщения цифровые. В случае, когда переносчиком является гармоническое колебание, модулирующими параметрами могут быть его амплитуда, частота и фаза. Различают непрерывные РТС передачи информации с амплитудной (AM), частотной (ЧМ) и фазовой (ФМ) модуляциями.

В импульсной РТС передачи информации модулируемыми параметрами могут являться амплитуда импульса, его длительность, частота следования и фаза (положение относительно точки отсчета), число импульсов, а также комбинация импульсов и пауз, определяющих код. Соответственно, различают РТС передачи информации:

―  с амплитудно-импульсной (АИМ);

―  с широтно-импульсной (ШИМ);

―  с частотно-импульсной (ЧИМ);

―  с фазоимпульсной (ФИМ);

―  с импульсно-кодовой (ИКМ) модуляциями.

Возможны и другие виды систем.

В цифровых РТС передачи информации применяются:

―  относительно фазовая (ОФМ);

―  частотная (ЧМ);

―  амплитудная (AM) манипуляции и другие более сложные виды.

Приведенная классификация позволяет выявить особенности РТС и учесть их при проектировании.

Тактико-технические характеристики радиотехнических систем

Характеристики РТС можно разделить на:

―  тактические, определяющие назначение и практические возможности системы (зона действия, разрешающая способность, точность, помехоустойчивость, пропускная способность, электромагнитная совместимость и др.);

―  технические, определяющие основные устройства систем (значение и стабильность частоты несущей, вид и параметры модуляции, используемых колебаний, диаграммы направленности антенн, мощность передатчика, чувствительность приемника и др.).

Технические параметры характеризуют средства, необходимые для обеспечения заданных тактических параметров. Отклонение любого технического параметра от номинального значения оказывает влияние на те или иные тактические параметры, что может вызвать их выход за пределы установленных допусков (отказ системы).

Рассмотрим основные характеристики РТС.

Зона действия РТС - область пространства, в пределах которой возможны передача, извлечение или разрушение информации, либо область, в пределах которой возможно управление объектом. В сферической системе координат эта область ограничивается минимальной и максимальной дальностями и предельными значениями углов азимута и места. Иногда область действия приходится рассматривать в многомерном фазовом пространстве, координатами которого являются дальность, углы азимута и места, а также скорость и ускорение. Подобная ситуация встречается, в частности, в РТС управления, нормально функционирующих лишь при условии, что скорость и ускорение цели не превышают некоторых заданных значений.

Другим примером могут служить доплеровские РЛС, в которых обнаружение движущихся целей на фоне малоподвижных и неподвижных отражателей осуществляется благодаря различию их скоростей движения. Поэтому четвертой координатой, определяющей зону действия РЛС, является радиальная скорость цели.

Для РТС передачи информации зона действия ограничена только дальностью достоверного приема, которая в настоящее время измеряется сотнями миллионов километров (системы связи с космическими аппаратами).

Для РЛС зона действия ограничивается максимальной дальностью обнаружения с заданной вероятностью, минимальной дальностью, определяемой так называемой «мертвой зоной», и предельными углами азимута и места, определяемыми диаграммой направленности антенны и границами сканирования.

Разрешающая способность - свойство РТС разделять и независимо воспринимать информацию, заключенную в радиосигналах, мало отличающихся друг от друга значениями одного или нескольких параметров, например, сдвигами по частоте, задержке и направлению прихода радиоволн.

Точность получаемой информации - степень искажения информации (величина ошибки) при определенных характеристиках сообщений, помеховой обстановки, дальностях, условиях эксплуатации.

Если извлекается информация о некоторой изменяющейся величине, принимающей конечное число значений, то качество системы целесообразно характеризовать вероятностью ошибки. Это имеет место, например, в РТС передачи дискретных сообщений.