Алгоритмы повышения точности и пространственной разрешающей способности в локационных системах дистанционного зондирования

ALGORITHMS OF INCREASE OF ACCURACY AND SPATIAL RESOLUTION OF THE LOCATION-BASED REMOTE SENSING SYSTEMS

Elfimov V. I., Kochkina V. F.

Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin

Institute of radio electronics and information technologies.

str. Of the world, 32, str. Ekaterinburg, 620002, Russia

tel. [phone], e - mail: *****@***ru, vi. *****@***ustu. ru

Abstract - the Improvement of the informative value of the results of remote sensing of various objects connected with the improvement of the spatial resolution of the systems of environmental monitoring and suppression as correlated, and not correlated noise. Analyses and compares three useful algorithm of signal processing with the aim of improving the resolution and accuracy of measurement of coordinates of the controlled object.

АЛГОРИТМЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ И ПРОСТРАНСТВЕННОЙ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ В ЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ дистанционного зондирования

,

Уральский федеральный университет имени первого Президента России
Институт радиоэлектроники и информационных технологий

г. Екатеринбург, 620002, Россия

, (343) 3759424, е - mail: *****@***ru, vi. *****@***ustu. ru

Аннотация – Повышение информативности результатов дистанционного зондирования различных объектов связано с улучшением пространственной разрешающей способности систем экологического мониторинга и подавлением как коррелированных, так и не коррелированных помех. Анализируются и сравниваются три полезных алгоритма обработки сигналов с целью повышения разрешающей способности и точности измерения координат контролируемых объектов.

Введение

Современные системы дистанционного зондирования представляют собой многоканальную локационную систему диагностики, позволяющую проводить площадную съемку исследуемого пространства с целью обнаружения и локализации мест загрязнений, выявления пустот и деформаций окружающей среды, а также оперативное обследование природных и техногенных объектов в зонах повышенного экологического риска [1,2].

Важным является разработка таких алгоритмов вторичной обработки сигналов, которые приводят к повышению точности и пространственной разрешающей способности рассматриваемых систем. Данные алгоритмы и являются предметом исследований в предлагаемой работе. Повышение информативности результатов радиолокационного зондирования контролируемых объектов связано с улучшением пространственной разрешающей способности георадаров, а также подавлением различных коррелированных и некоррелированных помех. Для решения указанных задач наиболее целесообразно использовать метод обработки сигналов, реализующий синтез фокусированного антенного раскрыва.

Синтез фокусированного
антенного раскрыва

Известны работы, рассматривающие этот метод применительно к задачам обнаружения объектов, в которых анализ производится для идеальных моделей в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн. Представляет интерес оценка потенциальных возможностей метода в метровом диапазоне волн с учетом реальных характеристик объектов зондирования, расчет оптимальных тактико-технических характеристик устройства обработки и сравнительный анализ результатов обработки реальных сигналов с данными моделирования на ЭВМ.

Получим выражение для траекторного сигнала при радиолокационном зондировании сосредоточенной цели, имеющей изотропную диаграмму обратного рассеяния G0. Введем неподвижную систему координат OXY (рис. 1).

Границу раздела сред воздух-земля совместим с осью OX. Зондирование элементарного отражателя, находящегося в точке (0,Z0), осуществляется антенной системой состоящей из ненаправленных передающей А1 и приемной А2 антенн, перемещающейся прямолинейно и равномерно в направлении оси OX со скоростью V. В качестве зондирующего сигнала рассмотрим когерентную последовательность радиоимпульсов, излучаемых передающей антенной с периодом Tn. Траекторный сигнал на выходе приемной антенны имеет вид

где N-количество импульсов, излученных в процессе движения по траектории; Вi – коэффициент, учитывающий рассеивание при распространении сферической электромагнитной волны; U(t) – зондирующий сигнал; Г – удельное затухание электромагнитной волны в среде; е – комплексная диэлектрическая проницаемость зондирующей среды; t(xi) – время распространения зондирующего сигнала от передающей антенны А1 до цели S и от цели до приемной А2 антенны в i-й период зондирования;

L – расстояние между антеннами А1, А2.

Fig. 1. The location of the radar and the sensed
object

Рис. 1. Расположение РЛС и зондируемого
объекта

Сигнал на выходе устройства обработки

k = 0, 1, 2, …, N-n; U(ti,, t) – элементарная реализация отраженного сигнала, принятая в момент времени ti, соответствующий положению антенной системы xi; n - количество  элементарных реализаций, отрабатываемых за время синтеза одной вторичной реализации.

В дальнейшем величину La = nVTn  будем называть длиной синтезированной апертуры. Эффективность синтеза фокусированной апертуры оценим по ширине спектральной функции, характеризующей пространственное разрешение в направлении движения носителя РЛС. Здесь под сигнальной функцией понимается огибающая максимумов отраженных сигналов на входе устройства обработки, полученных при перемещении георадара относительно зондируемой точечной цели.

Отсчет сигнальных функций осуществляется по специально разработанным программам на ЭВМ. При этом в качестве зондирующего использовался модельный канал, содержащий 2…3 периода несущей частоты f0=60МГц.

По результатам расчетов определялась зависимость азимутальной разрешающей способности дх, оцениваемой шириной сигнальной функции по уровню 0,7 от длины апертуры La.
С увеличением длины синтезируемой апертуры до значения, равного глубине расположения объекта z0, наблюдается резкое повышение разрешающей способности. При больших значениях La  зависимость дх(La) имеет более плавный характер и стремится к значению дх = 0,55 м. До обработки дх равнялось 2.

Улучшение дх составляет около 4 раз. И рассматриваемый алгоритм обработки обеспечивает подавление коррелированной помехи в 2-3 раза и белого шума в 18-20 раз. Выполненные расчеты показывают, что в качестве оптимальной ширины синтезируемой апертуры La опт  можно выбирать такую, при которой разрешающая способность ухудшается не более чем на 10% относительно наилучшего значения дх мин.  При этом степень подавления коррелированной и некоррелированной помехи близка к максимально возможной.

Как следует из вычислений, синтез апертуры невозможен без наличия априорной информации об электрофизических характеристиках исследуемой среды. Оценку и z0 по зарегистрированным сигналам в общем случае можно произвести по методике, где указанные значения определяются по минимуму среднеквадратичной погрешности

Здесь t0(xi) – радиолокационный профиль зондируемого объекта, полученный в результате эксперимента. Приравнивая к нулю частные производные П по и z0, получим систему уравнений, решение которой сводится к нахождению корней неоднородного уравнения.

После вычисления корней неоднородного уравнения строится профиль зондируемого объекта, по которому оцениваются пространственные координаты.

Заключение

Рассмотренный алгоритм обработки сигналов позволяет решать поставленные задачи. Кроме этого, являются полезным еще три способа обработки сигналов: метод вычитания помех, метод сжатия сигнала по глубине, метод миграции. Цифровое моделирование указанных способов обработки сигналов показало существенное повышение эффективности систем дистанционного зондирования по разрешающей способности и точности измерения координат. Поэтому рекомендуется к рассмотренному способу обработки сигналов применять комплексирование указанных трех способов полезных алгоритмов обработки сигналов в системах дистанционного зондирования различного назначения.

IV. References

[1] Elfimov V. I., Kalmykov A. A. Development of radar remote sensing for environmental monitoring of natural and man-made objects. In the book. Ecology and environmental management: Notes of St. Petersburg Mining Institute. SPb.: Saint-Petersburg mining Institute, 2001, № 000, pp. 68-71.

[2] Elfimov V. I., Kalmykov A. А., Kochkina V. F., Ustylenko N. S. Secondary processing of signals in remote sensing of layered media. News of higher educational institutions of Russia. Radio electronics, 2012, special issue, pp. 128-133.