eng
Выпуск #1/2000
Т. Корнеева.
РЛС с синтезированной апертурой космического базирования
РЛС с синтезированной апертурой космического базирования
Просмотры: 4449
Космическим средствам разведки придают все большее значение и военные, и гражданские специалисты. Применение на борту космического аппарата РЛС с синтезированной апертурой расширяет возможности разведывательных средств, обеспечивая высокоточное наблюдение за действиями вероятного противника, создание подробных карт местности, уточнение традиционных карт и т.д. Большой интерес вызывают два проекта Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), которые используют РЛС с синтезированной апертурой, размещаемые на космических аппаратах.
В течение многих лет основными датчиками, устанавливаемыми на космических аппаратах (КА), были датчики оптического диапазона, непосредственно обеспечивающие изображение объектов, которое не требует дальнейшей обработки. Однако возможности этих датчиков ограничены условиями освещенности просматриваемой территории, и сегодня все большее внимание военных и гражданских специалистов привлекают датчики СВЧ-диапазона, работающие на частотах от нескольких гигагерц до десятков гигагерц. На борту КА могут быть установлены как пассивные системы, принимающие излучение от находящихся на земле объектов, так и активные радиолокационные системы. Более высокие результаты можно получить при использовании РЛС с синтезированием апертуры (РСА).
РСА устанавливают на несущей платформе (в данном случае на КА) таким образом, чтобы направляемый от станции луч был перпендикулярен вектору скорости КА (рис.1). В РСА при движении КА путем когерентного суммирования сигналов, принимаемых за определенный период времени, происходит синтезирование антенной апертуры большой протяженности в направлении движения КА. Благодаря этому достигается высокая разрешающая способность РСА вдоль траектории КА при малых азимутальных размерах антенны, не зависящая от дальности до цели и рабочей частоты станции. В направлении, перпендикулярном движению КА, высокой разрешающей способности можно достичь путем частотной модуляции излучаемого сигнала, наиболее подходящим видом которой служит линейная частотная модуляция. Угол падения луча РСА на землю обычно составляет 20–60О от вертикали, но может достигать и 70О.
Отличительное свойство правильно спроектированной РСА – ее гибкость, которая обеспечивает большое число рабочих режимов. Так, например, для детального обследования можно получить высокую разрешающую способность, сузив ширину радиолокационного луча на земле до нескольких километров, в то время как для панорамного обзора достаточно использовать более широкий луч и меньшую разрешающую способность. Кроме того, существует возможность повысить разрешающую способность путем сканирования лучом так, чтобы он оставался на выбранной цели во время прохождения над ней КА. Такой режим получил название “прожектор”.
Глобальная и региональная базы высокоточных данных, полученных при помощи РСА, могут быть использованы в гражданских целях для формирования подробных карт местности и уточнения традиционных карт, а также для получения трехмерных рельефных изображений местности. Военные ведомства используют данные РСА для оценки боевых возможностей вероятного противника, а станция может производить автоматический анализ этих данных за определенный промежуток времени в заданном регионе, что позволяет оценить изменение ситуации. Применение РСА имеет большое значение в период военных конфликтов, так как она позволяет производить высокоточное наблюдение за аэродромами, дорогами и другими стратегически важными объектами и своевременно обнаруживать наращивание военных сил. С помощью РСА можно также обнаружить перемещение морских судов. Несмотря на то, что изображение, формируемое РСА, в отличие от оптического изображения требует определенной расшифровки, во многих случаях оно дает более достоверную картину. Так, при соответствующем выборе частоты излучения РСА (в нижней части спектра) возможно проникновение сигнала сквозь листву деревьев и другую растительность, что позволяет обнаруживать замаскированные цели. Оптическими датчиками обнаружить такие объекты невозможно. РСА обеспечивает выполнение многих задач, не доступных для оптических датчиков, например обнаружение кильватера корабля, изменения структуры почвы, которое может свидетельствовать о наличии мин или систем противотанковой защиты, присутствия военной техники в пустыне.
Разработка РЛС с синтезированной апертурой космического базирования включена в два перспективных проекта НАСА по изучению земной поверхности:
• проект SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) направлен на разработку РСА, размещаемой на КА “Шаттл”, назначение которой – формирование глобальной цифровой карты возвышенностей в 2000 г. Наряду с НАСА проект финансируется Национальным агентством картографии США;
• проект LightSAR предусматривает создание РСА космического базирования по новейшим технологиям, позволяющим снизить массу аппаратуры и стоимость жизненного цикла. Информация, собираемая РСА, будет использована учеными и промышленностью. Программа работ рассчитана на 3–5 лет. Финансирование проекта – из средств НАСА и промышленных предприятий.
Проект SRTM
Конечная цель работ по проекту SRTM – получение высокоточного топографического изображения большого участка земной поверхности, размеры которого зависят от ресурсов КА. В соответствии с проектом, на борту космического корабля “Шаттл” будет установлена интерферометрическая РЛС с синтезированной апертурой. Специалисты НАСА отмечают, что с помощью интерферометрической РСА можно сформировать карту местности с высокой точностью при любых погодных условиях, в том числе районов, скрытых облаками. Для реализации интерферометрического метода необходимо производить измерения одновременно в двух разнесенных приемных позициях, для чего предполагается использовать антенну, вынесенную за корпус КА (рис.2).
В качестве базовой конструкции РСА космического базирования выбрана РЛС SIR-С/X-SAR, работающая в трех частотных диапазонах – L (390– 1550 МГц), C (3,9–6,2 ГГц) и X (5,2–10,9 ГГц). Эта станция дважды в 1994 г. успешно прошла полет в составе аппаратуры космического корабля Endeavour. Проведенные с ее использованием эксперименты подтвердили возможность применения интерферометрических методов для картографирования местности. При работе в режиме интерференционных измерений РЛС С-диапазона имеет следующие номинальные характеристики:
Для проведения экспериментов по проекту SRTM аппаратура РЛС SIR-С/X-SAR практически останется без изменений, добавится лишь аппаратура для проведения интерферометрических измерений. Станция будет работать в С- и Х- диапазонах, и на выносной мачте установят две приемные антенны. Мачта изготавливается из графитовой эпоксидной смолы, на концах ее закрепляются металлические наконечники. Такая конструкция в развернутом состоянии, при котором ее длина доходит до 60 м, обладает высокой жесткостью и механической прочностью. В сложенном состоянии размеры мачты составляют 1,4 х 3 м.
Данные, принимаемые от основной и вынесенной антенн по четырем каналам, проходят оцифровку, а затем в каждом канале происходит сжатие 8-разрядных сигналов до 4-разрядных. При этом скорость передачи данных каждого канала составляет 45 Мбит/с. После мультиплексирования данных всех четырех каналов в один со скоростью передачи 180 Мбит/с проводится их запись на магнитную ленту. При необходимости эти данные могут быть переданы на землю через каналы спутниковой связи. Окончательная обработка данных и формирование на их основе топографической карты будут произведены после завершения полета на земле в вычислительном центре. Предполагают, что этот процесс займет не менее года.
Как отмечают специалисты, проект SRTM явится первым, в котором для интерферометрических измерений будет использована выносная антенна. Ожидается, что этот метод обеспечит высокую точность измерений и позволит сформировать топографическую карту земного шара с высокой точностью.
Проект lightSAR
Цель проекта LightSAR – создание недорогой аппаратуры, имеющей малые массу и объем, для высокоточных наблюдений за поверхностью земли. Аппаратура будет установлена на спутнике, высота орбиты которого 600 км. Сбор данных предназначен для научных и промышленных целей, поэтому в проектировании аппаратуры и в финансировании проекта участвуют четыре промышленные фирмы.
Планируемые во время полета наблюдения потребуют длительного периода времени. Так, для сбора большого объема информации о земной поверхности и ее изменениях необходимо 3–5 лет. Программой предусмотрены долгосрочные исследования изменений земной среды, влияния деятельности человека на земную среду, воздействий этих изменений на человека; исследования перемещений земной коры, что позволит предсказывать землетрясения, проявление активности вулканов; наблюдения за перемещением льдов, наводнениями и т.д. Полный обзор земной поверхности станция должна производить за 8–10 дней.
Измерительная аппаратура проекта LightSAR основана на РЛС с синтезированной апертурой и интерференционном методе. В качестве рабочих диапазонов РСА выбраны диапазоны Х и L, на которых можно получить достаточно высокую разрешающую способность при крупномасштабных геофизических измерениях. В варианте станции с Х-диапазоном (рис.3) использованы активная ФАР, механическое сканирование луча влево или вправо, усилитель на ЛБВ, около 1000 приемопередающих модулей по 8 Вт (в ФАР), один вид поляризации, один режим работы. РЛС имеет следующие характеристики:
Вариант РСА L-диапазона (рис.4) использует активную антенну с электронным сканированием, механическое сканирование луча влево или вправо, распределенную ФАР, несколько видов поляризации, возможность работы в нескольких режимах (прожектора, сканирование лучом, повторного прохода). Характеристики станции:
Разрешающая способность 1–3 м, достигаемая в РСА, удовлетворяет многим требованиям, например высокоточного картографирования поверхности земли, а также обеспечения данных для сопоставления с информацией, получаемой от оптических датчиков. Предусмотрен также обзор широким лучом, при этом зона обзора возрастает до 280 км.
При изготовлении аппаратуры используют перспективные технологии, в частности интегральные схемы СВЧ-диапазона (MMIC) и легкие материалы. По мнению специалистов, использование методов синтезирования апертуры, различных режимов сканирования лучом, нескольких видов поляризации, а также современной элементной базы позволит значительно повысить характеристики радиолокационных средств, не увеличивая объем и массу аппаратуры. Предполагается, что стоимость аппаратуры будет невысокой – на 25% ниже стоимости аналогичной аппаратуры, ранее используемой для выполнения этих задач.
Литература
IEEE AES Systems Magazine, 1998, v.13, №11, p.9–15
GEC Review, 1998, v.13, №3, p.131–139
РСА устанавливают на несущей платформе (в данном случае на КА) таким образом, чтобы направляемый от станции луч был перпендикулярен вектору скорости КА (рис.1). В РСА при движении КА путем когерентного суммирования сигналов, принимаемых за определенный период времени, происходит синтезирование антенной апертуры большой протяженности в направлении движения КА. Благодаря этому достигается высокая разрешающая способность РСА вдоль траектории КА при малых азимутальных размерах антенны, не зависящая от дальности до цели и рабочей частоты станции. В направлении, перпендикулярном движению КА, высокой разрешающей способности можно достичь путем частотной модуляции излучаемого сигнала, наиболее подходящим видом которой служит линейная частотная модуляция. Угол падения луча РСА на землю обычно составляет 20–60О от вертикали, но может достигать и 70О.
Отличительное свойство правильно спроектированной РСА – ее гибкость, которая обеспечивает большое число рабочих режимов. Так, например, для детального обследования можно получить высокую разрешающую способность, сузив ширину радиолокационного луча на земле до нескольких километров, в то время как для панорамного обзора достаточно использовать более широкий луч и меньшую разрешающую способность. Кроме того, существует возможность повысить разрешающую способность путем сканирования лучом так, чтобы он оставался на выбранной цели во время прохождения над ней КА. Такой режим получил название “прожектор”.
Глобальная и региональная базы высокоточных данных, полученных при помощи РСА, могут быть использованы в гражданских целях для формирования подробных карт местности и уточнения традиционных карт, а также для получения трехмерных рельефных изображений местности. Военные ведомства используют данные РСА для оценки боевых возможностей вероятного противника, а станция может производить автоматический анализ этих данных за определенный промежуток времени в заданном регионе, что позволяет оценить изменение ситуации. Применение РСА имеет большое значение в период военных конфликтов, так как она позволяет производить высокоточное наблюдение за аэродромами, дорогами и другими стратегически важными объектами и своевременно обнаруживать наращивание военных сил. С помощью РСА можно также обнаружить перемещение морских судов. Несмотря на то, что изображение, формируемое РСА, в отличие от оптического изображения требует определенной расшифровки, во многих случаях оно дает более достоверную картину. Так, при соответствующем выборе частоты излучения РСА (в нижней части спектра) возможно проникновение сигнала сквозь листву деревьев и другую растительность, что позволяет обнаруживать замаскированные цели. Оптическими датчиками обнаружить такие объекты невозможно. РСА обеспечивает выполнение многих задач, не доступных для оптических датчиков, например обнаружение кильватера корабля, изменения структуры почвы, которое может свидетельствовать о наличии мин или систем противотанковой защиты, присутствия военной техники в пустыне.
Разработка РЛС с синтезированной апертурой космического базирования включена в два перспективных проекта НАСА по изучению земной поверхности:
• проект SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) направлен на разработку РСА, размещаемой на КА “Шаттл”, назначение которой – формирование глобальной цифровой карты возвышенностей в 2000 г. Наряду с НАСА проект финансируется Национальным агентством картографии США;
• проект LightSAR предусматривает создание РСА космического базирования по новейшим технологиям, позволяющим снизить массу аппаратуры и стоимость жизненного цикла. Информация, собираемая РСА, будет использована учеными и промышленностью. Программа работ рассчитана на 3–5 лет. Финансирование проекта – из средств НАСА и промышленных предприятий.
Проект SRTM
Конечная цель работ по проекту SRTM – получение высокоточного топографического изображения большого участка земной поверхности, размеры которого зависят от ресурсов КА. В соответствии с проектом, на борту космического корабля “Шаттл” будет установлена интерферометрическая РЛС с синтезированной апертурой. Специалисты НАСА отмечают, что с помощью интерферометрической РСА можно сформировать карту местности с высокой точностью при любых погодных условиях, в том числе районов, скрытых облаками. Для реализации интерферометрического метода необходимо производить измерения одновременно в двух разнесенных приемных позициях, для чего предполагается использовать антенну, вынесенную за корпус КА (рис.2).
В качестве базовой конструкции РСА космического базирования выбрана РЛС SIR-С/X-SAR, работающая в трех частотных диапазонах – L (390– 1550 МГц), C (3,9–6,2 ГГц) и X (5,2–10,9 ГГц). Эта станция дважды в 1994 г. успешно прошла полет в составе аппаратуры космического корабля Endeavour. Проведенные с ее использованием эксперименты подтвердили возможность применения интерферометрических методов для картографирования местности. При работе в режиме интерференционных измерений РЛС С-диапазона имеет следующие номинальные характеристики:
Для проведения экспериментов по проекту SRTM аппаратура РЛС SIR-С/X-SAR практически останется без изменений, добавится лишь аппаратура для проведения интерферометрических измерений. Станция будет работать в С- и Х- диапазонах, и на выносной мачте установят две приемные антенны. Мачта изготавливается из графитовой эпоксидной смолы, на концах ее закрепляются металлические наконечники. Такая конструкция в развернутом состоянии, при котором ее длина доходит до 60 м, обладает высокой жесткостью и механической прочностью. В сложенном состоянии размеры мачты составляют 1,4 х 3 м.
Данные, принимаемые от основной и вынесенной антенн по четырем каналам, проходят оцифровку, а затем в каждом канале происходит сжатие 8-разрядных сигналов до 4-разрядных. При этом скорость передачи данных каждого канала составляет 45 Мбит/с. После мультиплексирования данных всех четырех каналов в один со скоростью передачи 180 Мбит/с проводится их запись на магнитную ленту. При необходимости эти данные могут быть переданы на землю через каналы спутниковой связи. Окончательная обработка данных и формирование на их основе топографической карты будут произведены после завершения полета на земле в вычислительном центре. Предполагают, что этот процесс займет не менее года.
Как отмечают специалисты, проект SRTM явится первым, в котором для интерферометрических измерений будет использована выносная антенна. Ожидается, что этот метод обеспечит высокую точность измерений и позволит сформировать топографическую карту земного шара с высокой точностью.
Проект lightSAR
Цель проекта LightSAR – создание недорогой аппаратуры, имеющей малые массу и объем, для высокоточных наблюдений за поверхностью земли. Аппаратура будет установлена на спутнике, высота орбиты которого 600 км. Сбор данных предназначен для научных и промышленных целей, поэтому в проектировании аппаратуры и в финансировании проекта участвуют четыре промышленные фирмы.
Планируемые во время полета наблюдения потребуют длительного периода времени. Так, для сбора большого объема информации о земной поверхности и ее изменениях необходимо 3–5 лет. Программой предусмотрены долгосрочные исследования изменений земной среды, влияния деятельности человека на земную среду, воздействий этих изменений на человека; исследования перемещений земной коры, что позволит предсказывать землетрясения, проявление активности вулканов; наблюдения за перемещением льдов, наводнениями и т.д. Полный обзор земной поверхности станция должна производить за 8–10 дней.
Измерительная аппаратура проекта LightSAR основана на РЛС с синтезированной апертурой и интерференционном методе. В качестве рабочих диапазонов РСА выбраны диапазоны Х и L, на которых можно получить достаточно высокую разрешающую способность при крупномасштабных геофизических измерениях. В варианте станции с Х-диапазоном (рис.3) использованы активная ФАР, механическое сканирование луча влево или вправо, усилитель на ЛБВ, около 1000 приемопередающих модулей по 8 Вт (в ФАР), один вид поляризации, один режим работы. РЛС имеет следующие характеристики:
Вариант РСА L-диапазона (рис.4) использует активную антенну с электронным сканированием, механическое сканирование луча влево или вправо, распределенную ФАР, несколько видов поляризации, возможность работы в нескольких режимах (прожектора, сканирование лучом, повторного прохода). Характеристики станции:
Разрешающая способность 1–3 м, достигаемая в РСА, удовлетворяет многим требованиям, например высокоточного картографирования поверхности земли, а также обеспечения данных для сопоставления с информацией, получаемой от оптических датчиков. Предусмотрен также обзор широким лучом, при этом зона обзора возрастает до 280 км.
При изготовлении аппаратуры используют перспективные технологии, в частности интегральные схемы СВЧ-диапазона (MMIC) и легкие материалы. По мнению специалистов, использование методов синтезирования апертуры, различных режимов сканирования лучом, нескольких видов поляризации, а также современной элементной базы позволит значительно повысить характеристики радиолокационных средств, не увеличивая объем и массу аппаратуры. Предполагается, что стоимость аппаратуры будет невысокой – на 25% ниже стоимости аналогичной аппаратуры, ранее используемой для выполнения этих задач.
Литература
IEEE AES Systems Magazine, 1998, v.13, №11, p.9–15
GEC Review, 1998, v.13, №3, p.131–139
Отзывы читателей
