Информационные технологии радиолокационного дистанционного картографирования и мониторинга протяженных объектов

В связи с бурным развитием технологий радиолокационного дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) намечается существенный прогресс в решении ряда актуальных прикладных задач, к которым можно отнести проблемы природноресурсного и геологического мониторинга, создания природно-ресурсных кадастров, поиска полезных ископаемых, дистанционного картографирования и мониторинга протяженных объектов естественного и искусственного происхождения. В частности, можно упомянуть контроль состояния газо-, нефте- и продуктопроводов, воздушных и подземных электросетей, сетей телекоммуникаций, а также поиск трасс и составлении схем подземных коммуникаций.

В зависимости от вариантов базирования аппаратуры радиолокационных (РЛК) систем зем-леобзора практические технологии ДЗЗ можно разделить на следующие типы: авиационные и космические моностатические РЛК-станции ДЗЗ; комбинированные с наземными системами мультистатические авиационные или космические РЛК-станции ДЗЗ; мобильные и наземные РЛК-станции ДЗЗ. В статье рассмотрены потенциальные возможности применения технологий ДЗЗ для поиска и фиксации трасс кабельных линий и трубопроводов.

Моностатические РЛК-станции ДЗЗ

Эффективным инструментом для решения задач картографирования и мониторинга протяженных объектов являются авиационные или космические моностатические РЛК-станции ДЗЗ. В основе эффективности этих систем высокая проникающая способность РЛК-сигналов, высокая чувствительность к параметрам растительного покрова, влажности почвы и геометрии земной поверхности, а также независимость качества информации от времени суток и облачного покрова. РЛК-съемка обеспечивает получение радиолокационных изображений с пространственным разрешением от сотен метров до десятков сантиметров (см. рис. 1).

Космическая РЛК-интерферометрия обеспечивает точность непосредственного измерения геометрии поверхности Земли до единиц метров, одновременно в масштабах сотен км, с периодичностью от нескольких часов до нескольких суток. Метод дифференциальной РЛК-интерферометрии, обеспечивающий регистрацию миллиметровых и сантиметровых деформаций земной поверхности.

Следует упомянуть о возможностях РЛК-сис-тем VHF и P-диапазонов частот по подповерхностному зондированию, которые позволяют получать изображения объектов, находящихся под поверхностью Земли, в том числе углубленных на десятки метров, в зависимости от типа грунта (см. рис. 2).

Своевременности и реальности научных работ по разработке информационных технологий ДЗЗ способствует наличие соответствующих данных космической съемки, которые поставляются, например, тандемом немецких космических аппаратов TerraSAR-X и Tandem-X, канадским космическим аппаратом RADARSAT-2, системами космических аппаратов COSMO-SkyMed, Sentinel. Развитие современных персональных вычислительных комплексов и соответствующего программного обеспечения позволяет осуществ- лять весь комплекс разработки картографического продукта.

Программные комплексы ERDAS, ER Mapper, ENVI, PHOTOMOD Radar и т.п. при доступной цене обеспечивают эффективный интерфейс между данными космической съемки и ГИС, обеспечивая некоторый набор типовых операций тематической обработки и возможность создания пользователем собственных инструментов.

Расширение защитного интервала до 99 мкс (см. рис. 2) позволило обеспечить ее работоспособность, поскольку эхо-сигналы от передатчиков SFN сети (2-5) не выходят за его границу. Однако следует отметить, что коррекция параметров сети возможна только в случае формирования потока T2-MI в региональном центре мультиплексирования. Если поток T2-MI формируется в федеральном центре мультиплексирования, то коррекция параметров одночастотной сети путем изменения защитного интервала в регионах невозможна. В этой связи возникают проблемы работоспособности сети SFN – в частности, с такими проблемами столкнулись специалисты филиалов РТРС в Самарской и Оренбургской областях.

Комбинированные с наземными системами мультистатические космические РЛК-станции ДЗЗ

Известно, что при реализации моностати-ческих систем разработчики сталкиваются с проблемой разрушающего влияния ионосферы, ограничениями Регламента радиосвязи, необходимостью развертывания в космосе крупногабаритной антенной системы и, в конечном итоге, с весьма высокой стоимостью космического аппарата (КА) [1-5].

В [7-9], напротив, было показано, что развитие технологии бистатического РЛК-наблюдения открывает возможности по созданию космической аппаратуры РЛК-зондирования в VHF или P-диапазонах частот, не сопряженной с вышеперечисленными трудностями. Однако необходимость использования наземной стационарной или мобильной станции на относительно небольшом расстоянии (до 20 км) до наблюдаемого объекта ограничивает области применения бистатиче-ской РЛК-системы ДЗЗ.

Бистатический радиолокатор с синтезированной апертурой (далее БРЛК) малого КА «Аист-2Д» является первым в истории космического ДЗЗ радиолокационным комплексом, работающим в P-диапазоне частот. Технические решения, отработанные в рамках экспериментов с БРЛК, могут позволить реализовать в ближайшем буду- щем моностатический РЛК-комплекс в P-диапазоне на отечественном малом КА с тактико-техническими характеристиками, не уступающими зарубежным.

В рамках программы создания малого КА «АИСТ-2Д» предполагается отработка ключевой технологии в виде развертывания БРЛК с синтезированной апертурой P-диапазона. Выбор P-диапазона связан с необходимостью соответствия РЛК-системы действующему в настоящее время Регламенту радиосвязи.

Бортовая аппаратура БРЛК представляет собой многорежимный импульсный передатчик, обеспечивающий широкую гамму стабильных сигналов на несущей частоте 435 МГц, в полосе до 6 (30) МГц с возможность перестройки от 1 до 30 МГц. Типы используемых зондирующих сигналов: последовательность прямоугольных импульсов, последовательность ЛЧМ-импуль-сов, последовательность фазоманипулирован-ных сигналов, кодируемых М-последователь-ностью [9]. Бортовая передающая антенна типа Уда-Яги с линейной поляризацией имеет коэффициент усиления 5 дБ. Наземная стационарная аппаратура представляет собой двухканальный малошумящий приемник прямого усиления (до 110 дБ) с цифровой регистрацией 16-разрядных квадратурных компонент на частоте до 200 МГц и последующей цифровой обработкой сигналов. В настоящее время бортовая аппаратура КА «АИСТ-2Д» не работает в штатном режиме, поэтому далее особенности технологии иллюстрируются в наземном эксперименте с данной аппаратурой.

Рис. 1. Космическое РЛК-изображение г. Самары, границы водоемов и зон увлажнения, получено РЛК SIR-C-X-SAR, США, обработано в ЦР ДЗЗ ПГУТИ в режиме предварительной проверки качества работы SFN

а)                                                        б)

Рис. 2. Подповерхностные РЛК-изображения; а ) продуктопровод; б ) водный канал, зоны увлажнения и аварийной фильтрации, полученные авиационной РЛК «МАРС», ИРЭ АН УССР, г. Харьков

a)

б)

Рис. 3. Космические РЛК-изображения: а ) геологической структуры (Калифорния, США), полученное европейским космическим аппаратом ERS-2; б ) проводов ЛЭП (Самара, Россия), полученное немецким космическим аппаратом TerraSAR-X

Рис. 4. Изображения железнодорожного моста: а ) оптическое; б ) РЛК при полосе частот 30 МГц,

режим излучения ЛЧМ-импульсов, шаг пикселей 5×5 м2

Рис. 5. Изображения лесной посадки: а ) оптическое; б ) РЛК при полосе частот 30 МГц, режим излучения ЛЧМ-импульсов, шаг пикселей 5×5 м²

Рис. 6. Изображения ЛЭП: а ) оптическое; б ) РЛК при полосе частот 30 МГц, режим излучения ЛЧМ-импульсов, шаг пикселей 5×5 м²

Таблица 1. Основные характеристики авиационных РЛК-комплексов 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

Для работы БРЛК необходимо, чтобы передающая позиция перемещалась в пространстве: в данном случае для организации процесса перемещения использовался автомобиль, двигающийся по мосту (высота моста порядка 20 м).

На рис . 4-6 представлены РЛК-изображения местности, полученные в процессе наземного эксперимента в режиме излучения ЛЧМ-импульсов, шаг пикселей 5×5 м2, время синтеза апертуры 30 с. Там же показаны соответствующие им фрагменты оптических изображений из сервиса Google maps. В процессе эксперимента местность наблюдалась под сверхмалыми углами места (не более 5-7°), поэтому на радиолокационных изображениях видны в основном высокие объекты: мачты, столбы ЛЭП, высокие здания, одиночные высокие деревья, лесопосадки и т.п. По результатам проведенного эксперимента можно сделать вывод о том, что подобные системы могут быть использованы в различных технологиях ДЗЗ : например, для круглосуточного контроля территории, геосъемки, прибрежного и речного судоходства, картографирования и мониторинга протяженных объектов и т.п.

Мобильные и наземныеРЛК-станции ДЗЗ

Один из первых в мире авиационный РЛК-ком-плекс 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 заданию 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 РЛК-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 РЛК-систем УКВ-ди-апазона, разработанных в разные годы, и мобильной РЛК-системы (далее МРЛК).

В настоящее время остаются актуальными исследования по применению информации низкочастотных радиолокаторов с синтезированной апертурой в различных коммерческих приложениях ДЗЗ: таких как всепогодная картография, мониторинг районов стихийных бедствий и катастроф, наблюдение подземной инфраструктуры.

Рис. 7. Внешний вид МРЛК, размещенного на автомобиле

Особенно интересен поиск новых приложений, основанных на высокой проникающей способности радиоволн данного диапазона. В этой связи разра- ботка МРЛК, реализующего все основные технологии РЛК-наблюдения в данном диапазоне, представляется актуальной задачей.

Основные характеристики МРЛК представлены в таблице 1. На рис. 7 показан вариант размещения МРЛК на автомобиле, использованный в процессе экспериментальной отработки. Данный МРЛК обеспечивает формирование РЛК-изображений местности с максимальным пространственным разрешением 3×3 м2, в полосе от 500 до 20000 м справа по движению автомобиля на трассе при наличии соответствующей видимости. МРЛК состоит из радиопередающего и радиоприемного устройств, 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 электропитания.

На рис. 8 показано место проведения эксперимента по построению РЛК-изображения земной поверхности при движении автомобиля по мосту.

На РЛК-изображении (см. рис. 8) трасса автомобиля находится в левом нижнем углу, расстояние от трассы до верхнего угла изображения примерно 8 км. Полученные РЛК-изображения объектов на поверхности Земли позволяют качественно подтвердить заявленные характеристики РЛК-систем с синтезированной апертурой. 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 . В том числе и для поиска трасс подземных кабелей и трубопроводов, определения глубины их залегания.

a)

Рис. 8. РЛК-изображение места проведения испытаний: а ) совмещенное с картой Google; б ) полученное в ходе испытаний

Таким образом, современные технологии РЛК дистанционного картографирования и мониторинга протяженных объектов могут быть внедрены в практическую деятельность заинтересованных организаций и предприятий. Для мониторинга подповерхностных объектов сегодня наиболее интересны комбинированные с наземными системами мультистатические авиационные и космические, мобильные и наземные РЛК-системы ДЗЗ, работающие в P-, UHF- и VHF-диапазонах.