Оборудование радиолокационного полигона для калибровки и валидации космических радаров с синтезированной апертурой

Расширение круга задач, для решения которых применяют радиолокационные изображения (РЛИ), обусловило предъявление к современным РСА повышенных требований как к измерительным средствам. Потребителям необходимо не только высокое разрешение изображения, но и возможность получить из снимка геометрические характеристики объектов, а также электродинамическую и радиометрическую информацию.

В настоящее время существует ряд космических РСА с высоким разрешением, работающих в разных диапазонах частот, поэтому потребитель располагает широким ассортиментом РЛИ, полученных в различных режимах съемки, с разной глубиной обработки и значительно отличающихся по стоимости. Для того чтобы РЛИ, полученные космическим РСА, были конкурентоспособными и гарантировали пользователю решение его задач, процедуры калибровки и валидации необходимо проводить как после вывода радиолокатора на орбиту, так и периодически в процессе эксплуатации, что является достаточно сложной научно-технической и организационной задачей.

Наряду с определением параметров, по которым оценивается качество РЛИ, в данной работе будут рассмотрены следующие аспекты этой задачи: 1) разработка единой системы наземных, летных и валида-ционных испытаний, которая позволит значительно сократить время и затраты на проведение процедур калибровки и валидации; 2) выбор территории для размещения полигона; 3) определение требований к метрологическим средствам и их аппаратно-программной реализации.

Традиционно, основным показателем качества РЛИ является пространственная разрешающая способность, характеризующая его детальность. Кроме того, требуется определение координат объектов на РЛИ, а также учет геометрических искажений с точностью до размеров элемента разрешения. Привлечение космических радиолокаторов к исследованию природных, сельскохозяйственных ресурсов и мирового океана обуславливает повышение требований к РСА по радиометрическим характеристикам: радиометрической разрешающей способности, определяющей возможность различения на РЛИ поверхностей (объектов), отличающихся по удельной эффективной поверхности рассеяния (УЭПР) на величину, не меньшую заданной; динамическому диапазону и шумовому эквиваленту, характеризующему чувствительность РСА. Подтверждение этих характеристик является задачей валидации. Для обеспечения измерения ЭПР объектов и удельной ЭПР местности по изображению с требуемой точностью проводится процедура радиометрической калибровки РСА. Для геометрической калибровки требуется полигон с радиомишенями, имеющими точную геодезическую привязку.

Значительные затраты на обустройство полигонов и проведение калибровки РСА с использованием их измерительных средств оказались вполне оправданными: уже первые снимки, полученные TerraSAR-X, полностью соответствовали требованиям, предъявляемым к качеству РЛИ [1], а RADARSAT-1, благодаря периодической калибровке, более 9 лет позволял получать изображения без ухудшения качества [2].

После вывода РСА на орбиту процедуры калибровки и валидации должны проводиться в сжатые сроки. Например, Европейское космическое агентство отводит на полетную калибровку и валидацию РСА Sentinel-1 не более 3 месяцев [3]. Большое внимание уделяется проблеме заблаговременного выбора полигона с учетом возможных сценариев калибровки, размеров территории и климатических условий. Например, размещение полигона в Svalbard обеспечивало бы, благодаря высокой зоне покрытия, проведение до 34 измерений за цикл, однако этот вариант был отклонен из-за неблагоприятных климатических условий полярного района.

При выборе места расположения полигона необходимо принимать во внимание, в первую очередь, ландшафтно-климатические особенности территории, поскольку местный климат, характерная растительность и рельеф предопределяют структуру полигона и состав тестовых объектов. Предпочтение следует отдавать географическим районам с климатом, обес- печивающим всесезонность осуществления наблюдений и измерений, предпочтительно на удалении от техногенных зон. Для размещения полигона необходимо выбирать участок, позволяющий избегать зон, характеризующихся частыми осадками. Не менее важно учесть как среднегодовое количество осадков, так и среднегодовую температуру в области расположения испытательного полигона.

В ходе создания и ввода в эксплуатацию к радиолокационным полигонам предъявляются следующие общие требования: радиолокационные характеристики калибровочных объектов должны быть хорошо исследованными; поверхность тестовых участков должна была близкой к ламбертовской (равномерно рассеивающей); все искусственные объекты на полигоне должны сохранять стабильность характеристик. Полигон должен иметь геодезические привязочные метки, пассивные отражатели с большой ЭПР, имеющие точную геодезическую привязку, для юстировки наведения антенны. Полигон и его измерительные средства должны проходить периодическую калибровку и иметь метрологические паспорта.

Реализуя системный подход к испытаниям РСА на всех этапах его жизненного цикла, предлагается для определения пространственной разрешающей способности использовать единые методики, базирующиеся на методе импульсного отклика. Разрешающая способность по дальности и азимуту определяется по ширине сечений радиолокационного изображения точечной цели на уровне –3 дБ [4]. Для уточнения результата измерения по дискретному изображению выполняется его интерполяция. Привязка результата измерения к масштабу на местности выполняется путем пересчета координат по известной длине стороны квадрата миры, установленной на полигоне и состоящей из 9 отдельных уголковых отражателей, расположенных квадратом в 3 ряда по 3 единицы. Одна из диагоналей квадрата расположена перпендикулярно к маршруту полета носителя. Расстояние между соседними уголковыми отражателями комплекта задается одинаковым и не менее 10 элементов разрешения: 100 м для режимов высокого разрешения, 1 000 м для среднего. ЭПР уголковых отражателей комплекта должна быть одинаковой и быть по меньшей мере на 40 дБ выше ЭПР участка фона, равного по площади элементу разрешения РСА: 15…30 дБм2 для режимов высокого разрешения, не менее 49 дБм2 (длина ребра уголкового отражателя с треугольными гранями не менее 2 м в Х-диапазоне) для среднего разрешения.

Для режимов низкого разрешения (300 м, 1 000 м) требуются УО с размером ребра более 5 м, что затрудняет их изготовление, транспортировку и обслуживание. Вместо пассивных отражателей целесообразно использовать активные транспондеры или активную контрольную станцию (АКС).

Активные устройства целесообразно применять для решения следующих задач: создание дискретного отражателя с большой ЭПР и равномерной диаграммой рассеяния в широком диапазоне углов при небольших собственных размерах; селекция и форми- рование сигналов с требуемой поляризацией, в том числе с поляризацией возвращенной волны, отличающейся от падающей; регулировка имитируемой ЭПР; имитация сложных целей. Активные устройства, по сравнению с пассивными отражателями, позволяют контролировать больший набор характеристик радиолокатора и обеспечивают значительно более высокую точность измерений . Активные транспондеры мо -гут создаваться на базе широконаправленных рупорных антенн. Точность их калибровки и стабильность установленного значения ЭПР может достигать 0,1 дБ [5].

Особенностью АКС [6] является ее возможность принимать, регистрировать, обрабатывать сигналы, излучаемые бортовой радиолокационной аппаратурой, измерять их параметры, а также генерировать и излучать контрольные сигналы, которые могут быть приняты аппаратурой РСА, обработаны в трактах приема и преобразования и переданы обратно на наземные пункты приема, где из них будет извлечена нужная информация. Главным достоинством АКС являются ее возможности по определению радиометрических характеристик радиолокаторов.

В настоящее время радиометрическая разрешающая способность РСА, как правило, не проверяется экспериментально, а оценивается расчетным путем. Это связано, в том числе, с отсутствием природных и сложностью создания искусственных поверхностно-распределенных объектов, содержащих ряд участков большой площади с однородной и калиброванной УЭПР, отличающейся с заданным шагом. Имеющиеся природные объекты с равномерной калиброванной УЭПР, такие как леса бассейна Амазонки, бореальные леса в Канаде и ледовый купол в Антарктиде, используются для радиометрической калибровки РСА по абсолютному значению.

Аппаратно-программными средствами АКС может выполняться имитация траекторных сигналов, соответствующих съемке одиночных, групповых, протяженных и поверхностно-распределенных целей с заданными характеристиками, что позволяет проводить уточненную радиометрическую калибровку и экспериментальное определение радиометрических характеристик РСА [7]. Структура алгоритма имитации траекторных сигналов для испытаний РСА приведена на рисунке.

Предварительно строится модель снимаемого объекта 1 как двумерного поля комплексного коэффициента рассеяния в радиолокационных координатах (наклонная дальность-азимут). В соответствии с известным или моделируемым законом движения спутника 2 строится матрица импульсных характеристик для каждого зондирующего импульса в сеансе, имитирующих суперпозицию его отражений от элементов земной поверхности 3 . Эти операции выполняются заблаговременно. Зондирующий сигнал 4 принимается от проверяемого РСА, и вычисляется свертка 5 огибающей каждого импульса ЗС с предварительно рассчитанной импульсной характеристикой фильтра.

Полученная в результате матрица представляет собой массив данных имитированного отраженного сигнала, загружаемый в генератор сигналов произвольной формы для воспроизведения и подачи на вход приемника РСА. В зависимости от вида испытаний и конфигурации аппаратуры, подача имитированного сигнала на РСА может осуществляться от АКС (при летных испытаниях), через измерительную антенну или коаксиальный кабель (при наземных испытаниях). Записанная ЦРГ 6 при летных испытаниях передается на наземный РЛК, содержащий систему синтеза изображения, по радиолинии. При наличии бортовой системы синтеза изображения готовое РЛИ 7 передается на НРЛК для анализа с целью определения сквозных характеристик РСА. При наземных испытаниях ЦРГ принимается с выхода информационного интерфейса РСА штатным или технологическим запоминающим устройством, а затем обрабатывается системой синтеза РЛИ. Также имеется возможность записи на измерительный АЦП сигналов с контрольных выходов промежуточных сечений приемного тракта РСА и тестового сигнала 5 с выхода генератора для самоконтроля аппаратуры стенда.

Описанные методики используются для экспериментального определения сквозных характеристик космического РСА при лабораторно-отработочных испытаниях макета с использованием стенда полу-натурного моделирования. При этом выполняется разработка и отладка унифицированного программного

Структура алгоритма имитации траекторных сигналов для испытаний РСА

обеспечения для автоматизированного определения сквозных характеристик РСА путем анализа РЛИ типовых целей с заданными характеристиками. Для аппаратной имитации и регистрации сигналов при наземных испытаниях в составе стенда применяется комплект приборов производства Agilent Technologies. В дальнейшем планируется использование отечественных модульных приборов Информтест, а в перспективе – разработка специализированных блоков компактной конструкции для серийного производства АКС, которые будут устанавливаться на радиолокационных полигонах.

Учитывая, что сейчас в нашей стране нет специализированных радиолокационных полигонов, их создание и оборудование является важной и насущной задачей. Географически требуемый полигон может быть расположен в Забайкалье или на юге Бурятии, южнее г. Улан-Удэ: незначительное количество осадков (существенно влияющих на измерения в X-диапазоне), невысокий растительный покров, рельеф с требуемыми перепадами высот, отсутствие техногенных объектов, наличие трудовых ресурсов и производственных мощностей, а также имеющийся центр космической связи недалеко от г. Улан-Удэ создают благоприятные условия для устройства радиолокационного полигона требуемой площади в этом районе [8].

В настоящее время для проведения процедур калибровки и валидации космического РСА высокого разрешения может быть использован украинский полигон Скрипаи [9] с установленными на нем мирами из уголковых отражателей для измерения пространственного разрешения и динамического диапазона. Юстировка наведения антенны выполняется по искусственным объектам полигона с известной геодезической привязкой. Для режимов низкого и среднего разрешения целесообразно установить на полигоне активные транспондеры.

Применение описанных единых методик для измерения пространственных и радиометрических характеристик космического РСА на всех этапах его жизненного цикла позволяет значительно сократить временные и материальные затраты на проведение летных испытаний и процедур калибровки и валидации.

Предложенная аппаратно-программная реализация активной контрольной станции дает возможность экспериментального определения радиометрических характеристик космического РСА в процессе валидации, а также периодической калибровки его радиометрической шкалы.