Особенности использования телевизионных сигналов в качестве зондирующего сигнала бистатической РСА

На данном этапе развития технологий дистанционного зондирования Земли, как средства оперативного получения информации о процессах, происходящих на воде, на суше и в воздухе, единственным техническим решением обеспечения подобной оперативности, включающей всепогодность и независимость от времени суток, является РСА. Для решения ряда задач, таких как ведение разведки, в условиях военных действий, к РСА могут предъявляться специфические требования, например защищенность комплекса от поражения ракетами радионаведения. В этой связи целесообразно разместить передающую часть вне зоны досягаемости поражающих средств потенциального противника. Этим можно объяснить интерес к РСА космического базирования.

Негативным моментом подобного решения является затухание сигнала в канале прохождения «Космос-Земля-Космос», а также искажения вызванные влиянием ионосферы на прохождения сигнала.

Затухание сигнала можно компенсировать посредством увеличения мощности передатчика РСА, что является нежелательным, но приемлемым решением, в то время как искажения сигнала под действием атмосферы являются линейными и для их устранения требуется применение адаптивных алгоритмов обработки. Эти причины зачастую становятся сдерживающим фактором, не позволяющим получить наилучшее возможное пространственное разрешение.

Интересным выходом из сложившейся ситуации может послужить применение многопозиционных РСА, в которых передатчик находится в космосе, а приемник вблизи поверхности Земли. В случае такого пространственного разнесения приемной и передающей части получим следующие преимущества:

• -    увеличение мощности принимаемого отраженного сигнала, в силу сокращения канала распространения;

• -    при реализации приема сигнала прямого прохождения от передатчика к приемнику, возможна компенсация ионосферных искажений;

• -    возможность оперативной обработки получаемой информации от приемника.

Вышеуказанные свойства являются причиной повышенного интереса к данным системам, что подтверждается рядом экспериментов про- водимых зарубежом. К числу подобных экспериментов можно отнести эксперименты с РСА TerraSAR-X, проводимые немецким аэрокосмическим агентством DLR. В бистатической конфигурации здесь использовались в качестве приемников радиолокационные системы PAMIR и F-SAR. [1]

Австралия представила разработку Ingara SAR – это полнополяриметрическая, многорежимная РСА Х-диапазона авиационного базирования, разработанная Австралийской Организацией Оборонной Науки и Техники (англ. DSTO – Defence Science and Technology Organisation). В 2005 г. в рамках программы по модернизации была начата работа по исследованию характеристик данной РСА в бистатическом режиме [4].

Различные эксперименты с использованием сигналов ГЛОНАСС, GPS, CARABAS II, ERS, проводились в Великобритании, Швейцарии, Испании, Италии [5-6]. Это свидетельствует об активном интересе мировой общественности к данным технологиям.

Наряду с этим, для решения задачи обеспечения малой заметности системы дистанционного зондирования Земли, имеет смысл использовать так называемые паразитические системы. В данных системах используется сигнал сторонних источников, решающих задачи связи, вещания, навигации и пр. В городах, где есть телевизионные центры, возможно использование телевизионных сигналов для получения радиолокационных изображений.

Модель системы бистатической РСА

Предположим, что летательный аппарат (ЛА), перемещается в пространстве прямолинейно, перпендикулярно направлению распространения сигнала от телевизионного центра (ТЦ) к единичной точечной цели в области зондирования (см. рис. 1-2). Будем полагать, что в области зондирования есть только одна точечная цель.

Рис. 1. Двумерная геометрия бистатической РСА

Выберем траекторию перемещения ЛА таким образом, что бы на вход приемника поступал сигнал зеркального отражения от намеченной точечной цели. В этой конфигурации передатчик зондирующего сигнала является неподвижным, а приемник перемещается по заданной траектории.

Рис. 2. Трехмерная геометрия бистатической РСА

Сигнал излучается ТЦ и принимается приемником непрерывно. Передаваемый сигнал можно представить как:

s^Q-u^-e¹'^ ; /е^;^],      (1)

где – низкочастотный сигнал; – несущая частота. Сигнал, отраженный от точечной цели

N(0 = s_x(t- tQ, x, y))• ^x,y) + n(0 ; (2) где – коэффициент отражения; – белый гаусовский шум. Полный сигнал от зондируемой поверхности

Для всех стандартов аналогового эфирного телевизионного вещания, свойственно наличие импульсов синхронизации. Они представляют собой прямоугольные импульсы. Временное представление полного телевизионного сигнала см. на рис. 3.

Рис. 3. Временное представление полного телевизионного сигнала

При моделировании принималось,что передатчик работает в режиме негативной модуляции. Это означает,что в импульсах синхронизации заключена значительная мощность передаваемого сигнала. Если передатчик передает сигнал,соответствую-щий белому экрану, то в этот момент времени передаются только гасящие импульсы и импульсы синхронизации. Для достижения максимального пространственного разрешения необходимо использовать всю полосу частот, предназначенную для передачи информационной части телевизионного канала. Стандартное для SECAM значение ширины спектра составляет примерно 6 МГц. Максимально использовать эту полосу частот, можно передавая в качестве информационного сигнала квазибелый гаусовский шум (БГШ). На рис. 4. представлена нормированная автокорреляционная функция для данного сигнала. Как видно уровень боковых лепестков АКФ значительный.

z(f) = j j 5, (7 - r^t, x, v)) • ^(-v, vMxdv +

+so(/) + n(O, где – сигнал прямого прохождения.

Анализ свойств телевизионного сигнала

В качестве сигнала при моделировании использовался телевизионный сигнал стандарта SECAM. Этот стандарт принят во многих странах мира в качестве основного стандарта эфирного телевизионного вещания. Положения введенные в данной статье применимы и для других подобных стандартов таких как PAL, NTSC и т.д.

Рис. 4. Автокорреляционная функция телевизионного сигнала

Данный факт затрудняет использование телевизионного сигнала для задач радиолокации без дополнительной обработки. Для подавления частот, соответствующих импульсам синхронизации используется фильтр верхних частот (ФВЧ).

Рис. 5. Нормированная частотная характеристика коэффициента передачи фильтра использованного при моделировании

Для решения этой задачи был взят фильтр Чебышева 10-го порядка. Реализация одностороннего энергетического спектра сигнала на выходе фильтра представлена на рис. 6.

Сигнал на выходе фильтра

g(0 = p(0 -h^T-t^dt,        (4)

где h(r — t) - импульсная характеристика фильтра;

+0C +CC

^t>)= J pi'(0-^(-Y, v)^v + i' (/)+ //(/);

i'(0- ^У^-ткУХтуУуЦт-Гук; (5)

+C0

io(O= s₀(tyh(T-t)dt – сосредоточенная помеха, обусловленная приемом прямого сигнала; ^XO – окрашенный шум.

Изображение единичной точечной цели

^(x, y, x₀, v₀) - j УУ, x₀ , v₀) • s\t, x, y)dt , (5)

радиолокационное изображение

I(x,y)= ^$;(t,x,yyg(t)dt.       (6)

Рис. 7. АКФ сигнала на выходе фильтра с БГШ в качестве изображения

АКФ сигнала на выходе фильтра с БГШ в качестве информативного наполнения,представленная на рис. 7,близка по своим свойствам к кнопочной функции неопределенности,что обуславливает хорошее качество получаемых радиолокационных изображений.

Анализ влияния информативного содержания телепередач на функцию неопределенности

Большое значение имеет вид функции неопределенности сигнала (ФН), как критерия оценки качества получаемого радиолокационного изображения. Для случая передачи БГШ, в качестве информативного наполнения пространственная ФН представлена на рис. 8. ФН построена в координатах даль-ностьазимут. Относительный уровень основного лепестка ФН составляет 5,6 дБ.

Рис. 6. Реализация одностороннего энергетического спектра сигнала на выходе фильтра

Рис. 8. Пространственная ФН телевизионного сигнала с БГШ в качестве изображения

Рассмотрим вариант передачи в качестве информативного наполнения некоторого изображения, в нашем случае пейзажа, снятого с автомобильного моста через реку Самара.

Рис. 9. Передаваемое изображение

Пространственная ФН представлена на рис. 10. Относительный уровень основного лепестка ФН, составляет 3,2 дБ. Подобное уменьшение относительного уровня основного лепестка, явилось следствием возросшего уровня боковых лепестков по координате дальности.

Рис. 10. Пространственная ФН телевизионного сигнала с пейзажем в качестве изображения

Интересным вариантом представляется использование настроечной таблицы в качестве передаваемого изображения. Она имеет большое число мелких элементов и по прошествии одного кадра дает неплохую ФН.

Относительный уровень основного лепестка составил 3,5 дБ.

Таким образом, можно сделать вывод, что для улучшения параметров бистатической радиолокационной системы необходима передача, в которой информационное наполнение будет иметь достаточное количество мелких контрастных элементов.

Рис. 11. Изображение настроечной таблицы

Рис. 12.Пространственная ФН телевизионного сигнала с настроечной таблицей в качестве изображения

Заключение

Исследования показали возможность использования телевизионных сигналов в качестве зондирующих сигналов бистатической РСА. Достижимое пространственное разрешение при передаче БГШ в качестве изображения составляет, в зависимости от интервала синтеза, порядка 25 м по азимуту и 25 м по дальности. Из сравнительного анализа влияния содержания передаваемого сигнала можно сделать вывод о необходимости передачи сигналов, соответствующих изображениям с большим числом мелких быстроменяю-щихся элементов. Идеальным вариантом можно считать передачу БГШ.

Вариантом передачи БГШ, в качестве изображения, можно предложить использование соответствующих изображений в рекламном ролике, телевизионной передаче, кинофильме и пр. Интервал синтеза радиолокационного изображения при этом составит от единиц до десятков сек. Также существует возможность использования каждого 25-го поля телевизионного сигнала, либо крайних строк каждого кадра для передачи БГШ.

В этом случае необходимо увеличивать интервал синтеза радиолокационного изображения.