Радиоэлектронные системы дистанционного зондирования Земли

УДК 626.396(075.8)
ББК 32.844я73-1
     К552


Рецензенты:
Научно-исследовательский институт цифровых систем обработки и защиты информации Южно-Уральского государственного университета (директор института доктор технических наук, профессор Ю. Т. Карманов);
Е. Ф. Толстов, доктор технических наук, профессор, старший научный сотрудник
(ОАО «Корпорация “Фазотрон” - НИИРС»)




     Коберниченко, В. Г.
К552 Радиоэлектронные системы дистанционного зондирования Земли: [учеб, пособие] / В. Г. Коберниченко; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал, федер. ун-т. - Екатеринбург : Изд-во Урал, ун-та, 2016. - 220 с.
          ISBN 978-5-7996-1685-4

          Изложены основы космического дистанционного зондирования Земли в различных диапазонах электромагнитного излучения. Приведены состав и характеристики современных оптико-электронных и радиолокационных систем космического наблюдения. Основное внимание уделено принципам построения и методам обработки сигналов в космических радиолокаторах с синтезированной апертурой антенны. Рассмотрены информационные характеристики космических радиолокационных изображений, этапы и специализированные программные комплексы обработки радиолокационных данных дистанционного зондирования Земли.
          Для студентов и магистрантов, обучающихся по направлению подготовки «Радиотехника» и специальности «Радиоэлектронные системы и комплексы». Может быть полезным для студентов, изучающих информационные системы и технологии, прикладную информатику, картографию и геоинформатику.

                                                    УДК 626.396(075.8)
                                                    ББК 32.844я73-1




ISBN 978-5-7996-1685-4

                © Уральский федеральный университет, 2016

ОГЛАВЛЕНИЕ


Основные сокращения.........................................5
Предисловие.................................................6
1. Физические основы космического дистанционного зондирования................................9
   1.1. Понятие дистанционного зондирования Земли..........9
   1.2. Спектральные диапазоны............................10
   1.3. Характеристики отражений в видимом и инфракрасном диапазонах...............................17
   1.4. Характеристики отражений природных образований и объектов техносферы в СВЧ-диапазоне...................26
   1.5. Характеристики излучения природных образований и объектов техносферы...................................32
   Контрольные вопросы....................................37
2. Структура космической системы дистанционного зондирования Земли.........................38
   2.1. Состав системы....................................38
   2.2. Орбиты космических аппаратов дистанционного зондирования Земли.......................41
   2.3. Разрешающая способность съемки....................49
   2.4. Классификация систем ДЗЗ..........................53
   2.5. Наземные центры приема и обработки данных ДЗЗ.....55
   Контрольные вопросы....................................63
3. Оптико-электронные системы дистанционного зондирования... 64
   3.1. Формирование изображения. Способы сканирования поверхности........................64
   3.2. Полоса обзора и пространственное разрешение.......67
   3.3. Характеристики оптико-электронных систем космического наблюдения.................................73
      3.3.1. Система EOS Terra............................76
      3.3.2. Система Landsat..............................79
      3.3.3. Система SPOT.................................83
      3.3.4. Космический аппарат WordView-2...............84
      3.3.5. Оптико-электронная система ДЗЗ «Канопус-В»...86

3

      3.3.6. Оптико-электронная аппаратура космического аппарата «Ресурс-П»....................88
   Контрольные вопросы.....................................91
4. Принципы космического радиолокационного землеобзора.....92
   4.1. Получение космических радиолокационных изображений местности...............................................92
   4.2. Принцип синтезирования апертуры....................97
   4.3. Формирование радиолокационных изображений в РСА....106
   4.4. Режимы обзора земной поверхности в космических РСА.115
   4.5. Глубина фокуса и число азимутальных каналов.......119
   4.6. Алгоритмы цифрового синтезирования апертуры.......122
   4.7. Энергетика космических РСА. Уравнение дальности действия ... 131
   Контрольные вопросы....................................135
5. Космические радиолокаторы с синтезированной апертурой.... 137
   5.1. Краткая история развития космических систем с РСА..137
   5.2. Особенности обработки сигналов
      при формировании изображения в космических РСА.......141
   5.3. Радиолокаторы космических аппаратов RADARSAT-1, 2.151
   5.4. Радиолокатор PALSAR космического аппарата ALOS.....157
   5.5. Радиолокатор с синтезированной апертурой космического аппарата TerraSAR.........................159
   5.6. Космическая радиолокационная интерферометрия......163
   Контрольные вопросы....................................177
6. Информационные характеристики космических радиолокационных изображений..................179
   6.1. Оценка качества цифровых космических РЛИ..........179
   6.2. Радиометрические искажения. Спекл-шум.............183
   6.3. Геометрические искажения РЛИ......................188
   6.4. Оценка дешифровочных свойств РЛИ типовых объектов местности.............................192
   6.5. Этапы обработки и форматы радиолокационных данных дистанционного зондирования Земли......................199
   6.6. Специализированные программные комплексы обработки радиолокационных данных ДЗЗ..................206
   Контрольные вопросы....................................215
Список библиографических ссылок...........................216

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ


АЦП - аналого-цифровой преобразователь АЧХ - амплитудно-частотная характеристика БПФ - быстрое преобразование Фурье ГИС - геоинформационная система ДДЗ - данные дистанционного зондирования ДЗЗ - дистанционное зондирование Земли ДНА - диаграмма направленности антенны ДПФ - дискретное преобразование Фурье ЗУ     - запоминающее устройство
ИК     - инфракрасный
КА    - космический аппарат
ЛЧМ  - линейная частотная модуляция
НЛП    - наземный приемный пункт
ОЭС - оптико-электронная система
ПЗС - приборы с зарядовой связью
ПК    - программный комплекс
РЛИ - радиолокационное изображение РЛС - радиолокационная система РЛС БО - радиолокатор бокового обзора
РСА - радиолокатор с синтезированной апертурой
СВЧ   - сверхвысокочастотный
СЭД   - смещение элемента дальности
ФАР - фазированная антенная решетка
ФД   - фазовый детектор
ЦММ  - цифровая модель местности
ЦМР    - цифровая модель рельефа
ЦРГ   - цифровая радиоголограмма
ЭПР - эффективная площадь рассеивания

    ПРЕДИСЛОВИЕ






        Технологии дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), наряду с технологиями спутниковой связи и геопозиционирования, образуют перечень так называемых «космических информационных технологий», по уровню освоения которых в настоящее время судят о степени научного и технического развития страны.
    На рубеже XX-XXI вв. произошло существенное повышение информативности систем радиолокационного космического наблюдения за счет повышения пространственного разрешения до субметрового уровня, применения методов многочастотной поляриметрической съемки и интерферометрической обработки. Эти методы позволяют решать задачи распознавания наблюдаемых объектов, идентификации и оценки параметров поверхности, построения рельефа и обнаружения смещений земной поверхности. Данные ДЗЗ используются для решения практических задач геодезии и картографии, землепользования, сельскохозяйственного и лесохозяйственного мониторинга, обнаружения и оценки последствий природных и техногенных чрезвычайных ситуаций, контроля судоходства и рыбной ловли.
    Быстро растущий объем космической информации и разносторонний характер применения данных ДЗЗ потребовали подготовки специалистов, владеющих знаниями о принципах построения радиоэлектронных систем ДЗЗ, методах получения и обработки информации для решения широкого круга народно-хозяйственных задач. Поэтому изучение этих вопросов стало частью подготовки специалистов в области радиотехники и информационных технологий.
    В последние годы на русском языке опубликовано несколько книг, позволяющих серьезно изучать вопросы современного состояния систем и технологий космического наблюдения [1, 3, 4].

6

Особое место среди них занимает монография «Радиолокационные системы землеобзора космического базирования», написанная авторским коллективом из ОАО «Концерн радиостроения “Вега”» под редакцией В. С. Вербы [2], которая по праву может считаться энциклопедией современной космической радиолокации. Однако для ее чтения необходимо знание основ предмета на достаточно высоком уровне. Такой уровень обеспечивает, например, учебное пособие СПбГУАП «Микроволновая аппаратура дистанционного зондирования Земли и атмосферы. Радиолокаторы с синтезированной апертурой антенны» под редакцией Л. Б. Неронского [5] или учебник ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского «Радиолокационные системы воздушной разведки, дешифрирование радиолокационных изображений» под редакцией Л. А. Школьного [6]. К сожалению, эти книги выпущены очень маленьким тиражом и практически недоступны студентам других вузов.
    Предлагаемое учебное пособие занимает ту же нишу и призвано ознакомить обучающихся с основами построения, методами обработки сигналов и задачами, решаемыми с помощью радиоэлектронных систем ДЗЗ. Содержание пособия сформировалось на основе курсов лекций, прочитанных автором под разными названиями за последние 15 лет студентам направления «Радиотехника», обучавшимся по программам бакалавриата, магистратуры и по специальности «Радиоэлектронные системы и комплексы». В них нашли свое отражение результаты научных исследований автора и его коллег по кафедре теоретических основ радиотехники, которыми они занимались последние тридцать лет.
    Поскольку обработка и применение данных ДЗЗ базируются на результатах, полученных в самых различных предметных областях, автор при отборе материала отдавал предпочтение изложению основных принципов, методов и результатов, полагая, что с деталями можно ознакомиться по источникам, содержащимся в библиографическом списке в конце работы.
    Все фрагменты космических снимков, приведенные в качестве иллюстраций, отобраны из материалов, принятых и обработанных в Центре космического мониторинга УрФУ.

7

    Создание пособия стало возможным благодаря под держке коллег по кафедре, с которыми проводилось обсуждение как содержания дисциплин, так и методики изложения. Особая благодарность Андрею Васильевичу Сосновскому за предоставление материалов в п. 6.6 и неоценимую помощь в подборе и подготовке космических снимков.
    Автор глубоко признателен главному научному сотруднику ОАО «Концерн радиостроения “Вега”» профессору, доктору технических наук Леону Богуславовичу Неронскому, внимательно прочитавшему первый вариант рукописи пособия и высказавшему ряд критических замечаний и пожеланий. Советы одного из корифеев отечественной космической радиолокации способствовали существенному улучшению как содержания, так и методики изложения отдельных разделов.
    Автор благодарен рецензентам учебного пособия: профессору, доктору технических наук Евгению Федоровичу Толстову («Корпорация “Фазотрон” - НИИРС») и директору Научно-исследовательского института цифровых систем обработки и защиты информации Южно-Уральского государственного университета профессору, доктору технических наук Юрию Трофимовичу Карманову за полезные рекомендации на заключительном этапе работы над рукописью.
    С выходом в свет учебного пособия работа над ним не заканчивается. Автор будет признателен за все замечания и предложения по улучшению его содержания и формы, которые можно направлять по адресу: v.g.kobemichenko@urfu.ru.

1.

  ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОСМИЧЕСКОГО ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ





1.1.   Понятие дистанционного зондирования Земли

       Дистанционное зондирование в широком смысле - это получение любыми неконтактными методами информации о поверхности Земли, объектах на ней или в ее недрах. Физической основой дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) являются измерения различных количественных характеристик полей (электромагнитного, реже - гравитационного) с авиационных и космических носителей. Однако обычно к данным дистанционного зондирования (ДДЗ) относят только те, которые позволяют получить изображение земной поверхности в каких-либо участках электромагнитного спектра.
   Дистанционное зондирование Земли из космоса, энергично развивавшееся с начала 1960-х гг., в последние годы значительно расширило свои возможности и области применения за счет использования геоинформационных систем и технологий. Данные ДЗЗ, полученные с помощью оптических, многозональных и радиолокационных систем наблюдения, используются при создании и обновлении топографических карт, разработке природоохранных мероприятий, планировании работ в сельском, лесном, водном хозяйстве, горнодобывающих отраслях, изысканиях при разнообразном строительстве, мониторинге опасных природных явлений и техногенных чрезвычайных ситуаций. Фундаментальные и прикладные исследования в науках о Земле все шире опираются на материалы из космоса.
   Уникальные свойства радиолокационных снимков, такие как независимость от времени суток, освещенности, наличия облачности и других погодных условий, возможности детального изучения

9

состояния водной поверхности, а также возможности интерферометрической обработки для построения цифровой модели рельефа, еще больше способствовали расширению применения данных ДЗЗ.
    Технологии оперативного доступа и обработки космической информации за последнее время претерпели существенные изменения. Развитие систем телекоммуникаций и глобальных компьютерных сетей сделало доступным обширные архивы космической съемки. Уникальная информация о состоянии земной поверхности стала доступна региональным структурам, в круг обязанностей которых входит ведение мониторинга и принятие решений по результатам анализа складывающейся обстановки.
    Использование материалов космической съемки рассматривается в настоящее время в качестве необходимого элемента формирования и функционирования любой создаваемой региональной геоинформационной системы (ГИС) - от планирования развития территории до предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций.




1.2.   Спектральные диапазоны

       Получение данных ДЗЗ основано на изучении физических процессов, происходящих при взаимодействии электромагнитного излучения с атмосферой, поверхностью Земли и расположенными на ней объектами.
    Для целей ДЗЗ используются следующие разновидности поля электромагнитного излучения:
    - поле отраженной солнечной радиации;
    - поле собственного теплового излучения;
    - поле отраженного радиоизлучения;
    -     поле отраженного когерентного оптического (лазерного) излучения.
    В зависимости от природы регистрируемого электромагнитного излучения методы зондирования подразделяются на активные и пассивные. При использовании активных методов установ

10

ленная на космическом аппарате (КА) аппаратура облучает земную поверхность сигналом, используя собственный источник энергии (лазер, передатчик радиолокатора). Активные методы основаны на анализе отраженных от исследуемых объектов зондирующих сигналов и используют зависимости между характеристиками обратного рассеяния и физическими параметрами объектов. Пассивные методы основаны на приеме собственного излучения исследуемых объектов либо отраженного объектами солнечного света.
    Современные системы космической съемки работают в различных участках электромагнитного спектра, которые по длинам волн разделяются на оптический и радиодиапазон. Оптический, в свою очередь, включает ультрафиолетовую (длина волны 0,1-0,4 мкм), видимую (0,4-0,75 мкм) и инфракрасную (ИК) (0,75-1 000 мкм) области. Видимая область разделена на семь цветовых зон: фиолетовую, синюю, голубую, зеленую, желтую, оранжевую и красную. ИК-диа-пазон делится на ближнюю, среднюю и дальнюю ИК-области. Классификация зон электромагнитного спектра показана в табл. 1.1.
    При выборе спектральных диапазонов рассматривают три основных типа взаимодействия излучения с атмосферой: поглощение, рассеивание и перенос. Используемые при дистанционном зондировании диапазоны частот обусловлены оптической или радиопрозрачностью атмосферы, т. е. степенью поглощения электромагнитных волн разной длины земной атмосферой.
    ДЗЗ осуществляется в так называемых «окнах прозрачности» -спектральных областях, где поглощение и рассеивание излучения составляющими атмосферу газами достаточно мало. Характеристические высоты столбов газов атмосферы Земли (определяемые уменьшением давления и, соответственно, массы газов в е = 2,718 раза) составляют несколько километров (кислород - 5,3 км, пары воды -2,1 км). С этой точки зрения можно считать, что любой КА ДЗЗ находится «над толщей» атмосферы.
    На рис. 1.1 по материалам [4, 7] приведены спектры электромагнитной энергии солнечного излучения и собственного теплового излучения Земли (температура 300 К), а также представлена зависимость коэффициента прозрачности атмосферы от длины волны и указаны диапазоны длин волн, используемых в ДЗЗ.

11

Таблица 1.1
Зоны электромагнитного спектра

      Область спектра/           Ширина области спектра/   
        цветовая зона         цветовой зоны в длинах волн X
Оптический диапазон           0,01-1 000, мкм              
Ультрафиолетовая область (UV) 0,01-0,40                    
Видимая область (VIS)         0,4-0,75                     
Цветовые зоны:                                             
фиолетовая                    0,40-0,45                    
СИНЯЯ                         0,45-0,48                    
голубая                       0,48-0,50                    
зеленая                       0,50-0,56                    
желтая                        0,56-0,59                    
оранжевая                     0,59-0,62                    
красная                       0,62-0,75                    
Инфракрасная область (ИК)              0,75-1 000          
Ближняя (NIR)                 0,75-1,3                     
Средняя (IR)                  1,3-3,0                      
Дальняя                                    >3              
Тепловой ИК-диапазон (TIR)                8-14             
Сверхвысокочастотный (СВЧ)             0,8-100, см         
или микроволновый (MW)                                     
радиодиапазон                                              
Миллиметровый Ка              0,8-1,1                      
Сантиметровые К               1,1-15                       
Ku                            1,7-2,4                      
X                             2,4-3,8                      
С                             3,8-7,5                      
S                             7,5-15                       
Дециметровые L                            15-30            
Метровые Р                    30-100                       

12

    Анализируя эти зависимости, можно видеть, что основные «окна прозрачности» расположены в видимом и ближнем ИК-диапа-зонах (0,4—1,3; 1,5-1,8; 2,0-2,6 мкм), в нескольких сравнительно узких участках теплового ИК-диапазона вблизи 3 и 5 мкм и в интервале от 8 до 14 мкм, а также в радиодиапазоне от миллиметровых до дециметровых волн. Для радиоволн субмиллиметрового диапазона атмосфера непрозрачна. Радиоволны с длиной волны 1-10 мм заметно поглощаются атмосферой. Радиоволны длиной свыше 20-30 м экранируются ионосферой.
    Возможности съемки в видимом и инфракрасном диапазонах сильно ограничиваются поглощающими и рассеивающими свойствами атмосферы. Основными помехами в этих диапазонах являются облака, которые часто препятствуют получению оперативных данных. Ультрафиолетовая область (приблизительно до 300 нм) мало используется в дистанционном зондировании из-за очень сильного рассеивания или поглощения в самых верхних слоях атмосферы.
    Таким образом, для дистанционных методов практический интерес представляет область длин волн

300 нм < А, < 30 м.

    В этой области солнечная радиация распределена очень неравномерно: почти 99 % всей излучаемой Солнцем энергии сосредоточено в диапазоне 150-4 000 нм, т. е. в ультрафиолетовой, видимой и ближней ИК-областях. Максимум энергетического спектра солнечной энергии находится вблизи длины волны 500 нм, в то время как в радиодиапазоне энергия солнечного излучения составляет около 10⁻¹² от энергии в видимом диапазоне.
    При рассмотрении прохождения электромагнитных колебаний от поверхности Земли кроме поглощения атмосферой следует учитывать такие процессы, как рассеяние, рефракция и суммирование собственного (или отраженного) излучения атмосферы с собственным (или отраженным) излучением объектов на земной поверхности (рис. 1.2).


13