Космический многорежимный поляриметрический радиолокатор с синтезированной апертурой со сканирующей зеркальной антенной

Изобретение относится к космической радиолокационной аппаратуре для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), использующей радиолокаторы с синтезированной апертурой антенны (РСА). Современная концепция проектирования космических РСА предусматривает создание многофункциональных многорежимных, поляриметрических РСА, позволяющих получать радиолокационные изображения (РЛИ), пригодные для поляриметрической и интерферометрической обработки и позволяющие получать радиолокационные снимки с высоким пространственным разрешением в непрерывном маршрутном режиме и со средним разрешением в широкозахватном режиме Скансар [1]: РСА ENVISAT [2], RADARSAT-2 [3], TerraSAR-X [4], TerraSAR-L [5], RISAT [6], TECSAR [7]. Дополнительно вводится прожекторный режим наивысшего разрешения для съемки заданных участков (кадров) на земной поверхности [4, 6-7]. Известен также РСА с зеркальной антенной [8], реализующий набор однополяризационных режимов, включая прожекторный режим.

Известны поляриметрические космические РСА [2-6], использующие активные фазированные антенные решетки (АФАР) с электронным сканированием луча. Такие РСА кроме режима работы с одной поляризацией - вертикальной (В) или горизонтальной (Г) обеспечивают получение изображений и измерение составляющих поляризационной матрицы рассеяния (матрицы Стокса) сигналов, отраженных от элементов поверхности и объектов.

Используют поляриметрические режимы с получением изображений и измерением двух составляющих матрицы рассеяния на излучение и прием:

- с вертикальной поляризацией на излучение и прием (ВВ) плюс вертикальная поляризация на излучение и горизонтальная на прием (ВГ);

- с горизонтальной поляризацией на излучение и прием (ГГ) плюс горизонтальная поляризация на излучение и вертикальная на прием (ГВ);

- с вертикальной поляризацией на излучение и прием (ВВ) плюс горизонтальная поляризация на излучение и прием (ГГ).

- возможен также полнополяриметрический режим (все составляющие матрици рассеяния) с комбинацией поляризаций ВВ+ГГ+ВГ+ГВ.

Поскольку кроссполяризационные составлющие матрицы рассеяния для большинства физических объектов одинаковы ВГ=ГВ, то полнополяриметрический режим реализуют как режим "четырех поляризаций" [1-3, 6], что позволяет увеличить отношение сигнал/шум для кроссполяризационных составляющих, либо с целью уменьшения потока данных ограничиваются приемом одной из перекрестных составляющих ВГ или ГВ.

Наиболее просто полный набор перечисленных выше режимов реализуется в РСА с активной фазированной решеткой (АФАР), обеспечивающей плавное электронное сканирование луча в вертикальной (по углу места) и горизонтальной (по азимуту) плоскостях.

Значительно сложнее реализовать необходимое для прожекторного режима обзора плавное сканирование луча в РСА с зеркальной антенной и одновременно поляриметрический режим. Вместе с тем, РСА с зеркальной антенной (TECSAR [7]) имеют преимущества перед РСА с АФАР: значительно меньшую массу, удобство компоновки на малом космическом аппарате, меньшую стоимость. Так, например, масса РСА TECSAR с зеркальной антенной составляет 100 кг [7], а РСА TerraSAR-X с АФАР - около 400 кг [4].

В космическом поляриметрическом многорежимном РСА [7], работающем в 3-сантиметровом диапазоне волн и использующем сканирующую зеркальную антенну, реализуются однополяризационные маршрутные, прожекторный режимы и широкозахватный режим Скансар, а также поляриметрические режимы. В режиме Скансар обеспечивается скачкообразное электронное сканирование луча в угломестной плоскости благодаря установке в фокальной плоскости антенны рупорных излучателей, смещенных по вертикали относительно оптической оси рефлектора антенны. Изменение поляризации на излучение и прием сигналов достигается путем изменения плоскости запитки рупорных излучателей.

Прожекторный режим, в котором необходимо плавное (или скачкообразное с малым шагом, много меньшим ширины луча) сканирование лучом в горизонтальной (азимутальной) плоскости в РСА [7], обеспечивается путем поворота космического аппарата (КА). Такое решение вызывает повышенный расход энергии и снижает оперативность съемки из-за необходимости успокоения системы ориентации КА после установки луча в упрежденную точку начала съемки в прожекторном режиме. Эти недостатки особенно существенны для РСА, работающих в длинноволновой части сантиметрового диапазона волн, например в 10-см диапазоне [8].

Указанный недостаток отсутствует в многорежимном космическом РСА [8], который является ближайшим аналогом (прототипом) изобретения. В РСА в качестве облучающей системы зеркальной антенны используется сложная линейка с 32 излучателями, способная формировать 25 парциальных лучей с малым шагом сдвига. Это дает возможность осуществить пересечение соседних парциальных диаграмм по высокому уровню (порядка 0,2 дБ) для реализации прожекторного режима. Имеется возможность поворота облучающей системы в фокальной плоскости на 90°, что позволяет переходить из прожекторного и маршрутного режимов с горизонтальной поляризацией на передачу и прием в режим электронного сканирования по углу места с вертикальной поляризацией на излучение и прием.

На фиг.1 приведена блок-схема прототипа изобретения. РСА содержит формирователь сигналов и команд (ФСК) 1, передатчик (ПРД) 2, приемник (ПРМ) 3, СВЧ-тракт 4, сканирующую зеркальную антенну, в которую входят рефлектор 5, облучающая система 6, установленная на поворотном узле облучателя (ПУОС) 9. На вход ФСК от космического аппарата (КА) подаются команды, задающие номер луча диаграммы антенны, режим работы и положение облучающей системы, а также команды на начало и конец радиолокационной съемки. Выходы ФСК, содержащего таймер и связанные с ним цифровые формирователи зондирующего сигнала и опорных частот, подключены ко входу ПРД 2 ("Зондирующий сигнал") и ко входу ПРМ 3 ("Опорные частоты"). На выход ФСК, подключенный к облучающей системе 6, передается команда от КА на выбор номера рабочего луча, а на выход, подключенный к ПУОС 9, передается команда на поворот облучающей системы 6 в горизонтальное или вертикальное положение в зависимости от режима работы.

Недостатком известного устройства по фиг.1 является отсутствие поляриметрического режима с одновременным получением комбинации поляризационных составляющих матрицы Стокса.

Техническим результатом, который достигается предложенным устройством, является преодоление указанного недостатка, а именно введение в РСА поляриметрических режимов радиолокационной съемки.

На фиг.2 приведена схема облучающей системы, выполненной по предлагаемому изобретению. Поставленная техническая задача решается тем, что в известный РСА с зеркальной антенной в облучающую систему 6, содержащую линейку из i волноводных излучателей (ВИ₁-ВИ_i) 7 с коммутаторами излучателей 8, дополнительно вводят линейку из m дипольных излучателей (ДИ₁-ДИ_m) 12 с тем же шагом, а в коммутаторы излучателей вводят n-канальный СВЧ разветвитель 10 и n многогопозиционных коммутаторов (МПК) 11, причем линейка ДИ 12 должна содержать не менее m=n дипольных излучателей для формирования лучей с ортогональными поляризациями.

Состав и принцип работы облучающей системы иллюстрирует фиг.2, где, для примера, количество элементов обозначено условно: число каналов СВЧ-разветвителя и многопозиционных переключателей n=4 (для более высокого уровня пересечения соседних лучей (≤0,2 дБ) n≥8), число волноводных излучателей равно i=12, что соответствует трем разнесенным лучам в режиме Скансар, число дипольных излучателей взято минимальным m=n=4 что достаточно для формирования одной пары поляриметрических лучей.

Каждый МПК имеет k₁÷k_макс каналов соединения с волноводными или дипольными излучателями, где k_макс=(i+m)/n. Для облучения рефлектора антенны всегда используется группа из n излучателей (ВИ или ДИ). Положение центра облучения относительно фокуса рефлектора задается номерами включаемых излучателей с помощью МПК. Таким образом, обеспечивается "скольжение" центра облучения с малым шагом. В табл.1 даны примеры подключения излучателей (ВИ или ДИ) к выходам МПК (k₁-k_макс) для формирования лучей с разными поляризациями при горизонтальном положении линейки облучателя, а также при его вертикальном положении (указаны в скобках) для случая, когда m=12, i=12, n=4, k=6.

В соответствии с командами от КА обеспечивается работа РСА с одинаковыми поляризациями на излучение и прием: горизонтальными (ГТ) или вертикальными (ВВ). При этом от КА поступает команда в ФСК на подключение к СВЧ-тракту лучей с одинаковыми номерами на момент излучения и на время приема (например, с номерами 1-9 (Г1-Г9) для ГГ, или 10-18 (В1-В9) для ВВ, см. табл.1).

При работе с двумя комбинациями поляризаций ФСК по команде от КА формирует чередующиеся команды на подключение лучей к СВЧ-тракту, например, в нечетных периодах зондирования - с одинаковыми номерами и поляризацией - лучи 1-9 (Г1-Г9) для горизонтальной поляризации или лучи 10-18 (В1-В9) для вертикальной поляризации, а в нечетные периоды - лучи с разными номерами и поляризациями на излучение и прием, например луч 1 (Г1) в момент излучения и луч 10 (В1) на время приема и т.д. Такой режим, в частности, реализуется в РСА TerraSAR-X, использующей антенну типа АФАР [4].

Получить полный набор поляризаций возможно двумя способами: путем повышения частоты повторения в 3 раза по сравнению с режимом одной поляризации и череспериодного переключения поляризаций с помощью командам от ФСК, подаваемых на коммутаторы облучающей системы, как это было указано выше: ВВ - в каждом первом периоде, ГГ - в каждом втором периоде и ВГ (или ГВ) - в каждом третьем периоде. Можно также применить чередующуюся кадровую съемку, например кадр ВВ+ГГ, кадр ГТ+ГВ, как это реализуется в РСА RISAT с антенной типа АФАР [6].

Литература:

1. W.Keydel. Considerations towards the Future of Space-borne SAR Systems, Proc. URSI GA 2005, New Delhi, India.

2. J.-L.Suchail, C.Buck, J.Guijarro, A.Shönenberger, R.Torres. The Envisat ASAR Instrument. EUSAR'2000, Germany, pp.33-36.

3. L.Brule, H.Baeggli. RADARSAT-2 Program Update. System. Proc. EUSAR'2002, Germany, pp.25-28.

4. M.Suess, S.Riegger, W.Pitz, R.Weminghaus. TerraSAR X - Design and Performance. Proc. EUSAR'2004, Germany, pp.49-52.

5. R.Torres, D.Simpson. The TERRASAR-L System. Proc. EUSAR'2004, Germany, pp.41-44.

6. Т.Misra, S.S.Rana, K.N.Shankara. Synthetic aperture radar payload of Radar imaging satellite (RISAT) of ISRO. Proc. URSI GA 2005, New Delhi, India.

7. U.Naftaly. TECSAR - Performance, Design and Status, Proc. EUSAR'2004, Germany, pp.27-30.

8. Турук В.Э., Неронский Л.Б., Порохов И.О. Выбор технических характеристик РСА универсального назначения для малого космического аппарата. Вопросы радиоэлектроники, сер. Общетехническая, вып.1, M., 2002, с.43-52.

Космический многорежимный поляриметрический радиолокатор с синтезированной апертурой (РСА), содержащий формирователь сигналов и команд (ФСК) для обеспечения работы РСА с разными поляризациями, передатчик (ПРД), приемник (ПРМ), СВЧ-тракт, сканирующую зеркальную систему, включающую рефлектор и облучающую систему, содержащую линейку из i волноводных излучателей с коммутаторами излучателей, и поворотный узел облучающей системы (ПУОС), причем вход ПУОС через СВЧ-тракт соединен с выходом ПРД и входом ПРМ, а выходы ФСК подключены к входам ПРД, ПРМ, ПУОС и коммутаторов излучателей, отличающийся тем, что коммутаторы излучателей выполнены в виде n-канальных СВЧ-разветвителей, а в облучающую систему дополнительно введены m дипольных излучателей ортогональной поляризации и n управляемых многопозиционных коммутаторов, имеющих k₁÷k_макс каналов соединения с i волноводными или m дипольными излучателями, где k_макс=(i+m)/n, и выполненных с возможностью поочередного подключения соответствующих i волноводных или m дипольных излучателей, формирующих лучи с разными поляризациями.