Основы спутниковой радиолокации

Основы Спутниковой
Радиолокации
В. Кудрявцев
ЛСО, каф ЮНЕСКО, РГГМУ
Цель и структура лекции:
Дать общее представление о
 методах и принципах радиолокационного зондирования
Земли,
 Эмпирических
особенностях
обратного
рассеяния
радиоволн на морской поверхности,
 Теоретических
моделях
обратного
рассеяния
применения в
o альтиметрии,
o скаттерометрии и
o радиолокационных наблюдениях
и
их
Методы рассмотренные на предыдущих лекциях обладали одним
общим свойством - они измеряли радиацию существующую
естественным образом, независящим от того есть принимающий
датчик или нет.
Радиолокация – это активный метод зондирования, он обладает
собственным источником излучения (электромагнитные
импульсы излучаемые периодически). Импульсы, излученные по
направлению к поверхности, после отражения принимаются той
же антенной, которой они были излучены.
«Полезная» информация заключена во
- времени между излучением и получением отраженного
импульса,
- форме отраженного импульса,
- его амплитуде и фазе волны «заполняющей» импульс
Под термином «радиолокация» подразумевается целый класс спутниковых
измерений, включающий:
• Альтиметрия, - излучение радиоволн в надир, позволяющее определять уровень океана и
высоты волн (время появления отраженного сигнала и форма импульса).
• Скаттерометрия, - излучение радиоволн под наклонными углами, позволяющее
определить рассеивающие свойства поверхности осредненные в поле зрения прибора,
необходимые в первую очередь для восстановления поля ветра
• РЛ изображения высокого разрешения, - панорамные изображения поверхности,
отображающие «мелкомасштабную» структуру рассеивающих свойств поверхности, которые
далее могут быть интерпретированы в терминах различных геофизических полей
Большинство радиолокационных систем работают
на длинах волн 0.5-75 см:
• Ku-band: ~ 2cm,
altimeters:Topex, Jason; scatterometrs: QuikScat, Oscat
• X-band: 2.4 - 3.75 cm (12.5 - 8 GHz).
Cоветские спутники серий Космос, Terra-SAR, .
•
C-band: 3.75 - 7.5 cm (8 - 4 GHz).
Спутники серий ERS, RADARSAT, ENVISAT, Sentinel-1, altimeters Topex, Jason,
scatterometr ASCAT.
•
S-band: 7.5 - 15 cm (4 - 2 GHz).
Советский РСА Almaz.
• L-band: 15 - 30 cm (2 - 1 GHz).
SEASAT, JERS, scatterometr AQUARIUS
•
P-band: 30 - 100 cm (1 - 0.3 GHz).
Самолетные измерительные системы
Поля ветра
Поля поверхностных течений
и термических фронтов
Нефтяные и
биолог. пленки
Поверхностные волны
Обнаружение цели
и измерение
расстояния до нее
«Геометрия» РЛ измерений: Поляризация
Конфигурация измерений
•ВВ:
•ГГ:
•ГВ:
•ВГ:
излучается В, принимается В
излучается Г, принимается Г
излучается Г, принимается В
излучается В, принимается Г
Пространственное разрешение по дальности
Расстояние до объекта определяется интервалом времени между излучением и приемом
отраженного импульса: R = ct/2. Отличить два объекта, находящихся на расстоянии
эквивалентном ½ «пространственной ширины» импульса невозможно.
Поэтому пространственное разрешение определяется
шириной импульса и не зависит от длины волны.
Для получения 1.5 км разрешения ширина импульса должна быть 10 мкс, что реализуемо
Для получения 10м разрешения ширина импульса должна быть 60 нс, что нереализуемо.
1
Пространственное разрешение по азимуту
Разрешение по азимуту зависит от расстояния до цели, от длины волны и улучшается с
λ
увеличением размера антенны.
∆L = R
D
Для получения 10м разрешения с высоты 600 км требуется антенна размером
λ R 0.03 ×600 ×103
D=
=
= 1800m
∆L
10
что невозможно. Высокое пространственное разрешение достигается специальными
методами обработки принимаемых импульсов, - синтезирование апертуры.
Реальное пространственное разрешение для Ku-band при антенне размером 1м – это10 км.
Для РЛС БО (типа «Океан») X-band разрешение порядка 1 км достигается при антенне 10м.
Диаграмма
направленности
антенны
~
λ
D
Половина мощности
Синтезирование апертуры
Synthetic Aperture Radar (SAR)
ERS 1 – частота
посылки
импульсов 1700 Hz
размер антенны
10х1м
неподвижная точка
наблюдается на
4км пути
разрешение – 30м
Синтезирование
апертуры
Synthetic Aperture
Radar (SAR)
Эффективный размер антенны
~λR/D – это разрешение для
реальной апертуры
Расстояние до цели 2R
Разрешение 2Rλ/(λR/D)=D/2
Разрешение не
зависит от
расстояния до цели,
от длины волны и
улучшается с
уменьшением
размера антенны
Основное Уравнение Радиолокации
Удельная эффективная площадь
рассеяния: УЭПР (NRCS)
SPOT Multispectral
image in Natural Colour
(pixel size=20 m)
ERS SAR image (pixel
size=12.5 m)
РСА изображения кораблей
Особенности рассеяния радиоволн
на морской поверхности:
Морская поверхность является «шероховатой», покрытая ветровыми
волнами в широком диапазоне длин волн от миллиметра до десятка-сотни
метров. Высоты волн – любые, от 0 (штиль) до десятка метров при
штормовых ветрах.
Спектры волн : Эмпирические данные
Морская поверхность представлена суперпозицией волн (гармоник) с
длинами волн в диапазоне от миллиметра до десятка-сотни метров.
Спектральный состав волн сильно зависит от скорости ветра и «разгона
ветра» (степени развития волнового поля).
Спектры возвышений (слева) и кривизны поверхности при скоростях ветра
5, 10, 15 и 20 м/с, разгон волн 50 км
Фотографии поверхности моря при сильных ветрах
Некоторые фоновые характеристики рассеяния
Зависимость от угла падения, ВВ и ГГ
Некоторые фоновые характеристики рассеяния
Зависимость от скорости ветра
Некоторые фоновые характеристики рассеяния
Азимутальная зависимость УЭПР
Некоторые фоновые характеристики рассеяния
Зависимость отношения УЭПР против/по ветру
Некоторые фоновые характеристики рассеяния
Отношение УЭПР против/перпендикулярно ветру
Эмпирические модели РЛ рассеяния
В настоящее время данные РЛ измерений в С-band и Ku-band
проанализированы и систематизированы достаточно подробно. На основании
этого анализа предложены эмпирические модели рассеяния, связывающие
УЭПР морской поверхности со скоростью ветра, углом падения и азимутом
измерений относительно направления ветра.
В качестве примера можно привести эмпирические модели
•CMOD-4, применимая в диапазоне ветров < 20 м/с,
•CMOD-5 применимая в диапазоне сильных ветров, вплоть до ураганных.
Эти модели параметризованы в следующем виде
σ 0pp (u10 ,θ , ϕ ) = A0pp (u10 , θ ) + A1pp (u10 , θ ) cos(ϕ ) + A2pp (u10 , θ ) cos(2ϕ )
Эмпирические модели
Эмпирические модели задаются в виде
σ 0pp (u10 ,θ , ϕ ) = A0pp (u10 , θ ) + A1pp (u10 , θ ) cos(ϕ ) + A2pp (u10 , θ ) cos(2ϕ )
где коэффициенты А0, А1, и А2 зависят от скорости ветра и угла падения
радиоволн.
Модели такого типа используются в скаттерометрии для восстановления
скорости ветра
Теоретические модели рассеяния
Простейшей моделью рассеяния является модель зеркальных отражений
радиоволн, которая применима при малых углах падения, - от 0 до 10 град. При
таких углах на морской поверхности неизбежно существуют локальный участки
поверхности, обеспечивающие зеркальные отражения радиоволн. При этом,
учитываются только крупномасштабная поверхность, сформированная волнами с
длинами в несколько раз больше длины радиоволны.
σ 0 sp = π Ref2 sec 4 θ P (ξi , ξ n ) |ξi = tan θ
ξn =0
 tan 2 θ 
π Ref2 sec 4 θ
=
exp  −
÷
2

÷
sup scr
2
s
sp


2
2 2
2
2
2
2
ssp = sup scr / ( sup sin ϕ + scr cos ϕ )
Ref = R0 exp(−kr2σ ξ2 )
θ
θ
Применение к альтиметрии
При надирных углах падения УЭПР морской поверхности принимает вид
π Ref2
σ0 = 2
s
s 2 = aU10
Ref = R0 exp(−k r2σ ξ2 )
Энергия отраженного сигнала падает с увеличением скорости ветра. Этот факт
используется для определения скорости ветра по данным альтиметрических
измерений
Теоретические модели рассеяния
При углах падения больше 10 градусов зеркальные отражения
резко падают и определяющий вклад оказывают другие механизмы.
Традиционно считается, что
резонансное Брэгговское рассеяние
является определяющим механизмом
(Басс и др.1968; Wright, 1968; Басс и Фукс, 1972)
Резонансное (Брэгговское) рассеяние
( )
Метод малых возмущений : ξ
σ
p
0b
4
r
2
2
−4
2
1/2
<< λr
= 16π k G p (θ ) S (kbr )
= π G p (θ ) (sin θ ) B( kbr )
kbr = 2kr sin θ
λr
−4
S (k ) = k B (k )
λ = λ r / (2sin θ )
Брэгговская модель
2
σ 0VV = π GVV (θ ) (sin θ ) −4 B(kbr )
2
σ 0HH = π GHH (θ ) (sin θ ) −4 B(kbr )
σ 0HV = σ 0VH = 0
Спектры волн : Эмпирические данные
Морская поверхность представлена суперпозицией волн (гармоник) с
длинами волн в диапазоне от миллиметра до десятка-сотни метров.
Спектральный состав волн сильно зависит от скорости ветра и «разгона
ветра» (степени развития волнового поля).
Спектры возвышений (слева) и кривизны поверхности при скоростях ветра
5, 10, 15 и 20 м/с, разгон волн 50 км
Теоретические модели рассеяния:
2-х масштабная Брэгговская модель
S (k )
Реальные волны не являются волнами малой
амплитуды. 2-х масштабная модель предполагает,
что Брэгговская теория применяется к локальным
участкам поверхности, которые находятся на
поверхности крупномасштабных волн.
k < 1 / 4 ×k r
θ
θ + ξi
ξi
θ − ξi
kbr
2-х масштабная Брэгговская модель
2-х масштабная Брэгговская модель:
Вклад наклонов и модуляций
Почему не устраивает 2-х масштабная Брэгговская модель?
В целом 2-х масштабная модель качественно воспроизводит основные
наблюдаемые особенности УЭПР. В то же время существуют принципиальные
расхождения, указывающие на важность учета других механизмов.
Почему не устраивает 2-х масштабная Брэгговская модель?
В целом 2-х масштабная модель
качественно воспроизводит основные
наблюдаемые особенности УЭПР.
В то же время существуют
принципиальные расхождения,
указывающие на важность учета других
механизмов.
Поляризационное отношение –
чувствительный индикатор.
Его отличие от Брэгговской
модели указывает на важность
влияния обрушений волн на УЭПР
Теоретические модели рассеяния: Влияние обрушений волн
2
2
2
σ 0 wb µ sec 4 θ / swb
exp ( − tan 2 θ / swb
+
ε
/
s
) wb wb
Фотографии поверхности моря при сильных ветрах
Композитная модель
Морская поверхность
разделяется на поверхность,
покрытую «обычными» волнами
(1-q), и обрушающимися
волнами (q)
σ 0p = (σ 0pbr + σ 0 sp )(1 − q) + σ 0 wb q
Информативные параметры поверхности, которые
определяют интенсивность обратного рассеяния:
1.Спектр Брэгговских волн;
2.среднеквадратичный наклон волн, несущих
Брэгговские волны;
3.Доля поверхности моря покрытая
обрушающимися волнами
Композитная модель
Вклады различных механизмов рассеяния
Экспериментальные оценки вклада обрушений
волн в УЭПР морской поверхности
Пример расчетов по композитной модели
Обратное рассеяние радиоволн от
морской поверхности зависит от
1.Уровня спектра коротких ветровых волн (Брэгговских волн) с
длинами порядка сантиметра
2.Среднеквадратичного наклона морской поверхности в
диапазоне длин волн от дециметра до волн пика порядка
сотни метров (длинные волны, несущие Брэгговскую рябь)
3.Доли поверхности моря покрытой обрушающимися волнами
Зависимость этих параметров от

Скорости приводного ветра и других характеристик
атмосферного погранслоя

Наличия поверхностных пленок (биологические,
нефтяные)

Поверхностных течений различной природы
определяет возможность наблюдения различных физических
явлений в океане методами радиолокации из Космоса
Поля приводного ветра и процессы в АПС
Проявления
атмосферных
процессов
Нефтяные загрязнения
20080922 1954 GMT
Рядом с Хельсинки
Нефтяные загрязнения
Deepwater Horizon case study
April 20
Deepwater Horizon
May 24, 2010
Terra/MODIS
Поверхностные течения
трассируемые пленками ПАВ в зонах конвергенции
Внутренние волны в океане:
Взаимодействие волн и течений
Мезомасштабная
Турбулентность в океане
Мезомасштабные течения, связь с
зонами конвергенции
SAR
Divergence
AVHRR Sea
Surface
Temperatures
Envisat
ASAR
Отображения фронта температуры поверхности
океана, мыс Игольный, 14 MARCH 2006
Not yet available
from Aviso LAS
server
MODIS Aqua
Chlorophyll-a
concentration
SSALTO/DUACS
Altimetry
На следующей лекции по этой теме
будут рассмотрены
физические модели
морской поверхности
и
Механизмы формирование
радиолокационных
проявлений
различных океанографических явлений