Рассматриваемые вопросы:

• Что такое радиолокационная съёмка?
• Длина и частота радиоволн при съёмке земной поверхности
• Поляризация сигнала
• Геометрия радиолокационной съёмки
• Режимы обзора космических РСА
• Режимы работы космических РСА

Что такое радиолокационная съёмка?

Радиолокационная съёмка - вид аэрокосмической съёмки, осуществляемой радиолокатором - активным микроволновым датчиком, способным излучать и принимать отражённые от земной поверхности поляризованные радиоволны в определённом диапазоне длин волн (частот). То есть на радиолокационных снимках яркостью закодировано количество отраженного излучения, но не солнечного, как на привычных для нас снимках в видимом диапазоне, а излучения, создаваемого радиолокатором.

Длина и частота радиоволн при съёмке земной поверхности

Авиационная и космическая радиолокационная съёмка осуществляется в миллиметровом, сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн (λ). Наряду с длиной волны используют понятие частоты (ν). Обе эти величины пропорциональны скорости света в вакууме: c=λν. Для обозначения диапазонов съёмки применяют специальные латинские буквосочетания.

Обозначение диапазона	Длина волны (см)	Частота (ГГц)
Ka	0,75 - 1,18	40,0 - 26,5
K	1,19 - 1,67	26,5 - 18,0
Ku	1,67 - 2,4	18,0 - 12,5
X	2,4 - 3,8	12,5 - 8,0
C	3,9 - 7,5	8,0 - 4,0
S	7,5 - 15,0	4,0 - 2,0
L	15,0 - 30,0	2,0 - 1,0
P	30,0 - 100,0	1,0 - 0,3

Радиоволны способны проникать сквозь облака, что позволяет получать радиолокационные изображения вне зависимости от погодных условий.
В некоторых случаях возможнополучение отраженного сигнала от объектов, расположенных ниже уровня поверхности, при этом проникающая способность радиосигнала возрастает при увеличении длины волны. Так, на радиолокационных снимках под толщей рыхлых грунтов, например песка, могут быть обнаружены грунтовые воды или некоторые геологические структуры. При зондировании древесной растительности в X-диапазоне отражение происходит от крон деревьев, а при увеличении длины волны - от ветвей и стволов, от почвенного покрова

Проникающая способность радиоволн

Поляризация сигнала

Поляризация радиоволн

Поляризация электромагнитной волны определяется ориентацией вектора напряженности электрического поля в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Сигнал, посылаемый и принимаемый антенной радиолокатора, поляризован: электрический вектор колеблется, как правило, в одном из двух направлений: горизонтальном H или вертикальном V (иногда при излучении используют круговую поляризацию). Различают поляризацию согласованную, при которой посылаемый и принимаемый сигнал поляризованы одинаково (HH, VV), и перекрёстную (или кросс-поляризацию), при которой направления поляризации в посылаемом и принимаемом сигналах взаимно перпендикулярны (HV, VH). Поляризация волны может изменяться по-разному в результате взаимодействия с различными объектами местности, что позволяет выявлять их новые свойства.

Геометрия радиолокационной съёмки

Геометрия радиолокационной съёмки

Особенности геометрических свойств радиолокационных изображений обусловлены наклоном зондирующего луча к поверхности.
В процессе полёта спутника по орбите (направление движения носителя радиолокационной системы называют азимутом съёмки) антенна на его борту излучает радиоволны в направлении земной поверхности под углом к ней (направление излучения называют дальностью). Радиолокационное изображение формируется путём регистрации отраженного поверхностью (обратного) сигнала по наклонной дальности (этим термином принято называть расстояние от антенны до поверхности). Съёмку непосредственно под носителем (в надир) не проводят, так как в этом случае дальности различаются незначительно, обратные сигналы от близких объектов местности возвращаются к радиолокатору почти одновременно и на снимке эти объекты неразличимы.
Углом съёмки обычно называют угол падения θ (в англоязычной литературе принято использовать термин incidence angle) – это угол между направлением посылаемого радиосигнала и отвесной линией, проведенной через точку, в которую направлен сигнал. Участки снимаемой местности, наименее удалённые от надира, называют ближней зоной, а наиболее удалённые - дальней зоной. Соответствующие им углы падения - θ_б и θ_д. В случае наклона зондируемой поверхности выделяют локальный угол падения θ_л – угол между направлением радиоволны и нормалью к склону. Угол падения волны для современных космических радиолокационных систем может варьировать в больших пределах:

Наклонная и наземная дальность

например, для Radarsat-2 – от 10° до 60°, для ALOS-2/PALSAR-2 - от 8° до 70°. Весь диапазон углов падения определяет ширину полосы обзора – полосу на земной поверхности, в пределах которой может проводиться съёмка. Более узкая полоса на поверхности Земли, съёмка которой проводится при текущем положении луча, называется полосой захвата.
Если исходные радиолокационные изображения представлены в проекции наклонной дальности, то объекты, расположенные ближе к радиолокатору, будут выглядеть более сжатыми по сравнению с объектами, расположенными дальше от него. Для правильного отображения местности изображение из проекции наклонной дальности пересчитывают в проекцию наземной дальности.

Пространственное разрешение радиолокационных изображений определяется свойствами антенны и различается в направлении действия антенны (дальности) и в направлении движения спутника (азимута).

Разрешение по наклонной дальности ρ_sr (в направлении, перпендикулярном направлению полёта) пропорционально длительности импульса: чем короче импульс, тем выше разрешение. Оно вычисляется по формуле ρ_sr=τc/2, где τ - длительность импульса, c - скорость света в вакууме.

Пространственное разрешение по наклонной и наземной дальности

При работе со снимками значение имеет пространственное разрешение (или размер элемента разрешения) на земной поверхности ρ_gr, оно определяется через разрешение по наклонной дальности по формуле: ρ_gr=ρ_sr/cos(90-θ)=ρ_sr/sinθ, где θ - угол падения волны.

Пространственное разрешение радиолокационных изображений по азимуту ρ_a легко определяется для радиолокаторов бокового обзора (РБО) по формуле ρ_a=S_rdλ/L, где S_rd - наклонная дальность до поверхности, λ – длина волны, L – горизонтальный размер реальной антенны. Для таких систем возможности повышения пространственного разрешения ограничиваются размерами антенны. Так, для космических РБО, осуществляющих зондирование в X-диапазоне (λ≈3 см), при размере реальной антенны 10 метров и наклонной дальности в несколько сотен километров разрешение по азимуту будет составлять около 2 км.

Радиолокатор с синтезированной апертурой

Наиболее высокое пространственное разрешение обеспечивают радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА). Принцип их работы основан на регистрации и последующей когерентной обработке сигналов, принятых от объекта местности A в процессе движения носителя на участке орбиты, называемом интервалом синтезирования (L_synt). В общем случае разрешение РСА по азимуту вычисляется по следующей формуле: ρ_a=S_rdλ/2L_synt.
В настоящее время вся радиолокационная съёмка Земли из космоса осуществляется радиолокаторами с синтезированной апертурой.

Режимы обзора космических РСА

Радиолокационная съёмка Земли ведётся при разных режимах обзора местности: широкозахватном (ScanSAR), маршрутном (StripMap) и прожекторном (SpotLight). Эти режимы отличаются технологией получения изображений, их пространственным охватом и разрешением. При широкозахватном режиме широкую полосу захвата получают путём последовательного переключения импульса в направлении съёмки. В этом режиме полоса захвата может достигать сотен километров, однако пространственное разрешение низкое - десятки и сотни метров. При маршрутном режиме съёмка осуществляется в пределах одной полосы, ширина которой достигает десятков километров. Пространственное разрешение в этом случае достигает нескольких метров. При прожекторном режиме обзора в процессе движения спутника луч антенны многократно направляют в центр снимаемого участка. При этом режиме получают минимальный пространственный охват, но наивысшее пространственное разрешение - до долей метра).
Режимы обзора космических радиолокаторов с синтезированной апертурой

TerraSAR-X, Панамский канал. Режим съёмки Wide ScanSAR: пространственное разрешение 40 м, ширина полосы съёмки 270 км	TerraSAR-X, г. Сендай, Япония. Режим съёмки StripMap: пространственное разрешение 3 м, ширина полосы съёмки 30 км
TerraSAR-X, Открытая стоянка Центрального музея Военновоздушных сил РФ в Монино. Режим съёмки Staring SpotLight: пространственное разрешение <1 м, размер снимаемого участка 4 км

Режимы работы космических РСА

Поляриметрический режим: получение радиолокационных изображений одновременно при разной поляризации радиоволн. Такая съёмка осуществляется не всеми системами и зависит от технических особенностей конкретной съёмочной аппаратуры. Возможна съёмка в сокращённом (комбинации HH и HV, VV и VH или HH и VV) или полном поляриметрическом режиме (одновременно HH, HV, VH и VV). В последние годы появились съёмочные системы (например, Risat-1), осуществляющие съёмку в режиме т.н. компактной поляриметрии, когда посылаемый в направлении земной поверхности сигнал имеет круговую поляризацию.

Многочастотный режим: получение радиолокационных снимков одновременно при разных длинах радиоволн. Такая съемка из космоса в настоящее время не ведется. Уникальной в своём роде можно назвать систему SIR-C/X-SAR, которая вела съёмку одновременно в трёх диапазонах: X, C и L. В ближайшей перспективе (2019-2021 гг.) планируется создание нескольких многочастотных систем радиолокационного наблюдения Земли: канадская OptiSAR (диапазоны X и L), индийско-американская NISAR (S, L).

Интерферометрический режим: повторные радиолокационные съёмки одного и того же участка местности при соблюдении следующих условий: 1) зондирование идентичной аппаратурой при одинаковых параметрах, 2) зондирование с близко расположенных точек орбиты, расстояние между которыми называется интерферометрической базой. Выделяют продольную, поперечную и временную интерферометрические базы, которые характеризуют взаимное положение радиолокаторов во времени и пространстве. Разные виды интерферометрической базы используются для решения разных задач: продольная - для выявления движущихся объектов, поперечная - для построения цифровых моделей рельефа, временная - для выявления изменений объектов, смещений земной поверхности.


Виды интерферометрической базы
Повторность съёмки одной и той же территории при интерферометрическом режиме реализуется разными путями:
1) синхронно, когда на летательном аппарате установлены два радиолокатора, разнесенных на некоторое расстояние, один из которых работает и на излучение, и на приём сигнала, а второй - только на приём (интерферометрия с "жёсткой" базой) (пример такой съёмки - Shuttle Radar Topography Mission)
2) в режиме "тандем" - двумя идентичными радиолокаторами при движении космических аппаратов-носителей по близко расположенным параллельным орбитам (одна из разновидностей интерферометрии с "мягкой" базой) (например, TerraSAR-X/TanDEM-X)
3) последовательно - первая съёмка выполняется в момент времени t, последующие съёмки - с этого же спутника (или аналогичного) на повторном витке орбиты через интервал времени Δt, кратный периоду повторения трассы полёта (иногда такой вариант съёмки также называют интерферометрией с "мягкой" базой) (например, повторная съёмка со спутника Radarsat-2 возможна с интервалом в 24 дня, со спутника ALOS-2 - 14 дней).

1 2 3
Варианты проведения интерферометрических съёмок
В последнее время в целом наблюдается тенденция к увеличению количества съёмочных режимов, в которых ведётся работа космических радиолокаторов. Так, системой Radarsat-1 осуществлялась съёмка в 7, а Radarsat-2 – уже в 17 режимах, характеризующихся комбинацией следующих параметров: пространственное разрешение, ширина полосы захвата, диапазон углов съёмки и набор поляризационных каналов.