Особенности характеристик и применения авиационных РСА

П.И. Нейман

Радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА) широко используются при дистанционном зондировании Земли (ДЗЗ), так как обладают высоким разрешением, возможностью получать информацию круглосуточно и практически в  любую погоду. Более того, РСА позволяют обнаруживать цели под растительным покровом и даже в подповерхностной среде. Последнее качество наиболее полно может быть реализовано в авиационных РСА (АРСА).

Авиационные РСА используются на летательных аппаратах всех типов: самолеты крупногабаритные, среднего класса и легкие, вертолеты, дирижабли. Также АРСА устанавливаются на беспилотные летательные аппараты (БЛА).

Можно выделить четыре класса АРСА:

1. РСА высокого разрешения.
2. Малогабаритные РСА.
3. Многодиапазонные РСА.
4. Подповерхностные РСА.

Авиационные РСА высокого разрешения предназначаются, в основном, для обнаружения и распознавания наземных целей. Предел разрешения 0,3–0,5 м, к которому только приближаются современные космические РСА, давно преодолен их авиационными  аналогами. Наилучшие образцы достигли уровня разрешения менее 10–15 см  — РСА PAMIR (Германия), LYNX (США) и др.

Малогабаритные АРСА находят применение для воздушного мониторинга, проводимого с малогабаритных БЛА при поисково-спасательных операциях, чрезвычайных ситуациях и т. п. Для этого в первую очередь должна обеспечиваться всепогодность и круглосуточность получения информации. Основная характеристика таких АРСА — минимальная масса. Здесь также получены выдающиеся результаты. Например, АРСА  NanoSAR (США) с разрешением меньше 1 м имеет  массу менее 1 кг (рис. 1).

Многодиапазонные АРСА в основном используются для важных исследовательских задач: проведение экспериментов для обеспечения новых информационных технологий ДЗЗ, создания банков радиолокационных характеристик, совершенствования методик и алгоритмов обработки (дешифрирования) радиолокационных изображений. АРСА данного класса  работают сразу в нескольких частотных диапазонах (от 2–3 и более), имеют совершенное метрологическое обеспечение для проведения сложных измерений радиолокационных характеристик земных покровов и объектов.  В данном классе можно отметь: американский AIRSAR (Airborne Synthetic Aperture Radar; диапазоны P, L и C) с полной поляриметрией и однопроходной интерферометрией в С-диапазоне (рис. 2), немецкий F-SAR (диапазоны X, C, S, L и P) с реализацией однопроходной интерферометрия в X-  и S-диапазонах, французский RAMSES с 8 частотными диапазонами — от Р-диапазона  до W-диапазона (l@3,2 мм).

Авиационные подповерхностные РСА составляют наиболее специфический класс, так как они предназначаются для обнаружения скрытых в лесах и под землей объектов (мин, военной техники,  транспортных средств, сооружений, средств коммуникаций и т. п.). Важность этой задачи определило специальное название таких АРСА — FOPEN SAR (Foliage Penetration Synthetic Aperture Radar), т. е. РСА для обнаружения под растительным покровом и GPR (Ground Penetration Radar — радиолокатор для подповерхностного зондирования) (рис. 3).  Основными характеристиками подповерхностных АРСА являются пространственное разрешение и проникающая способность радиоволн.

Для сочетания таких важных качеств необходимо использовать радиолокационные сигналы с большим отношением ширины спектра к несущей частоте (так называемые сверхширокополосные сигналы — СШПС). Например, в одном из РСА с СШПС (английское обозначение UWB SAR — Ultra-wideband SAR) фирмы Sandia (США) используется сигнал с шириной спектра от 125 до 950 МГц. Средняя длина волны такого сигнала составляет около 50 см, потенциальное разрешение по дальности около 15 см. Так как рабочая полоса сигнала РСА с СШПС обычно лежит в диапазонах VHF и UHF, для обозначения рабочего диапазона принято обозначение VHF/UHF.

На рис. 4 приведены примеры радиолокационных изображений (РЛИ), полученных в коротковолновом Ku диапазоне (длина волны около 2 см) и в диапазоне VHF/UHF. Хорошо видна принципиальная разница коротковолновых и длинноволновых РЛИ. Коротковолновые РЛИ имеют квазиоптический характер с присущими боковому обзору радиолокационными тенями (в данном случае от деревьев). Яркостная картина РЛИ искажена спекл-эффектом. Длинноволновое РЛИ значительно отличается, во-первых, отсутствием теней, так волны VHF/UHF проходят через листву деревьев, а, во-вторых, другой текстурой РЛИ, что связано с высоким пространственным разрешением, близким к длине волны зондирующего сигнала.

Разработкой и испытаниями подповерхностных РСА в США занимается ряд известных научно-исследовательских организаций (Sandia National Laboratories, SRI International, US Army Research Laboratory). В результате начального этапа экспериментальных исследований было установлено, что для интерпретации (дешифрирования) длинноволновых РЛИ требуются новые технологии, основанные на методе  обработки change detection (обнаружение изменений) и учитывающие поляризационные особенности радиолокационного сигнала, проникающего в растительную среду. В ходе экспериментальных исследований было также установлено, что обнаруживать изменения на РЛИ следует в нескольких проходах при различных углах визирования и на разных высотах, в результате чего можно создавать трехмерные изображения целей, используя технологию реконструкции 3D РЛИ.

Дальнейшим развитием работ по обнаружению и распознаванию скрытых целей  является программа FORESTER (FOPEN Reconnaissance, Surveillance, Tracking and Engagement Radar — радиолокационный комплекс для разведки и слежения за целями, скрытыми в растительности). В системе FORESTER используется  радиолокатор VHF/UHF диапазона, позволяющий обнаруживать людей и транспортные средства под растительностью. РСА Система FORESTER разработана для использования на беспилотном вертолете (БВ) A-160 (рис. 5) и прошла натурные испытания  в различных условиях для подтверждения и отработки информационной технологии.

Подповерхностные РСА позволяют получить высокую производительность съемки и обнаружения подземных объектов. Однако глубина проникновения в подповерхностную среду сигнала у таких РСА ограничивается мешающими отражениями от поверхности, которые маскируют заглубленные цели. Типичное значение глубины проникновения в сверхширокополосных РСА может доходить до 2–5 м, что позволяет использовать подповерхностные РСА в поисково-спасательных задачах, для обнаружения малозаглубленных военных целей, выявления минных полей, для различных гражданских применений (обнаружение нефтегазопроводов и пр.).

Типичными примерами авиационных подповерхностных РСА можно считать системы Mineseeker (Великобритания) и CARABAS II (Saab, Швеция).  Первая система предназначается для обнаружения мин с воздуха. Система размещается на дирижабле и обеспечивает обнаружение мин со скоростью до 100 м2/с, в то время как саперы могут обеспечить обнаружение мин со скоростью до 40 м2 в день. Для обнаружения мин РСА имеет очень высокое разрешение (порядка 5 см). Обзор местности с целью обнаружения мин осуществляется в три этапа — предварительный обзор, технический и завершающий обзор. На первом этапе производится сбор необходимой информации по обследуемому участку местности и ее анализ с целью выявления наиболее важных участков для второго этапа решения задачи. На втором этапе к анализу информации и процессу идентификации подозрительных объектов привлекаются специалисты, прошедшие необходимую подготовку. На данном этапе производится маркировка участков, которые далее подлежат расчистке от мин и неразорвавшихся боеприпасов. Третий этап проводится совместно с бригадами саперов.

Система CARABAS-II  работает в VHF диапазоне и использует зондирующий сигнал со спектром в пределах от 20 до 90 МГц (длины волн 3,3…15 м) с  горизонтальной поляризацией. Разрешающая способность РСА может лежать в пределах  от 3,3 до 15 м. Указанные параметры выбраны с целью обеспечения максимального проникновения радиолокационного сигнала под растительный покров и в земную поверхность.

По сравнению с космическими комплексами авиационные РСА расширяют возможности дистанционного зондирования Земли, благодаря своим специфическим свойствам: возможности получения более высокого разрешения, возможности одновременного использования для съемок нескольких частотных диапазонов, возможности установки радиолокационной аппаратуры на малогабаритных БЛА, возможностью обнаруживать различные объекты в растительности и под земной поверхности. Все указанные особенности авиационных РСА делают их хорошим дополнением  известным космическим РСА и значительно расширяют круг их возможного применения.