Сравнительный обзор современных радиолокационных систем

Д. Б. Никольский

В настоящее время идет активное развитие рынка данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в различных направлениях: это и возможность использования новых, ранее недоступных данных, и появление новых технологий обработки, новых решений на базе данных ДЗЗ. Сегодня можно четко выделить два несколько обособленных направления получения пространственной информации о земной поверхности: съемка в видимой и инфракрасной зонах спектра – пассивное ДЗЗ (за исключением теплового ИК диапазона) и съемка в сантиметровом (радио) диапазоне – активное ДЗЗ. Данные, получаемые в оптической области спектра, используются очень широко и технологии их обработки хорошо разработаны, в отличие от радиолокационных данных, активное применение которых для решения широкого круга задач — от классификации и до построения точных цифровых моделей местности/рельефа (ЦММ/ЦМР) и карт смещений земной поверхности — только начинается в России. Можно выделить ряд основных тенденций развития в этой области:

• Увеличение пространственного разрешения, и как результат точностных характеристик радарных данных.
• Уменьшение периода между повторными съемками.
• Возможность интерферометрической съемки.
• Возможность многополяризационной съемки.
• Использование данных, полученных в различных диапазонах различными сенсорами.
• Запуск тандемных миссий для проведения единовременной интерферометрической съемки.

В настоящее время на орбите находится 8 радарных космических аппаратов (КА), данные с которых доступны пользователям. Как и в случае с оптическими данными, для достижения хороших результатов при решении различных задач необходимо корректно выбрать исходные данные. Цель этой статьи, показать какие современные радарные данные представлены на ранке ДЗЗ, и какие классы задач можно решать с помощью тех или иных данных.

Особенности радиолокационных данных

Спутниковое радиолокационное дистанционное зондирование проводится в радиодиапазоне: длины волн от 1 мм до 1 метра, частоты от 0.3 до 300 ГГц. Сенсор направляет луч энергетических импульсов на объект (около 1500 импульсов в секунду). Часть импульсов отражается обратно от объекта, и система измеряет как обратный сигнал, так и расстояние до цели в зависимости от времени прохождения сигнала до цели и обратно. Для радиолокации используют длины волн, определенные следующим образом (таблица 1):

Таблица 1. Микроволновый радиодиапазон

Диапазоны Ka, K и Ku используются для радиолокаторов, расположенных на воздушных радарных системах, но они уже довольно редки. Диапазоны X, C и L используются для получения данных как с самолетов, так и из космоса, S и P применяются только для зондирования со спутников. Радиосигнал способен проникать через облачность и дождевые капли, эта способность определяется длиной волны. Сигнал с длиной волны более 2 см гарантированно проникает через облачность, при длине волны 3-4 см и больше сигнал проникает и через дождь. Длина волны существенно влияет на амплитуду отраженного радиолокационного сигнала, а также на характеристики обратного рассеяния от подстилающей поверхности. Работа на более длинных радиоволнах (L-диапазон) обеспечивает сильные отраженные сигналы главным образом для более крупных объектов земной поверхности, а также частичное проникновение радиоволн сквозь снежный и растительный покровы и, при определенных условиях, через песок и почву. Более короткие волны (C- и X-диапазоны) полезны для выявления границ малых объектов местности, кроме того, излучение на в этих диапазонах имеет  тенденцию более сильно отражаться растительным и снежным покровами, а также почвой.

а) Искажение наклонной дальности	б) Эффект складки
в) Переналожение	г) Радиолокационная тень

Рис. 1. Эффекты, возникающие на радарных снимках обусловленные геометрией съемки и рельефом местности

Геометрия съемки для радарных систем существенно отличается от оптических, так как съемка выполняется при значительном отклонении от надира. Для радарных данных система координат снимка выглядит следующим образом: азимут – направление, параллельное траектории и дальность – наклонное расстояние от сенсора до поверхности. Значения углов съемки меняются в зависимости от сенсоров и режимов съемки и могут достигать от 8° до 60°, такая геометрия съемки вызывает ряд геометрических искажений на снимках (рис. 1): искажение наклонной дальности (неравномерность разрешения снимка по дальности), эффект складки, переналожения и радиолокационные тени. Устранение этих эффектов выполняется при ортотрансформировании данных по точной ЦМР. На рис. 2 приведены два изображения, наглядно демонстрирующие значительные отличия в геометрии съемки между радиолокационными и оптическими данными.

Радарные изображения имеют ряд радиометрических особенностей: на снимках даже для однородной поверхности проявляются значительные вариации уровня яркости между соседними пикселями, создавая зернистую текстуру. Это — спекл-шум, который возникает из-за того, что результирующее изображение конкретного пиксела получается в результате сложения множества значений, так как антенна сенсора синтезируется. При получении изображений используется принцип радиолокации с синтезированной апертурой (РСА, либо SAR). Все современные датчики — это SAR системы, и на всех радарных изображениях присутствует спекл-шум. Применение именно SAR систем вызвано тем, что при небольших размерах реальных антенн КА невозможно получить высокое пространственное разрешение. При использовании же синтезированной апертуры, когда антенна синтезируется на достаточно большом участке орбиты, удается достигнуть  высокого пространственного разрешения. Спекл-шум (зернистость на рис. 3) – это мультипликативное искажение, то есть, чем сильнее сигнал, тем сильнее искажение. Для устранения спекл-шума используются различные типы фильтрации.

а) TerraSAR-X (режим SCANSAR, пространственное разрешение 16 м)

б) Landsat-7(комбинация каналов: 3-2-1, пространственное разрешение 30 м)

Рис. 2. Сравнение радарного снимка и снимка в видимой зоне спектра

Наряду со спекл-шумом, на изображении присутствуют радиометрические искажения, вызванные геометрией съемки. Так как съемка проводится под различными углами для различных точек снимка, то появляется неоднородность яркости по полю снимка: при малом угле – ярче, чем при большем угле съемки (см. рис. 3). Данное искажение устраняется путем введения различных коэффициентов усиления антенны по полю снимка.

Еще одна группа искажений вызвана геометрией съемки и рельефом поверхности: это области затенений и переналожений, они относятся к геометрическим искажениям, но также влияют на радиометрию.

Многие из современных радарных спутниковых систем ДЗЗ (ALOS-PALSAR, TerraSAR, Radarsat-2 и др.) позволяют получать изображения при различной поляризации излучения. Поляризация определяется ориентацией вектора электромагнитной индукции, при взаимодействии с объектом поляризация изменяется и несет в себе информацию об объекте.

Параллельная поляризация: излученный и принятый сигнал имеет одну и ту же поляризацию: HH и VV (с какой поляризацией облучается поверхность, с такой же поляризацией принимается обратноотраженное излучение), такие типы поляризации имеют тенденцию фиксировать обратное рассеяние волн от объектов, ориентированных в том же самом направлении, что и падающая волна.

Кроссполяризация: излученный и принятый сигнал имеют различную поляризацию: HV и VH (облучение поверхности идет при одной поляризации, а принимается отраженный сигнал с другой поляризацией), такие типы поляризации позволяют фиксировать отраженные сигналы, образующиеся в результате объемного рассеивания, которое деполяризует энергию, как например, в случае сигналов, отраженных от земной поверхности и стволов деревьев.  На рис.4 схематично показан принцип кроссполяризации.

Изображения, получаемые при различных поляризациях излучения, позволяют более корректно проводить классификацию объектов подстилающей поверхности. Как видно из приведенного примера (рис. 5) при использовании ложноцветового поляриметрического композитного изображения мы можем четко классифицировать объекты: голубые и синие тона – это низкорослая растительность, красные – лес, зеленые – болотная растительность, более темные оттенки свидетельствуют об увлажнении поверхности. В данном случае по снимку с единичной поляризацией различить низкорослую растительность и лес достаточно сложно – тоновые отличия минимальны.

а) Поляризация НН

б) Композитное поляриметрическое изображение HV-HH-VV

Рис. 5. ALOS PALSAR PLR

Сравнительный обзор современных радиолокационных систем

В настоящее время на орбите находятся 8 радиолокационных КА, данные с которых доступны пользователям, также довольно большое число аппаратов планируется к запуску в ближайшие несколько лет. В таблице 2 приведен ряд основных характеристик радарных систем: диапазон, периодичность съемки, максимальное пространственное разрешение, соответствующая ему полоса захвата, а также возможность поляриметрической съемки.

Таблица 2. Современные и перспективные радарные системы ДЗЗ

ПР – максимальное пространственное разрешение, которое дает система

ПС – полоса съемки, соответствующего режима

ПЛ – возможность поляриметрической съемки (- нет, + есть, +/- частично, н/д — нет данных)

^*   – вопрос коммерческого распространения данных на территории России уточняется

Существующие данные можно разделить по нескольким группам: 1 – данные среднего разрешения (ERS  и ENVISAT), 2 – высокого разрешения (Radarsat и ALOS PALSAR) и 3 – сверхвысокого разрешения (TerraSAR-X, COSMO-SkyMed). Все приведенные спутники также имеют возможность проводить съемку с более низким разрешением, но большей территории (в таблице приведено наилучшее разрешение). Важным параметром является период повторения орбиты – это минимально возможный период для получения интерферометрической пары радиолокационных снимков тем или иным сенсором, либо для получения снимка территории при одинаковой геометрии. Минимальный период на сегодняшний день – 11 дней имеет спутник TerraSAR-X, максимальный ALOS – 46 дней. В последней колонке показана возможность сенсоров получать поляриметрические данные.

Следует отметить, что для всех находящихся на орбите сенсоров, за исключением ALOS-PALSAR, существует возможность заказа новой съемки, причем даты проведения съемки согласовываются с заказчиком. Что касается данных ALOS-PALSAR, съемка данным аппаратом земной поверхности выполняется по специальной программе и архив данных постоянно пополняется. На рис. 6 приведен план съемок Земной поверхности КА ALOS (PALSAR) в трех основных режимах.

Как видно из приведенного плана (рис. 6), съемка территории России ведется и планируется регулярно. Основными съемочными режимами являются FBS (единичная поляризация) и FBD (двойная поляризация). Съемка в широкополосном режиме (WS, разрешение 100 м), также проводится на регулярной основе.

Стоимость радиолокационных данных варьируется в зависимости от разрешающей способности и сенсора. В таблице 3 приведена обобщенная информация по основным техническим параметрам и стоимости радиолокационных данных, получаемых различными SAR-системами.

Таблица 3. Основные технические параметры и стоимость радиолокационных данных

¹    —  знак / значит, что выбирается какая-то одна поляризация из указанных

²   — стоимость данных указана без учета НДС

³   — для разных спутников, данные являются архивными по истечении следующих сроков:

TerraSAR-X:  HighSpot и SpotLight – 6 месяцев, StripMap и ScanSAR – 12 месяцев;

Radarsat-1,2: после выполнения съемки;

ALOS-PALSAR: после выполнения съемки;

ENVISAT, ERS-2: после выполнения съемки

⁴  — стандартный режим съемки. При заказе новой съемки для ряда спутников существует понятие приоритетной съемки, при которой стоимость данных увеличивается.

⁵  — при заказе данных Radarsat-2 возможно выбрать единичную или двойную поляризацию, за двойную – доплата в размере 5000 руб.

⁶   — архивные данные Radarsat-1, полученные до 1 января 1999 предлагаются по сниженной цене — 37 500 руб.

Как видно из приведенных выше таблиц (2 и 3) на рынке представлены достаточно разнообразные данные, как по разрешению, диапазонам съемки, так и по стоимости. По этим причинам при использовании радиолокационных данных важно правильно выбирать необходимые снимки для решения конкретных задач.

Литература:

• TERRAFIRMA ATLAS.  NPA, ESA, BGS & Terrafirma Partners, 2005 http://terrafirma.eu.com/Documents/TERRAFIRMA_ATLAS.pdf
• http://www.infoterra.de
• http://gs.mdacorporation.com/
• Киенко Ю. П. Основы космического природоведения. Картгеоцентр-Геоиздат, 1999.