Радарная съемка

Содержание

 

Введение

. Физические особенности  радиолокационной съёмки

1.1 Принцип радарной съёмки

.2 Параметры радиоволновой  съёмки

2. Современные и перспективные  радиолокационные системы

. Передовые направления  в обработке и применении радиолокационных  данных

3.1 Данные радиолокационной  съёмки - как пространственная основа

.2 Измерение высот объектов  местности, построение высокоточных  ЦММ

.3 Мониторинг объектов  на поверхности земли

.4 Определение скорости  быстро движущихся объектов

.5 Создание и обновление  топографических и тематических  карт различных масштабов

.6 Предупреждение паводков

.7 Решение геологических  задач

.8 Оценка состояния сельскохозяйственных  угодий

.9 Проведение видовой  разведки

.10 Решение задач в гляциологии

Заключение

Список использованных источников

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Широкое применение данных космической съёмки, которое началось в 1972 г., открыло новые перспективы  для мониторинга изменения состояния  окружающей среды и процессов  происходящих на поверхности земли. В результате развития методов дистанционного зондирования существенно упростился процесс картографирования земельных и водных ресурсов, почв, лесов, сельскохозяйственных посевов и городской инфраструктуры, оценки урожая, мониторинга окружающей среды, процессов слежения за земными объектами антропогенного происхождения, а так же за изменениями происходящими в природе.

В настоящее время существует два основных способа дистанционного получения информации о поверхности  Земли: оптические системы, использующие солнечный свет (пассивные системы) и радарные системы с собственным  источником излучения (активные системы). Радиолокационная съёмка (РЛС) является одним из наиболее перспективных  способов получения данных дистанционного зондирования. Это связано с такими ее особенностями, как удобное и  быстрое получение данных с помощью  спутников, а так же с помощью  быстрой и качественной обработке  данных.

Целью данной работы является выявление возможностей использования  данных радиолокационной съемки, их применения в различных областях деятельности человека и изучение принципа работы РЛС.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: изучить физические особенности  и принципы работы РЛС, выявить особенности  данного вида съемки, получить представление  о функциональных возможностях программ обработки данных РЛС, изучить современное  состояние радарных систем, выделить наиболее перспективные направления  применения данных этого типа в различных  отраслях деятельности человека.

Для написания курсовой работы в качестве источников использовались: учебные пособия по геоинформатике и дистанционному зондированию, периодические издания, электронные ресурсы сети Интернет.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ  РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СЪЁМКИ

 

Дистанционное зондирование - это процесс или метод получения  информации об объекте, участке поверхности  или явлении путём анализа  данных, собранных без контакта с  изучаемым объектом. Оно представляет собой важнейший источник получения  оперативной и современной информации о природной среде для тематических слоёв в ГИС, для поддержания  данных в актуальном состоянии и  других целей. ГИС-технологии способствуют их эффективному совместному использованию.

Космические снимки используют для эффективного принятия решений  с помощью географических информационных систем. При этом для дешифрирования объектов применяют, как визуальные, так и численные методы анализа  снимков. При излучении земной поверхности  дистанционными методами носителем  информации об объектах является их излучение, как собственное, так и отражённое. Фиксируемые характеристики излучения  зависят от пространственного положения, свойств и состояния объекта, что способствует его дистанционной  идентификации /4/.

 

1.1 Принцип радарной  съёмки

 

Радиолокационная съемка - это выявление объектов, происходящее за счет облучения поверхности электромагнитными  волнами и получения отраженных импульсов. На борту носителя - самолета или спутника устанавливается радиолокатор - активный микроволновый датчик, способный  передавать и принимать поляризационные  радиоволны в заданном диапазоне  частот электромагнитного спектра (сантиметровые длины волн). В  зависимости от радиоволн, существуют такие диапазоны съёмки: L-диапазон характерен большой длиной волны  и существенной глубиной проникновения  сквозь подстилающую поверхность, но сравнительно невысоким пространственным разрешением; X-диапазон обладает невысокой проникающей  способностью, однако снимки, сделанные  при на X-частотах, имеют высокое разрешение; С-диапазон представляет собой компромисс между короткими и длинными волнами, позволяет решать широкий спектр задач /3/.

Развёртка сигнала производиться  по принципу сканера, т.е. переход от одной строки к другой идёт за счёт перемещения носителя. Количество энергии, возвращенной на антенну локатора, называется «обратным рассеянием». Каждый пиксель радиолокационного  снимка показывает суммарный коэффициент  отражения данного участка поверхности, или мощность возвратившегося к  антенне сигнала. Расстояние до цели (range) определяется по времени прохождения волны до объекта и обратно.

По типу конструкции различают  радиолокационные системы бокового обзора и с синтезированием апертуры антенны, обеспечивающие получение снимков с разным пространственным разрешением /5/.

РЛС бокового обзора излучает узконаправленный короткий радиоимпульс в направлении, перпендикулярном движению самолета или космического носителя под некоторым углом к нормали. Разрешение РЛС бокового обзора тем больше, чем больше раскрыв антенны и ее длина. Длина антенны ограничивается размерами самолета. Отраженный от объекта сигнал принимается той же антенной, и после усиления и обработки подается на фоторегистратор. Положение элемента изображения строки определяется временем пробега радиолокационного импульса от РЛС до объекта и обратно. На этом принципе основано построение строки изображения. Кадр разворачивается за счет движения самолета.

О свойствах объектов судят  по мощности и структуре отраженного  сигнала. Объекты частично поглощают, частично пропускают, частично отражают и рассеивают падающие на них радиоволны, в соотношениях определяемых диэлектрическими свойствами материалов самих объектов. На снимках объекты, имеющие светлые  тона, обладают большим коэффициентом  эффективного поверхностного рассеивания, чем объекты с темным фототоном.

Радиолокационное зондирование в СВЧ-диапазоне обладает рядом уникальных возможностей, недоступных для приборов зондирования в видимом и ИК диапазонах. Самым главным достоинством является возможность обследования поверхностных образований. Это свойство обусловлено частичной прозрачностью большинства природных объектов в СВЧ-диапазоне. Глубина проникновения радиолокационного луча определяется потерями, связанными с поглощением и рассеянием электромагнитного излучения. Например, для сухого песка или почвы глубина проникновения может составить несколько метров /2/.

Глубина проникновения радиолокационного  импульса в грунт сильно зависит  от объемного содержания в нем  воды, причем с увеличением ее содержания глубина проникновения экспотенциально падает.

Используя РЛС бокового обзора с различными длинами волн, возможно, получить распределение приповерхностной влажности для исследуемого района. Текстурные неоднородности радиолокационного  снимка могут быть тонкосетчатыми, полосчатыми, массивными и т.д /3/.

Особенно хорошо фиксируется  на радиолокационных снимках гидросеть. Она дешифрируется лучше, чем на аэроснимках. Высокое разрешение характерно и для районов, покрытых густой растительностью. Разрешающая способность снимков - от 10 до 200 м /1/.

Преимуществами радарных (Specific Absorption Rates (SAR)) систем является возможность получения данных в любое время суток и при любых погодных условиях. Что позволяет, например, осуществлять постоянный мониторинг ледовой обстановки во время полярной ночи. Также следует отметить, что данные, получаемые в микроволновом радиодиапазоне (табл. 1), служат источником уникальной информации о подстилающей земной поверхности. Они позволяют определять вертикальные смещения с высокой точностью (вплоть до нескольких миллиметров), что является альтернативой дорогостоящим и трудозатратным наземным измерениям.

Следует отметить недостаток радиолокационных съемок - более низкую метрическую точность по сравнению  с аэрофотосъёмкой. Другим недостатком  является зависимость от отражающих свойств поверхности (например, влажности). При постепенном изменении этих свойств радиолокационные снимки одной  и той же поверхности, сделанные  в течение разных периодов наблюдений, могут существенно отличаться, имеют  некоторые сложности при обработке  из-за геометрических искажений; определенные затруднения могут возникнуть при  дешифрировании снимков; объём памяти занимаемый такими данными, как правило, больше, чем у данных других типов /2/.

 

1.2 Параметры радиоволновой  съёмки

 

Значение серого цвета  в пикселе зависит от трех факторов: SAR-системы, SAR-обработки и объекта. Объект, в свою очередь, может классифицироваться по геометрии, диэлектрическим свойствам  и скорости

 

Таблица 1.1 - Параметры радиоволнового диапазона движения

ДиапазонДлина волны (см)Частота (Гц)Ка0,8-1,140,0-26,0К1,1-1,726,5-18,5Ku1,7-2,418,5-12,5X2,4-3,812,5-0,8C3,8-7,58,0-4,0S7,5-15,04,0-2,0L15,0-30,02,0-1,0P30,0-100,01,0-0,3

На уровень серого цвета  не влияют освещение, химический состав (за исключением соли и льда) и  температура (деление только на замерзшие и незамерзшие) объектов. Рассеянное отражение (Diffuse reflection) от объемных массовых объектов (например, растительность) соответствует среднему уровню серого цвета и текстуры. Зеркальное отражение (Specular reflection) от поверхностей (например, спокойная водная поверхность) смещает цвет в темную область, угловое отражение (Corner reflection) от таких объектов, как здания, в светлую область.

 

Рис. 1.1 - Рассеивающие поверхности  в зависимости от частоты падающих волн

 

На рис. 1.1 показаны поверхности, от которых рассеиваются падающие электромагнитные волны с различной частотой.

Диэлектрические свойства материала  влияют на интенсивность отраженного  сигнала. Коэффициент диэлектрической  проницаемости характеризует способность  материала поглощать электрическую  энергию и зависит от используемой частоты. Различие значений коэффициентов  для разных материалов обусловливает  возможность их выявления при  помощи SAR (табл. 2).

Важным физическим параметром радарной съемки является поляризация. Поляризация - это передаваемый и  получаемый сигнал, распространяющийся в определенной плоскости. Поляризация  излучения, свойство, присущее радарным системам. При линейной поляризации  плоскости могут располагаться  горизонтально (H) и вертикально (V).

Вертикально поляризованная волна будет взаимодействовать  с вертикальными стеблями слоя растений, горизонтально поляризованная проникать  сквозь слой. Комбинирование разных видов  поляризации может улучшать детальность  классификации, например, позволять  определять различные классы растительности /2/.

 

Таблица 1.2 - Коэффициенты диэлектрической  проницаемости для различных  материалов

МатериалКоэффициент диэлектрической проницаемостиСоль3-15Металл (окись железа)14Бетон4,5Скальные породы5Вода88; 80; 55 соответственно при 0; 2; 100о

Очень важно правильно  подобрать вид поляризации для  каждого конкретного проекта, чтобы  улучшить характеристики результирующего  продукта. В SAR-системах применяется  геометрия боковой съемки, в отличие  от оптических систем, формирующих  снимки центральной проекции. При  боковой съемке расстояния до цели определяют географическое положение  в соответствии с измеряемой разностью  времени прохождения сигнала. Поэтому  последовательность получения пикселей может быть нарушена в районах с сильно выраженным рельефом или в условиях городской застройки. Боковое разрешение зависит только от ширины частотного диапазона (150 и 300 МГц) и угла падения луча (Ground range). Пространственное разрешение улучшается с увеличением угла падения луча. При азимутальной съемке сигналы, имеющие одинаковое время прохождения, расположены в правильной последовательности в соответствии со сдвигом их частоты, определяемым эффектом Доплера. Пространственное разрешение регулируется за счет изменения апертуры. Азимутальное разрешение постоянно вдоль маршрута и зависит от режима съемки, размера антенны и частоты повторения импульсов. Данные одиночной наклонной съемки (Single-look, slant, range, complex) имеют более высокое разрешение /4/.

Интерферометрические измерения  проводятся с использованием пар  снимков одной территории, полученных при разных положениях сенсора. В  настоящее время для формирования таких пар используется 11-дневный  цикл повторного пролета TerraSAR-X-1, когда  спутник оказывается на той же орбите. Необходимы SSC-данные для получения  информации об интенсивности и фазе излучения. Базис между двумя  изображениями и качество интерферометрической фазы являются определяющими для  точности результирующей цифровой модели местности (ЦММ). Извлекаемая ЦММ содержит составляющую, обусловленную поверхностью растительности, т. е. не является цифровой моделью рельефа. Интерферометрические (INSAR) технологии могут использоваться только при хорошей схожести парных изображений (пустыни, скалистая местность). INSAR с 11-дневным циклом не применимы для тропического климата, нарушение связей (схожести) за этот период препятствует работе с интерферометрией /1/.

 
 

2. СОВРЕМЕННЫЕ  И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ  СИСТЕМЫ

 

К современным тенденциям в области радиолокации можно  отнести следующие основные направления: использование радиолокационных данных в различных отраслях в качестве пространственной основы для решения  широкого круга задач, в том числе  совместно с данными оптического  диапазона; получение данных в режиме реального времени с задержкой  буквально на несколько часов; создание высокоточных цифровых моделей местности (тандемные комплексы); определение просадок и подвижек земной поверхности с высокой точностью; применение поляриметрических данных; использование новых диапазонов и подходов в обработке данных. Происходит активное развитие общемировой группировки коммерческих радиолокационных систем. В 2005 г. на орбите находилось только три космических аппарата с системами среднего разрешения, работающих в радиодиапазоне. В настоящее время доступны данные восьми радиолокационных систем, причем пространственное разрешение изображений, получаемых с их помощью, достигает 1 м.