Перспективы развития космических радиолокационных методов

изучения океанских явлений

С.В. Переслегин, А.Ю. Иванов, З.А. Халиков

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Москва, 117997, Нахимовский проспект, 36

E-mail: [email protected]

Современные активные космические радиолокационные (РЛ) средства дистанционного

зондирования Земли (ДЗЗ), используемые для изучения океанских явлений, включают СВЧ альтиметры (радиовысотомеры), скаттерометры и РСА – панорамные радиолокаторы высокого разрешения с синтезированной апертурой. В докладе рассматриваются основные океанологические задачи, требующие применения активных РЛ-средств, приводятся характерные альтиметрические данные и РСА изображения – продукты, полученные зарубежными датчиками с применением специальных алгоритмов обработки. Обсуждаются как зарубежные проекты совершенствования РЛ-средств, так и программа Российского космического агентства по созданию и вводу отечественных средств. В России, несмотря на явное отставание, предложен ряд проектов принципиально новых космических РЛ-средств для океана, разработанных в РАН при тесном сотрудничестве с отечественной промышленностью. Эти проекты опубликованы, имеются инженерные расчеты. Общая направленность проектов – эффективность и экономичность (как по энергетике, так и по финансовым затратам), при значительном опережении имеющихся зарубежных аналогов по информативности. Один из таких проектов – двухпозиционный космический РСА, использующий квазизеркальный режим рассеяния (бликовую дорожку) и интерферометрический прием отраженного сигнала. Приводятся расчетные характеристики системы при восстановлении поля скорости поверхностных течений с учетом воздействия крупных ветровых волн.

Ключевые слова: ветровые энергонесущие волны, сейсмические волны, поле скорости течения, поле уровня океана, квазизеркальное двухпозиционное рассеяние, двухпозиционный интерферометрический радар с синтезированной апертурой (ДИРСА).

Введение В настоящее время отечественные РЛ-средства в космосе отсутствуют, их разработки фактически прекратились много лет назад и только теперь восстанавливаются. Еще большее сожаление вызывает то обстоятельство, что принципиально новые методы зондирования, широко обсуждаемые на отечественных и международных конференциях по ДЗЗ, не продвигаются в реальные российские разработки, несмотря на все декларации по «инновационному развитию»

космической отрасли. Роскосмос осуществляет запуск многих иностранных космических аппаратов (КА) с российских космодромов (последний пример – запуск новейшего КА TerraSARХ c космодрома «Байконур»), однако при этом не оговариваются какие-либо преимущества для российских пользователей при получении информации о российских же территориях, не говоря уже об океанских акваториях. В то же время Россия, не имея своих РЛ-средств, чрезвычайно заинтересована как в оперативных, так и в мониторинговых РЛ съемках своей территории со специализированной обработкой данных именно от подобных аппаратов.

Для оснащения новой аппаратурой российских КА «Метеор» и «Ресурс», Роскосмос модернизирует устаревший РЛБО «Океан» (РЛБО «Северянин»), предполагается также запустить СВЧ-скаттерометр по типу американского Quikscat и, наконец, создать широкообзорный РСА с характеристиками, близкими к упомянутому TerraSAR-Х. Мы считаем, что от подобных («аналоговых») разработок в России не следует отказываться, но вести их по возможности ускоренно, приобретая зарубежные лицензии на технологии, документацию и программы обработки РЛ-информации. Кроме того, необходимо привести отечественную наземную инфраструктуру в соответствие с зарубежными стандартами. Также совершенно ясно, что истинно инновационный путь развития не может основываться на воспроизведении старых технологий – как зарубежных, так и отечественных. Новые проекты, как правило, требуют серьезных затрат на экспериментальные исследования, в том числе с самолетов-лабораторий.

Однако вполне очевидно, что необходимо идти на подобные затраты ради обеспечения России в будущем эффективными (в данном случае – радиолокационными) средствами ДЗЗ.

На многих отечественных и международных конференциях, посвященных методам и результатам дистанционного зондирования Земли из космоса, обсуждались перспективы развития космических радиолокационных средств для изучения океанских явлений [1-5]. Поверхность океана – это объект, позволяющий провести глубокую оптимизацию аппаратурных (радиолокационных) решений под задачи распознавания и диагностики океанских явлений. Эти задачи сводятся, главным образом, к измерению параметров трех физических полей:

энергонесущих ветровых волн (высота и орбитальная скорость), скорости течения и аномалий среднего уровня.

Первая задача косвенным образом решается существующими РЛ средствами. Так, в трассерных радиовысотомерах (РВ) для измерения высоты волн используют специальный канал, корректирующий данные основного канала, т.е. измерителя среднего уровня. Панорамный СВЧскаттерометр, измеряя под разными ракурсами удельную эффективную поверхность рассеяния (УЭПР) моря, определяемую резонансными мелкими волнами, при определении скорости и направления ветра фактически имеет дело с нелинейным эффектом взаимодействия мелких волн с крупными. Неудивительно, что этот прибор при наличии пришедшей издалека зыби дает огромную ошибку в измерении направления ветра (до 90 ). Высокоразрешающие РСА, работая в том же режиме резонансного рассеяния, воспроизводят опять-таки картину модуляции мелких волн крупными, а не интересующую нас картину крупных волн [6]. Таким образом, на сегодня не существует космических РЛ средств, способных непосредственно наблюдать пространственную структуру и измерять параметры (высоту, орбитальную скорость) энергонесущих ветровых волн.

Вторая задача предусматривает измерение вектора скорости течения, т.е. осредненной величины, относящейся к некоей заданной (мезомасштабной) площадке, по своим размерам заведомо превышающей размеры энергонесущих ветровых волн. Обработка исходных данных (радиоголограмм) от современных космических РСА позволяет измерять, с некоторыми ограничениями, радиальную составляющую скорости течения по частотному доплеровскому сдвигу отраженного сигнала. При обработке здесь устраняются многие ошибки, в частности частотный дрейф из-за изменения скорости вращения Земли вдоль меридиана [7]. Однако эта методика до сих пор не используется в целях мониторинга течений.

Третья задача – панорамное восстановление поля уровня океана – нам представляется наиболее важной. Многолетнее использование радиовысотомеров произвело, без преувеличений, революцию в физической океанологии. Массовая обработка (в настоящий момент на орбитах находятся шесть работающих РВ) позволила, отделяя статические вариации уровня от динамических – получить, например, полную картину океанических хребтов и впадин по возникающим на поверхности гравитационным аномалиям. Выделение же динамических аномалий поля уровня позволило выявить области океана с градиентными (геострофическими) течениями и наблюдать их пространственно-временную изменчивость (по сезонам). Сюда же относится выявление природы явления Эль-Ниньо – перемещения экваториальных вод, вызывающего катастрофические аномалии погоды в Южной Америке.

Являясь трассерными приборами, существующие РВ способны формировать и «панорамное»

поле уровня – но за достаточно большое время, для одного РВ – примерно за месяц. Поэтому при восстановлении динамических аномалий (исключая приливы, в основном моделируемые для открытого океана) можно говорить об измерении лишь осредненных по времени (среднеквадратических) отклонений, но никак не о восстановлении мгновенной картины поля уровня. Таким образом, существует огромная потребность в создании космических панорамных измерителей поля уровня океана. При этом векторное поле геострофических течений рассчитывается общеизвестным методом через поле уровня.

Особо следует отметить необходимость создания радиолокационной системы, способной отслеживать быстропротекающие мезомасштабные и мелкомасштабные процессы и явления в океане. Например, для мониторинга изменчивости уровня океана в энергоактивных зонах необходима примерно суточная периодичность в получении изображений, формируемых при ширине кадра ~1000 км с разрешением около 3 км. Еще более жесткие требования возникают при наблюдении сейсмических волн в открытом океане, вызывающих катастрофические цунами: та же ширина кадра при несколько худшем разрешении (~10 км), однако периодичность формируемых изображений должна быть не более 1 часа – что должно позволить вовремя оповестить цунамоопасный район, если прогнозируемая высота волны цунами (именно в этом районе!) достигает 3 м.

Объекты оперативной диагностики, требования к перспективной космической Не претендуя на полноту, перечислим наиболее важные природные объекты для оперативного мониторинга в океане, а также основные требования, которым должна удовлетворять космическая система наблюдений для каждого из них. Будем считать, что ширина зоны обзора при этом должна быть не менее 1500 км при охвате кадром всей доступной акватории. Периодичность получения кадра зависит от числа КА в группировке: для суточной повторяемости достаточно одного аппарата, а для часовой повторяемости на широтах 50-70 – не менее шести КА. Итак, важнейшие объекты:

1. Ветровые энергонесущие волны и волны зыби, с вероятностным прогнозом «волн-убийц».

Мелкомасштабные поля уровня или скорости, горизонтальное разрешение ~20 м, пороговая чувствительность по уровню ~2 м, по скорости ~1 м/c.

2. Сейсмические волны в открытом океане с прогнозом цунамоопасности. Мезомасштабное поле уровня, горизонтальное разрешение ~10 км, пороговая чувствительность ~ 2 см.

3. Пространственно-временная мезомасштабная структура поля течений. Горизонтальное разрешение ~1 км, чувствительность ~2 см/c.

4. Внутренние волны различного происхождения. Мезомасштабные поля скорости и уровня.

Горизонтальное разрешение не хуже 200 м, пороговая чувствительность ~2 cм и ~1 см/c.

Нетрудно видеть, что по совокупности требований (разрешение – чувствительность), сейсмические волны и течения (пп. 2 и 3) наиболее доступны. Формирование изображений волн зыби (п. 1) требует очень большого объема воспроизводимой информации, а формирование портретов слабых внутренних волн (п. 4) требует предельных значений чувствительности при умеренном разрешении, обеспечивающем подавление ветровых волн.

Оценка эффективности имеющихся радиолокационных средств при наблюдении Объем статьи позволяет привести лишь несколько наиболее информативных изображений, полученных космическими РЛ средствами за последнее время. На рис. 1 показано изображение штормовых волн в Южной Атлантике, полученное РСА на ИСЗ ERS-2. Специальная обработка выявила области возможного возникновения «волн-убийц» высотой более 12 м [8]. В то же время, как говорилось выше, формируемое яркостное изображение отображает не высоту крупных волн, а лишь эффект их нелинейного взаимодействия с мелкими волнами, поэтому получить информацию о высоте волн из этих данных не представляется возможным. Если же говорить об оперативности наблюдений, то, конечно, при ширине зоны обзора 100 км (повторяемость ~ суток на экваторе) и высокой стоимости радиолокатора со средней излучаемой мощностью ~ Вт, не приходится говорить о создании группировки из большого количества аппаратов.

Рис. 1. Яркостное РСА-изображение штормовых волн, полученное РСА на ИСЗ ERS-2 в Южной Атлантике. В зачерненных областях возможно появление экстремальных волн («волн-убийц») высотой На рис. 2а показан «разрез» поля уровня океана, выполненный радиовысотомером на ИСЗ TopexPoseidon для участка Тихого океана, где именно в тот момент проходил цуг сейсмических волн, возникших во время Курильского землетрясения 4 октября 1994 г. На рис. 2б показан тот же сигнал, пропущенный через согласованный фильтр, полоса фильтрации которого подбиралась в соответствии с ожидаемыми параметрами цуга. Зафиксирован факт: если на исходном «разрезе» о присутствии сейсмоволны можно только догадываться, то после её распознавания (по априорным данным) четко диагностируется цуг с высотой волны 3-10 см и длиной волны ~100 км [9].

Рис. 2. а – запись сигнала на выходе радиовысотомера Topex-Poseidon (орбита 208), канал уровня; б – та же запись на выходе согласованного фильтра. Горизонтальная ось – градусы долготы; вертикальная ось – На рис. 3 представлен результат обработки исходной радиоголограммы, полученной РСА на ИСЗ ERS-1 для Флоридского пролива. Вверху показано яркостное изображение пролива (слева – п-ов Флорида, справа – о. Куба), затем – скоростное изображение (цвет отображает определенный диапазон скоростей, интервал между цветами 0,5 м/c). Внизу показаны разрезы изображений по линии АА [7]. Флуктуационная чувствительность составляла ~1,5 дБ по яркости и ~2 см/c по радиальной скорости, при осреднении на симметричных площадках размером 100 м и 1 км соответственно.

Рис. 3. а – РСА-изображение Флоридского пролива (ИСЗ ERS-1, 28.12.1995); б – скоростное изображение (поле течений, восстановленное по РЛИ); в – разрезы изображений по линии АА На рис. 4 представлен результат аналогичной обработки, выполненной для фрагмента РЛизображения (ИСЗ ERS-1), отображающего цуг внутренних волн в Гибралтарском проливе.

Вверху – яркостное (слева) и скоростное (справа) изображения, внизу – их разрезы, совмещенные вдоль обозначенных вверху стрелок [10]. Видно, что длина волны в цуге в среднем составляет ~ км, орбитальная скорость на поверхности (градиентное течение) имеет амплитуду ±10 cм/c, а контраст интенсивности мелких поверхностных волн на переднем склоне внутренней волны составляет около +6 дБ.

Рис. 4. Пример обработки РЛ-данных ИСЗ ERS-1 от 01.01.1995. Вверху – яркостный (слева) и скоростной (справа) «портреты» внутренних волн в Гибралтарском проливе; внизу – совмещение разрезов по Приведенные примеры РЛ наблюдений относятся к динамическим океанским явлениям, требующим оперативной диагностики из космоса. Измеряя параметры этих явлений по данным РЛ наблюдений, зная параметры используемых РЛ-средств и главное – физическую природу взаимодействия электромагнитного излучения с поверхностью океана, можно представить себе перспективу совершенствования космических РЛ средств, предназначенных для оперативного мониторинга подобных явлений, в том числе опасных. В этой связи отметим следующее:

1. Трассерные радиовысотомеры, используя квазизеркальный режим отражений, при формировании поля уровня обеспечивают приемлемую (порядка 1 см) флуктуационную чувствительность, но для объектов типа слабых сейсмических волн (рис. 2) требуется специальная обработка данных при наличии априорных сведений о параметрах сейсмической волны. Оперативный мониторинг цунами с оповещением об опасности возможен при наличии РЛ системы, включающей панорамные высотомеры с шириной полосы «мгновенного» обзора порядка 1000 км и чувствительностью ~1 см при допустимом размере площадки осреднения ~10 км.

2. Панорамные СВЧ-скаттерометры (типа современного Quikscat), работая в режиме брэгговского рассеяния, для измерения параметров энергонесущих волн и калибровки РЛизображений по скорости и направлению ветра используют модуляцию мелких волн крупными (нелинейное взаимодействие). В результате мы имеем весьма информативную космическую систему, отслеживающую перемещение и параметры атмосферных циклонов над океанами, однако параметры волн измеряются при этом с недопустимыми ошибками, особенно при наличии волн зыби. Периодичность получения подобных изображений (~1 сутки) является достаточной для отслеживания циклонической активности, однако отслеживание экстремальных волн невозможно из-за отсутствия достаточной разрешающей способности.

3. Космические панорамные РСА, работая в том же «брэгговском» режиме, формируют яркостные изображения, по которым можно судить о параметрах энергонесущих ветровых волн, главным образом об их длине и пространственной структуре (рис. 1). Оценивать высоту волн в данном случае можно лишь по косвенным признакам, пользуясь эффектом их нелинейного взаимодействия с мелкими волнами. Мониторинг опасных волн из космоса представляется нереальным из-за узкой зоны обзора, малой периодичности получения изображений и невозможности создать группировку из огромного количества весьма дорогих и энергоемких аппаратов.

4. Формирование скоростных РЛ-изображений океанских акваторий по данным современных космических РСА возможно путем использования специализированной обработки исходных данных – радиоголограмм – выделяя малые доплеровские сдвиги при подавлении амплитудных вариаций и компенсируя значительный частотный дрейф из-за вращения Земли (возникающий при движении аппарата вдоль меридиана) (рис. 3). Эту методику необходимо совершенствовать применительно к новейшим типам РСА, прежде всего для РСА на КА TerraSAR-X. То же самое относится и к формированию изображений слабых течений, вызываемых, например, внутренними волнами приливного происхождения (рис. 4). Необходимо также оценить возможность формирования скоростных портретов дрейфующего ледового покрова Арктики.

Перспективные проекты новых радиолокационных средств для изучения Приведенный выше материал позволяет не только оценить эффективность имеющихся РЛ-средств при оперативной диагностике океанских явлений, но и наметить пути создания более эффективных средств. Космическая радиолокация бурно развивается, и на базе уже изученных и частично реализованных методов – можно считать перспективными следующие пути. Первое, это переход к панорамному и единовременному формированию полей уровня океана и скорости течений, что не исключает формирования поля интенсивности отраженного сигнала, несущего лишь косвенную информацию об океанских явлениях. Второе, это существенное (на порядок) расширение зоны обзора РСА при сохранении высокого разрешения, что и позволяет оперативно диагностировать слабые мезомасштабные явления. И, наконец, это использование «квазизеркального» режима рассеяния, свойственного только океанской поверхности при соответствующем выборе параметров визирования, т.е. при двухпозиционном наклонном зондировании, использующем два разнесенных аппарата.

На рис. 5 представлена схема нового американского аппарата, разрабатываемого JPL и, по-видимому, предназначенному на смену надирному радиовысотомеру [11]. Кроме антенн обычного радиовысотомера и СВЧ радиометра, работающих в надир, на аппарате устанавливаются еще две антенны, образующих интерферометрический РСА (ИРСА) с поперечной базой размером 7м. Наши расчеты подтверждают, что при тех же параметрах излучаемого сигнала, что имеет ныне существующий радиовысотомер GASON-2 (длина волны см, ширина спектра 400 МГц, средняя мощность 30 Вт), этот прибор обеспечит формирование картин поля уровня океана (как и показано на рисунке) в полосе ±100 км от надира, с чувствительностью ~2 cм на площадках размером ~2 км. В то же время, здесь очевидна невозможность получения на порядок более широкой полосы обзора, требуемой, например, для оперативной диагностики волн цунами.

На рис. 6 показана идея многопозиционного зондирования океана – подсвет поверхности с одного КА и прием отраженного сигнала тремя аппаратами, образующих интерферометр (проект CORIOLIS [12]). Орбиты аппаратов выбираются таким образом, чтобы на каждом витке сохранялась возможность формирования как картины поля уровня океана (поперечная составляющая антенной базы), так и картины поля скорости течений (продольная составляющая антенной базы). Расчеты по этому проекту нами не проводились, так как слишком велики неопределенности – как по предполагаемым параметрам аппаратуры, так и по необходимым параметрам орбит, образующих переменные (во времени и пространстве) антенные базы.

Рис. 5. Проект надирного интерферометрического РСА (JPL): формирование картин поля уровня океана при ширине полосы обзора 2 х 100 км с чувствительностью ~2 см на площадках размером 2 км [11]. Для оперативной диагностики явлений необходима группировка из десятков таких аппаратов Рис. 6. Четырехпозиционный РЛ-интерферометр (проект CORIOLIS [12]). Квазизеркальный режим отражений, позволяющий формирование картин полей уровня и скорости течений В отечественной и зарубежной литературе [13-16] есть немало работ, где с разных точек зрения прорабатывается идея использования навигационных космических излучателей для целей РЛ обзора поверхности Земли – в том числе и для измерения параметров океанской поверхности, а в работе [17] предлагается даже вариант конструкции сверхмалых (nanosatellites) приемных низкоорбитальных аппаратов, совокупность которых (порядка сотни штук при весе каждого аппарата ~5 Кг) должна решать задачу мониторинга поверхности океана, воспринимая отраженный океаном сигнал системы GPS. Однако проделанные нами расчеты однозначно показывают, что приведенный к поверхности Земли уровень излучаемого сигнала (дециметровый диапазон, когерентное сжатие импульса), даже при использовании «квазизеркального» отражения взволнованной поверхностью – требует совершено иных технических решений с применением достаточно больших приемных антенн. Скорее всего, таким образом всё же возможно создать оперативную систему глобального мониторинга такого параметра, как средний уклон ветровых волн, используя калиброванные значения УЭПР. Однако представляется, что сами по себе параметры навигационных систем GPS и ГЛОНАСС принципиально не позволяют сформировать РЛ панораму полей уровня океана с необходимыми в данном случае чувствительностью, разрешением и быстродействием – независимо от того, применяется ли метод навигационной фазометрии или метод РЛ интерферометрии.

Результаты модельных исследований по проекту двухпозиционного РСА с интерферометрическим приемом отраженного сигнала Необходимость создания космического РСА, способного формировать не только обусловленное мелкими волнами поле интенсивности отраженного сигнала, но и непосредственно поля уровня и скорости на поверхности океана, была осознана уже в 90-х годах прошлого столетия (см. разд. 1 и 2). Физические обоснования подобной разработки были уже опубликованы авторами в работах [18-20]. Здесь же ограничимся изложением основных полученных результатов.