А.С. Петров1

1 АО «НПО Лавочкина» (г. Химки, Московская область, Россия)

Постановка проблемы. В традиционных космических системах дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с помощью
радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА), реализованных с использованием аналоговой аппаратуры, продольная составляющая геометрического разрешения прямо пропорциональна поперечной ширине захвата земной поверхности диаграммой направленности антенны. Поэтому чем большей будет ширина полосы захвата, тем хуже станет геометрическое разрешение аппаратуры. При высоком разрешении и узкой полосе захвата падает производительность системы. Решение проблемы возможно как путем использования цифровых методов диаграммообразования, позволяющих реализовывать новые режимы функционирования РСА, так и с помощью специальных алгоритмов обработки больших объемов поступающей
информации.

Цель. Провести краткий обзор зарубежных публикаций последних лет в области космических РСА с цифровым диаграммообразованием (ЦДО – DBF), с помощью которых удается преодолеть ограничение, накладываемое на высокое разрешение в широкой полосе захвата, присущее традиционным системам, реализованным по аналоговой технологии.

Результаты. Приведены расчетные соотношения и графические зависимости длины и ширины антенны космического РСА, спроектированного по традиционным принципам, от угла визирования центра полосы захвата земной поверхности при шести значениях ее ширины (от 25 км до 800 км), при трех значениях скважности, в трех диапазонах длин волн (X, L и P) и расположении космического аппарата на низкой орбите. Проиллюстрирована связь, существующая в аналоговых РСА, между
шириной полосы захвата и размерами апертуры антенны в различных частотных диапазонах, причем ее продольный размер в маршрутном режиме напрямую связан с азимутальной составляющей геометрического разрешения. Проведен аналитический обзор принципов построения РСА, на основе которых реализуется ЦДО, с использованием: 1) разделения раскрыва антенны на независимые субапертуры; 2) угломестного сканирования луча ДН при приеме эхосигнала; 3) многомерного кодирования излучаемых импульсов; 4) рефлектора, облучаемого антенной решеткой. Дано сравнение параметров современных и перспективных космических РСА, демонстрирующее принципиальную возможность повышения производительности системы на несколько порядков.

Практическая значимость. Проведенный обзор последних достижений в области ЦДО позволяет добиться высокого геометрического разрешения системы в широкой полосе захвата и повысить производительности миссий РСА.

Петров А.С. Принципы реализации систем дистанционного зондирования Земли с высоким разрешением в широкой полосе
захвата // Успехи современной радиоэлектроники. 2023. T. 77. № 2. С. 44–57. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700784-202302-04

1. Curlander J.C., McDonough R.N. Synthetic Aperture Radar: Systems and Signal Processing. New York: Wiley. 1991.
2. Freeman A., Johnson W.T.K., Huneycutt B., Jordan R., Hensley S., Siqueira P., Curlander J. The «Myth» of the Minimum SAR Antenna Area Constraint // IEEE Transactions On Geoscience And Remote Sensing. 2000. V. 38. № 1. Р. 320–324.
3. Петров А.С. Методика оценки параметров низкоорбитальных космических радиолокаторов с синтезированной апертурой // Успехи современной радиоэлектроники. 2021. Т. 75. № 5. С. 46–59. DOI: https://doi.org/ 10.18127/j20700784-202105-04.
4. Петров А.С. Формирование облика низкоорбитальных космических систем дистанционного зондирования Земли // Успехи современной радиоэлектроники. 2022. Т. 76. № 5. С. 5–20. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700784-202205-02.
5. Krieger G., Gebert N., Moreira A. Multidimensional Waveform Encoding: A New Digital Beamforming Technique for Synthetic Aperture Radar Remote Sensing // IEEE Transactions On Geoscience And Remote Sensing. 2008. V. 46. № 1. Р. 31–46.
6. Brown J.L. Multi-channel sampling of low-pass signals // IEEE Trans. Circuits Syst. 1981. V. 28. № 2. P. 101–106.
7. Gebert N., Krieger G., Moreira A. Digital Beamforming on Receive: Techniques and Optimization Strategies for High-Resolution Wide-Swath SAR Imaging // IEEE Transactions On Aerospace And Electronic Systems. 2009. V. 45. № 2. Р. 564–592.
8. Krieger G., Gebert, N., Moreira A. Unambiguous SAR signal reconstruction from nonuniform displaced phase center sampling // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2004. № 1. P. 260–264.
9. Suess M., Grafmüller B., Zahn R. A novel high resolution, wideswath SAR system // Proc. IGARSS. 2001. Р. 1013–1015.
10. Krieger G., Younis M., Huber S., Bordoni F. and etc. MIMO-SAR and the orthogonality confusion // Proc. IGARSS. 2012. Germany. Р. 1533–1536
11. Villano M., Krieger G., Moreira A. Staggered SAR: High-Resolution Wide-Swath Imaging by Continuous PRI Variation // IEEE Transactions On Geoscience And Remote Sensing. 2014. V. 52. № 7. Р. 4462–4479.
12. Huber S., Almeida F.Q., Villano M., Younis M., Krieger G., Moreira A. Tandem-L: A Technical Perspective on Future Spaceborne SAR Sensors for Earth Observation // IEEE Transactions On Geoscience And Remote Sensing. 2018. V. 56. № 8. Р. 4792–4807.
13. Almeida F., Rommel T., Younis M., Krieger G., Moreira A. Multichannel Staggered SAR: System Concepts With Reflector and Planar Antennas // IEEE Transactions On Aerospace And Electronic Systems. 2019. V. 55. № 2. Р. 877–901.
14. Younis M., Almeida F., Villano M., Huber S., Krieger G., Moreira A. Digital Beamforming for Spaceborne Reflector-Based Synthetic Aperture Radar. Part.1. Basic imaging modes // IEEE Geoscience And Remote Sensing Magazine. 2021. September. Р. 8–25.
15. Huber S., Younis M., Krieger G., Moreira A. Error Analysis for Digital Beamforming Synthetic Aperture Radars: A Comparison of Phased Array and Array-Fed Reflector Systems // IEEE Transactions On Geoscience And Remote Sensing. 2021. V. 59. № 8. P. 6314–6322.