Интерферометрические радиолокаторы
Рисунок 1. Разность фаз ( φ1 − φ2 ) является мерой расстояния до отражающего объекта.
Интерферометрические радиолокаторы
Применительно к радиолокации термин «интерферометрический» относится ко всем методам измерений, в которых оценивается сдвиг фазы принятого сигнала. Интерферометрический радиолокатор с синтезированной апертурой (Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR) реализует метод радиолокационной визуализации (построения изображения), в котором дополнительная информация рассчитывается путем сравнения фаз двух изображений (портретов), полученных при разных углах наблюдения.
Разрешение радиолокатора по дальности ограничено шириной полосы частот излучаемых сигналов. Для радиолокаторов, использующих простые радиоимпульсы, эта величина определяется длительностью зондирующего сигнала, а для радиолокаторов с внутриимпульсной модуляцией – шириной спектра сигнала. По сравнению с обычными методами измерения, непосредственное измерение фазового сдвига эхо-сигнала может быть использовано для гораздо более точного измерения дальности.
| φ = − | 4π·R | где | R – расстояние до отражающего объекта; λ – длина волны зондирующего сигнала. |
(1) |
| λ |
К сожалению, из-за периодического характера синусоидальной функции, при таком методе точное измерение расстояния возможно в диапазоне до плюс или минус половины длины волны несущего колебания. Фаза может быть измерена довольно точно в интервале −π < φ ≤ +π, однако невозможно определить сколько полных длин волн уложилось в измеряемом расстоянии. Такой недостаток может быть устранен при использовании радиолокатора типа InSAR.
Базовой структурой интерферометрической радиолокационной системы с синтезированной апертурой является любой функциональный радиолокатор, обеспечивающий оценку фазы принятого сигнала. Таким условиям удовлетворяет когерентный радиолокатор, по информации которого строится двумерное изображение при повороте его антенны, его вращении или линейном перемещении. Данные об измеренной фазе сохраняются для каждого элемента изображения (пикселя). Весь процесс повторяется при другом положении антенны. Для каждого пикселя изображения разность фаз обоих измерений является мерой разности расстояний ΔR и, следовательно, его (пикселя) расстоянием (Рисунок 1). Современные методы обработки изображений позволяют сравнивать две фазовые картины с точностью до доли длины волны. В этом случае тоже возникают неоднозначности, однако значительно меньше, чем при непосредственном измерении. Такие неоднозначности могут быть устранены путем сравнения результата с соседними пикселями с учетом оценки вероятности возможного скачка фазы.
| ΔR = f(φ1 − φ2) | (2) |
Результирующая фазовая картина каждого отдельного измерения представляет собой хаотическое беспорядочное изображение. Вычисление разности фаз двух изображений дает возможность оценить расстояние до объекта. Разность фаз и расстояние R связаны между собой простыми тригонометрическими зависимостями. Расстояние между двумя положениями антенны (так называемая база) выступает множителем для разности фаз. База не должна быть слишком большой, чтобы условия отражения между двумя измерениями не менялись.
Метод InSAR изначально разрабатывался для дистанционного зондирования Земли с использованием радиолокаторов с синтезированными апертурами. Например, при выполнении международного исследовательского проекта SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) в феврале 2000 года, помимо основной антенны, использовалась дополнительная антенна, расположенная на раздвижной ферме длиной 60 метров. Таким образом, оба направления наблюдения обеспечивались одновременно. В тандемных миссиях ERS-1 и ERS-2 оба измерения выполнялись последовательно.
Метод подходит также и для применения на земле. Система для такого применения называется наземным интерферометрическим радиолокатором с синтезированной апертурой (Ground Based Interferometric SAR, GBInSAR). При помощи GBInSAR можно оценивать с точностью до миллиметра изменения в окружающей среде, например, в ледниках, оползнях, вулканической активности, изменения после землетрясений, а также выполнять статический мониторинг конструкций.