Поляриметрическая радиолокация с синтезированной апертурой¶

Поляриметрическая радиолокация с синтезированной апертурой (PolSAR, от англ. Polarimetric Synthetic Aperture Radar) — метод дистанционного зондирования Земли, основанный на использовании радиолокатора с синтезированной апертурой (РСА), который излучает и принимает сигналы с различными состояниями поляризации электромагнитных волн. Данный подход позволяет получать информацию не только о яркости (амплитуде) отражённого сигнала, но и о его фазовых и поляризационных характеристиках, что существенно расширяет объём данных о физических свойствах подстилающей поверхности.

¶Физические основы

В основе метода лежит анализ поляризационной матрицы рассеяния (матрицы Синклера), которая описывает преобразование поляризации падающей волны в поляризацию отражённой волны для каждого элемента разрешения. Полная поляриметрическая съёмка предполагает излучение и приём сигналов на двух ортогональных поляризациях (обычно горизонтальной H и вертикальной V). Это позволяет получить четыре комбинации: HH, VV, HV и VH.

Для анализа данных используются различные декомпозиции поляризационной матрицы, наиболее известные из которых:

• Разложение Крогагера — разделяет сигнал на три компоненты: поверхностное (однократное) рассеяние, двукратное (дипольное) рассеяние и объёмное (диффузное) рассеяние.
• Разложение Фримена — Дёрдена — модель, основанная на физических механизмах рассеяния без учёта интерференции между ними.
• Разложение Паули — представляет матрицу рассеяния в базисе элементарных механизмов (сфера, диполь, четвертьволновая пластинка).

¶Технические особенности

В отличие от традиционного РСА, поляриметрический режим требует более сложной аппаратуры. Антенная система должна поддерживать передачу и приём сигналов с контролируемой поляризацией. Существуют два основных режима съёмки:

• Полная поляриметрия — излучение поочерёдно на H и V поляризациях с приёмом обеих составляющих. Обеспечивает максимальный объём информации, но требует вдвое большего времени наблюдения и энергозатрат.
• Компактная поляриметрия — излучение на одной круговой или наклонной линейной поляризации с приёмом двух ортогональных компонент. Позволяет уменьшить размеры антенны и расширить полосу обзора ценой частичной потери информации.

¶Преимущества и применение

Основным преимуществом PolSAR является способность различать типы поверхностей по механизмам рассеяния, а не только по интенсивности сигнала. Это делает метод востребованным в следующих областях:

• Сельское хозяйство: классификация типов посевов, оценка биомассы и влажности почвы.
• Лесное хозяйство: определение породного состава лесов, оценка запасов древесины, мониторинг вырубок.
• Океанология: обнаружение нефтяных разливов, картографирование морского льда и его возрастных градаций.
• Геология: литологическое картирование, поиск структурных нарушений.
• Мониторинг чрезвычайных ситуаций: оценка последствий наводнений, оползней и землетрясений.

¶Космические системы

Первой космической системой с полной поляриметрией стала японская ALOS-1 (спутник «Дайти»), работавшая в 2006–2011 годах. В настоящее время действуют следующие основные спутниковые системы PolSAR:

• ALOS-2 / ALOS-4 (Япония) — работают в L-диапазоне, обеспечивают высокую проникающую способность.
• Radarsat-2 (Канада) — C-диапазон, режим полной поляриметрии с высоким разрешением.
• TerraSAR-X / TanDEM-X (Германия) — X-диапазон, высокое разрешение до 1 метра.
• SAOCOM-1A/1B (Аргентина) — L-диапазон, работают в паре для интерферометрических измерений.
• RADARSAT Constellation (Канада) — три спутника C-диапазона, обеспечивают ежедневное покрытие.

В России разработкой поляриметрических РСА занимаются предприятия госкорпорации «Роскосмос» и АО «Концерн „Вега“». Перспективный спутник «Кондор-ФКА» (первый запущен в 2023 году) оснащён радаром S-диапазона с возможностью поляриметрической съёмки.

¶Ограничения и сложности

Основные ограничения метода связаны с чувствительностью к рельефу местности и геометрии съёмки: наклонные поверхности искажают поляризационные характеристики. Кроме того, обработка поляриметрических данных требует значительных вычислительных ресурсов и специализированного программного обеспечения. Радиометрическая калибровка является критически важной для получения корректных результатов.

¶См. также

• Радиолокационная съёмка
• Синтезированная апертура
• Интерферометрическая радиолокация

¶Источники

• Ли Дж., Поттье Э. Поляриметрическая радиолокация и её применение. — М.: Техносфера, 2014.
• Коберниченко В. Г. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. — Екатеринбург: УрФУ, 2016.
• Woodhouse I. H. Introduction to Microwave Remote Sensing. — CRC Press, 2006.