Рлс кн с синтезированной апертурой. Назначение и построение рлс с синтезированной апертурой антенны

Радиолокационное синтезирование апертуры (РСА) - это способ, который позволяет получать радиолокационные изображения земной поверхности и находящихся на ней объектов независимо от метеорологических условий и уровня естественной освещенности местности с детальностью, сравнимой с аэрофотоснимками.

Особенности получения радиолокационного изображения

Наиболее простым способом получения радиолокационного изображения (РЛИ) местности является использование режима реального луча, когда радиолокационная станция (РЛС), установленная на самолете-носителе, осуществляет обзор земной поверхности путём сканирования антенной в горизонтальной плоскости, например, в секторе ±90° относительно вектора скорости носителя. При этом изображение местности в зоне обзора наблюдается в виде сектора размером ±90° с максимальным радиусом, равным дальности действия РЛС. Основным недостатком этого режима является низкая разрешающая способность по азимуту, которая при некогерентной обработке определяется шириной диаграммы направленности (ДН) реальной антенны в горизонтальной плоскости. Ширина ДН ${\Theta}_{az}$ зависит от горизонтального размера антенны $d$ (апертуры) и длины волны электромагнитных колебаний, излучаемых РЛС: ${\Theta}_{az}=\lambda / d$ . В то же время линейное разрешение по азимуту увеличивается пропорционально наклонной дальности. Например, при длине волны $\lambda=3$ см и размере антенны 150 см ширина луча ${\Theta}_{az}=1,15$ ° и на дальности 120 км линейное разрешение будет составлять около 2,5 км. Такая низкая разрешающая способность приводит к тому, что на изображении наблюдаются отметки только от крупных объектов (мостов, населенных пунктов, кораблей).

Получение высокого разрешения по азимуту требует применения антенны с большим размером апертуры. Размещение антенн больших размеров на самолете невозможно, поэтому для обеспечения разрешения по азимуту значительно лучшего, чем определяемое шириной ДН реальной антенны, используются когерентные режимы работы, позволяющие сформировать синтезированную апертуру большего (в 1000 и более раз) размера.

Сущность РСА

Напишите отзыв о статье "Радиолокационное синтезирование апертуры"

Литература

Радиолокационные системы многофункциональных самолетов. Т.1. РЛС - информационная основа боевых действий многофункциональных самолетов. Системы и алгоритмы первичной обработки радиолокационных сигналов / Под ред. А. И. Канащенкова и В. И. Меркулова. - М .: Радиотехника, 2006. - 656 с. - ISBN 5-88070-094-1 .
Кондратенков, Г. С. Радиолокационные станции обзора Земли / Г. С. Кондратенков, В. С. Потехин [и др.]. - М .: Радио и связь, 1983. - 272 с.
Антипов, В. Н. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны / В. Н. Антипов, В. Т. Горяинов [и др.]. - М .: Радио и связь, 1988. - 304 с. - ISBN 5-256-00019-5 .
Дудник, П. И. Многофункциональные радиолокационные системы: учеб. пособие для вузов / П. И. Дудник, А. Р. Ильчук [и др.]. - М .: Дрофа, 2007. - 283 с. - ISBN 978-5-358-00196-1 .
- 2010

Бахрах Л.Д. Методы измерений параметров излучающих систем в ближней зоне / Бахрах Л.Д.. - Л. : Наука, 1985. - 272 с.

Сафронов Г.С. Введение в радиоголографию. - М .: Сов. радио, 1973. - 288 с.

Ссылки

Отрывок, характеризующий Радиолокационное синтезирование апертуры

Весь этот день 25 августа, как говорят его историки, Наполеон провел на коне, осматривая местность, обсуживая планы, представляемые ему его маршалами, и отдавая лично приказания своим генералам.
Первоначальная линия расположения русских войск по Ко лоче была переломлена, и часть этой линии, именно левый фланг русских, вследствие взятия Шевардинского редута 24 го числа, была отнесена назад. Эта часть линии была не укреплена, не защищена более рекою, и перед нею одною было более открытое и ровное место. Очевидно было для всякого военного и невоенного, что эту часть линии и должно было атаковать французам. Казалось, что для этого не нужно было много соображений, не нужно было такой заботливости и хлопотливости императора и его маршалов и вовсе не нужно той особенной высшей способности, называемой гениальностью, которую так любят приписывать Наполеону; но историки, впоследствии описывавшие это событие, и люди, тогда окружавшие Наполеона, и он сам думали иначе.
Наполеон ездил по полю, глубокомысленно вглядывался в местность, сам с собой одобрительно или недоверчиво качал головой и, не сообщая окружавшим его генералам того глубокомысленного хода, который руководил его решеньями, передавал им только окончательные выводы в форме приказаний. Выслушав предложение Даву, называемого герцогом Экмюльским, о том, чтобы обойти левый фланг русских, Наполеон сказал, что этого не нужно делать, не объясняя, почему это было не нужно. На предложение же генерала Компана (который должен был атаковать флеши), провести свою дивизию лесом, Наполеон изъявил свое согласие, несмотря на то, что так называемый герцог Эльхингенский, то есть Ней, позволил себе заметить, что движение по лесу опасно и может расстроить дивизию.
Осмотрев местность против Шевардинского редута, Наполеон подумал несколько времени молча и указал на места, на которых должны были быть устроены к завтрему две батареи для действия против русских укреплений, и места, где рядом с ними должна была выстроиться полевая артиллерия.
Отдав эти и другие приказания, он вернулся в свою ставку, и под его диктовку была написана диспозиция сражения.
Диспозиция эта, про которую с восторгом говорят французские историки и с глубоким уважением другие историки, была следующая:
«С рассветом две новые батареи, устроенные в ночи, на равнине, занимаемой принцем Экмюльским, откроют огонь по двум противостоящим батареям неприятельским.
В это же время начальник артиллерии 1 го корпуса, генерал Пернетти, с 30 ю орудиями дивизии Компана и всеми гаубицами дивизии Дессе и Фриана, двинется вперед, откроет огонь и засыплет гранатами неприятельскую батарею, против которой будут действовать!
24 орудия гвардейской артиллерии,
30 орудий дивизии Компана
и 8 орудий дивизии Фриана и Дессе,
Всего – 62 орудия.
Начальник артиллерии 3 го корпуса, генерал Фуше, поставит все гаубицы 3 го и 8 го корпусов, всего 16, по флангам батареи, которая назначена обстреливать левое укрепление, что составит против него вообще 40 орудий.
Генерал Сорбье должен быть готов по первому приказанию вынестись со всеми гаубицами гвардейской артиллерии против одного либо другого укрепления.
В продолжение канонады князь Понятовский направится на деревню, в лес и обойдет неприятельскую позицию.
Генерал Компан двинется чрез лес, чтобы овладеть первым укреплением.
По вступлении таким образом в бой будут даны приказания соответственно действиям неприятеля.
Канонада на левом фланге начнется, как только будет услышана канонада правого крыла. Стрелки дивизии Морана и дивизии вице короля откроют сильный огонь, увидя начало атаки правого крыла.
Вице король овладеет деревней [Бородиным] и перейдет по своим трем мостам, следуя на одной высоте с дивизиями Морана и Жерара, которые, под его предводительством, направятся к редуту и войдут в линию с прочими войсками армии.

Синтезирование апертуры антенны является одним из наиболее перспективных направлений развития радиолокации, появившееся в конце 50-х годов и сразу привлекшее к себе широкое внимание. Основным преимуществом этого направления является многократное (в 1000 и более раз) увеличение угловой разрешающей способности РЛС. При этом обеспечивается возможность радиовидения объектов радиолокации и обнаружения малоразмерных объектов, повышение точности целеуказания и помехозащищенности РЛС. На первом этапе развития этого направления основные успехи были достигнуты в значительном повышении эффективности воздушной и космической разведки. В дальнейшем методы синтезирования апертуры начали использоваться в разведывательно-ударных комплексах, многофункциональных РЛС самолетов для обнаружения малоразмерных и групповых целей и наведения на них управляемого оружия, в РЛС планового обзора, системах радиотехнической разведки и навигации.

В развитии теории и практики от радиолокации к радиовидению было два этапа.

На первом этапе благодаря использованию широкополосных (100 МГц и более) зондирующих сигналов удалось обеспечить высокое разрешение по задержке сигналов и как следствие высокое разрешение по дальности (единицы метров и лучше). Разрешение по дальности определяется выражением

Ширина спектра зондирующего сигнала.

- длина волны РЛС; с 1 - размер антенны,

Формирование ДН реальной антенны. Для пояснения принципа синтезирования апертуры вначале рассмотрим формирование диаграммы направленности реальной антенны, которая и определяет разрешающую способность по угловой координате обычной РЛС.

Пусть имеется линейная апертура антенны размером d, на которую падает плоская электромагнитная волна под углом 0 (рис. 2.1), т.е. антенна работает на прием.

Под апертурой (раскрывом) понимается та часть антенны, которая участвует в излучении или приеме электромагнитной волны. Фронт волны - это поверхность равных фаз. В рассматриваемом случае это плоскость. Фаза электромагнитной волны вдоль апертуры (ось X) определяется запаздыванием фронта волны относительно центра апертуры:

где г(х) - расстояние от фронта волны до точки х на апертуре.

Диаграмма направленности формируется в результате синфазного суммирования электромагнитной волны, падающей на апертуру:

Напряженность электромагнитной волны.

Нормированная диаграмма направленности в этом случае равна

на уровне 0,7 или, что то же, 0,5 по мощности:

При работе одной антенны не только на прием, но и на передачу ДН определяется как

а эквивалентная ширина ДН на передачу и прием

В более общем случае апертура антенны задает объем анализируемого пространственно-временного сигнала, который представляет собой зависимость напряженности, фазы и поляризации электромагнитного поля от пространственных координат и времени. Таким образом, апертура характеризуется геометрическими размерами анализируемого объема электромагнитной волны, временем анализа, поляризационными и частотными параметрами. В этом случае разрешающая способность по угловой координате определяется изменением пространственно-временного сигнала в апертуре антенны в зависимости от углового положения источника электромагнитной волны.

Известными примерами такого пространственно-временного сигнала могут служить объемные голографические линзы и синтезированные апертуры.

Синтезирование апертуры. Основное отличие синтезированных (искусственных) апертур от обычных (реальных) апертур антенны состоит в том, что синтезированная апертура (СА) формируется последовательно во времени. В каждый данный момент прием электромагнитной волны ведется реальной апертурой, а синтезированная апертура является результатом последовательного во времени приема электромагнитной волны реальной апертурой при различном ее положении относительно источника электромагнитной волны. Рассмотрим процесс синтезирования на примере формирования прямолинейной апертуры РСА (рис. 2.2).

Ее диаграмма направленности на прием определяется так же, как и ДН реальной апертуры. Набег фазы волны между двумя положениями реальной антенны на траектории

в два раза больше, чем у обычной апертуры, что обусловлено двойным проходом электромагнитной волной расстояния г (при передаче и при приеме). В результате ширина диаграммы направленности у синтезированной апертуры РСА такого типа оказывается меньше, чем у реальной апертуры такого же размера:

Главный результат синтезирования апертуры в том, что размер апертуры увеличился в N раз по сравнению с размером реальной апертуры.

синтезированной апертуры, сформированной в результате

перемещения реальной антенны. В данном случае эффект достигается увеличением объема анализируемого поля в пространстве и времени.

Основные свойства синтезированной апертуры. Рассмотрим основные свойства синтезированной апертуры.

для бортовых самолетных и космических систем. Типовые значения относительных размеров апертур различных систем следующие:

Благодаря большому размеру апертуры РСА возможно получение высокого линейного разрешения по угловой координате на больших дальностях:

Синтезированная апертура формируется в результате приема и обработки отраженных от цели сигналов, т.е. синтезированная апертура определяет ДН только на прием. ДН на передачу при синтезировании апертуры определяется ДН реальной антенны. Поляризационные и частотные свойства СА также определяются реальной антенной.

При синтезировании апертуры одновременно может работать (излучать, принимать) всего один антенный элемент (реальная антенна). В этом случае не возникает электродинамических задач при формировании всей апертуры, так как нет взаимодействия элементов по электромагнитному полю. Задача синтезирования апертуры и формирования диаграммы направленности фактически сводится к разработке алгоритмов и их выполнению процессором обработки траекторного сигнала. Как и для реальной антенны, ДН синтезированной апертуры есть зависимость сигнала на выходе процессора от угловой координаты точечного источника излучения или переизлучения (в случае активной РСА).

ДН может быть однолучевой, многолучевой, моноимпульсной, адаптивной и т.п.

объекты наблюдения РСА в большинстве случаев находятся в промежуточной зоне (зоне Френеля) апертуры, а не в дальней зоне, как у большинства реальных антенн. При приеме в дальней зоне фронт волны на апертуре считается плоским. С увеличением размера апертуры (или уменьшением расстояния до объекта) сферичностью фронта волны уже пренебрегать нельзя. Обычно условие дальней зоны записывается как

Для реальной антенны бортовой РЛС граница дальней зоны порядка 100 м, а при синтезировании она исчисляется тысячами километров. Поэтому в РСА при обработке траекторного сигнала необходимо учитывать сферичность фазового фронта электромагнитной волны. В простейших РСА, когда размер СА небольшой, кривизну фронта электромагнитной волны не учитывают. Такой режим называют доплеровским обужением луча (ДОЛ), и увеличение разрешения при этом невелико (10...30) раз.

Учет сферичности фронта волны при обработке траекторного сигнала называют фокусировкой, а апертуру соответственно фокусированной апертурой. На рис. 2.3 показано распределение поля нефокусированной (ДОЛ) (а) и фокусированной (б) апертур в промежуточной и дальней зонах ДН.

На расстоянии фокусирования, т.е. такое же, как и у обычной антенны в дальней зоне. Можно сказать, что процесс фокусирования переносит свойства направленности апертуры из дальней зоны в промежуточную.

Так как сферичность фронта волны зависит от расстояния до объекта, необходим различный закон фокусирования для разных дальностей, т.е. для обеспечения фокусировки СА нужен многоканальный по дальности алгоритм обработки траекторного сигнала.

Благодаря фокусировке СА обеспечивает в промежуточной зоне разрешение не только по углу, но и по дальности даже при смодулированном сигнале. Однако обычно оно невелико, и разрешение по дальности обеспечивается за счет модуляции зондирующего сигнала.

Основными источниками ошибок - некогерентности траекторного сигнала - являются фазовые нестабильности приемопередающих модулей, траекторные нестабильности носителя РСА и нестабильности среды распространения электромагнитной волны. Так, допустимая ошибка в знании траектории перемещения антенны равна нескольким миллиметрам (в сантиметровом диапазоне электромагнитной волны). Это требует специальных мер компенсации этих ошибок с помощью систем микронавигации и алгоритмов автофокусировки.

Энергетические характеристики СА (отношение сигнал/внутрен ний шум) определяются коэффициентом усиления реальной антенны и временем синтезирования, т.е. временем когерентного накопления сиг налов. Помехозащищенность от внешних активных и пассивных помех определяется как ДН реальной антенны, так и направленными свойствами СА, т.е. пространственной селекцией помех.

Действительно, в каждом положении антенны при синтезировании апертуры мощность принятого сигнала определяется мощностью излучения и коэффициентом усиления антенны, а синфазное сложение этих сигналов при синтезировании эквивалентно накоплению энергии сигнала за время синтезирования при постоянной спектральной мощности внутренних шумов. По отношению к источникам внешних помех, кроме того, возможна угловая селекция, эффективность которой зависит от ДН реальной и синтезированной апертур.

Относительное перемещение антенны и объекта, необходимое для формирования СА, можно выполнить различными методами. Фор мирование СА в результате движения антенны при неподвижном объек те называют прямым синтезированием, а формирование СА при движе нии объекта и неподвижной антенне - обратным синтезированием. При этом возможно формирование СА в результате вращения объекта, что эквивалентно движению антенны вокруг объекта.

Использование в процессе синтезирования одновременно не одной, а многих антенн позволяет синтезировать не только линейные, но и плоские и объемные СА.

что представляет исключительно сложную задачу для бортовых ЦВМ. В наземных условиях эту задачу успешно решает оптический процессор, в котором используется запись траекторного сигнала на фотопленку и аналоговая обработка сигнала с помощью когерентной оптической системы.

Синтезирование апертуры требует определенного времени, что приводит к задержке информации в РСА. Минимальное запаздывание информации определяется временем синтезирования, т.е. временем формирования СА. Обычно оно составляет десятые доли - единицы секунд. Максимальная задержка определяется с учетом времени выполнения алгоритма синтезирования соответствующим процессором обработки тра-екторных сигналов. Наибольшую задержку имеют наземные оптические процессоры. Она состоит из времени полета самолета в зоне работы РСА, времени возвращения на базу, времени доставки фотопленки с записью траекторных сигналов в лабораторию, времени фотохимической обработки пленки, оптической обработки и записи изображения на вторичную фотопленку и, наконец, фотохимической обработки вторичной пленки. Это время может достигать нескольких часов.

Проблема радикального повышения разрешающей способности в направлении, перпендикулярном оси ДНА, особенно актуальна для РЛС обзора поверхности под летательным или космическим аппаратом, поскольку в направлении оси ДНА достижимо очень высокое разрешение при соответствующем расширении спектра сигнала РЛС. Если излучение антенны направлено перпендикулярно вектору скорости РЛС, т. е. осуществляется боковой обзор, то перемещение антенны относительно облучаемой поверхности позволяет получить при оптимальной обработке отраженных сигналов очень высокое разрешение и в направлении, перпендикулярном оси ДНА. Таким образом решается задача получения радиолокационного изображения высокой четкости.

Повышение разрешения при боковом обзоре можно рассматривать как результат сжатия ДНА при оптимальной обработке (аналогично сжатию импульса с внутриим-пульсной модуляцией) или как формирование диаграммы синтезированной антенной решеткой, образующейся при перемещении антенны РЛС относительно облучаемой поверхности.

Рассмотрим принцип действия и потенциальные возможности самолетной РЛС бокового обзора. Антенна станции вытянута вдоль оси самолета и формирует ДНА, узкую в горизонтальной и широкую в вертикальной плоскости, ориентированную перпендикулярно оси самолета. Обычно создаются две идентичных ДНА по обе стороны оси самолета, что в данном случае несущественно.

При длине волны излучаемых РЛС колебаний и продольном размере антенны ширина ДНА в горизонтальной плоскости . Считая для простоты излучение ограниченным в горизонтальной плоскости углом , найдем время облучения точки поверхности на расстоянии D от РЛС:

где - скорость самолета, которая считается постоянной; - линейная ширина ДНА на расстоянии D от РЛС. Радиальная составляющая скорости относительно точек облучаемой поверхности (рис. 18.7,а), где - угол между осью ДНА в горизонтальной плоскости и направлением на рассматриваемую точку . Таким образом, на оси ДНА , а на краях достигает максимального значения . Так как в РЛС бокового обзора применяются узкие ДНА, то можно считать . За счет радиальной составляющей скорости возникает доплсровский сдвиг частоты отраженного сигнала, изменяющийся по линейному закону от до . Таким образом, при пролете расстояния принимается частотно-модулированный импульс длительностью (рис. 18.7,б) с девиацией частоты .

При оптимальной согласованной обработке такой импульс может быть сжат до импульса длительностью, обратной ширине спектра сигнала и приближенно равной . Следовательно, . Так как , то . Заметим, что на выходе сжимающего фильтра огибающая импульса имеет форму и его длительность (измеряемая на уровне 0,64 максимального значения) определяет предельное разрешение по времени, которое соответствует расстоянию , разрешаемому в направлении вектора V, перпендикулярном оси ДНА.

Следовательно, при когерентной обработке разрешаемое расстояние не зависит от дальности и ограничено значением, равным . Этот вывод, сначала кажущийся парадоксальным, становится понятным при анализе разрешающей способности РЛС бокового обзора с точки зрения синтезирования раскрыва.

Если все отраженные сигналы на протяжении когерентно (т. е. с учетом фазы) суммировать, то можно сформировать (синтезировать) ДНА шириной

причем коэффициент 2 учитывает набег фазы при прохождении сигналом расстояния D «туда и обратно».

Разрешаемое по направлению полета (перпендикулярно оси ДНА) расстояние

Отрезок пути L, на котором производится когерентное суммирование отраженных сигналов, определяет размер синтезированного раскрыва , так как такое суммирование аналогично приему сигнала на сннфазную антенну с размером раскрыва, равным . Отсюда становится ясно, почему разрешаемое расстояние снижается, т. е. разрешение растет при уменьшении раскрыва реальной антенны и не зависит от D. Это объясняется увеличением синтезированного раскрыва прямо пропорционально ширине ДНА РЛС и дальности рассматриваемой точки .

Однако с увеличением растут и трудности обеспечения когерентности при обработке сигналов. Поэтому антенны РЛС бокового обзора для получения малых значений должны иметь значительные размеры раскрыва , что позволяет реализовать когерентную обработку, обеспечивающую приближение к потенциальной разрешающей способности системы с синтезированным раскрывом, определяемой формулой (18.27).

При переходе от непрерывного сигнала к импульсному с периодом синтезированная антенна аналогична антенной решетке, расстояния между элементами которой равны . В РЛС бокового обзора обычно применяется импульсное излучение, поэтому такие РЛС называют станциями с синтезированной антенной решеткой.

С излучением каждого импульса антенна РЛС становится элементом синтезированной решетки, дальность которого от рассматриваемой точки поверхности равна кратчайшему расстоянию (рис. 18.7, а) только в тот момент, когда рассматриваемая точка оказывается на оси ДНА. На краях синтезированной решетки расстояние отличается от на

Этой разности расстояний соответствует максимальная азовая задержка сигнала . Если в процессе полета изменяющиеся фазовые задержки фиксируются и учитываются при обработке, то синтезированные решетки называются фокусированными. Система обработки сигнала в этом случае получается сложной, поэтому необходимо выяснить, к каким потерям разрешающей способности приводит отказ от «фокусировки», т. е. переход к нефокусированной обработке без учета фазовых сдвигов. В этом случае допустима разность хода на концах синтезированного раскрыва , что соответствует максимальному фазовому сдвигу . Из этого условия можно найти размер эффективного раскрыва синтезированной антенны. Из рис. 18.7, в видно, что и, следовательно,

Таким образом, при отсутствии фокусировки ширина ДНА синтезированного раскрыва размером , а соответствующее линейное разрешение

Для обработки сигнала без коррекции (фокусировки) пригоден обычный экспоненциальный накопитель с линией задержки на период повторения импульсов . Ясно, что названия фокусированная и сированная системы появились по аналогии с оптической системой, в которой при полностью открытой диафрагме необходима фокусировка объектива (наводка на резкость).

При сильном диафрагмировании достаточная четкость (резкость) обеспечивается без фокусировки при постоянной установке объектива на бесконечность.

Следовательно, при фокусированной обработке сигнала (фокусированный раскрыв) достижимо максимальное линейное разрешение в направлении, перпендикулярном ДНА, независимо от дальности при нефокуси-рованной обработке (нефокусированный раскрыв) для обычной антенны с размером раскрыва разрешение .

Зависимость разрешающей способности от дальности D для этих случаев представлена на рис. 18.8.

Таким образом, для полной реализации потенциальных возможностей синтезированной антенны необходима обработка сигнала с внесением фазовых поправок в соответствии с положением рассматриваемой точки относительно антенны РЛС. В импульсных РЛС сигнал повторяется с периодом и поправки вводятся дискретно в моменты времени , отсчитываемые от времени приема среднего импульса, отраженного в тот момент времени, когда данная точка находится на траверсе пролетающего самолета.

Согласованный фильтр для сигнала точечной цели при известной дальности и скорости РЛС относительно цели соответствует схеме когерентного фильтра для пачки импульсов, при этом амплитуды импульсов умножаются на весовые коэффициенты и смещаются по фазе на значение поправки . Такая обработка (фокусировка) требуется для каждого элемента дальности, т. е. необходим фильтр для каждой дальности (дискретность зависит от разрешающей способности по дальности, определяемой шириной спектра сигнала), причем параметры фильтра должны изменяться при изменении скорости перемещения РЛС.

Требования к устройству обработки задаются прежде всего временем синтезирования, равным в фокусированных системах . Так, при скорости самолета , заданном разрешении на дальности при работе РЛС на волне требуемый размер синтезированной апертуры . В этом случае . При частоте повторения импульсов число суммируемых при обработке сигналов для каждого элемента дальности, число которых в полосе обзора по дальности может достигать . Число уровней квантования определяет разрядность устройства обработки . Таким образом, общий объем обрабатываемой информации . При наличии квадратурных каналов значение удваивается и имеет порядок 108 бит. С учетом коррекции фазы в каждом периоде повторения требумое быстродействие обработки в подобных системах достигает .

Несмотря на относительную сложность, цифровая реализация устройств обработки при использовании современной элементной базы возможна, особенно при осуществлении обработки на видеочастоте. Достоинством цифровой обработки является возможность получения изображения местности под самолетом или спутником в реальном времени.

Если допустима задержка при получении изображения (например, при картографировании), то целесообразно применять оптические методы обработки сигналов при синтезировании раскрыва, поскольку оптические устройства обеспечивают многоканальную когерентную обработку сигналов сразу для всех элементов дальности.

Принцип обработки заключается в следующем. Принимаемые сигналы фиксируются на фотопленке, протягиваемой со скоростью, пропорциональной скорости самолета V, при этом строки дальности располагаются поперек пленки. На определенном расстоянии от начала каждой строки, пропорциональном дальности рассматриваемой точки D, записываются отраженные сигналы в течение времени запись в продольном направлении (вдоль пленки) в соответствующем масштабе передает распределение сигналов вдоль синтезируемого раскрыва .

После проявления (время проявления и определяет задержку в обработке) пленка протягивается перед окном оптического устройства, одновременно облучаясь однородным когерентным световым пучком. Плоская световая волна, проходя через пленку, модулируется по амплитуде и фазе записанным сигналом. Размеры пятна, полученного на оптическом экране или другой фотопленке на выходе оптического фильтра, соответствуют ширине диаграммы направленности синтезированной антенны , которая во много раз меньше ширины диаграммы направленности реальной антенны . Подбором параметров элементов (линз) оптического фильтра можно обеспечить когерентную обработку и получить высокую четкость синтезированного радиолокационного изображения. Именно с помощью РЛС бокового обзора с синтезированием раскрыва, расположенной на искусственном спутнике Венеры, советским исследователям удалось получить четкое радиолокационное изображение этой планеты, закрытой для оптического наблюдения.

Угловая разрешающая способность – важнейшая характеристика любой телескопической системы. Оптика утверждает, что это разрешение однозначно связано с длиной волны, на которой осуществляется наблюдение, и с диаметром входной апертуры телескопа. С большими диаметрами, как известно, большая проблема. Вряд ли когда-нибудь будет построен телескоп больше этого .
Одним из способов значительного увеличения разрешающей способности является применяемый в радиоастрономии и радиолокации метод синтезирования больших и сверхбольших апертур. В миллиметровом диапазоне самую большую апертуру - 14 км - обещают формировать 66-ю антеннами проекта ALMA в Чили.

Перенос методов апертурного синтеза в оптическую область, где длины волн на несколько порядков меньше, чем у радиолокаторов, связан с развитием техники лазерного гетеродинирования .

1.Физические основы формирования изображений.

Не будет ошибкой сказать, что изображение в любом оптическом устройстве формируется дифракцией света на входной апертуре, и более ничем. Посмотрим на изображение объекта из центра апертуры. Угловое распределение яркости изображения бесконечно удаленного точечного источника света (как, впрочем, и любого другого) будет одинаково для линзы и камеры-обскуры равного диаметра. Отличие линзы от обскуры заключается лишь в том, что линза переносит формируемое своей апертурой изображение из бесконечности в свою фокальную плоскость. Или, говоря иначе, производит фазовое преобразование входного плоского волнового фронта в сферически сходящийся. Для удаленного точечного источника и круглой апертуры изображение - это всем известная картина Эйри с кольцами .

Угловой размер диска Эйри можно в принципе уменьшить и как будто увеличить разрешение (по рэлеевскому критерию), если задиафрагмировать апертуру специальным образом. Существует такое распределение пропускания по радиусу, при котором центральный диск теоретически можно сделать произвольно малым. Однако при этом световая энергия перераспределяется по кольцам и контраст сложного изображения падает до нуля.

С математической точки зрения процедура формирования дифракционного изображения сводится к двухмерному преобразованию Фурье от входного светового поля (в скалярном приближении поле описывается комплексной функцией координат и времени). Любое изображение, регистрируемое глазом, экраном, матрицей или другим квадратичным по интенсивности приемником – не что иное, как двухмерный амплитудный спектр ограниченного апертурой светового поля, испускаемого объектом. Легко получить ту же самую картинку Эйри, если взять квадратную матрицу из одинаковых комплексных чисел (имитирующих плоский волновой фронт от удаленной точки), «вырезать» из нее круглую «апертуру», обнулив края, и сделать Фурье-преобразование всей матрицы.

Короче говоря, если каким-то образом записать поле (синтезировать апертуру) на достаточно большой области без потери амплитудной и фазовой информации, то для получения изображения можно обойтись без гигантских зеркал современных телескопов и мегапиксельных матриц, просто вычисляя Фурье-образ полученного массива данных.

2. Локация спутников и сверхразрешение.

Будем наблюдать движущийся поперек луча зрения стабилизированный объект, подсвеченный непрерывным когерентным лазерным источником. Регистрация отраженного от него излучения производится гетеродинным фотоприемником с небольшой апертурой. Запись сигнала в течение времени t эквивалентна реализации одномерной апертуры длиной vt, где v – тангенциальная скорость движения объекта. Легко оценить потенциальную разрешающую способность такого метода. Посмотрим на околоземный спутник в верхней элонгации, летящий на высоте 500 км со скоростью 8 км/сек. За 0,1 секунды записи сигнала получим «одномерный телескоп» размером 800 метров, теоретически способный рассмотреть в видимом диапазоне детали спутника величиной в доли миллиметра. Неплохо для такого расстояния.

Разумеется, отраженный сигнал на таких расстояниях ослабевает на много порядков. Однако гетеродинный прием (когерентное смешивание с опорным излучением) в значительной степени компенсирует это ослабление. Ведь, как известно, выходной фототок приемника в этом случае пропорционален произведению амплитуд опорного излучения и приходящего сигнала. Будем увеличивать долю опорного излучения и тем самым усиливать весь сигнал.

Можно посмотреть с другой стороны. Спектр записанного сигнала с фотоприемника представляет собой набор доплеровских компонент, каждая из которых есть сумма вкладов от всех точек объекта, имеющих одинаковую лучевую скорость. Одномерное распределение отражающих точек на объекте определяет распределение спектральных линий по частоте. Полученный спектр и является по сути одномерным «изображением» объекта по координате «доплеровский сдвиг». Две точки нашего спутника, расположенные на расстоянии 1 мм друг от друга в плоскости, перпендикулярной лучу зрения, имеют разность лучевых скоростей порядка 0,01-0,02 мм/сек. (Отношение этой разности к скорости спутника равно отношению расстояния между точками к расстоянию до спутника). Разность доплеровских частот этих точек для видимой длины волны 0,5 мк составит (f=2V/λ) порядка 100 Гц. Спектр (доплеровское изображение) от всего микроспутника, скажем, размером 10 см, уложится в диапазон 10 кГц. Вполне измеримая величина.

Можно посмотреть и с третьей стороны. Эта технология представляет собой не что иное, как запись голограммы, т.е. интерференционной картины, возникающей при смешивании опорного и сигнального полей. Она содержит в себе амплитудную и фазовую информацию, достаточную для восстановления полного изображения объекта.

Таким образом, подсвечивая спутник лазером, регистрируя отраженный сигнал и смешивая его с опорным лучом от того же лазера, получим на фотоприемнике фототок, зависимость которого от времени отражает структуру светового поля вдоль «одномерной апертуры», длину которой, как уже было сказано, можно сделать достаточно большой.

Двухмерная апертура, конечно, гораздо лучше и информативнее. Расставим равномерно несколько фотоприемников поперек движения спутника и запишем таким образом отраженное поле на площади vt*L, где L – расстояние между крайними фотоприемниками, которое в принципе ничем не ограничено. Например, те же 800 метров. Тем самым мы синтезируем апертуру «двухмерного телескопа» размером 800*800 метров. Разрешение по поперечной координате (L) будет зависеть от количества фотоприемников и расстояния между ними, по другой, «временной» координате (vt) – от ширины полосы излучения лазера и частоты оцифровки сигнала с фотоприемника.

Итак, мы имеем записанное световое поле на очень большой площади и можем делать с ним все, что угодно. Например, получить двухмерное изображение очень маленьких объектов на очень большом расстоянии без всяких телескопов. Или можно восстановить трехмерную структуру объекта путем цифровой перефокусировки по дальности.

Разумеется, реальная трехмерная конфигурация отражающих точек на объекте не всегда совпадает с их «доплеровским» распределением по лучевым скоростям. Совпадение будет, если эти точки находятся в одной плоскости. Но и в общем случае из «доплеровского изображения» можно извлечь много полезной информации.

3. Что было раньше.

Американская DARPA некоторое время назад финансировала программу , суть которой состояла в реализации подобной технологии. Предполагалось с летящего самолета лоцировать со сверхвысоким разрешением объекты на земле (танки, например), были получены некие обнадеживающие данные. Однако эту программу то ли закрыли, то ли засекретили в 2007 году и с тех пор про нее ничего не слышно. В России тоже кое-что делалось. Вот можно посмотреть картинку, полученную на длине волны 10,6 мк.

4.Трудности технической реализации на длине волны 1,5 мк.

По зрелом размышлении я решил здесь ничего не писать. Слишком много проблем.

5. Кое-какие первичные результаты.

Пока с трудом удалось «рассмотреть» с расстояния 300 метров детали плоского диффузно отражающего металлического объекта размером 6 на 3 мм. Это был кусочек какой-то печатной платы, вот фотка:

Объект вращался вокруг оси, перпендикулярной лучу зрения, регистрация отраженного сигнала происходила примерно в момент максимального отражения (блика). Пятно от лазера, освещающее объект, имело размер около 2 см. Использовались всего 4 фотоприемника, разнесенные на 0,5 метра. Размер синтезированной апертуры оценивается величиной 0,5 м на 10 м.
Собственно, на всякий случай сами записанные сигналы (слева) и их спектры (справа) в относительных единицах:

Из предыдущей фотки объекта фотошопом выделены только интересующие нас освещаемые и отражающие участки, которые требуется увидеть:

Изображение, восстановленное двухмерным фурье-преобразованием из 4 сигналов и смасштабированное для сравнения:

Эта картинка вообще-то состоит всего из 4 строк (и около 300 столбцов), вертикальное разрешение изображения, соответственно, около 0,5 мм, однако темный уголок и обе круглые дырки вроде как видны. Горизонтальное разрешение – 0,2 мм, такова ширина токопроводящих дорожек на плате, видны все пять штук. (Обычный телескоп должен быть двухметрового диаметра, чтобы увидеть их в ближнем ИК).

По правде говоря, полученное разрешение пока далеко от теоретического предела, так что неплохо бы довести до ума эту технологию. Дьявол, как известно, кроется в деталях, а деталей здесь очень много.

Спасибо за внимание.

Одним из важных направлений использования РЛС является их применение на борту летательного аппарата, осуществляющих обзор земной поверхности. В зависимости от решаемых задач, требуемой величины зоны обзора и время обзора различают следующие виды обзора:

· полосовой обзор (переднебоковой обзор);

· секторный обзор;

· телескопический обзор.

Возможны и другие виды обзора, которые являются либо частными случаями вышеперечисленных обзоров, либо их комбинациями.

Мерой углового положения излучающего объекта и параметром, позволяющим измерить угловые координаты и обеспечить разрешение по углу, является частота Доплера. Благоприятные условия для решения этих задач создаются при условии бокового обзора земной поверхности летательного аппарата, выдерживающего курс, частоту и скорость.

Детальность радиолокационного изображения земной поверхности зависит от разрешающей способности в поперечном по отношению к РЛС направлению, а так же от разрешающей способности вдоль линии пути.

Разрешающая способность в поперечном направлении (тангенциальная разрешающая способность) зависит от полосы зондирующих сигналов и угла места объектов в поперечной плоскости.

Разрешающая способность вдоль линии пути различна при некогерентной и когерентной обработке. В первом случае она определяется шириной диаграммы направленности, соответствующей раскрыву размещенной на летательном аппарате антенны. При когерентной обработке, она может быть существенно увеличена соответственно синтезированному раскрыву, определяемому величиной перемещения летательного аппарата за время обработки.

При построении радиолокаторов с синтезированной аппаратурой на борту летательного аппарата устанавливаются слабонаправленная антенна, осуществляющая боковой обзор пространства (рис.6.1). Сигналы, принятые от различных точек траектории запоминаются и обрабатываются, как в антенной решетке, где они складываются синфазно, образуя максимум амплитуды суммарного сигнала.

Синтезированная антенна образуется перемещением одного элемента, ось диаграммы направленности которого ориентирована перпендикулярно прямолинейной траектории полета (рис.6.2).

При использовании импульсных сигналов они принимаются и запоминаются в точках траектории, отстоящих друг относительно друга на расстоянии где - скорость полета; - период повторения импульсов. Далее сигналы суммируются в схеме, изображенной на рис.2. Расстояние , на котором происходит суммирование, представляет собой апертуру синтезированной антенны (рис.6.3).

Суммирование сигналов осуществляется в линии задержки ЛЗ. Различают нефокусированные (рис.6.4.) и фокусированные синтезируемые антенны. Особенностью нефокусированной антенны является суммирование принимаемых сигналов несинфазно. Эквивалентная длинна ограничивается возможностью суммирования сигналов приблизительно в фазе, то есть когда разность расстояний от РЛС до цели не превосходит λ/8 (рис 6.5).

Ввиду малости второго слагаемого, получим

Ширина диаграммы направленности такой антенны

(6.3)

В этом случае тангенциальная разрешающая способность

(6.4)

улучшилась по сравнению с панорамной антенной

где - разрешающая способность по азимуту.

Теперь пропорциональна не R, а .

В фокусированных антеннах в антеннах в цепь элементов решетки вводятся фазовые сдвиги для компенсации перемещения РЛС относительно цели (рис.6.6).

Размер реальной антенны в горизонтальной плоскости равен L, ширина ее диаграммы

Длинна синтезированной антенны равна протяженности траектории полета, на которой РЛС облучает цепь (рис.6.7).

Ширина диаграммы направленности антенны равна

Тангенциальная разрешающая способность

. (6.7)

Не зависит от дальности и равна половине размера реальной антенны.

Традиционным путем РЛС с синтезированной антенной построить невозможно так как требуется значительные: длина фокусированной антенны (сотни м); задержка сигналов в линии задержки (десятки с); число суммируемых импульсов (десятки тысяч).

На практике для построения РЛС с синтезированной антенной используется эффект Доплера и согласованная фильтрация. Информация о частоте Доплера используется как мера углового положения. Пусть вдоль прямой х, параллельной линии пути летательного аппарата, лежащей в полосе бокового обзора, расположены излучатели А непрерывных монохромических колебаний частоты f 0 (рис 6.8).

В каждый момент времени излучаемые колебания можно различать по частоте Доплера

. (6.8)

Если оценивать изменения во времени расстояния от приемника до точки А, можно определить закон модуляции сигналов

где - момент времени, когда приемник находиться на кратчайшем расстоянии r 0 от точки А. Квадратному изменению времени запаздывания соответствует линейное изменение мгновенной частоты

(6.10)

Таким образом принимаемый сигнал оказывается частотно-модулированным. При обработке в оптимальном фильтре, согласованном с ожидаемым частотно-модулированным сигналом наблюдается сжатие сигнала. Длительность сжатого сигнала равна

(6.11)

где - длительность импульсной характеристики фильтра. Аналогичный сжаты импульс будет получен, и для сигнала, приходящий от любой другой точки А; временной интервал между этими импульсами будет = где - скорость движения цели. Минимально разрешаемый временной интервал определяется длительностью сжатого импульса

Отношение / = можно рассматривать как меру синтезированного углового разрешения

(6.13)

где = - размер эквивалентного синтезированного раскрыва, образованного при перемещении точки приема за длительность когерентного накопления . Сжатие позволяет получить разрешающую способность как у фокусированной антенны.

Для обеспечения разрешающей способности по дальности необходимо использовать импульсное излучение, причем импульсы должны быть когерентны между собой.

Таким образом, РЛС с синтезированной апертурой должна содержать

1. когерентно - импульсную РЛС с истинной когерентностью;

2. систему обработки сигналов, которая должна производить оптимальную обработку по азимуту (согласованную фильтрацию) в каждом элементе разрешению по дальности.

Один из вариантов такого локатора изображен на рис.6.9.

Могут применятся и другие схемы, однако сигналы должны быть когерентны (например вырезка из одного и того же гармонического колебания).

Выходным элементом приемника когерентно- импульсной РЛС является фазовый детектор, выходное напряжение которого определяется следующим образом

где , - амплитуды напряжений когерентного гетеродина и выходного сигнала;

Начальные фазы колебаний;

Доплеровское смещение частот.

Сигнал от точечной цели на выходе фазового детектора представляет собой импульсную последовательность с огибающей, повторяющей квадрат диаграммы направленности реальной антенны, и амплитудной модуляцией частотой Доплера (рис.6.10) Если в течении периода повторения Т п будет несколько целей, то согласованная фильтрация проводиться по каждой из них.

Существуют следующие способы построения соответствующей аппаратуры:

1. Запись сигналов с фазового детектора на фотопленку с последующей оптической обработкой.

2. Цифровая обработка сигналов.

В основу цифровой обработки положено оптимальное обнаружение пачки радиоимпульсов со случайной начальной фазой. Оптимальная обработка сводится к вычислению модуля корреляционного интеграла. Но так как сигнал не непрерывный, а дискретный, то вычисляется не интеграл, а сумма

где - выработка входного сигнала;

– опорная функция;

n – номер отсчета сигнала изображения;

k – номер отсчета опорной функции;

N – число дискретных значений опорной функции.

В случае цифровой обработки структурной схемы приемника имеет вид, изображенный на рис. 6.11.

Для нахождения действительной и мнимой частей представления входного сигнала устройство обработки строится с квадратурными каналами (рис.6.12). На рис. 6.13 изображена структура цифровой обработки в одном элементе разрешения.

В схеме выполняются операции, предусмотренные согласно формуле для S вых (n): находятся действительные и мнимые части произведения под знаком суммы для каждого из N значений опорной функции и суммируются.

Возможно, будет полезно почитать: