Радиолокационные системы с синтезированной апертурой. Разработка рлс бокового обзора с синтезированной апертурой Радиолокация принцип получения изображения с синтезирования апертуры
АПЕРТУРНЫЙ СИНТЕЗ, метод получения высокого углового разрешения с помощью синтеза результатов измерений, выполняемых радиоинтерферометром, состоящим из двух малых апертур, перемещающихся в пределах большой апертуры, и корреляционного (перемножающего) приёмника. Результат измерения методом апертурного синтеза аналогичен измерениям с антенной большой апертуры. При апертурном синтезе выполняется большое количество измерений при различных положениях элементов и результаты суммируются с определёнными весами и фазами.
Метод апертурного синтеза предложен в 1952 году М. Райлом, исследовавшим с его помощью радиоструктуру галактик. В 1974 году Райл совместно с Э. Хьюишем были удостоены Нобелевской премии «за новаторские исследования в радиоастрофизике». Наибольшее распространение апертурный синтез получил в радиоастрономии и радиолокации. В радиоастрономии апертурный синтез используется в связи с задачами исследования углового распределения интенсивности излучения радиоисточника с тонкой структурой от угловых минут до долей секунд. Для таких исследований нужны антенны с отношением d/λ (d - линейный размер апертуры, λ - длина волны) порядка 10 3 —10 6 , поэтому для сантиметрового диапазона радиоволн d должно быть порядка сотен метров и более. Естественно, обычные антенны с такой апертурой создать невозможно, поэтому апертуру «синтезируют», проводя измерения в отдельных точках, расположенных внутри этой синтезированной апертуры, и выполняя соответствующую обработку измерений. В результате достигается высокое угловое разрешение.
При использовании метода апертурного синтеза большая антенна разбивается на N элементов. Падающие волны, отразившись от каждого элемента, попадают в фокус антенны в фазе. Поэтому высокочастотное напряжение V(t) в фокусе может быть записано в виде суммы составляющих ΔV i (t) от отдельный элементов:
Мощность Р на выходе приёмника большой антенны пропорциональна среднему значению квадрата напряжения:
Из формулы (2) видно, что результат измерений содержит слагаемые, зависящие от сигналов, получаемых только от пар элементов. Каждое слагаемое может быть измерено с помощью двух малых антенн размером, равным элементу апертуры, находящихся в положениях i и k, и корреляционного (перемножающего) приёмника. Если наблюдаемый участок неба не содержит переменных источников, то такой интерферометр можно использовать для последовательного измерения членов ряда (2).
Отрезок линии восток-запад на поверхности Земли, видимый со стороны удалённого источника, за 12 ч поворачивается на 180°. Если все элементы антенной решётки на этом отрезке следят за источником, то за 12 ч можно синтезировать круглую апертуру в плоскости, перпендикулярной оси вращения Земли, с диаметром, равным длине отрезка. Ширина синтезированной диаграммы в любом направлении обратно пропорциональна проекции апертуры на это направление. Ухудшение разрешающей способности в направлениях, близких к плоскости экватора, устраняется при использовании Т-образной антенной решётки с отрезками, ориентированными в направлениях восток-запад и север-юг (рис.).
Современные системы апертурного синтеза состоят из большого числа полноповоротных антенн и одновременно действующих независимых корреляционных интерферометров, что значительно сокращает время наблюдений. Вращаясь вместе с Землёй, каждый интерферометр измеряет большое число слагаемых ряда (2). Для многоэлементных интерферометров метод апертурного синтеза позволяет синтезировать луч с такой шириной, которая может быть получена с апертурой, имеющей размеры, сравнимые с размерами антенной решётки.
Для более полного извлечения информации из результатов измерений используются априорные сведения о яркости неба. Такая априорная информация позволяет применять системы далеко разнесённых антенн, а также строить карты неба, используя только амплитудные измерения, когда сведения о фазе ненадёжны или отсутствуют.
Первые работы с использованием для апертурного синтеза небольших подвижных антенн были выполнены в Кембридже (Великобритания) в 1954 году. В Сиднее (Австралия) в 1956 году впервые использовалось вращение Земли для синтеза двумерной решётки с помощью линейной. Наиболее известная система апертурного синтеза - антенная решётка VLA (Very Large Array) в штате Нью-Мексико (США), завершена в 1981 году. Она состоит из 27 полноповоротных параболоидов диаметром 25 м каждый, которые могут перемещаться вдоль трёх 21-километровых рельсовых путей, проложенных в виде буквы Y. Угловое разрешение этой системы на длине волны 1,3 см составляет 0,05".
Метод апертурного синтеза используется также в интерферометрах, образованных антеннами, разнесёнными на сотни и тысячи километров (радиоинтерферометры со сверхдлинными базами). Это позволяет синтезировать апертуры, сравнимые с размерами Земли, и получать угловое разрешение порядка 0,001", намного превосходящее достигнутое в оптической астрономии. В перспективе - создание апертур Земля-космос, часть элементов которых будет размещена на космических аппаратах (проект «Радиоастрон», Россия).
Лит.: Kraus J.D. Radio astronomy. 2nd ed. Powell, 1986; Христиансен У., Хёгбом И. Радиотелескопы. М., 1988.
Синтезирование апертуры (СА) - метод обработки сигналов, позволяющий существенно повысить поперечную линейную разрешающую способность радиолокатора относительно направления ДНА и улучшить детальность радиолокационного изображение местности. Используется СА для получения радиолокационной карты (при картографировании), разведке ледовой обстановки и в других ситуациях. По качеству и детальности такие карты сравнимы с аэрофотоснимками, но в отличие от последних могут быть получены в отсутствие оптической видимости земной поверхности (при полете над облаками и ночью).
14.1. Принцип действия и устройство РЛС с СА
Детальность радиолокационного изображения зависит от линейной разрешающей способности радиолокатора. При использовании полярных координат разрешающая способность по дальности (радиальная разрешающая способность) определяется параметрами зондирующего сигнала, а в поперечном направлении (тангенциальная разрешающая способность) шириной ДНА радиолокатора и расстоянием до цели (рис. 14.1). Детальность радиолокационного изображения местности тем выше, чем меньше т.е. она зависит от величины (площади) элемента разрешения.
Рис. 14.1. Параметры, характеризующие детальность радиолокационного изображения
Поскольку задача уменьшения решается использованием зондирующих сигналов с малой длительностью импульсов или переходом к сложным сигналам (частотно-модулированным или фазо-манипулированным). Уменьшения требует использования узких ДНА, так как пропорциональна ширине ДНА, а (к - длина волны; длина антенны), которая не может быть больше продольного размера (длины) летательного аппарата. Основной путь повышения тангенциальной разрешающей способности - применение в радиолокаторах метода синтезирования
апертуры антенны при движении ЛА. Чаще всего РЛС с СА используют в так называемых радиолокаторах бокового обзора (рис. 14.2).
В радиолокаторах, у которых антенна размещена вдоль фюзеляжа, и она тем выше, чем больше продольный размер фюзеляжа ЛА. Поскольку конструктивно ограничивает размер внутренней антенны то и детальность изображения в радиолокаторах с вдоль фюзеляжными антеннами улучшается, хотя зависимость от дальности сохраняется.
Более радикальный путь приводит к радиолокаторам с синтезированием апертуры (РСА) при поступательном движении ЛА.
Рис. 14.2. Диаграммы направленности радиолокатора бокового обзора
Принцип синтезирования апертуры. Пусть линейная ФАР размером (апертурой) (рис. 14.3,а) состоит из излучателей. Суммируя принятые облучателями сигналы, можно в каждый момент времени получать диаграмму ФАР с шириной Если для обеспечения заданной требуется можно синтезировать ФАР, последовательно перемещая один излучатель (антенну) вдоль этой апертуры с некоторой скоростью V, принимая отраженные от цели сигналы, запоминая их, а затем совместно обрабатывая (рис. 14.3,б). При этом синтезируется апертура линейной антенны с эффективным размером и
ДНА шириной однако увеличиваются затраты времени на синтезирование и усложняется аппаратура радиолокатора.
Пусть ЛА движется на некоторой высоте с постоянной скоростью V прямолинейно и параллельно земной поверхности (рис. 14.4).
Рис. (4.3. Фазированная антенная решетка (а) и схема синтезирования апертуры при перемещении излучателя (б)
Антенна, имеющая ДНА шириной и повернутая на 90° к линии пути, последовательно проходит ряд положений в которых принимает сигналы, отраженные от цели, находящейся в точке на земной поверхности. При различных положениях антенны (различных ) сигналы от одной и той же точки проходят разные расстояния что приводит к изменению фазовых сдвигов этих сигналов, вызываемых разностью хода Поскольку сигнал проходит дважды (в направлении цели и от нее), два сигнала, принятые при соседних положениях антенны, отличаются по фазе на
В зависимости от того, компенсируются или нет при обработке принятых сигналов фазовые набеги (образующиеся на отрезках различают фокусированные и нефокусированные РСА. В первом случае обработка сводится к перемещению антенн, запоминанию сигналов, компенсации фазовых набегов и суммированию сигналов (см. рис. а во втором - к тем же операциям, но без компенсации фазовых набегов.
Рис. 14.4. Появление фазовых сдвигов в процессе прямолинейного движения ЛА при синтезировании апертуры
Тангенциальная разрешающая способность РСА. Нефокусированная обработка обеспечивает сложение сигналов V, при разности фаз сигналов с крайних и центрального элементов апертуры Если положить то максимальное значение составит Из рис. 14.4 следует поэтому, если то
Таким образом, при суммировании сигналов на участке траектории, равном ширина синтезированной ДНА составит
При этом тангенциальная разрешающая способность а при произвольном расстоянии до цели (рис. 14.5).
Рис. 14.5. Зависимость тангенциальной разрешающей способности от дальности в обычном радиолокаторе (1), в пефокусированном РЛ с СА (2) и в фокусированном РЛ с СА (3)
При фокусированной обработке сигналы суммируются на участке смешения реальной установленной на ЛА антенны, на котором облучается находящаяся в точке цель:
В этом случае ширина синтезированной ДНА
а тангенциальная разрешающая способность
Структурная схема РСА. Основу РСА составляют когерентно-импульсные радиолокаторы, построенные по схеме с внутренней когерентностью (рис. 14.6).
Когерентный генератор (КГ) на частоте служит для формирования в однополосном модуляторе зондирующего сигнала с частотой Источником колебаний с частотой является генератор радиочастоты (ГРЧ). Зондирующий сигнал модулируется импульсной последовательностью с модулятора Усилитель мощности (УМ) представляет собой оконечный каскад передатчика. Обработка сигналов (запоминание, компенсация фаз, суммирование) обычно выполняется комплексными цифровыми фильтрами на низкой частоте, поэтому в схеме предусматривают квадратурные каналы, каждый из которых начинается с соответствующего фазового детектора. Источником опорного напряжения для фазовых детекторов служит когерентный гетеродин (КГ). Сигналы квадратурных каналов (сохраняющих информацию о фазе) подаются либо на устройство записи либо на устройство цифровой обработки в реальном масштабе времени (УОС). При аналоговой обработке сигналов в РЛС с СА информация с выходов квадратурных фазовых детекторов подается в специальное устройство для записи, например, в оптическое устройство записи на фотопленку изображения с экрана электроннолучевой трубки, модулированного по яркости
Рис. 14.6. Структурная схема радиолокатора с синтезированием апертуры
свечения пятна. Обработка и воспроизведение информации происходят позднее, после обработки пленки с запаздыванием во времени (не в реальном масштабе времени).
При цифровой обработке сигналов результирующая информация получается сразу в процессе обработки в реальном масштабе времени.
Принципы обработки сигналов в РСА. При любом виде обработки необходимо запоминание кадра информации о сигналах целей.
Размеры кадра задаются по азимуту эффективным значением синтезируемой апертуры и по дальности (рис. 14.7,а).
Поскольку принимаемые при каждом положении антенны сигналы поступают на вход приемника с просматриваемой дистанции последовательно во времени, записываются они также последовательно в каждый из азимутальных каналов, что условно показано стрелками на рис. 14.7, б. При этом формируется соответствующий участку местности кадр изображения с размерами Получить информацию об угловом положении цели, т.е. о координате х, при синтезировании апертуры можно только при анализе отраженных от этой цели сигналов, записанных на интервале синтезирования Поэтому информация с устройства записи считывается последовательно в каждом из каналов дальности (рис. 14.7,в).
Рис. 14.7. Запоминаемый кадр местности (а): диаграммы записи (б) и считывания (в) ситапов
Сигнал, обрабатываемый в РСА. Пусть радиолокатор работает в импульсном режиме. Тогда за период повторения антенна смещается на отрезок
Для исключения пропуска цели при таком смещении антенны потребуем чтобы на рис. 14.8. При этом формируется соответствующий участку местности кадр изображения с размерами и Получить информацию об угловом положении цели, т.е. о координате х, при синтезировании апертуры можно только при анализе отраженных от этой цели сигналов, записанных на интервале синтезирования Поэтому информация с устройства записи считывается последовательно в каждом из каналов дальности (см. рис. 14.7,а). Допустим теперь, что неподвижен, а цель
Рис. 14.8. Кинематика взаимного смешения и точечной цели
движется относительно него с той же скоростью V (рис. 14.9,а). Начиная отсчет времени с момента прохода целью (точка М) середины апертуры и считая имеем
При проходе цели через диаграмму направленности доплеровский сдвиг частоты (рис. и фаза (рис. 14.9,в) меняются по законам:
Отметим, что коэффициенты при постоянных в полете "к и V зависят от следовательно, обработка сигналов многоканальна по дальности.
Комплексную амплитуду отраженных сигналов при синтезировании апертуры можно представить в виде
Рис. 14.9. Схема формирования вектора радиальной скорости (а); характер изменения доплеровской частоты (б) и фазы (в) сигнала при пролете цели
В импульсном радиолокаторе сигнал приходит в дискретные моменты времени, поэтому Тогда
Дискретные составляющие сигнала (14.4) необходимо запомнить на интервале времени , где
Алгоритмы обработки сигнала в РСА. Для оптимальной обработки сигнала (14.4) необходим фильтр с импульсной переходной характеристикой
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.
ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И УПРАВЛЕНИЕ X
УДК 621.396.96
НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ КОСМИЧЕСКОГО БАЗИРОВАНИЯ
О. Л. Полончик,
канд. техн. наук, доцент
Северный (Арктический) федеральный университет им. М. В. Ломоносова, г. Архангельск
Проанализированы основные направления развития радиолокационных систем контроля земной поверхности космического базирования. Определена предметная область использования радиолокационных технических средств, в том числе и для решения прикладных задач развития экономики северных и арктических регионов России. Выполнена сравнительная оценка существующих способов обзора земной поверхности. Предлагается новый метод построения бортовых радиолокационных систем на базе космических аппаратов со стабилизацией вращением. Рассмотрены пути улучшения технических характеристик бортового радиолокатора.
Ключевые слова - РЛС бокового обзора, диаграмма направленности, механическое сканирование, синтезирование апертуры.
Введение
Современные бортовые радиолокационные средства представляют одно из наиболее интенсивно развивающихся направлений радиоэлектронной техники. Особое место среди них занимают бортовые радиолокаторы с синтезированием апертуры. Данные технические средства производят зондирование земной поверхности в любое время суток, сезона и года, не зависят от климатических условий и наличия облачности, что особенно важно для районов с незначительным количеством солнечных дней в году. В Российской Федерации к ним относятся обширные площади на севере страны и в Арктике, составляющие почти третью часть территории нашего государства, очень богатую разнообразными полезными ископаемыми, нефтью и газом.
Решение важнейших народнохозяйственных задач, таких как высокоточная оценка рельефа местности, формирование трехмерных изображений земной поверхности, исследование динамических процессов на земной и морской поверхности, возлагается на перспективные средства дистанционного зондирования Земли .
Особенно актуальным для решения задач устойчивого развития северных и арктических регионов является получение материалов радиолокационной съемки с высокими измерительными свойствами, обеспечивающих создание и обновление государственных топографических карт,
планов и картографической основы государственного кадастра недвижимости.
Получение информации о состоянии этих районов представляет задачу исключительной важности и позволит минимизировать материальные потери.
История развития радиолокационных средств дистанционного зондирования Земли
Развитие бортовых радиолокационных станций (РЛС) привело к созданию радиолокационных систем кругового обзора, основным недостатком которых была низкая разрешающая способность. Дальнейшие исследования по совершенствованию РЛС обзора земной поверхности были направлены на преодоление основного ограничения в увеличении разрешающей способности, связанного с размерами антенных устройств.
Детальность радиолокационного изображения зависит от линейной разрешающей способности (разрешающей способности по дальности) радиолокатора, которая в радиальном направлении определяется зондирующим сигналом, в поперечном направлении (тангенциальная разрешающая способность) - шириной диаграммы направленности (ДН) и расстоянием до цели.
Задача увеличения разрешающей способности по дальности решается использованием зондирующих сигналов с малой длительностью им-
Летательный аппарат
пульсов или переходом к сложным сигналам - частотно-модулированным либо фазоманипули-рованным.
Повышение тангенциальной разрешающей способности достигается применением в бортовом радиолокаторе антенны, расположенной вдоль фюзеляжа самолета, или синтезированием апертуры антенны при движении летательного аппарата.
Первый путь привел к разработке радиолокаторов бокового обзора . Схема реализации метода представлена на рис. 1. В таких радиолокаторах тангенциальная разрешающая способность тем выше, чем больше продольный размер фюзеляжа летательного аппарата, хотя зависимость от дальности сохраняется.
Разрешающая способность у РЛС этого типа была увеличена примерно в 10 раз по сравнению с панорамными РЛС кругового обзора. И все же эти станции по своим возможностям еще существенно уступают оптическим устройствам.
Вторым, более кардинальным путем является создание радиолокаторов с синтезированием апертуры (РСА) при поступательном движении летательного аппарата.
Огромный вклад в развитие теории РСА внесли известные отечественные ученые А. П. Реутов, Г. С. Кондратенков, П. И. Дудник, Ю. Л. Феоктистов, Н. И. Буренин, Ю. А. Мельник, В. А. Поте-хин и др.
Радиолокаторы с синтезированием апертуры
Сущность метода заключается в излучении РЛС, установленной на подвижном носителе (самолете, космическом аппарате (КА) или беспилотном летательном аппарате), когерентных зондирующих сигналов, приеме соответствующих отраженных сигналов вдоль прямолинейной траектории полета носителя, их запоминании и сложении. В результате сложения принимаемых
сигналов осуществляется сжатие антенного луча и существенно повышается разрешающая способность РЛС вдоль линии пути носителя.
В зависимости от того, компенсируются или нет фазовые набеги при суммировании сигналов, различают фокусированные и несфокусированные РСА. В первом случае обработка сводится к перемещению антенны, запоминанию сигналов, компенсации фазовых набегов и суммированию сигналов, во втором - к тем же операциям, но без компенсации фазовых набегов.
Потенциальная разрешающая способность таких станций приближается к характеристикам оптических средств наблюдения. Эти РЛС дают возможность реализовать высокую линейную разрешающую способность, независимую от дальности наблюдения и длины волны зондирующего сигнала.
В настоящее время существуют три основных режима съемки земной поверхности (рис. 2): маршрутный, обзорный и прожекторный (детальный) .
Современные системы позволяют получать снимки земной поверхности и расположенных на ней объектов с разрешениями порядка 1 м для обзорного и 0,3 м для прожекторного режимов. Существенное влияние на результирующие характеристики РСА оказывают применяемые методы цифровой обработки принятого сигнала .
В маршрутном режиме съемка земной поверхности производится непрерывно в полосе захвата. Сигнал накапливается в течение времени, равного расчетному интервалу синтезирования апертуры антенны для данных условий полета носителя РЛС.
Обзорный режим съемки отличается от маршрутного тем, что съемка непрерывно ведется на всей ширине полосы обзора полосами, равными ширине полосы захвата. Шесть лучей последовательно переключаются по углу места для просмотра всей полосы обзора (рис. 3).
Разделяют боковой и переднебоковой режим в зависимости от ориентации главного лепестка
Прожекторный
ДН антенны. Накопление сигнала осуществляется в течение времени, равного расчетному интервалу синтезирования апертуры антенны для данных условий полета носителя РЛС.
При съемке в прожекторном режиме накопление сигнала происходит на увеличенном, по сравнению с обзорным режимом, интервале. Расширение интервала достигается перемещением главного лепестка ДН антенны, а облучаемый участок постоянно находится в зоне съемки. Это перемещение синхронизировано с движением носителя РЛС.
Для удержания пятна ДН на одном и том же участке поверхности четыре луча последовательно переключаются по азимуту (рис. 4).
Таким образом, анализ основных режимов съемки земной поверхности методом РСА показывает, что:
1) при методе бокового обзора максимальная ширина полосы просматриваемой подстилающей поверхности аналогична ширине просмотра;
2) увеличение линейной разрешающей способности в прожекторном режиме достигается увеличением апертуры, при этом просматриваемая полоса сужается;
3) увеличение линейной разрешающей способности в обзорном режиме осуществляется применением совокупности узконаправленных ДН.
Минимальная линейная разрешающая способность по азимуту 8хш1п для антенн с несфокусированным искусственным раскрывом определяется соотношением
Линейное разрешение по азимуту РЛС с фокусированным искусственным раскрывом определяется выражением
5х - ©Я0 - ^,
где йа - размер раскрыва антенны в заданной плоскости.
Радиолокационная станция с фокусированным искусственным раскрывом позволяет получить, в отличие от несфокусированного, линейное разрешение по азимуту, не зависящее от дальности и длины волны зондирующего сигнала. Разрешающая способность таких РЛС увеличивается с уменьшением размера реальной антенны. Это является существенным преимуществом РСА по сравнению с другими методами зондирования земной поверхности.
Радиолокаторы бокового обзора. Основные соотношения
Определение местоположения цели при боковом обзоре производится в системе координат: путевая дальность х, наклонная дальность Я.
При боковом обзоре ДН антенны перпендикулярна вектору путевой скорости носителя. Определение положения целей на местности осуществляется в прямоугольной системе координат хЯ. Зона обзора представляет собой полосу, параллельную траектории полета носителей (рис. 5, а). Ширина полосы определяется дальностью действия РЛС.
Возможна ориентация ДН антенны под углом к вектору путевой скорости, отличном от л/2.
■ Рис. 4. Прожекторный режим
■ Рис. 5. Схема бокового обзора в прямоугольной (а) и косоугольной (б) системе координат
При этом сужается зона обзора, цели могут обнаруживаться с упреждением (рис. 5, б). В этом случае обзор местности осуществляется в косоугольной системе координат.
Известно, что разрешающая способность РЛС обзора земной поверхности по горизонтальной дальности непосредственно под носителем ухудшается по сравнению с предельной, определяемой длительностью зондирующего импульса . Поэтому за ближайшую границу полосы обзора, где разрешающая способность по дальности ухудшается несущественно, обычно принимают высоту полета носителя.
Метод описывается следующими характеристиками:
Временем облучения;
Дальностью радиолокационного обнаружения;
Разрешающей способностью.
Время облучения
Ттйё _ Щ ’
где © - угловая ширина ДН антенны РЛС в горизонтальной плоскости; W - проекция скорости по направлению пути.
Характерной чертой метода бокового обзора является одноразовое облучение целей. При направлении наблюдения, перпендикулярном вектору путевой скорости, изображение формируется только на траверзе траектории полета.
Второй чертой является увеличение времени облучения цели пропорционально дальности. Это приводит к тому, что энергия отраженных от целей сигналов возрастает с увеличением дальности цели.
Определим дальность радиолокационного обнаружения для случая бокового обзора.
Известно, что дальность обнаружения цели (фона местности) Д0 с эффективной отражающей поверхностью ст при использовании одной приемопередающей антенны имеет вид
64л к0кГоц
где Э - энергия облучения цели; в - коэффициент направленного действия антенны; X - длина волны передатчика РЛС; £ш - коэффициент шума приемного устройства; £ - постоянная Больцмана; Т0 - абсолютная температура (обычно 280 К); "Л = Эс тт/^ш - требуемое значение коэффициента различимости приемного устройства РЛС. Здесь Эс т1п - пороговое значение энергии принимаемого отраженного сигнала, характеризующее чувствительность приемного устройства РЛС; Ыш - спектральная плотность шума на входе приемника: Ыш = £ш£Т0.
Энергия облучения цели (элемента местности) определяется соотношением
V - £Пэ^таё>
где Рср - средняя мощность излучаемого сигнала.
С учетом соотношения для энергии облучения цели получаем формулу для дальности в методе бокового обзора
Рпа©0С2стХ2
64л 1Ак0к7О"п
Анализ выражения показывает наличие возможности увеличить радиус дальности действия рассмотренного метода по сравнению с круговым обзором.
РЛС кругового обзора с синтезированием апертуры на базе КА со стабилизацией вращением. Основные соотношения
Для реализации такого метода просмотра земной поверхности необходимы КА со стабилизацией вращением, РЛС с параболической антенной. ДН антенны имеет относительно местной вертикали угол наклона.
Антенна РЛС за счет кругового вращения корпуса КА, к которому она жестко прикреплена, сканирует подстилающую земную поверхность. Вид проекции ДН антенны в азимутальной и угломестной плоскости на земную поверхность представлен на рис. 6 и 7.
Энергетика РЛС в методе лучше по сравнению с РСА, так как используется более узкая ДН смещенной антенны. Она определяется выбором минимального и максимального угла места наклона ДН антенны.
Рассмотрим положение антенны РЛС в различные моменты времени (рис. 8). Антенна при
Проекция ДН антенны
■ Рис. 6. Вид проекций ДН антенны РЛС на земную поверхность в азимутальной плоскости: Оа - угловая скорость вращения антенны РЛС КА в азимутальной плоскости; Ятах - максимальное расстояние до цели Ц^ V - скорость движения КА
■ Рис. 7. Просмотр полосы обзора антенной РЛС КА
■ Рис. 8. Положения антенны РЛС КА в плоскости вращения в различные моменты времени с учетом поступательного движения и вращения: I - расстояние, которое пролетает КА за полпериода вращения
вращении вокруг местной вертикали с учетом путевой скорости последовательно занимает эти положения (точки 1, 2, 3 и т. д.). Радиус вращения антенны незначителен (порядка нескольких метров). КА движется с первой космической скоростью, и кривая движения антенны превращается практически в прямую за временной промежуток, равный половине периода вращения.
В каждой точке этой кривой электрическая ось антенны будет перпендикулярна к ней. Появляется возможность синтезировать искусственную апертуру.
Местоположение определяется в полярной системе координат. Измеряются дальность R и азимут ß. Высота полета H и угол места у определяются. Азимут цели отсчитывается от направления движения (см. рис. 6).
Радиолокационное наблюдение производят в определенной области пространства, которая называется рабочей зоной, или зоной обзора РЛС. Размеры рабочей зоны определяются интервалами обзора по дальности Rmax - Rmin, азимуту «max - amin, углу места ßmax - ßmin и радиальной скорости Vr max - Vr min. Протяженность каждого указанного интервала определяется числом содержащихся в нем элементов разрешения РЛС по соответствующей координате.
Информацию о наличии целей в различных элементах разрешения рабочей зоны получают в процессе обзора (просмотра) этих элементов. Очередность и время просмотра различных элементов, а также интенсивность сигналов, излучаемых РЛС при просмотре каждого элемента, определяются используемым способом (программой) обзора рабочей зоны.
Обзор элементов рабочей зоны может производиться последовательно во времени или одновременно.
При последовательном обзоре не всегда может быть обеспечен необходимый темп получения информации о наличии и координатах целей в зоне обзора. Это связано с тем, что время облучения цели Т должно превышать максимальное время запаздывания сигнала ттах:
Т> "^шах 2^шах / с
где Ятах - максимальная дальность действия РЛС; с - скорость света.
Время однократного обзора всей зоны Т0 должно удовлетворять условию
Т0 - Т^а, р > (2^Шах / с)^а, р,
где Ыа р - число элементов разрешения по направлению.
При круговом обзоре с синтезированием апертуры должно выполняться определенное соотношение
Т - 2л / Оа.
Число импульсов, отраженных целью за это время, составит
П - Щ - ©Гё / Оа,
где - частота следования импульсов в пачке.
Период обзора рабочей зоны определяет темп поступления информации о наличии цели в зоне и не может превышать некоторого допустимого значения Т0 тах. Если эта величина задана, то
Оа - 2л / ^Ошах.
Это соотношение определяет минимальную угловую скорость вращения ДН антенны РЛС при круговом обзоре с синтезированием апертуры.
Выбором скорости вращения добиваются просмотра земной поверхности без пропусков.
Основные характеристики метода кругового обзора с синтезированием апертуры:
Время облучения цели;
Период обзора и число циклов обзора, приходящихся на каждую цель.
Сравнение метода кругового обзора с синтезированием апертуры с другими методами позволяет сделать следующие выводы.
1. Сканированием ДН приемной антенны обеспечивается просмотр всей подстилающей зем-
ной поверхности без пропусков. При этом угловая разрешающая способность получаемого изображения будет сопоставима с разрешающей способностью РСА в прожекторном режиме.
2. Время облучения практически не зависит от дальности цели.
3. Просмотр подстилающей земной поверхности за один период вращения происходит дважды и зависит от угловой скорости, определяющей количество циклов.
4. Энергетика РЛС значительно выше по сравнению с методом РСА, так как используется более узкая ДН. Цель (элемент местности) находится на направлении наблюдения, перпендикулярном вектору угловой скорости.
5. Выбором угла наклона антенны исключается обзор земной поверхности по горизонтальной
1. Соллогуб А. В. и др. Оценка эффективности кластера малых космических аппаратов дистанционного зондирования Земли по показателям оперативности и надежности выполнения функциональных задач // Информационно-управляющие системы. 2012. № 5(60). С. 24-28.
2. Верба В. С., Неронский Л. Б., Осипов И. Г., Турук В. Э. Радиолокационные системы землеобзора космического базирования / под ред. В. С. Вербы. - М.: Радиотехника, 2010. - 680 с.
3. Виноградов М. Возможности современных РЛС с синтезированием апертуры антенны // Зарубежное военное обозрение. 2009. № 2. С. 52-56.
дальности непосредственно под носителем, где разрешающая способность РЛС крайне низкая.
Заключение
В данной работе рассмотрены основные направления развития радиолокационных систем контроля земной поверхности космического базирования и история создания этих средств. Проанализированы существующие методы, выполнена сравнительная оценка основных технических характеристик. Предложен метод синтезирования апертуры на основе кругового перемещения приемной антенны с использованием КА со стабилизацией вращением. Определены пути улучшения технических характеристик бортового радиолокатора для решения прикладных задач.
4. Сесин А. Е., Шепета Д. А. Математическая модель эхо-сигналов морской поверхности, наблюдаемых бортовыми локаторами летательных аппаратов // Информационно-управляющие системы. 2010. № 2. С. 21-25.
5. Захарова Л. Н. и др. Совместный анализ данных оптических и радиолокационных сенсоров: возможности, ограничения и перспективы // Радиотехника и электроника. 2011. Т. 56. № 1. С. 5-19.
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.