Методы обратного (инверсного) синтезирования апертуры. Разработка рлс бокового обзора с синтезированной апертурой Что такое синтезированная апертура антенны
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.
ЗАРУБЕЖНОЕ ВОЕННОЕ ОБОЗРЕНИЕ № 2/2009, стр. 52-57
Капитан М. ВИНОГРАДОВ ,
кандидат технических наук
Современные радиолокационные средства, устанавливаемые на самолетах и космических аппаратах, в настоящее время представляют один из наиболее интенсивно развивающихся сегментов радиоэлектронной техники. Идентичность физических принципов, лежащих в основе построения этих средств, делает возможным рассмотрение их в рамках одной статьи. Основные различия между космическими и авиационными РЛС заключаются в принципах обработки радиолокационного сигнала, связанными с различным размером апертуры, особенностями распространения радиолокационных сигналов в различных слоях атмосферы, необходимостью учета кривизны земной поверхности и т. д. Несмотря на подобного рода различия, разработчики РЛС с синтезированием апертуры (РСА) прилагают все усилия для того, чтобы добиться максимальной схожести возможностей данных средств разведки. »
В настоящее время бортовые РЛС с синтезированием апертуры позволяют решать задачи видовой разведки (вести съемку земной поверхности в различных режимах), селекции мобильных и стационарных целей, анализа изменений наземной обстановки, осуществлять съемку объектов, скрытых в лесных массивах, обнаружение заглубленных и малоразмерных морских объектов.
Основным назначением РСА является детальная съемка земной поверхности.
За счет искусственного увеличения апертуры бортовой антенны, основной принцип которого заключается в когерентном накоплении отраженных радиолокационных сигналов на интервале синтезирования, удается получить высокое разрешение по углу. В современных системах разрешение может достигать десятков сантиметров при работе в сантиметровом диапазоне длин волн. Аналогичные значения разрешения по дальности достигаются за счет применения внутриимпульсной модуляции, например, линейно-частотной модуляции (ЛЧМ). Интервал синтезирования апертуры антенны прямо пропорционален высоте полета носителя РСА, что обеспечивает независимость разрешения съемки от высоты.
Рис. 3. Вид изображений при разных уровнях детализации
В настоящее время существуют три основных режима съемки земной поверхности: обзорный, сканирующий и детальный (рис. 1). В обзорном режиме съемка земной поверхности осуществляется непрерывно в полосе захвата, при этом разделяют боковой и переднебоковой режим (в зависимости от ориентации главного лепестка диаграммы направленности антенны). Накопление сигнала осуществляется в течение времени, равного расчетному интервалу синтезирования апертуры антенны для данных условий полета носителя РЛС. Сканирующий режим съемки отличается от обзорного тем, что съемка ведется на всей ширине полосы обзора, полосами равными ширине полосы захвата. Данный режим используется исключительно в РЛС космического базирования. При съемке в детальном режиме накопление сигнала осуществляется на увеличенном по сравнению с обзорным режимом интервале. Увеличение интервала осуществляется за счет синхронного с движением носителя РЛС перемещения главного лепестка диаграммы направленности антенны таким образом, чтобы облучаемый участок постоянно находился в зоне съемки. Современные системы позволяют получать снимки земной поверхности и расположенных на ней объектов с разрешениями порядка 1 м для обзорного и 0,3 м для детального режимов. Компания «Сандия» анонсировала создание РСА для тактических БЛА, имеющего возможность вести съемку с разрешением 0,1 м в детальном режиме. Существенное значение на результирующие характеристики РСА (в плане съемки земной поверхности) оказывают применяемые методы цифровой обработки принятого сигнала, важной составляющей которых являются адаптивные алгоритмы коррекции траекторных искажений. Именно невозможность выдерживать в течение длительного времени прямолинейную траекторию движения носителя не позволяет получать в непрерывном обзорном режиме съемки разрешения сопоставимые с детальным режимом, хотя никаких физических ограничений на разрешение в обзорном режиме не существует.
Режим инверсного синтезирования апертуры (ИРСА) позволяет осуществлять синтезирование апертуры антенны не за счет движения носителя, а за счет движения облучаемой цели. При этом речь может идти не о поступательном движении, характерном для наземных объектов, а о маятниковом движении (в разных плоскостях), характерном для плавучих средств, раскачивающихся на волнах. Данная возможность определяет основное назначение ИРСА - обнаружение и идентификация морских объектов. Характеристики современных ИРСА позволяют уверенно обнаруживать даже малоразмерные объекты, такие как перископы подводных лодок. Вести съемку в данном режиме имеют возможность все самолеты, состоящие на вооружении ВС США и других государств, в задачи которых входит патрулирование береговой зоны и акваторий. Получаемые в результате съемки изображения по своим характеристикам аналогичны изображениям, получаемым в результате съемки с прямым (неинверсным) синтезированием апертуры.
Режим интерферометрической съемки (Interferometric SAR - IFSAR) позволяет получать трехмерные изображения земной поверхности. При этом современные системы имеют возможность вести одноточечную съемку (то есть использовать одну антенну) для получения трехмерных изображений. Для характеристики данных изображений помимо обычного разрешения вводится дополнительный параметр, называемый точность определения высоты, или разрешение по высоте. В зависимости от значения данного параметра определяют несколько стандартных градаций трехмерных изображений (DTED - Digital Terrain Elevation Data):
DTEDO.............................. 900м
DTED1.............................. 90m
DTED2............................ 30m
DTED3.............................. 10m
DTED4............................ Зм
DTED5.............................. 1 м
Вид изображений урбанизированной территории (модель), соответствующий различным уровням детализации, представлен на рис. 3.
Уровни 3-5 получили официальное название «данных с высоким разрешением» (HRTe - High Resolution Terrain Elevation data ). Определение местоположения наземных объектов на изображениях уровня 0-2 ведется в системе координат WGS 84, отсчет высоты осуществляется относительно нулевой отметки. Система координат изображений с высоким разрешением в настоящий момент не стандартизирована и находится на стадии обсуждения. На рис. 4 представлены фрагменты реальных участков земной поверхности, полученные в результате стереосъемки с различным разрешением.
В 2000 году американский МТКК «Шаттл» в рамках проекта SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), целью которого являлось получение картографической информации крупных масштабов, выполнил интерферометрическую съемку экваториальной части Земли в полосе от 60° с. ш. до 56° ю. ш., получив на выходе трехмерную модель земной поверхности в формате DTED2. Для получения детальных трехмерных данных в США разрабатывается проект NGA HRTe? в рамках которого будут доступны изображения уровней 3-5.
Помимо радиолокационной съемки открытых участков земной поверхности, бортовая РЛС имеет возможность получать изображения сцен, скрытых от глаз наблюдателя. В частности, она позволяет обнаруживать объекты, скрытые в лесных массивах, а также, находящиеся под землей.
Проникающая РЛС (GPR, Ground Penetrating Radar) - система дистанционного зондирования, принцип действия которой основан на обработке сигналов, отраженных от деформированных или отличающихся по своему составу участков, находящихся в однородном (или относительно однородном) объеме. Система зондирования земной поверхности позволяет обнаруживать находящиеся на различной глубине пустоты, трещины, заглубленные объекты, выявлять участки различной плотности. При этом энергия отраженного сигнала сильно зависит от поглощающих свойств почвы, размеров и формы цели, степени неоднородности граничных областей. В настоящее время GPR помимо военно-прикладной направленности развился в коммерчески выгодную технологию.
Зондирование земной поверхности происходит путем облучения импульсами с частотой 10 МГц - 1,5 ГГц. Облучающая антенна может находиться на земной поверхности или расположена на борту летательного аппарата. Часть энергии облучения отражается от изменений в подповерхностной структуре земли, большая же часть проникает дальше в глубину. Отраженный сигнал принимается, обрабатывается, и результаты обработки отображаются на дисплее. При движении антенны генерируется непрерывное изображение, отражающее состояние подповерхностных слоев почвы. Так как фактически отражение происходит из-за различия ди-электрических проницаемо-стей различных веществ (или разных состояний одного вещества), то зондированием можно выявлять большое количество естественных и искусственных дефектов в однородной массе подповерхностных слоев. Глубина проникновения зависит от состояния почвы на месте облучения. Уменьшение амплитуды сигнала (поглощение или рассеяние) в значительной мере зависит от ряда свойств почвы, основное из которых - ее электропроводность. Так, оптимальными для зондирования являются песчаные почвы. Гораздо менее пригодны для этого глинистые и очень влажные почвы. Хорошие результаты показывает зондирование сухих материалов, таких как гранит, известняк, бетон.
Разрешение при зондировании может быть улучшено за счет повышения частоты излучаемых волн. Однако увеличение частоты отрицательно сказывается на глубине проникновения излучения. Так, сигналы с частотой 500-900 МГц могут проникать на глубину 1-3 м и обеспечивают разрешение до 10 см, а с частотой 80-300 МГц проникают на глубину 9-25 м, но разрешение составляет порядка 1,5 м.
Основным военным назначением РЛС подповерхностного зондирования является обнаружение заложенных мин. При этом РЛС, установленная на борту летательного аппарата, например вертолета, позволяет непосредственно вскрывать карты минных полей. На рис. 5 представлены изображения, полученные с помощью РЛС, установленной на борту вертолета, отражающие расположение противопехотных мин.
Бортовая РЛС, предназначенная для обнаружения и слежения за объектами, скрытыми в лесных массивах (FO - PEN - FOliage PENetrating ), позволяет обнаруживать малоразмерные объекты (движущиеся и стационарные), скрытые кронами деревьев. Съемка объектов, скрытых в лесных массивах, ведется аналогично обычной съемке в двух режимах: обзорном и детальном. В среднем в обзорном режиме ширина полосы захвата составляет 2 км, что позволяет получать на выходе изображения участков земной поверхности 2x7 км; в детальном режиме съемка осуществляется участками 3x3 км. Разрешение съемки зависит от частоты и варьируется от 10 м при частоте 20-50 МГц до 1 м при частоте 200-500 МГц.
Современные методы анализа изображений позволяют с достаточно высокой вероятностью обнаруживать и производить последующую идентификацию объектов на полученном радиолокационном изображении. При этом обнаружение возможно на снимках как с высоким (менее 1 м), так и с низким (до 10 м) разрешением, в то время как для распознавания требуются изображения с достаточно высоким (порядка 0,5 м) разрешением. И даже в этом случае можно говорить в большей части только о распознавании по косвенным признакам, поскольку геометрическая форма объекта очень сильно искажена из-за наличия сигнала, отраженного от лиственного покрова, а также вследствие появления сигналов со смещением частоты за счет доплеровского эффекта, возникающего в результате колебания листвы на ветру.
На рис. 6 представлены изо-бражения (оптическое и радиолокационное) одного и того же участка местности. Объекты (колонна машин), невидимые на оптическом изображении, хорошо видны на радиолокационном, однако осущест-вить идентификацию данных объектов, абстрагировавшись от внешних признаков (движение по дороге, расстояние между машинами и т. д.), невозможно, так как при данном разрешении информация о геометрической структуре объекта отсутствует полностью.
Детальность получаемых радиолокационных изображений позволила реализовать на практике еще ряд особенностей, которые, в свою очередь, сделали возможным решение ряда важных практических задач. К одной из таких задач относится отслеживание изменений, произошедших на некотором участке земной поверхности за определенный период времени - когерентное детектирование. Длительность периода обычно определяется периодичностью патрулирования заданного района. Отслеживание изменений осуществляется на основе анализа покоординатно совмещенных изображений заданного района, полученных последовательно друг за другом. При этом возможны два уровня детализации анализа.
Первый уровень предполагает обнаружение значительных изменений и основывается на анализе амплитудных отсчетов изображения, несущих основную визуальную информацию. Чаще всего в эту группу относятся изменения, которые сможет увидеть человек, просматривая одновременно два сформированных радиолокационных изображения. Второй уровень базируется на анализе фазовых отсчетов и позволяет выявлять изменения, невидимые человеческому глазу. К таковым можно отнести появление следов (машины или человека) на дороге, изменение состояния окон, дверей («открыто - закрыто») и т. д.
Рис. 5. Карты минных полей в трехмерном представлении при съемке в различных поляризациях: модель (справа), пример изображения реального участка земной поверхности со сложной подповерхностной обстановкой (слева), полученного с помощью РЛС, установленной на борту вертолета
Другой интересной возможностью РСА, также анонсированной компанией «Сандия», является радиолокационная видеосъемка. В данном режиме дискретное формирование апертуры антенны от участка к участку, характерное для непрерывного обзорного режима, заменено на параллельное многоканальное формирование. То есть в каждый момент времени синтезируется не одна, а несколько (количество зависит от решаемых задач) апертур. Своего рода аналогом количества формируемых апертур является частота кадров в обычной видеосъемке. Данная возможность позволяет реализовывать селекцию движущихся целей на базе анализа полученных радиолокационных изображений, применяя принципы когерентного детектирования, что является по своей сути альтернативой стандартным РЛС, осуществляющим селекцию движущихся целей на основе анализа до-плеровских частот в принятом сигнале.
Эффективность реализации подобных селекторов движущихся целей весьма сомнительна ввиду значительных аппаратно-программных затрат, поэтому подобные режимы с большой вероятностью так и останутся не более чем изящным способом решения задачи селекции, несмотря на открывающиеся возможности селектировать цели, движущиеся с очень низкими скоростями (менее 3 км/ч, что недоступно доплеровским СДЦ). Непосредственно видеосъемка в радиолокационном диапазоне в настоящее время также не нашла применения, опять же из-за высоких требований к быстродействию, поэтому действующих образцов военной техники, реализующих на практике данный режим, нет.
Логическим продолжением совершенствования техники съемки земной поверхности в радиолокационном диапазоне является развитие подсистем анализа полученной информации. В частности, важное значение приобретает разработка систем автоматического анализа радиолокационных изображений, позволяющих обнаруживать выделять и распознавать наземные объекты, попавшие в зону съемки. Сложность создания подобных систем связана с когерентной природой радиолокационных изображений, явления интерференции и дифракции в которых приводят к появлению артефактов - искусственных бликов, аналогичных тем, которые появляются при облучении цели с большой эффективной поверхностью рассеяния. Кроме того, качество радиолокационного изображения несколько ниже, чем качество аналогичного (по разрешению) оптического изображения. Все это приводит к тому, что эффективных реализаций алгоритмов распознавания объектов на радиолокационных изображениях в настоящее время не существует, но количество работ, проводимых в данной области, определенные успехи, достигнутые в последнее время, позволяют предположить, что в недалеком будущем можно будет вести речь об интеллектуальных беспилотных разведывательных аппаратах, имеющих возможность производить оценку наземной обстановки по результатам анализа информации, полученной собственными бортовыми средствами радиолокационной разведки.
Другим направлением развития является комплексирование, то есть согласованное объединение с последующей совместной обработкой, информации от нескольких источников. Это могут быть РЛС, ведущие съемку в различных режимах, либо РЛС и другие средства разведки (оптические, ИК, многоспектральные и т. п.).
Таким образом, современные РЛС с синтезированием апертуры антенны позволяют решать широкий спектр задач, связанных с ведением радиолокационной съемки земной поверхности независимо от времени суток и погодных условий, что делает их важным средством добывания информации о состоянии земной поверхности и находящихся на ней объектах.
Для комментирования необходимо зарегистрироваться на сайте
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
Техническое задание
Разработать РТС :
Тип РТС ……………....самолётная;
Назначение. ……………РЛС бокового обзора с синтезированной апертурой;
Тактико-технические характеристики разрабатываемой РТС:
1 Анализ технического задания
В самолётных РЛС существуют жёсткие ограничения на габариты антенн, что препятствует достижению разрешающей способности по азимуту.
Для преодоления этого препятствия используют один из двух методов, реализуемых в РЛС бокового обзора. В первом случае антенна располагается вдоль фюзеляжа, что позволяет существенно увеличить её размеры и улучшить за счёт этого разрешающую способность. При втором методе используется искусственное увеличение размеров антенны за счет, так называемого, синтезирования апертуры.
По техническому заданию требуется разработать самолётную РЛС бокового обзора с синтезированной апертурой. В таких РЛС антенна больших размеров устанавливается неподвижно вдоль фюзеляжа самолёта. Луч антенной системы направлен перпендикулярно оси самолёта. Обычно устанавливаются две антенны, лучи которых направлены вправо и влево от направления полета. Просмотр заданного участка земной поверхности происходит благодаря перемещению самого летательного аппарата во время полёта (рисунок 1).
 |
Рисунок 1 – Принцип обзора пространства в направлении, перпендикулярном оси самолёта.
Принцип работы РЛС с синтезированием апертуры (РСА) основан на создании эквивалентных апертур с увеличенной эффективной длиной, что достигается с помощью специальных методов обработки сигналов, а не увеличением физических размеров апертуры реальной антенны. В РСА используется всего один излучающий антенны элемент (реальная антенна), который последовательно занимает положение вдоль траектории полёта. В каждом из этих положений излучаются и принимаются сигналы (Рисунок 2).
Отраженные от целей сигналы как амплитуда, так и фаза принятых сигналов.запоминаются в устройстве памяти,
Рисунок 2 – Принцип формирования искусственного (синтезированного) раскрыва.
После результирующего перемещения излучающего элемента на величину сигналы в запоминающем устройстве становятся весьма схожими с сигналами, которые принимались элементами реальной линейной решётки. Если сигналы в ЗУ обрабатывать по такому же алгоритму, что и при формировании реальной линейной решётки, то получим эффект приёма сигналов на антенну больших размеров (метод «синтезирования апертуры»).
Кроме того, в РСА сигналы в ЗУ можно селектировать по дальности и при необходимости сигналы разных дальностей можно обрабатывать различным образом (фокусировка).
При развороте самолет начинает крениться, в результате чего возникает ошибка измерения высоты. Чтобы исключить ошибку необходимо закрепить антенну на балансирующем устройстве, в результате работы которого главный лепесток диаграммы направленности антенны направляется перпендикулярно земной поверхности.
Обычно в РТС бокового обзора используют сигнал с импульсной модуляцией.
Антенна имеет косекансную диаграмму направленности.
Для того чтобы не ухудшать аэродинамических свойств самолета, антенну помещают под специальный обтекатель, который не препятствуют прохождению радиосигнала. В расчетах необходимо учесть, что самолет находится над разными типами земной поверхности, которые обладают различными отражающими свойствами.
2 Особенности построения некоторых блоков РЛС с синтезированной апертурой.
Антенна
Горизонтальный размер апертуры антенны РСЛ определяет линейную разрешающую способность по азимуту, практически достижимую в РЛС с синтезированием апертуры. При обработке сигналов принимается, что КНД реальной антенны при пролёте летательного аппарата остаётся постоянным. Следовательно, необходимо иметь стабилизацию ДН антенны, чтобы остаточные колебания луча были значительно меньше ширины ДН. В большинстве случаев антенна устанавливается в боковом направлении.
Приёмопередатчик
В РЛС с синтезированием апертуры должен обеспечивать высокую когерентность сигналов. Следовательно, предъявляются более жесткие требования к стабильности частоты генераторов и параметров элементов. Выходной сигнал когерентной РЛС представляет собой напряжение на выходе синхронного детектора. Выходной сигнал является биполярным видеосигналом, в котором уровень опорного смещения соответствует нулевому смещению сигнала.
Запись сигналов и запоминание.
Характерной особенностью РСА является необходимость запоминания принимаемых сигналов, так как необходимые для формирования синтезированной ДН сигналы поступают на вход не одновременно, а на протяжении определённого интервала времени. Обработка запомненных сигналов и позволяет получить высокую разрешающую способность. Один и тот же сигнал используется для формирования выходных сигналов для большого числа точек радиолокационного изображения. Требования к ёмкости устройств памяти весьма высоки. В РЛС с высокой разрешающей способностью требуется большой объём памяти, поэтому в них обычно используют фотографическое запоминающее устройство.
Методы обратного (инверсного) синтезирования апертуры
При использовании единой антенны на передачу
Обеспечивается такое же
разрешение, как и при синтезировании апертуры за счет движения приемопередающей антенны РЛС:
, что обеспечивает угловое разрешение
Методы синтезирования, основанные на использовании перемещения и (или) вращения цели, получили название обратное (инверсное) синтезирование. Характерными примерами использования обратного синтезирования являются:
получение радиолокационных портретов морских целей (кораблей) за счет использования их качки и рыскания по курсу;
распознавания групповых воздушных целей;
оценка ЭПР элементов цели, разрешаемых за счет их вращения на стенде и др.
Рассмотрим траекторный сигнал РЛС при обратном синтезировании апертуры. Фаза и задержка траекторного сигнала как основные источники информации о цели определяются изменением расстояния до элементов цели в процессе синтезирования апертуры. В общем случае расстояние изменяется вследствие перемещения цели относительно РЛС и вращения цели. При этом цель может одновременно вращаться в различных плоскостях с различной угловой скоростью.
Радиальная скорость цели в направлении РЛС.
А доплеровская частота
, без учета начальной фазы
Образуется вследствие радиального перемещения одновременно всех элементов цели относительно РЛС. Обычно производится оценка и компенсация этой частоты в сигнале.
Образуется в результате линейной
относительно центра вращения цели. Разрешение элементов цели по частотной модуляции траекторных сигналов при малом размере синтезирования апертуры невелико. Поэтому разрешение по дальности обеспечивается модуляцией зондирующего сигнала. При этом в алгоритме обработки траекторного сигнала необходимо учитывать изменение как частоты сигнала, так и его задержки
будут связаны следующим условием
(8.59)
А координата
Для методов обратного синтезирования применительно к РЛС землеобзора характерны следующие основные особенности:
цель движется как единый объект, т.е. отдельные элементы цели перемещаются по взаимосвязанным траекториям;
при наблюдении одиночных объектов, например кораблей, размер зоны обзора определяется размером объекта;
разрешение по угловой координате определяется углом поворота цели относительно направления на РЛС за время синтезирования;
угловой размер апертуры обычно не превышает десятка градусов, так как при этом уже достигается разрешение порядка нескольких длин волн;
разрешение по дальности обеспечивается, как и при прямом синтезировании, за счет модуляции зондирующего сигнала;
параметры траекторного сигнала определяются параметрами движения цели (векторами линейной и угловой скоростей), которые в большинстве случаев неизвестны наблюдателю. Это требует адаптивной к параметрам движения цели обработки траекторного сигнала и большого объема априорных сведений о цели.
Полоса доплеровских частот траекторного сигнала и, следовательно, требуемая частота повторения зондирующих импульсов определяются размером цели (зоны обзора) по азимуту:
Образованный одновременным перемещением цели в различных плоскостях, не перпендикулярен направлению наблюдения. Тогда вектор скорости
Масштаб изображения цели по азимуту, как и ранее, определяется угловой скоростью вращения цели
(8.61)
Применение метода обратного синтезирования в РЛС землеобзора. В РЛС землеобзора этот метод используется для получения изображений морских целей (кораблей). Он дает возможность получения высокого разрешения в передней зоне обзора РСА, так как необходимый угловой размер синтезированной апертуры обеспечивается за счет собственного движения (перемещения и вращения) корабля. Кроме того, обратное синтезирование апертуры позволяет получить высокое разрешение не только в плоскости дальность - азимут, но и в плоскости дальность - угол места. Применительно к наблюдению кораблей это позволяет получить изображение вертикального контура надстроек кораблей, что особенно важно при решении задачи распознавания морских целей.
Одновременно с перемещением по курсу при волнении моря корабль испытывает также колебания корпуса вокруг центра масс. Для задач обратного синтезирования обычно используют рыскание по курсу, килевую и бортовую качку корабля. Рыскание по курсу (рис. 8.23,а) соответствуют вращению корабля относительно вертикальной оси. Килевая качка (попеременный дифферент на нос и на корму) соответствует вращению корабля относительно поперечной горизонтальной оси (рис. 8.23,6). Попеременный крен (бортовая качка) на левый и правый борт соответствует вращению корабля относительно продольной горизонтальной оси (рис. 8.23,в). На рис. 8.23 все оси вращения перпендикулярны плоскости рисунка.
Вращение корабля (качка, рыскание) носят периодический характер, т.е. угол отклонения корабля от равновесного (нормального) положения изменяется в соответствии с гармоническим законом:
Период колебаний. Угловая скорость вращения изменяется по гармоническому закону:
Максимальное значение скорости
достигается в момент прохождения равновесного (как при отсутствии волнения моря) положения корабля.
Определяется многими факторами: высотой волн, направлением бега волн относительно курса корабля, скоростью движения и конструкцией корабля. Большой корабль как колебательная система эквивалентен узкополосному фильтру, и параметры его колебаний (амплитуду и период) можно считать постоянными за время синтезирования порядка долей секунд, С уменьшением водоизмещения корабля (менее 1000 т) амплитуда и период отклонения уже зависят от характеристик волнения моря и носят случайный характер. Обычно считают, что угол р является узкополосным нормальным процессом.
В табл. 8.3 даны оценочные значения характеристик колебаний кораблей различного типа при волнении моря 5-6 баллов.
Если линия визирования корабля перпендикулярна оси угловых колебаний (вращения), возможно получение изображения корабля в различных плоскостях. Килевая качка обеспечивает получение изображения вдоль корабля и его надстроек, качка по крену - изображение в боковом направлении корабля и надстроек, рыскание по курсу - изображение корабля в горизонтальной плоскости. Движение корабля с постоянными скоростью и курсом эквивалентно движению РЛС при неподвижном корабле и обеспечивает изображение в горизонтальной плоскости. В реальной ситуации одновременно существуют все виды колебаний корабля, что затрудняет определение положения плоскости изображения относительно корабля. В то же время, наблюдая динамическое изображение корабля, т.е. изображение, изменяющееся в зависимости от фазы колебаний корабля во время синтезирования, можно эффективно распознавать его класс.
Расстояния
от надстройки на высоте Ь до РЛС (рис. 8.24) определяется выражением
где Ь - высота элемента надстройки, отсчитываемая от оси вращения корабля.
(в радианах), изменение расстояние до РЛС и, следовательно, фазы отраженного сигнала можно представить в виде
Через ноль, когда угловая скорость отклонения максимальна (см. 8.64):
Изменяется незначительно и каждому элементу надстройки по высоте соответствует своя доплеровская частота
за время синтезирования
получим разрешение по высоте надстройки корабля
Алгоритм обработки сигналов сводится к доплеровской фильтрации в каждом элементе разрешения по наклонной дальности. Полученные зависимости справедливы и при килевой качке корабля и радиолокационном наблюдении в передней зоне обзора РЛС на встречных курсах самолета - носителя РСА и корабля (рис. 8.25). Разрешение по доплеровской частоте в этом случае соответствует разрешению по высоте надстройки Ь, а разрешение по задержке зондирующего импульса соответствует разрешению вдоль корабля.
При увеличении времени синтезирования начинают сказываться изменения доплеровской частоты и задержки сигнала, что необходимо учитывать в алгоритме обработки. Предельное разрешение без учета изменений задержки и частоты ограничено величиной (8.59)
При постоянном времени синтезирования разрешение будет ухудшаться.
можно получить, измеряя характеристики сигнала в каждом доплеровском канале на выходе моноимпульсной антенны.
Упрощенная структурная схема РСА при обратном синтезировании по морским целям представлена на рис. 8.26. Антенная система формирует три пространственных канала приема: суммарный и два разностных (в горизонтальной и вертикальной плоскостях). После преобразования на промежуточной частоте принимаемые сигналы с помощью фазовых детекторов и АЦП превращаются в цифровые сигналы. Система слежения по частоте определяет среднюю доплеровскую частоту принимаемых сигналов и ее изменение для компенсации в процессе обработки сигналов (автофокусировка), а также измеряет изменение задержки огибающей сигналов для ее компенсации при синтезировании апертуры. Система измерения вектора угловой скорости вращения (колебания) корабля обеспечивает определение масштаба и ориентации в пространстве изображения корабля.
Перемещение цели, так же как и движение носителя РЛС, создает эффект синтезирования апертуры, угловой размер которой определяется взаимным угловым перемещением РЛС и цели. Покажем это на примере разрешения элементов групповой цели (рис, 8.27), состоящей из двух синхронно движущихся малоразмерных объектов (точечных целей).
Доплеровская частота изменяется так, что разница частот сигналов двух целей, движущихся с одинаковой скоростью, составляет
Соответственно тангенциальные составляющие скорости РЛС и целей.
- угловая скорость вращения линии визирования
РЛС - цель.
Алгоритм обработки траекторного сигнала при наблюдении груп новой цели определяется фазовой структурой сигнала, которая в свою очередь зависит от взаимного перемещения (траекторий) РЛС и целей.
При прямолинейных траекториях и постоянных скоростях движения относительное расстояние РЛС - цель (см. рис. 8.27)
Фазовая функция траекторного сигнала (без учета несущественной начальной фазы)
Соответственно доплеровская частота траекторного сигнала
Для цели, смещенной на угол А 6 , доплеровская частота траекторного сигнала
В общем случае неизвестны, требуется
адаптивная к этим параметрам система обработки, например с помощью автофокусировки.
При энергичном маневре самолетов
см время синтезирования может изменяться от 0,5 до 0,05 с. При адаптивной обработке, например автофокусировке, это время может быть значительно увеличено.
