Глава 14. Радиолокаторы с синтезированной апертурой

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

где Здесь и далее огибающая сигнала выражена через ДНА реальной антенны и значение амплитуды сигнала равно при

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

или

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

или

где

Устройство обработки сигналов с таким фильтром будет оптимальным только для дальности Это обстоятельство объясняет название фокусированный РСА: радиолокатор оказывается "сфокусированным" на данную дальность. Кроме того, фильтр является оптимальным только при определенной скорости носителя радиолокатора.

Оптимальное устройство обработки сигналов при синтезировании апертуры состоит (рис. 14.10) из фильтра согласованного с одиночным импульсом, устройства запоминания сигналов на периодов повторения, весовых усилителей с коэффициентами усиления фазовращателей и сумматора сигналов. При нефокусированной обработке, которая не является оптимальной, фазовращатели отсутствуют. Следует учитывать, что зависят от и система обработки многоканальна по дальности с числом каналов

Таким образом, алгоритм фокусированной обработки имеет вид

а нефокусированной -

Рис. 14.10. Коэффициенты усиления и фазовые сдвиги в фазовращателях (а); структура устройства оптимальной обработки сигнала в РЛ с СА (б)

Увеличение разрешающей способности в тангенциальном направлении наталкивается на такие ограничения, как траекторные и аппаратурные дестабилизирующие факторы, которые приводят к отклонению фазы траекторного сигнала от квадратической аппроксимации.

Фазовое рассогласование определяется отличиями принятой модели и реальной траектории

Неравенство (14.9), определяет допустимые погрешности при "фокусированной обработке" и размеры синтезированной апертуры.

На рис. 14.11 представлены зависимости аппроксимирующей и наклонной дальностей как функции смещения ЛА по траектории или времени

Подставляя в (14.9) значения дальностей, выраженные через параметры траектории ЛА, и учитывая предельно допустимое значение и размеры синтезированной апертуры антенны, приходим к уравнению

Рис. 4.11. Зависимости аппроксимирующей и наклонной дальностей как функции смещения ЛА по траектории или времени

Решение уравнения (14.10) ограничивает размеры синтезированной апертуры:

Здесь учтено значение синтезированной апертуры при нефокусированной обработке, для которой допустимая фазовая погрешность определяется значением (рис. 14.11):

Тангенциальная разрешающая способность, реализуемая РЛС с СА,

С учетом выражения (14.12), находим тангенциальную разрешающую способность при фокусированной обработке с квадратической аппроксимацией наклонной дальности: