3. РЛС с синтезированной апертурой [47, 136]

Рассмотренные способы голографпческой обработки радиосигналов позволяют оптимальным образом использовать содержащуюся в отраженном сигнале информацию только при условии, что распределение фазы по апертуре антенны является стационарным, т. е. за время экспонирования пленки распределение яркостей по ее площади сколько-нибудь заметно не меняется.

При относительном перемещении ГРЛС и наблюдаемых объектов фазовое и яркостное распределения будут меняться из-за эффекта Допплера, искажая голограмму и ухудшая разрешающую способность. Однако, если закон изменения разности фаз зондирующего и отраженного сигналов известен, его можно учесть при обработке. Примером использования априорно известного закона изменения текущей разности фаз может служить обработка сигналов в РЛС с синтезированной за счет движения объекта апертурой антенны. Эти РЛС появились и развивались независимо от успехов голографии. Более того, по практическому применению они существенно опередили голографию, но впоследствии сопоставление идей голографии с методами формирования искусственной апертуры показало их общность. Непринципиальное отличие этих двух способов повышения угловой разрешающей способности состоит в том, что в истинно голографических РЛС голограмма формируется и фиксируется сразу по всей апертуре, а в РЛС с боковым обзором она формируется и фиксируется последовательно в течение всего времени облучения цели. Кроме того, в РЛС с формированием апертуры за счет движения антенны образуется линейная, а не площадная голограмма, поэтому можно повысить разрешение только по одной координате, совпадающей с направлением движения.

Кратко рассмотрим принцип действия РЛС с искусственной апертурой.

Пусть на самолете, летящем со скоростью по направлению оси установлена когерентная РЛС с антенной, ось диаграммы направленности которой нормальна к вектору (рис. 8.19). Считаем, что в поле зрения РЛС находится точечная цель

Если РЛС использует многохроматический сигнал

то в раскрыве антенны сигнал, рассеянный точечной целью, можно представить в виде

Рис. 8.19.

Огибающая близка по форме к амплитудной диаграмме используемой антенны. Можно считать, что амплитудное распределение по апертуре, длина которой несущественно влияет на результаты обработки. Время запаздывания сигнала При для можно принять аппроксимацию

где интервал между осью и осью диаграммы направленности антенны РЛС. Так как то принимаемый сигнал будет описываться выражением

где -постоянный сдвиг фазы (неизвестная начальная фаза). Отсутствие точной информации о координате дальности до цели искажает голограмму, поэтому оказывается необходимым исключить влияние фазы

За счет движения самолета на входе приемника РЛС формируется импульс длительностью Частота колебаний, заполняющих импульс, меняется в пределах его длительности по закону

где момент нахождения цели на траверзе полета. В поле зрения РЛС могут находиться цели с различными координатами Для целей, удаленных от х на изменение

допплеровской частоты будет происходить со сдвигом во времени

Сигналы целей, отличающихся по координате на величину различаются допплеровским сдвигом частоты

Сигналы, отраженные от целей, находящихся на различных дальностях, выступают как взаимные помехи. Для их устранения используется работа РЛС в режиме излучения коротких когерентных импульсов.

Быстрые изменения фазы не несут информации. Поэтому в тех случаях, когда не требуется сохранять несущую частоту для решения задачи обработки сигнала, этот неинформативный параметр устраняют фазовым детектированием с использованием опорного несущего колебания (8.4.62). Обычно фазовому детектированию предшествует понижение несущей частоты путем синхронного гетеродинирования зондирующего и принятого сигналов. Чтобы избавиться от влияния неизвестной начальной фазы используют два квадратурных фазовых детектора, у которых, как известно, опорные колебания сдвинуты по фазе на Фазовый детектор осуществляет операцию умножения сигналов с последующим усреднением произведения в интервале времени

Предполагая, что применение квадратурного фазового детектора с последующим сложением сигналов устраняет влияние начальной фазы и воспользовавшись правилом скалярного умножения векторов (8.4.62) и (8.4.63), получаем

Сравнивая (8.4.66) с основным уравнением голографии (8.4.31), убеждаемся, что их полезные составляющие полностью совпадают. Действительно, содержит информацию об амплитудном распределении сигнала цели по апертуре а фазовые множители полностью совпадают,

Поскольку заменив можно перейти к пространственным частотам, так что

Естественно, что фиксируется действительная часть сигнала (8.4.67). Так как прозрачность пленки может меняться только от до 1, то необходимо наряду с сигналом (8.4.67) фиксировать некоторый средний уровень записи и тогда уравнение голографии для примет вид

где функция, несущая информацию об амплитудном распределении поля по апертуре и меняющаяся от до 0,5. Уравнение (8.4.68) показывает, что голограмма точечной цели будет представлять собой для каждого элемента разрешения серию чередующихся по координате х темных и светлых участков в соответствии с изменением пространственной частоты

Применяют еще один тип РЛС, в которых по существу реализуются идеи голографии. Это РЛС, использующие импульсы с высокочастотным заполнением, модулированным по линейному закону (ЛЧМ импульсы).

Обратившись снова к (8.4.64) замечаем, что высокочастотное заполнение импульсов РЛС с синтезируемой апертурой также является линейно-модулированным по частоте.

Задача системы обработки в обоих случаях состоит в определении центра тяжести импульса. Замеченная аналогия позволила распространить идеи голографии и на РЛС с ЛЧМ сигналами. Запись отраженного ЛЧМ импульса полностью аналогична (8.4.68), но будет сжата в раз по продольной координате. Найдем уравнение для транспаранта (лист прозрачного материала с нанесенными на него темными полосами), наложив который на запись голограммы (8.4.68),

можно было бы определить координату точечной цели, находящейся на дальности Для этого необходимо и достаточно воспроизвести распределение яркостей по обеим координатам в соответствии с (8.4.68).

Очевидно, что светлым полосам будет соответствовать темным — т. е. от полосы к полосе должна возникнуть разность фаз, равная Естественно, что транспарант должен изготавливаться в масштабе, в котором ведется запись, т. е. где -масштаб записи. Поскольку транспарант является копией голограммы для точечной цели, необходимо и достаточно перемещать его относительно записи и в момент совпадения полос на обоих изображениях фиксировать координату цели

Реально процесс обработки выглядит сложнее, так как превращение голограммы в панораму местности требует одновременной ее обработки по интервалам дальностей. К настоящему времени предложено большое количестгс способов автоматизации этого процесса в РЛС с синтезированием апертуры за счет движения антенны [134, 136, 81].

При рассмотрении вопроса о помехоустойчивости РЛС подобного типа нет необходимости привязываться к любому из этих способов. Все они реализуют процесс когерентного многоканального накопления и с точки зрения помехоустойчивости эквивалентны. Естественно, что оптическим методам оптимальной обработки сигналов в РЛС с синтезированной апертурой эквивалентны методы обработки ЛЧМ импульсов с помощью пассивных «укорачивающих» цепей. Поэтому для определения выигрыша в помехоустойчивости подобных РЛС по отношению к внутренним шумам приемников целесообразно воспользоваться известными результатами [95].

Пусть огибающая ЛЧМ импульса имеет прямоугольную форму, так что его можно описать выражением

где скорость нарастания частоты.

Согласованный с (8.4.70) фильтр должен иметь весовую функцию вида

где

При подаче сигнала и на вход такого фильтра огибающая выходного импульса будет описываться выражением [95]

где коэффициент пропорциональности, равный 1 с.

Для перехода к сигналам РЛС с синтезированной апертурой необходимо и достаточно в соответствии с (8.4.63) при подставить в (8.4.72) следующие значения параметров

Пиковое значение напряжения на выходе согласованного фильтра получим, заменив в (8.4.72) значения их выражениями из (8.4.73) и устремив текущее время нулю. В результате после простых преобразований получим

Согласованный фильтр (8.4.71) не меняет энергии нормальных белых шумов в пределах его полосы. Поэтому отношение сигнал/шум по мощности (в максимуме сигнала) за счет синтезирования апертуры возрастает в

где размер синтезированной апертуры.

Пусть рад, Тогда Этот выигрыш отражает только потенциальные возможности. Из-за неизбежных и весьма существенных потерь за счет нестабильности траектории и неидеальности систем обработки выигрыш будет более скромным. Следует однако иметь в виду, что при использовании согласованного фильтра отношение энергии выходного сигнала к спектральной плотности шума не изменяется. Это свидетельствует об идентичности характеристик обнаружения РЛС с синтезированными и несинтезированными апертурами при одной и той же энергии излучаемых сигналов. Вместе с тем эффект сжатия импульсов повышает разрешающую способность РЛС по азимуту.

Если РЛС создается синусоидальная помеха на частоте имеющая расстройку относительно несущей частоты то отклик оптимального фильтра будет иметь огибающую вида

Сравнивая (8.4.72) и (8.4.74), можно убедиться, что помеха такого типа вызывает появление отметки на экране РЛС, смещенной относительно точки расположения источника на Интенсивность помеховой отметки убывает с увеличением расстройки в соответствии с законом При , где — максимальное значение допплеровской частоты полезного сигнала, такая помеха практически не будет влиять на работу РЛС.