5.10. Радиолокатор с синтезированной апертурой

В радиолокаторе с синтезированной апертурой (РСА) за счет специальной методики обработки сигналов достигается улучшение разрешения в азимутальном направлении по сравнению с разрешением, которое обеспечивается шириной диаграммы направленности антенны, используемой в радиолокационной системе. Если длина раскрыва антенны в азимутальном направлении равна то обеспечиваемое диаграммой антенны разрешение по азимуту определяется формулой

где — расстояние от антенны до цели, длина волны зондирующего высокочастотного сигнала. Ясно, что разрешение определяется произведением ширины диаграммы направленности антенны на расстояние до цели. Для его улучшения нужно увеличить либо раскрыв антенны, либо несущую частоту излучаемого сигнала. Методика обработки сигналов в РСА может рассматриваться как средство создания искусственного раскрыва антенны, гораздо большего, чем ее физический раскрыв Искусственный раскрыв образуется в результате перемещения антенны радиолокатора во времени и когерентной обработки эхо-сигналов, принятых на временном интервале, в течение которого антенна смещается на расстояние, равное длине синтезируемого раскрыва. В результате разрешение по азимуту в РСА может быть значительно улучшено. По сравнению с разрешением реальной антенны существуют два варианта РСА:. радиолокатор с фокусированным синтезом апертуры для полосовой съемки и телескопический радиолокатор с фокусированным синтезом апертуры. В данном разделе при некоторых упрощениях будут рассмотрены сначала сигналы, с которыми обычно приходится иметь дело в РСА, а затем — особенности их цифровой обработки.

5.10.1, Общие положения

Рассмотрим представленные на рис. 5.49 типичные геометрические соотношения, характерные для использования РСА в режиме полосовой съемки. Самолет с установленной на нем антенной, физический, раскрыв которой равен летит по прямой линии постоянной скоростью на высоте h. С помощью антенны, электрическая ось которой обычно ориентирована перпендикулярно направлению полета, облучаются цели, расположенные на поверхности Земли.

Рис. 5.49. Геометрические соотношения при съемке с помощью РСА.

Принятые сигналы накапливаются, а затем подвергаются обработке, цель которой построить радиолокационное изображение поверхности. Кроме того, возможно (и часто используется на практике) смещение электрической оси антенны в направлении полета, как показано на рис. 5.49. В телескопическом режиме РСА положение антенны непрерывно подстраивается таким образом, чтобы облучалась одна и та же область на поверхности и обеспечивалась радиолокационная съемка этой области с очень высоким разрешением.

Чтобы выявить особенности алгоритмов обработки сигналов РСА, рассмотрим упрощенную геометрию съемки, сведя ее к двумерному случаю за счет пренебрежения высотой (рис. 5.50). Предположим, что излучается непрерывный монохроматический сигнал, а отражение создается единственной целью с координатами Правда, такой зондирующий сигнал не обеспечит разрешения на дальности; вопросы разрешения по дальности будут рассмотрены позднее. Так как ширина диаграммы направленности физической антенны РСА равна то цель будет облучаться, когда антенна находится между точками За счет относительного движения цели и антенны

принятый сигнал будет иметь доплеровское смещение. Именно доплеровское смещение используется для того, чтобы, выполнив когерентную обработку, улучшить разрешающую способность по азимуту.

Так как время распространения сигнала от антенны до цели и обратно составляет то принятый сигнал равен

Будем считать, что, пока цель облучается, амплитуда принятого сигнала остается постоянной. На самом деле при смещении антенны амплитуда будет изменяться соответственно диаграмме направленности, причем в точках мощность сигнала уменьшится вдвое.

Рис. 5.50. Упрощенная геометрия съемки для РСА.

Однако это изменение амплитуды является систематическим заранее известно, поэтому его можно учесть на этапе обработки.

Мгновенная частота принятого сигнала равна производной от его фазы по времени, т. е.

Второй член представляет собой доплеровское смещение частоты. Разложив в ряд Тейлора в окрестности точки можно получить линейную аппроксимацию доплеровского смещения. Так как

то

Следовательно, частота эхо-сигнала от точечной цели, принимаемого в РСА, меняется приблизительно по линейному закону. Скорость изменения частоты этого ЛЧМ-сигнала равна длительность девиация частоты а база Отсюда следует, что для определения положения цели в азимутальном направлении можно воспользоваться методикой сжатия принимаемого ЛЧМ-сигнала с помощью согласованной фильтрации. Получаемое при этом разрешение по азимуту пропорционально длительности импульса после сжатия. Напомним, что длительность ЛЧМ-импульса после сжатия равна где — девиация частоты несущей ЛЧМ-импульса. Пересчитав разрешение по времени. разрешению по азимуту, получим Итак, для рассмотренного идеализированного случая на разрешение по азимуту, достигаемое с помощью радиолокатора с фокусированным синтезом апертуры, теоретически не влияют ни дальность до цели, ни длина волны. Важно отметить, что база ЛЧМ-импульса зависит от так что для различных дальностей потребуются разные согласованные фильтры. В результате обработка сигналов в РСА оказывается очень сложной и связана с выполнением весьма большого количества операций.

Как и при обычной согласованной фильтрации, рассмотренной выше (см. разд. 5.4.2), сжатие импульса можно дополнить взвешиванием и уменьшить таким образом уровень боковых лепестков за счет некоторого расширения главного лепестка. В общем случае принятый сигнал является результатам суперпозиции большого количества эхо-сигналов с различными амплитудами, поэтому уровень суммарной энергии в боковых лепестках оказывает существенное влияние на величину динамического диапазона итоговой радиолокационной карты.

Несмотря на то что почти все предположения, использованные в проведенном выше анализе, на практике справедливы лишь приблизительно, основные идеи обработки сигналов РСА все же остаются в силе. Рассмотрим введенные предположения более подробно. Прежде всего аппроксимация основанная на разложении этой функции в ряд Тейлора, которая привела к ЛЧМ-модуляции в азимутальном направлении, справедлива лишь при малых в окрестности точки Иначе говоря, использование при обработке методики сжатия именно ЛЧМ-импульсов приводит к ограничению предельного размера синтезируемой апертуры. Кроме того, важно, чтобы при перемещении антенны РСА вдоль отрезка пути, равного размеру синтезируемой апертуры, цель оставалась в пределах одной и той же дальностной полосы, так

как сжатие импульса в азимутальном направлении выполняется для фиксированной дальности. Таким образом, в реальной системе не удается достичь теоретического значения предельного разрешения по азимуту, равного Большая практическая трудность заключается в том, что при полете самолета трудно поддерживать постоянными скорость и направление движения, вследствие чего эхо-сигнал будет отличаться от идеального ЛЧМ-импульса. Если в этих условиях требуется получить радиолокационную карту с высоким разрешением, то необходимо при съемке произвести измерения трассы полета, используя высокочувствительную инерциальную навигационную систему, а затем при обработке до сжатия импульса по азимуту скорректировать фазу принятого сигнала.

Выше предполагалось, что излучается непрерывный монохроматический сигнал. Он не обеспечивает разрешения по второй координате — дальности, а без этого невозможно, используя РСА, получить радиолокационную карту. Поэтому обычно в качестве зондирующего сигнала используется пачка импульсов. Эхо-сигналы, соответствующие одной и той же дальностной полосе, накапливаются на нескольких последовательных периодах излучения, а затем совместно обрабатываются, причем эхо-сигналы от различных дальностей обрабатываются раздельно. Частота повторения излучаемых импульсов в пачке должна удовлетворять двум требованиям, вытекающим из условий однозначного разрешения по дальности и по доплеровскому смещению (т. е. в азимутальном направлении). Чтобы обеспечить однозначное разрешение по дальности, нужно выбрать период повторения импульсов короче . С другой стороны, так как эхо-сигналы, получаемые при излучении коротких импульсов, эквивалентны отсчетам ЛЧМ-сигнала, принимаемого после отражения от точечной цели, нужно, чтобы частота дискретизации была достаточно большой и соответствовала теореме Найквиста, гарантирующей отсутствие наложений распределенных по азимуту доплеровских спектров. Поскольку ширина полосы ЛЧМ-сигнала равна то частота повторения импульсов должна удовлетворять следующим условиям:

Выше предполагалось, что разрешение по дальности обеспечивается за счет излучения коротких импульсов. Однако для этой же цели можно использовать и основанную на согласованной фильтрации операцию сжатия импульса, которая должна предшествовать сжатию импульса по азимуту. Отметим, что операции сжатия импульса по дальности и по азимуту независимы.

5.10.2. Объем вычислений

Методика обработки сигналов РСА, описанная в предыдущем разделе, предполагает выполнение согласованной фильтрации по двум переменным — дальности и азимуту. Обычно, чтобы справиться с (большим объемом данных, которые приходится накапливать и обрабатывать в системах РСА, использовались методы оптической обработки сигналов. При этом оптическая обработка выполнялась, как правило, не в реальном времени: данные предварительно регистрировались на фотопленке. Для проведения обработки использовалась очень сложная оптическая система. Оптические системы имеют существенные недостатки. Они очень дорогие и, кроме того, ограничивают возможности проведения полосовой съемки при движении по не совсем прямолинейной траектории, причем практически нельзя скорректировать это движение, поскольку оптическая обработка не является универсальной.

Конечно, с точки зрения универсальности обработки -и возможности ее выполнения в реальном времени предпочтение следует отдать цифровым методам, однако при их использовании сталкиваются с трудностями, связанными с широкой полосой обрабатываемых сигналов, большим требуемым объемом памяти и огромным количеством операций, которые приходится выполнять при картографировании с высоким разрешением. Структура устройства цифровой обработки сигналов РСА в значительной степени будет определяться используемыми элементами. Ниже рассматриваются требования, предъявляемые к объему памяти для хранения данных и быстродействию устройства обработки.

В РСА для каждого зондирующего импульса приходится накапливать данные, относящиеся ко всем интересующим нас дальностям. Если для обеспечения разрешения по дальности используется сжатие импульсов с помощью согласованной фильтрации, то этот вид обработки может быть выполнен непосредственно над входными данными. Для получения разрешения по азимуту (Необходимо накопить данные по большому числу зондирований. Если накапливаемые данные размещаются в виде матрицы (рис. 5.51), элементы которой упорядочены по дальности и по времени, то заполнение матрицы производится по столбцам. Пр и сжатии сигналов по азимуту необходима совместная обработка отсчетов, размещающихся на одной строке. Для хранения накапливаемых отсчетов требуется память весьма большого объема. Кроме того, достаточно громоздкой оказывается и сама обработка, так как для каждой дальностной полосы требуется свой, отличный от других фильтр, обеспечивающий сжатие импульсов по азимуту.

Приведем конкретный пример. Пусть разрешающие способности по азимуту и по дальности равны, причем общий диапазон просматриваемых при съемке дальностей равен Тогда в каждом столбце матрицы на рис. 5.51 будут содержаться

отсчетов, а в каждой строке будет находиться отсчетов (предполагается, что частота дискретизации равна частоте Найквиста). Итак, требуемый объем памяти составляет

Объем вычислений определяется совокупным количеством операций, которые выполняются в М параллельно работающих каналах сжатия импульсов по азимуту.

Рис. 5.51. Размещение накапливаемых данных, подлежащих обработке в РСА, в виде двумерной матрицы.

В каждом из этих каналов производится согласованная фильтрация по отсчетам, так что при прямом вычислении сверток количество операций, отнесенное к одному периоду повторения зондирующих импульсов, ограничивается величиной

Если рассмотреть типовые характеристики РСА, то можно убедиться, что предъявляемые требования исключительно высоки. При время умножения не должно превышать 1,67 не (что соответствует умножениям в секунду), а память должна обеспечивать накопление комплексных слов.

Требование к быстродействию можно снизить, если использовать алгоритм высокоскоростной свертки с применением БПФ и распараллеливание операций, но даже при этом необходимая скорость вычислений остается все еще слишком высокой. Более того, объем памяти на самом деле требуется увеличить, так как необходимо промежуточное накопление данных. При работе РСА в телескопическом режиме применение алгоритма БПФ создает дополнительные возможности сокращения требуемого быстродействия и практической реализации устройства обработки сигналов РСА.