Радиолокационное синтезирование апертуры. Лазерная локация, доплеровские изображения и синтез апертуры Рлс с синтезированной апертурой антенны

Радиолокационное синтезирование апертуры (РСА) - это способ, который позволяет получать радиолокационные изображения земной поверхности и находящихся на ней объектов независимо от метеорологических условий и уровня естественной освещенности местности с детальностью, сравнимой с аэрофотоснимками.

Особенности получения радиолокационного изображения

Наиболее простым способом получения радиолокационного изображения (РЛИ) местности является использование режима реального луча, когда радиолокационная станция (РЛС), установленная на самолете-носителе, осуществляет обзор земной поверхности путём сканирования антенной в горизонтальной плоскости, например, в секторе ±90° относительно вектора скорости носителя. При этом изображение местности в зоне обзора наблюдается в виде сектора размером ±90° с максимальным радиусом, равным дальности действия РЛС. Основным недостатком этого режима является низкая разрешающая способность по азимуту, которая при некогерентной обработке определяется шириной диаграммы направленности (ДН) реальной антенны в горизонтальной плоскости. Ширина ДН ${\Theta}_{az}$ зависит от горизонтального размера антенны $d$ (апертуры) и длины волны электромагнитных колебаний, излучаемых РЛС: ${\Theta}_{az}=\lambda / d$ . В то же время линейное разрешение по азимуту увеличивается пропорционально наклонной дальности. Например, при длине волны $\lambda=3$ см и размере антенны 150 см ширина луча ${\Theta}_{az}=1,15$ ° и на дальности 120 км линейное разрешение будет составлять около 2,5 км. Такая низкая разрешающая способность приводит к тому, что на изображении наблюдаются отметки только от крупных объектов (мостов, населенных пунктов, кораблей).

Получение высокого разрешения по азимуту требует применения антенны с большим размером апертуры. Размещение антенн больших размеров на самолете невозможно, поэтому для обеспечения разрешения по азимуту значительно лучшего, чем определяемое шириной ДН реальной антенны, используются когерентные режимы работы, позволяющие сформировать синтезированную апертуру большего (в 1000 и более раз) размера.

Сущность РСА

Напишите отзыв о статье "Радиолокационное синтезирование апертуры"

Литература

Радиолокационные системы многофункциональных самолетов. Т.1. РЛС - информационная основа боевых действий многофункциональных самолетов. Системы и алгоритмы первичной обработки радиолокационных сигналов / Под ред. А. И. Канащенкова и В. И. Меркулова. - М .: Радиотехника, 2006. - 656 с. - ISBN 5-88070-094-1 .
Кондратенков, Г. С. Радиолокационные станции обзора Земли / Г. С. Кондратенков, В. С. Потехин [и др.]. - М .: Радио и связь, 1983. - 272 с.
Антипов, В. Н. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны / В. Н. Антипов, В. Т. Горяинов [и др.]. - М .: Радио и связь, 1988. - 304 с. - ISBN 5-256-00019-5 .
Дудник, П. И. Многофункциональные радиолокационные системы: учеб. пособие для вузов / П. И. Дудник, А. Р. Ильчук [и др.]. - М .: Дрофа, 2007. - 283 с. - ISBN 978-5-358-00196-1 .
- 2010

Бахрах Л.Д. Методы измерений параметров излучающих систем в ближней зоне / Бахрах Л.Д.. - Л. : Наука, 1985. - 272 с.

Сафронов Г.С. Введение в радиоголографию. - М .: Сов. радио, 1973. - 288 с.

Ссылки

Отрывок, характеризующий Радиолокационное синтезирование апертуры

Весь этот день 25 августа, как говорят его историки, Наполеон провел на коне, осматривая местность, обсуживая планы, представляемые ему его маршалами, и отдавая лично приказания своим генералам.
Первоначальная линия расположения русских войск по Ко лоче была переломлена, и часть этой линии, именно левый фланг русских, вследствие взятия Шевардинского редута 24 го числа, была отнесена назад. Эта часть линии была не укреплена, не защищена более рекою, и перед нею одною было более открытое и ровное место. Очевидно было для всякого военного и невоенного, что эту часть линии и должно было атаковать французам. Казалось, что для этого не нужно было много соображений, не нужно было такой заботливости и хлопотливости императора и его маршалов и вовсе не нужно той особенной высшей способности, называемой гениальностью, которую так любят приписывать Наполеону; но историки, впоследствии описывавшие это событие, и люди, тогда окружавшие Наполеона, и он сам думали иначе.
Наполеон ездил по полю, глубокомысленно вглядывался в местность, сам с собой одобрительно или недоверчиво качал головой и, не сообщая окружавшим его генералам того глубокомысленного хода, который руководил его решеньями, передавал им только окончательные выводы в форме приказаний. Выслушав предложение Даву, называемого герцогом Экмюльским, о том, чтобы обойти левый фланг русских, Наполеон сказал, что этого не нужно делать, не объясняя, почему это было не нужно. На предложение же генерала Компана (который должен был атаковать флеши), провести свою дивизию лесом, Наполеон изъявил свое согласие, несмотря на то, что так называемый герцог Эльхингенский, то есть Ней, позволил себе заметить, что движение по лесу опасно и может расстроить дивизию.
Осмотрев местность против Шевардинского редута, Наполеон подумал несколько времени молча и указал на места, на которых должны были быть устроены к завтрему две батареи для действия против русских укреплений, и места, где рядом с ними должна была выстроиться полевая артиллерия.
Отдав эти и другие приказания, он вернулся в свою ставку, и под его диктовку была написана диспозиция сражения.
Диспозиция эта, про которую с восторгом говорят французские историки и с глубоким уважением другие историки, была следующая:
«С рассветом две новые батареи, устроенные в ночи, на равнине, занимаемой принцем Экмюльским, откроют огонь по двум противостоящим батареям неприятельским.
В это же время начальник артиллерии 1 го корпуса, генерал Пернетти, с 30 ю орудиями дивизии Компана и всеми гаубицами дивизии Дессе и Фриана, двинется вперед, откроет огонь и засыплет гранатами неприятельскую батарею, против которой будут действовать!
24 орудия гвардейской артиллерии,
30 орудий дивизии Компана
и 8 орудий дивизии Фриана и Дессе,
Всего – 62 орудия.
Начальник артиллерии 3 го корпуса, генерал Фуше, поставит все гаубицы 3 го и 8 го корпусов, всего 16, по флангам батареи, которая назначена обстреливать левое укрепление, что составит против него вообще 40 орудий.
Генерал Сорбье должен быть готов по первому приказанию вынестись со всеми гаубицами гвардейской артиллерии против одного либо другого укрепления.
В продолжение канонады князь Понятовский направится на деревню, в лес и обойдет неприятельскую позицию.
Генерал Компан двинется чрез лес, чтобы овладеть первым укреплением.
По вступлении таким образом в бой будут даны приказания соответственно действиям неприятеля.
Канонада на левом фланге начнется, как только будет услышана канонада правого крыла. Стрелки дивизии Морана и дивизии вице короля откроют сильный огонь, увидя начало атаки правого крыла.
Вице король овладеет деревней [Бородиным] и перейдет по своим трем мостам, следуя на одной высоте с дивизиями Морана и Жерара, которые, под его предводительством, направятся к редуту и войдут в линию с прочими войсками армии.

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.


Рис. 1. Режимы съемки современных РСА (а — детальный, б - обзорный, в - сканирующий)	Рис. 2. Примеры реальных радиолокационных изображений с разрешениями 0,3 м (вверху) и 0,1 м (внизу)

Рис. 3. Вид изображений при разных уровнях детализации

Рис. 4. Примеры фрагментов реальных участков земной поверхности, полученных при уровнях детализации DTED2 (слева) и DTED4 (справа)

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.

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.............................. 900 м
DTED1.............................. 90m
DTED2............................ 30m
DTED3.............................. 10m
DTED4............................ Зм
DTED5.............................. 1m

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.

Разрешениепризондированииможетбыть 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 3х3 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 осуществить 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.


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

Рис. 6. Оптическое (вверху) и радиолокационное (внизу) изображения участка местности с движущейся по лесной дороге колонной автомобилей

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.

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.

Зарубежное военное обозрение №2 2009 С.52-56

ЗАРУБЕЖНОЕ ВОЕННОЕ ОБОЗРЕНИЕ № 2/2009, стр. 52-57

Капитан М. ВИНОГРАДОВ ,

кандидат технических наук

Основным назначением РСА является детальная съемка земной поверхности.

Рис. 3. Вид изображений при разных уровнях детализации

DTEDO.............................. 900м

DTED1.............................. 90m

DTED2............................ 30m

DTED3.............................. 10m

DTED4............................ Зм

DTED5.............................. 1 м

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

Для комментирования необходимо зарегистрироваться на сайте

5.ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ, ВЫПОЛНЯЮЩИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ

6.СВОЙСТВА ОПТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ

6.1.ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ И СПЕКТРЫ ВИНЕРА НЕКОТОРЫХ ФУНКЦИЙ

8.ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ. ПОНЯТИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ И ВРЕМЕННОЙ КОГЕРЕНТНОСТИ

10.ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ГОЛОГРАФИИ

10.1.ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ГОЛОГРАММ

10.2.ГОЛОГРАММЫ ФРАУНГОФЕРА, ФРЕНЕЛЯ И ФУРЬЕ

10.3. АССОЦИАТИВНЫЕ СВОЙСТВА ГОЛОГРАММ

11.ОБОБЩЕННАЯ ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ОБРАБОТКИ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

12.КОГЕРЕНТНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

12.1.Когерентный аналоговый оптический процессор

13.СИНТЕЗ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ОПЕРАЦИОННЫХ ФИЛЬТРОВ

14.КОГЕРЕНТНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

15.ОПТОЭЛЕКТРОННАЯ ГИБРИДНАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

16.РАБОТА АКУСТООПТИЧЕСКОГО АНАЛИЗАТОРА СПЕКТРА РАДИОСИГНАЛОВ

17.РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СТАНЦИИ С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ АНТЕНЫ (РСА)

18.ДИСКРЕТНОЕ И АНАЛОГОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПЛОСКОСТЬЮ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТОВОГО ПУЧКА

18.1.ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ МОДУЛЯЦИЯ НА БАЗЕ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТОВОГО ПУЧКА

18.2.ДИСКРЕТНОЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ УГЛОВ НАКЛОНА ПРОИЗВОЛЬНО ОРИЕНТИРОВАННЫХ ПЛОСКОСТЕЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

18.3.АНАЛОГОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОИЗВОЛЬНО ОРИЕНТИРОВАННОЙ ПЛОСКОСТЬЮ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТОВОГО ПУЧКА

19.ДИСКРЕТИЗАЦИЯ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА.

19.1.ТЕОРЕМА ВЫБОРКИ КОТЕЛЬНИКОВА-ШЕНОНА

19.2ДИСКРЕТНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ

17.РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СТАНЦИИ С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ АНТЕНЫ (РСА)

Радиолокаторы с длинной вдольфюзеляжной антенной позволяют получать детальные радиолокационные изображения только на относительно небольших дальностях. При выносе полосы разведки на десятки километров от самолета необходимо использовать антенны длиной в десятки и сотни метров, размещение которых на самолете невозможно.

Для преодоления этого затруднения используется метод синтезирования апертуры антенны, заключающийся в запоминании отраженных от целей сигналов на участке траектории полета, длина которого равна требуемой длине антенны. Последующая обработка зарегистрированных сигналов в бортовой или наземной аппаратуре позволяет получить радиолокационное изображение с высокой детальностью.

В настоящее время наибольшее распространение получили оптические системы обработки. В их основе лежит голографический метод, при котором записанные на пленку радиолокационные сигналы (радиоголограммы) используются для формирования радиолокационного изображения.

В РСА принцип голографии используется как при регистрации отраженных радиоволн, так и в оптических устройствах ООС.

Опорная волна, проходя через голограмму, создает изображение объекта точно в том месте, где он находился в момент записи голограммы. Изображение

(точки) не будет точечным, а несколько размытым. Размер пятна δ x, определяющий детальность создаваемого изображения, можно найти из выражения, имеющего следующий вид:

δ x = λ R/X;

где λ - длина облучающей волны; R - Расстояние от голограммы до объекта; X - линейный размер голограммы.

Сформулируем основные особенности голографического процесса:

- необходимо наличие когерентных опорной и сигнальной волн;

- в процессе голографирования происходит перекодирование амплитуднофазового распределения поля сигнальной волны в амплитудное распределение сигнала и регистрация этого сигнала в виде голограммы (интерференционной картины);

- для восстановления изображения необходимо облучить голограмму опорной волной.

Глограммы обладают рядом интересных свойств. Одно из них состоит в возможности изменения масштаба изображения.Если одновременно изменить в одно и то же число раз линейный размер голограммы и длину волны восстанавливающего изображение пучка света, то в соответствующее число раз

изменится и масштаб создаваемого изображения. Если изменения длины волны и масштаба голограммы непропорциональны, то изображение также будет сформировано, однако в нем возникнут масштабные искажения. Во многих практических применениях эти искажения не играют существенной роли.

Это свойство позволяет записывать голограммы на одной длине волны, например в радиодиапазоне, а восстанавливать волновой фронт и наблюдать изображение на другой волне, в оптическом диапазоне.

Рассмотрим радиолокационную систему бокового обзора, установленную на борту самолета, как показано на рис.17.1. Предположим, что последовательность импульсных радиолокационных сигналов направлена на местность от радарной системыы на самолете и что отраженные сигналы, зависящие от отражательной способности местности, принимаются с площадки, близлежащей к курсу самолета. Назовем координату радиолокационного изображения, поперечную направлению полета, "дальностью", а совпадающую с трассой полета -"азимутом". Удобно также назвать координату, соединяющую траекторию радиолокатора на самолете с любой рассматриваемой целью, "наклонной дальностью". Если используется радиолокационная система обычного типа, то разрешение по азимуту будет иметь величину порядка λ r1 /D, где λ - длина волны радиолокационных сигналов, r1 - наклонная дальность, D - размер апертуры антены вдоль трассы полета. Однако длина волны радиолокационного сигнала на несколько порядков больше оптической волны и, следовательно, для того, чтобы получить угловое разрешение, сравнимое с разрешением системы фоторазведки, требуется очень большая величина апертуры антены D. Требуемая длина антены может составлять десятки и даже сотни метров. Очевидно, что на самолете это трудно реализовать.

Однако это затруднение можно преодолеть, применяя метод синтезированной апертуры. Основной принцип синтезирования апертуры состоит в том,что различные элементы решетки не обязательно должны существовать одновременно в пространстве. Предположим, что на самолете установлена маленькая антена бокового обзора и что относительно широкий луч радара сканирует местность за счет движения самолета. Положения самолета, в которых излучаются радиолокационные импульсы, можно рассматривать как элементы линейной антенной решетки. Тогда принимаемый сигнал в каждом из этих положений регистрируется когерентно как функция времени, поскольку на радиолокационный приемник подается опорный сигнал, позволяющий одновременно регистрировать и амплитудную, и фазовую информацию. Затем различные записанные комплексные волны соответствующим образом обрабатываются для синтеза действительной апертуры.

Чтобы изучить более подробно, как реализуется этот метод синтезирования антены, рассмотрим сначала задачу с точечной целью и затем распространим полученные результаты методом суперпозиции на более сложный случай. Предположим, что точечная цель находится в точке x1 .

Радиолокационный импульс формируется путем периодической прямоугольной модуляции синусоидального сигнала с угловой частотой равной ω .

Азимут Область обзора

где A1 - соответствующая комплексная постоянная. Комплексная величина A1 включает такие факторы, как излучаемая мощность, отражательная способность цели, фазовый сдвиг и закон распространения (обратно пропорционально четвертой степени мощности). Воспользовавшись параксиальным приближением, дальность r можно записать так:

где k = 2π /λ . Выражение (17.3) зависит от t и x, причем пространственные и временные переменные связаны между собой соотношением

где v - скорость самолета. Если теперь предположим, что местность на расстоянии r1 состоит из набора n точечных целей, то, воспользовавшись методом суперпозиции, запишем полный отраженный сигнал в виде

S(t) = ∑ An (xn ,r1 )exp{i[ω t-2kr1 -k(vt-xn )2 /r1 ]}. (17.5) n=1

Если отраженный радиолокационный сигнал, описывается (17.5),демодулируется с помощью синхронного детектора, то демодулированный сигнал можно записать так:

S(t) = ∑ An (xn ,r1 ) cos[ω c t-2kr1 -k(vt-xn )2 /r1 +ϕ n ], (17.6) n=1

где ω c - произвольная несущая частота, а ϕ n - произвольный фазовый угол. Для запоминания отраженного радиолокационного сигнала применяют

электронно-лучевую трубку. Подаваемый на нее демодулированный сигнал модулирует интенсивность электронного луча, который развертывается в вертикальном направлении синхронно с отраженными радиолокационными импульсами. Если изображение сигнала с экрана трубки спроектировать на фотопленку, которая перемещается в горизонтальном направлении с постоянной скоростью, то будет зарегистрирована последовательность трасс дальности, которые сформируют двумерное изображение (рис.17.2). Вертикальные линии описывают развертку по дальности, а по горизонтали откладываются положения азимута. Таким образом, зарегистрированное изображение представляет собой набор выборок сигнала S(t). Эта выборка осуществляется таким образом, что к моменту окончания записи сигналов на пленке она оказывается существенно неразличимой от первоначального сигнала. При такой регистрации очевидно, что переменные во времени преобразуются в переменные по пространству в значениях расстояния вдоль линии записи. При правильной экспозиции прозрачность регистрирующей пленки представляет изменение отраженного радиолокационного сигнала по азимуту. Таким образом, если рассматривать только данные, зарегистрированные в направлении y = y1 , амплитудное пропускание можно представить в виде

)2 +ϕ

∑ A (x

) cos[ω x-2kr

r 1 v f

Дальность (у)

След модулированногоАзимут (х) по яркости электронного луча

где K1 и K2 - смещение и коэффициент пропорциональности, x=vf t - координата пленки; vf - скорость перемещения пленки; ω x =ω c /vf . Поскольку косинус можно представить в виде суммы двух комплексно-сопряженных экспонент, то сумму в (7.75) можно записать в виде двух сумм T1 и T2 :

) exp{i[ω x-2kr

)2 (x-x

/v)2 +ϕ

)=---- ∑ A

)2 (x-x

/v)2 +ϕ

)=---- ∑ A

) exp{-i[ω x-2kr

Для простоты ограничимся задачей для одной цели. Тогда для n = j уравнение (17.8) принимает вид


			) = Cexp(iω x)[-i--- (----)2 (x - x			/v)2 ],

где C - соответствующая комплексная постоянная. Первая экспонента описывает линейную фазовую функцию, т.е. просто наклон излученной волны. Угол наклона к плоскости пленки определяется выражением

Таким образом, за исключением линейной фазовой функции, (7.76) является суперпозицией N положительных цилиндрических линз, центрированных в точках, определяемых выражением

x = vj xn /v,

n = 1, 2, ..., N.

Аналогично (17.9) содержит линейный фазовый множитель - 0 и описывает суперпозицию N отрицательных цилиндрических линз с центрами, определяемыми (17.14), и с фокусными расстояниями, описываемыми (17.13).

Для восстановления изображения транспарант, соответствующий (17.7), освещают монохроматической плоской волной, как показано на рис.17.3. Тогда можно показать, применяя теорию Френеля-Кирхгофа или принцип Гюйгенса, что действительные изображения, создаваемые T1 (x,y1 ), и мнимые изображения, создаваемые T2 (x,y1 ), будут восстанавливаться в передней и задней фокальных плоскостях пленки. Относительные положения изображений точечных рассеивателей распределяются вдоль линии фокусов, так как многочисленные центры линзоподобной структуры пленки определяются положением точечных рассеивателей. Однако восстановленное изображение будет размазано в направлениии y; вот почему эта пленка является по существу реализацией одномерной функции вдоль y = y1 и, следовательно, в этом направлении не оказывается никакого фокусирующего действия.

Поскольку нашей целью является восстановление изображения не только в азимутальном направлении, но и в направлении дальности, необходимо отображать координату y непосредственно на фокальной плоскости азимутального изображения. Чтобы выполнить это, необходимо напомнить, что оно прямо пропорционально дальности r1 . В свою очередь, фокусное расстояние прямо пропорционально рассматриваемой координате y. Таким образом, чтобы создать карту местности, мы должны отобразить координату y передаваемого сигнала на плоскость, положение которой определяется фокусными расстояниями азимутального направления. Это легко осуществить, установив положительную коническую линзу непосредственно за регистрирующей пленкой, как показано на рис.17.4. Очевидно, что если коэффициент пропускания конической линзы равен

					x2 /2f),

f - линейная функция от r1 , как показано в (17.13), то можно полностью удалить всю названную плоскость всей мнимой дифракции в бесконечность, при этом оставить коэффициент пропускания в направлении y неизменным. Таким образом, если цилиндрическую линзу поместить на фокусном расстоянии от пленочного транспаранта, мнимое изображение в направлении y получится в бесконечности. Пусть азимутальное изображение и изображение в направлении дальности (т.е. в направлениях x и y) совпадают, но в бесконечно удаленной точке. Их можно перенести обратно на конечное расстояние с помощью сферической линзы. При этой операции действительное изображение координат местности по азимуту и по дальности будет сфокусировано на выходной плоскости системы. Однако на практике желаемое изображение регистрируется через щель в выходной плоскости.

Проявленную вторичную пленку можно рассматривать и дешифрировать.

Синтезирование апертуры представляет собой технический прием, позволяющий существенно повысить разрешающую способность радиолокатора в поперечном относительно направления полета направлении и получить детальное изображение радиолокационной карты местности, над которой совершает полет ЛА. Режим формирования такой карты называется картографированием и применяется, например, в обзорно-сравнительных навигационных системах, для получения карт местности, и в других ситуациях. По качеству и детальности такие карты сравнимы с аэрофотоснимками, но в отличие от последних могут быть получёны при отсутствии оптической видимости земной поверхности (при полете, над облаками). Детальность радиолокационного изображения зависит от линейной разрешающей способности радиолокатора. В радиальном по отношению к радиолокатору направлении линейная разрешающая способность, т. е. разрешающая способность по дальности дR, определяется зондирующим сигналом, а в поперечном направлении (тангенциальная разрешающая способность) дl -- шириной ДНА радиолокатора и расстоянием до цели (рисунок 2.1) . Детальность радиолокационного изображения местности тем выше, чем меньше дR и дl.

Рисунок 2.1 Параметры, характеризующие детальность радиолокационного изображения

Рисунок 2.2 Диаграммы направленности радиолокатора бокового обзора

Задача уменьшения HR решается использованием зондирующих сигналов с малой длительностью импульсов или переходом к сложным сигналам (частотно-модулированным или фазоманипулированным). Однако уменьшения дl добиться не так просто. так как дl пропорциональна дальности R до цели и ширине ДНА, а в горизонтальной плоскости, где л-- длина волны, а ба -- продольный размер (длина). Основными путями повышения тангенциальной разрешающей способности являются применение в радиолокаторах вдоль фюзеляжных антенн и синтезирование апертуры антенны при движении ЛА.

Первый путь привел к разработке так называемых радиолокаторов бокового обзора (рисунок 2.2). В таких радиолокаторах тангенциальная разрешающая способность тем выше, чем больше продольный размер dф фюзеляжа ЛА. Поскольку lф больше диаметра фюзеляжа dф, от которого зависит обычно размер антенны da, то и детальность изображения в радиолокаторах с вдольфюзеляжными антеннами улучшается, хотя зависимость от дальности сохраняется.

Второй, более радикальный путь приводит к РСА при поступательном движении ЛА.

Принцип синтезирования апертуры. Пусть линейная ФАР размером (апертурой) L (рисунок 2.3, а) состоит из N+1 излучателей. Суммируя принятые облучателями сигналы, можно в каждый момент времени получать диаграмму ФАР с шириной . Если для обеспечения заданной ца требуется, то можно синтезировать ФАР, последовательно перемещая один излучатель вдоль этой апертуры с некоторой скоростью V, принимая отраженные от цели сигналы, запоминая их, а затем совместно обрабатывая (рисунок 3,6). При этом синтезируется апертура линейной антенны с эффективным размером L и ДНА шириной цс=л/L однако увеличиваются затраты времени на синтезирование tc = L/V и усложняется аппаратура радиолокатора.

Рисунок 2.3 Фазированная антенная решетка (а) и схема синтезирования апертуры при перемещении облучателя (б)

Пусть ЛА движется на некоторой высоте с постоянной скоростью V прямолинейно и параллельно земной поверхности (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 Взаимное положение цели и ЛА при синтезировании апертуры.

Антенна, имеющая ДНА шириной ца и повернутая на 90° к линии пути, последовательно проходит ряд положений i = --N/2; ...; --2; --1; 0; +1; +2; . . . +N/2, в которых принимает сигналы, отраженные от цели, находящейся в точке М на земной поверхности. При различных положениях антенны (при различных i) сигналы от одной и той же точки проходят разные расстояния, что приводит к изменению фазовых сдвигов этих сигналов, вызываемых разностью хода сигналов?R. Поскольку сигнал проходит R дважды; в направлении цели и от нее, то два сигнала, принятые при соседних положениях антенны, отличаются по фазе на:

В зависимости от того, компенсируются или нет при суммировании сигналов фазовые набеги Дц на отрезках ДRi, различают фокусированные и нефокусированные РСА. В первом случае обработка сводится к перемещению антенн, запоминанию сигналов, компенсации фазовых набегов и суммированию сигналов (см. рисунок 2.3, б) , а во втором -- к тем же операциям, но без компенсации фазовых набегов.

Структурная схема РСА. Основу РСА составляют когерентноимпульсные радиолокаторы, построенные по схеме с внутренней когерентностью (рисунок 2.5). Когерентный генератор КГ на частоте fп.ч служит для формирования в однополосном модуляторе зондирующего сигнала с частотой fо+fп.ч. Источником колебаний с частотой fо является ГРЧ . Зондирующий сигнал модулируется импульсной последовательностью с модулятора М. Усилитель мощности УМ представляет собой оконечный каскад передатчика. Обработка сигналов (запоминание, компенсация фаз, суммирование) обычно выполняется 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 аналоговой записи УЗ, либо на устройство обработки в реальном масштабе времени УОС.

Рисунок 2.5 Структурная схема радиолокатора с синтезированием апертуры

Принципы обработки сигналов в РСА. При любом виде обработки необходимо покадровое запоминание информации о целях. Размеры кадра задаются по азимуту эффективным значением синтезируемой апертуры LЭф и дальностью обзора Rmin . . . Rmax (рисунок 2.6, а). Поскольку принимаемые при каждом положении антенны сигналы поступают на вход приемника с просматриваемой дистанции последовательно во времени, то и записываются они последовательно в каждый из N+1 азимутальных каналов, что условно показано стрелками на рисунке 2.6, б. При этом формируется соответствующий участку местности кадр изображения с размерами хк и Rx. Получить информацию-j6 угловом положении цели, т. е. о координате х, при синтезировании апертуры можно только при анализе отраженных от этой цели сигналов, записанных на интервале синтезирования LЭф. Поэтому информация с устройства записи считывается последовательно в каждом из п каналов дальности (рисунок 2.6, в).

Рисунок 2.6 Запоминаемый кадр местности (а), диаграммы записи (б) и считывания (в) сигналов