Алгоритм синтезирования апертуры. Назначение и построение рлс с синтезированной апертурой антенны. Что было раньше
Владельцы патента RU 2397509:
Изобретение относится к области радиотехники, в частности к области техники нелинейной радиолокации, и может использоваться для поиска и обнаружения объектов с нелинейными электрическими свойствами. Достигаемый технический результат изобретения заключается в реализации алгоритма синтезирования апертуры антенны в нелинейной радиолокационной станции (РЛС) и достижении углового разрешения, близкого к потенциальному. Сущность изобретения заключается в измерении средней скорости движения и случайных отклонений носителя нелинейной РЛС от заданной траектории вдоль осей абсцисс, ординат, аппликат и реализации в каждом из каналов обработки эхо-сигналов нелинейной РЛС известного алгоритма синтезирования апертуры антенны с учетом результатов измерения. 3 ил.
Изобретение относится к области радиотехники, в частности к области техники нелинейной радиолокации, и может использоваться для поиска и обнаружения объектов с нелинейными электрическими свойствами (ОЭНС).
Известна РСА , состоящая из последовательно соединенных антенного устройства, приемопередатчика, фазовых детекторов, аналого-цифровых преобразователей, цифровой системы обработки, процессора системы индикации, системы индикации, а также системы регистрации и системы передачи по широкополосному каналу, принцип действия которой основан на формировании синтезированного раскрыва антенны больших размеров с использованием реальной антенны малых размеров. При этом для уменьшения влияния случайных пространственных отклонений носителя РСА от заданной траектории (траекторных нестабильностей) на результаты ее функционирования применяется система компенсации траекторных нестабильностей , основанная на комплексном использовании двух инерциальных навигационных систем - штатной инерциальной навигационной системы с коррекцией от радиотехнических датчиков (ГЛОНАСС, ДИСС или РЛС в режиме измерения скорости и угла сноса) и широкополосной инерциальной навигационной системы с системой акселерометров и датчиков угловых скоростей (микронавигация). Однако РСА не позволяет вести поиск и обнаружение ОЭНС, так как обработка эхо-сигналов от радиолокационных целей производится только на несущей частоте зондирующего сигнала (ЗС) ω 0 .
Наиболее близкой по технической сущности (прототипом к предполагаемому изобретению) является нелинейная РЛС (НРЛС), например , состоящая из передатчика, передающей антенны и двух идентичных каналов обработки сигналов на частотах второй 2ω 0 и третьей 3ω 0 гармоник ЗС, каждый из которых содержит последовательно соединенные приемную антенну и приемник, а также устройства индикации. Принцип работы НРЛС основан на приеме сигналов отклика от ОЭНС на частотах 2ω 0 и 3ω 0 , их обработке и индикации уровней. Это обеспечивается тем, что обычно ОЭНС с полупроводниковыми компонентами имеют на второй гармонике уровень сигналов отклика на 20-30 дБ более высокий, чем на третьей гармонике . Для ОЭНС контактного типа, как правило, выполняется обратное соотношение. Недостатками нелинейной РЛС являются отсутствие учета влияния траекторных нестабильностей на процесс ее функционирования и ненадежность признака сравнения уровней сигналов отклика от ОЭНС на второй и третьей гармониках ЗС вследствие сильной зависимости изменения рассеянной ОЭНС мощности на гармониках ЗС от положения ОЭНС относительно направления зондирования и номера гармоники ЗС .
Задача, на решение которой направлена заявляемая нелинейная РЛС с синтезированной апертурой антенны, состоит в повышении угловой разрешающей способности нелинейной РЛС.
Технический результат изобретения выражается в реализации алгоритма синтезирования апертуры антенны в нелинейной РЛС и достижении углового разрешения, близкого к потенциальному.
Технический результат достигается тем, что в известной НРЛС, состоящей из передатчика, передающей антенны и двух идентичных каналов обработки сигналов на частотах второй 2ω 0 и третьей 3ω 0 гармоник ЗС, каждый из которых содержит последовательно соединенные приемную антенну и приемник, а также устройства индикации, дополнительно введены опорный генератор, синтезатор частот и блок компенсации траекторных нестабильностей, предназначенный для формирования соответствующего корректирующего сигнала рассогласования на основании измеренной средней скорости движения и случайных отклонений носителя нелинейной РЛС от заданной траектории, а в каждый из каналов - устройство сдвига фазы, первый и второй фазовые детекторы, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, первый вычислитель опорной функции, предназначенный для формирования синусной составляющей опорной функции, второй вычислитель опорной функции, предназначенный для формирования косинусной составляющей опорной функции, цифровая система обработки, предназначенная для формирования радиолокационного изображения объектов с нелинейными электрическими свойствами, при этом выход опорного генератора подключен ко входу синтезатора частот и ко вторым входам приемников первого и второго канала, первый выход синтезатора частот подключен ко входу передатчика, выход которого соединен со входом передающей антенны, второй выход синтезатора частот подключен в каждом канале ко второму входу первого фазового детектора и входу устройства сдвига фазы, выход устройства сдвига фазы каждого канала соединен со вторым входом второго фазового детектора соответствующего канала, выход приемника каждого канала подключен к первым входам первого и второго фазовых детекторов соответствующего канала, выходы которых соединены соответственно со входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей соответствующих каналов, выходы которых в каждом из каналов подключены соответственно к первому и второму входам цифровой системы обработки соответствующего канала, входы первого и второго вычислителей опорной функции каждого канала соединены с выходом блока компенсации траекторных нестабильностей, выходы первого и второго вычислителей опорной функции каждого канала подключены соответственно к третьему и четвертому входам цифровой системы обработки соответствующего канала, выходы цифровых систем обработки первого и второго каналов соединены соответственно с первым и вторым входами устройства индикации, а блок компенсации траекторных нестабильностей содержит генератор тактовых импульсов, устройство масштабирования, устройство определения направления перемещения по осям прямоугольной системы координат на основании измеренной средней скорости движения и случайных отклонений носителя нелинейной РЛС от заданной траектории, таймер, запоминающее устройство, блок ключей, состоящий из трех ключей, устройство вычитания, блок суммирования, состоящий из трех устройств суммирования, блок запоминающих устройств, состоящий из трех запоминающих устройств, блок масштабирования, состоящий из трех устройств масштабирования, блок умножения кодов, состоящий из трех умножителей кодов, сумматор и преобразователь кодов, при этом генератор тактовых импульсов и устройство определения направления перемещения по осям прямоугольной системы координат соединены последовательно, сумматор, преобразователь кодов, устройство масштабирования и запоминающее устройство соединены последовательно, кроме того, первый, второй и третий выходы устройства определения направления перемещения по осям прямоугольной системы координат подключены к первым входам соответствующих ключей блока ключей, вторые входы которых соединены с выходом таймера, первый выход устройства определения направления перемещения по осям прямоугольной системы координат соединен также со вторым входом устройства вычитания, выходы первого, второго и третьего ключей блока ключей соединены с первыми входами соответствующих устройств суммирования блока суммирования, выходы которых подключены ко входам соответствующих запоминающих устройств блока запоминающих устройств, выходы которых соединены со вторыми входами соответствующих устройств суммирования блока суммирования и со входами соответствующих устройств масштабирования блока масштабирования, выход каждого устройства масштабирования блока масштабирования подключен к первому и второму входам соответствующих умножителей кодов блока умножения кодов, выходы первого, второго и третьего умножителей кодов блока умножения кодов соединены с соответствующими входами сумматора, выход запоминающего устройства подключен к первому входу устройства вычитания, а выход устройства вычитания, второй и третий выходы устройства определения направления перемещения по осям прямоугольной системы координат, выход преобразователя кодов являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым выходами блока компенсации траекторных нестабильностей.
Сущность изобретения заключается в измерении средней скорости движения и случайных отклонений носителя нелинейной РЛС от заданной траектории вдоль осей абсцисс, ординат, аппликат и реализации в каждом из каналов обработки эхо-сигналов нелинейной РЛС известного алгоритма синтезирования апертуры антенны с учетом результатов измерения, что позволяет достичь угловой разрешающей способности, близкой к потенциальной.
Структурная схема предложенной нелинейной РЛС с синтезированной апертурой антенны приведена на фиг.1.
Предложенная нелинейная РЛС с синтезированной апертурой антенны состоит из передатчика 5, передающей антенны 1, приемных антенн первого и второго каналов 2 и 4, приемников первого и второго каналов 7 и 8, устройства индикации 26, опорного генератора 3, синтезатора частот 6, блока компенсации траекторных нестабильностей 19, устройств сдвига фазы первого и второго каналов 9 и 10, первого и второго фазовых детекторов первого канала 11 и 12, первого и второго фазовых детекторов второго канала 13 и 14, первого и второго аналого-цифровых преобразователей первого канала 15 и 16, первого и второго аналого-цифровых преобразователей второго канала 17 и 18, первого и второго вычислителей опорной функции первого канала 20 и 21, первого и второго вычислителей опорной функции второго канала 22 и 23, цифровых систем обработки первого и второго каналов 24 и 25, соединенных, как показано на фиг.1.
Передатчик 5 формирует зондирующий сигнал на частоте ω 0 с заданными параметрами (мощность, вид модуляции и т.д.). Передающая антенна 1 предназначена для излучения зондирующего сигнала на частоте ω 0 . Приемные антенны первого и второго каналов 2 и 4 служат для приема эхо-сигналов от ОЭНС на частотах 2ω 0 и 3ω 0 соответственно. Приемники первого и второго каналов 7 и 8 переносят сигналы, принятые на частотах 2ω 0 и 3ω 0 , на промежуточную частоту ω пр и усиливают их. Опорный генератор 3 вырабатывает сигнал стабильной частоты ω ог. Синтезатор частот 6 формирует на своих первом и втором выходах соответственно сигналы несущей ω 0 и промежуточной ω пр частот. Устройства сдвига фазы первого и второго каналов 9 и 10 осуществляют сдвиг фазы опорного сигнала в каждом из каналов на π/2. Первые фазовые детекторы первого и второго каналов 11 и 13 выделяют синусные составляющие сигналов в соответствующих каналах, а вторые фазовые детекторы первого и второго каналов 12 и 14 - косинусные. Первый и второй аналого-цифровые преобразователи каждого канала 15, 16, 17 и 18 предназначены для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Блок компенсации траекторных нестабильностей 19 отслеживает случайные отклонения носителя НРЛС от заданной траектории и формирует соответствующий сигнал рассогласования для коррекции опорной функции. Первые вычислители опорных функций первого и второго каналов 20 и 22 формируют синусные составляющие опорных функций, вторые вычислители опорных функций первого и второго каналов 21 и 23 - косинусные составляющие опорных функций соответствующих каналов с учетом сигналов рассогласования, поступающих из блока компенсации траекториях нестабильностей 19. Цифровые системы обработки первого и второго каналов 24 и 25 служат для формирования РЛИ ОЭНС по сигналам, принятым на частотах 2ω 0 и 3ω 0 . Устройство индикации 26 необходимо для отображения РЛИ с требуемой яркостью, динамическим диапазоном и масштабом.
Заявляемая нелинейная РЛС с синтезированной апертурой антенны работает следующим образом. В течение временного интервала синтезирования апертуры антенны T s обеспечивается прямолинейное движение носителя нелинейной РЛС с постоянной скоростью (наиболее важный для практики случай) . Для обеспечения когерентности сигнал опорного генератора 3 на частоте ω ог подается на вторые входы приемников первого и второго каналов 7 и 8, являющиеся входами внешнего опорного генератора, а также на вход синтезатора частот 6, который формирует сигналы несущей ω 0 и промежуточной ω пр частот. По сигналу на частоте ω 0 , поступающему с первого выхода синтезатора частот 6 на вход передатчика 5, формируется ЗС с требуемыми параметрами на частоте ω 0 . Сформированный таким образом сигнал подается на вход передающей антенны 1 и излучается в заданную область пространства. Сигнал на промежуточной частоте ω пр со второго выхода синтезатора частот 6 поступает на вторые входы первых фазовых детекторов первого и второго каналов 11 и 13, а также на входы устройств сдвига фазы первого и второго каналов 9 и 10. Кроме того, сигнал на промежуточной частоте ω пр поступает также с выхода приемника каждого канала на первый вход первого фазового детектора соответствующего канала. Выходной сигнал устройства сдвига фазы каждого канала 9 и 10 подается на второй вход второго фазового детектора соответствующего канала 12 и 14. Так как опорные сигналы на промежуточной частоте ω пр на вторых входах первого и второго фазовых детекторов каждого канала 11 и 12, 13 и 14 имеют сдвиг по фазе π/2, на выходах первых фазовых детекторов каждого канала 11 и 13 формируются синусные составляющие поступающих из приемников первого и второго каналов 7 и 8 сигналов, а на выходах вторых фазовых детекторов 12 и 14 - косинусные составляющие. Сформированные квадратурные составляющие преобразуются в цифровой вид с помощью первого и второго аналого-цифровых преобразователей каждого канала 15, 17 и 16, 18 и подаются соответственно на первый и второй входы цифровой системы обработки соответствующего канала 24 и 25. Сигнал рассогласования, вырабатываемый блоком компенсации траекторных нестабильностей 19, поступает в каждом из каналов на входы первого и второго вычислителей опорной функции 20, 22 и 21, 23. Первые и вторые вычислители опорной функции каждого канала 20, 22 и 21, 23 формируют соответственно синусную и косинусную составляющие опорной функции, которые поступают соответственно на третий и четвертый входы цифровой системы обработки соответствующего канала 24 и 25. В цифровых системах обработки первого и второго каналов 24 и 25 реализуется известный алгоритм синтезирования апертуры антенны и в результате формируются РЛИ ОЭНС по сигналам, принятым на частотах 2ω 0 и 3ω 0 соответственно. Сформированные таким образом РЛИ поступают с выходов цифровых систем обработки первого и второго каналов 24 и 25 на соответствующие входы устройства индикации 26, с помощью которого производится визуальное отображение РЛИ.
Блок компенсации траекторных нестабильностей может быть выполнен, например, в виде устройства, структурная схема которого приведена на фиг.2.
Блок компенсации траекторных нестабильностей включает генератор тактовых импульсов 1, устройство масштабирования 2, устройство определения направления перемещения по осям прямоугольной системы координат 3, таймер 4, запоминающее устройство 5, блок ключей 6, устройство вычитания 7, блок суммирования 8, блок запоминающих устройств 9, блок масштабирования 10, блок умножения кодов 11, сумматор 12, преобразователь кодов 13, соединенных, как показано на фиг.2.
Генератор тактовых импульсов 1 предназначен для формирования последовательности импульсов заданной длительности τ и с периодом Т и. Таймер 4 служит для поддержания блока ключей 6 в открытом состоянии в течение заданного интервала времени T t . Устройство определения направления перемещения по осям прямоугольной системы координат 3 формирует на первом, втором и третьем выходах сигналы, соответствующие перемещению носителя НРЛС за время Т и вдоль осей абсцисс Δx i , ординат Δy i и аппликат Δz i соответственно, где Блок ключей 6 обеспечивает прохождение сигналов с первого, второго и третьего входов устройства определения направления перемещения по осям прямоугольной системы координат 3 на выход соответствующего ключа блока ключей 6. Блок суммирования 8 служит для суммирования сигналов, имеющихся на первых и вторых входах каждого устройства суммирования блока суммирования 8. Блок запоминающих устройств 9 необходим для хранения результата суммы, полученного в блоке суммирования 8. Блок масштабирования 10 усредняет результаты суммирования сигналов и формирует на первом, втором и третьем выходах сигналы, соответствующие средним значениям перемещений носителя НРЛС вдоль осей абсцисс ординат и аппликат Блок умножения кодов 11 предназначен для возведения в квадрат значений и Сумматор 12 служит для реализации математической операции 
Преобразователь кодов 13 выполняет математическую операцию вычисления средней скорости перемещения носителя НРЛС
Устройство масштабирования 2 необходимо для вычисления эталонного значения перемещения носителя НРЛС вдоль оси абсцисс 
В запоминающем устройстве 5 хранится полученное значение Δx 0 . В устройстве вычитания 7 осуществляется математическая операция вычитания значения текущего перемещения носителя НРЛС вдоль оси абсцисс прямоугольной системы координат Δx i из эталонного значения Δх 0 .
Блок компенсации траекторных нестабильностей работает следующим образом. Сначала измеряется средняя скорость движения носителя НРЛС.
Включение режима измерения скорости осуществляется вручную с помощью включения таймера 4, по окончании работы которого производится автоматическое отключение, т.е. продолжительность режима измерения значения определяется временем T t . В режиме измерения средней скорости тактовые импульсы длительностью τ и с периодом Т и, вырабатываемые генератором тактовых импульсов 1, поступают на вход устройства определения направления перемещения по осям прямоугольной системы координат 3, которое при движении носителя НРЛС формирует на своих первом, втором и третьем выходах значение перемещений вдоль осей абсцисс Δx i , ординат Δу i и аппликат Δz i соответственно. В течение времени T t сигнал с выхода таймера 4 поддерживает блок ключей 6 в открытом состоянии, в результате чего сигналы с первого, второго и третьего выходов устройства определения направления перемещения по осям прямоугольной системы координат 3, поступающие на первые входы соответствующих ключей блока ключей 6, подаются на первые входы соответствующих устройств суммирования блока суммирования 8. Блок суммирования 8 совместно с блоком запоминающих устройств 9 суммируют цифровые коды перемещений вдоль осей абсцисс, ординат и аппликат, которые затем с выходов первого, второго и третьего запоминающих устройств второго блока запоминающих устройств 9 соответственно поступают на входы соответствующих устройств масштабирования блока масштабирования 10, в которых осуществляется умножение поступивших сигналов на цифровой код величины и получение в результате средних значений перемещений за интервал времени Т и вдоль осей абсцисс ординат и аппликат Полученные таким образом сигналы поступают затем в блок умножения кодов 11 и сумматор 12 с целью получения суммы квадратов указанных сигналов 
которая поступает в преобразователь кодов 13, где в соответствии с (1) преобразуется в значение средней скорости Полученное значение подается на вход устройства масштабирования 2, где путем его умножения на величину Т и формируется эталонное значение перемещения носителя НРЛС вдоль оси абсцисс 
Сигнал Δx 0 с выхода устройства масштабирования 2 поступает на вход запоминающего устройства 5, где запоминается и хранится до момента следующего определения средней скорости По окончании измерения при функционировании нелинейной РЛС с синтезированной апертурой антенны, сигнал Δх 0 с выхода запоминающего устройства 5 подается на первый вход устройства вычитания 7, на второй вход которого поступает сигнал с первого выхода устройства определения направления перемещения по осям прямоугольной системы координат 3. В устройстве вычитания 7 осуществляются математические операции формирования сигналов, пропорциональных отклонению параметров движения носителя НРЛС вдоль оси абсцисс прямоугольной системы координат от заданных параметров опорной траектории δx i =Δx 0 -Δx i .
Потенциальное улучшение К угловой разрешающей способности НРЛС при синтезировании апертуры антенны было теоретически исследовано в соответствии с выражением
где Δl p и Δl - соответственно угловые разрешающие способности НРЛС без использования и с использованием алгоритма синтезирования апертуры антенны; λ ЗС - длина волны ЗС; R - расстояние между НРЛС и ОЭНС; d - размер реальной приемной антенны; - номер гармоники ЗС; - скорость движения носителя НРЛС; θ н - угол наблюдения ОЭНС. Расчеты, проведенные для случая использования в нелинейном локаторе «Люкс» метода синтезирования апертуры антенны при размерах реальных приемных антенн d=0,25 м для режима бокового обзора пространства (θ н =π/2), а также при 
T s =2 с, R=3 м, λ ЗС =0,3 м, свидетельствуют об улучшении углового разрешения на второй и третьей гармониках ЗС в 32 и 48 раз соответственно.
Эффективность функционирования блока компенсации траекторных нестабильностей можно оценить, воспользовавшись оценкой искажений РЛИ ОЭНС при отсутствии компенсации траекторных нестабильностей для случая прямолинейного равномерного движения носителя вдоль координаты х при фиксированных координатах у=у 0 , z=z 0 . В этих целях рассчитаем импульсные отклики нелинейной РЛС с синтезированной апертурой антенны (РЛИ ОЭНС) для случаев отсутствия и наличия случайных отклонений носителя НРЛС от заданной траектории
где U(t+τ) - траекторный сигнал; T s - временной интервал СА антенны; τ - временной сдвиг; h(t) - опорная функция.
В качестве опорной h(t) выбирается взвешенная функция, комплексно сопряженная с сигналом, отраженным от нелинейной цели
где H(t) - действительная весовая функция; 
- изменение текущего расстояния между НРЛС и ОЭНС.
Полагая в случае компенсации траекторных нестабильностей δx 1 =0, а в случае ее отсутствия - 
и задаваясь, например, значениями H(t)=1, 
T s =2 с, R=3 м, λ ЗС =0,3 м, n=2, х=1 м, x 0 =0 м, получим в соответствии с (3) импульсные отклики J 1 (r) и представленные после нормировки соответствующими графическими зависимостями 1 и 2 на фиг.3. Как показывает расчет, ширина главного лепестка импульсного отклика в 1,15 раза больше, чем J 1 (τ). Это означает, что блок компенсации траекторных нестабильностей, выполненный в виде устройства, структурная схема которого приведена на фиг.2, при заданных условиях позволяет улучшить разрешающую способность нелинейной РЛС с синтезированной апертурой антенны по угловой координате на 15%.
Таким образом, в предложенной нелинейной РЛС с синтезированной апертурой антенны повышается угловая разрешающая способность за счет формирования антенного раскрыва больших размеров на заданной траектории перемещения носителя НРЛС, а блок компенсации траекторных нестабильностей, выполненный в виде устройства, структурная схема которого приведена на фиг.2, обеспечивает потенциально достижимую угловую разрешающую способность (ее потенциальное улучшение в соответствии с выражением (2)) за счет уменьшения искажений РЛИ, обусловленных расширением главного лепестка импульсного отклика (3).
Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений неизвестна нелинейная РЛС с синтезированной апертурой антенны, отличающаяся от известной НРЛС, состоящей из передатчика, передающей антенны и двух идентичных каналов обработки сигналов на частотах второй 2ω 0 и третьей 3ω 0 гармоник ЗС, каждый из которых содержит последовательно соединенные приемную антенну и приемник, а также устройства индикации, тем, что дополнительно введены опорный генератор, синтезатор частот и блок компенсации траекторных нестабильностей, предназначенный для формирования соответствующего корректирующего сигнала рассогласования на основании измеренной средней скорости движения и случайных отклонений носителя нелинейной РЛС от заданной траектории, а в каждый из каналов - устройство сдвига фазы, первый и второй фазовые детекторы, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, первый вычислитель опорной функции, предназначенный для формирования синусной составляющей опорной функции, второй вычислитель опорной функции, предназначенный для формирования косинусной составляющей опорной функции, цифровая система обработки, при этом выход опорного генератора подключен ко входу синтезатора частот и ко вторым входам приемников первого и второго канала, первый выход синтезатора частот подключен ко входу передатчика, выход которого соединен со входом передающей антенны, второй выход синтезатора частот подключен в каждом канале ко второму входу первого фазового детектора и входу устройства сдвига фазы, выход устройства сдвига фазы каждого канала соединен со вторым входом второго фазового детектора соответствующего канала, выход приемника каждого канала подключен к первым входам первого и второго фазовых детекторов соответствующего канала, выходы которых соединены соответственно со входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей соответствующих каналов, выходы которых в каждом из каналов подключены соответственно к первому и второму входам цифровой системы обработки соответствующего канала, входы первого и второго вычислителей опорной функции каждого канала соединены с выходом блока компенсации траекторных нестабильностей, выходы первого и второго вычислителей опорной функции каждого канала подключены соответственно к третьему и четвертому входам цифровой системы обработки соответствующего канала, выходы цифровых систем обработки первого и второго каналов соединены соответственно с первым и вторым входами устройства индикации, а блок компенсации траекторных нестабильностей содержит генератор тактовых импульсов, устройство масштабирования, устройство определения направления перемещения по осям прямоугольной системы координат на основании измеренной средней скорости движения и случайных отклонений носителя нелинейной РЛС от заданной траектории, таймер, запоминающее устройство, блок ключей, состоящий из трех ключей, устройство вычитания, блок суммирования, состоящий из трех устройств суммирования, блок запоминающих устройств, состоящий из трех запоминающих устройств, блок масштабирования, состоящий из трех устройств масштабирования, блок умножения кодов, состоящий из трех умножителей кодов, сумматор и преобразователь кодов, при этом генератор тактовых импульсов и устройство определения направления перемещения по осям прямоугольной системы координат соединены последовательно, сумматор, преобразователь кодов, устройство масштабирования и запоминающее устройство соединены последовательно, кроме того, первый, второй и третий выходы устройства определения направления перемещения по осям прямоугольной системы координат подключены к первым входам соответствующих ключей блока ключей, вторые входы которых соединены с выходом таймера, первый выход устройства определения направления перемещения по осям прямоугольной системы координат соединен также со вторым входом устройства вычитания, выходы первого, второго и третьего ключей блока ключей соединены с первыми входами соответствующих устройств суммирования блока суммирования, выходы которых подключены ко входам соответствующих запоминающих устройств блока запоминающих устройств, выходы которых соединены со вторыми входами соответствующих устройств суммирования блока суммирования и со входами соответствующих устройств масштабирования блока масштабирования, выход каждого устройства масштабирования блока масштабирования подключен к первому и второму входам соответствующих умножителей кодов блока умножения кодов, выходы первого, второго и третьего умножителей кодов блока умножения кодов соединены с соответствующими входами сумматора, выход запоминающего устройства подключен к первому входу устройства вычитания, а выход устройства вычитания, второй и третий выходы устройства определения направления перемещения по осям прямоугольной системы координат, выход преобразователя кодов являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым выходами блока компенсации траекторных нестабильностей.
Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что нелинейная РЛС с синтезированной апертурой антенны позволяет достичь угловой разрешающей способности, близкой к потенциальной.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы типовые радиотехнические узлы и устройства, применяемые в РСА , а также оборудование и материалы СВЧ-диапазона широко распространенной технологии .
Блок компенсации траекторных нестабильностей может быть выполнен с использованием типовых импульсных и цифровых устройств .
Так, устройство определения направления перемещения по осям прямоугольной системы координат может быть выполнено, например, на базе оптического манипулятора типа «мышь» при условии фиксации координаты у=у 0 =h 0 , где h 0 - высота размещения плоской поверхности для перемещения оптического манипулятора типа «мышь» над уровнем пола в помещении, где используется нелинейная РЛС с синтезированной апертурой антенны. Генератор тактовых импульсов может быть построен как транзисторный блокинг-генератор или как блокинг-генератор на интегральных микросхемах . Для реализации блока ключей могут быть избраны транзисторные ключи . Таймер выполняется однотактным . Основой запоминающего устройства и блока запоминающих устройств могут служить полупроводниковые оперативные или постоянные запоминающие устройства. Сумматор и блок суммирования могут быть построены с использованием схемы сумматора параллельного действия . Блок масштабирования, устройство масштабирования и преобразователь кодов могут быть выполнены по известной схеме преобразователя кодов . Устройство вычитания предполагается построить на базе сумматоров, осуществляющих вычитание . Блок умножения кодов выполняется на базе известных устройств для умножения кодов .
Источники информации
1. Антипов В.Н., Горяинов В.Т., Кулин А.Н. и др. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны. / Под ред. В.Т.Горяинова. - М.: Радио и связь, 1988.
2. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. - М.: Радиотехника, 2005.
3. Нелинейный локатор «Люкс». Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - М.: Новоком, 2005.
4. Горбачев А.А., Колданов А.П., Ларцов С. В., Тараканков С.П., Чигин Е.П. Признаки распознавания нелинейных рассеивателей электромагнитных волн // Нелинейная радиолокация. Сборник статей. Часть 1. / Под. Ред. Горбачева А.А., Колданова А.П., Потапова А.А., Чигина Е.П. - М.: Радиотехника, 2005. - С.15-23.
5. Семенов Д.В., Ткачев Д.В. Нелинейная радиолокация: концепция NR // Специальная техника. / НИИ специальной техники МВД России, 1999, №1-2. - С.17-22.
6. Кондратенков Г.С., Потехин В.А., Реутов А.П., Феоктистов Ю.А. Радиолокационные станции обзора Земли. / Под ред. Г.С.Кондратенкова. - М.: Радио и связь, 1983.
7. Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства: Учебник для институтов связи. - М.: Связь, 1973.
8. Лебедев О.Н., Сидоров А.М. Импульсные и цифровые устройства: Цифровые узлы и их проектирование на микросхемах. - Л.: ВАС, 1980.
9. Справочник по радиолокации. / Под ред. М.Сколника, Нью-Йорк, 1970: Пер. с англ. (в четырех томах). / Под общей ред. К.Н.Трофимова; Том 2. Радиолокационные антенные устройства. - М.: Сов. радио, 1979.
10. Дулин В.Н. Электронные и квантовые приборы СВЧ: Учебное пособие для студентов высших технических учебных заведений. Издание 2-е, переработанное. - М.: Энергия, 1972.
11. С точки зрения оптических мышей…//URL:http://www.iXBT.com.
12. Симонович С.В. и др. Большая книга персонального компьютера. - М.: ОЛМА Медиа Груп, 2007.
13. Браммер Ю.А. Импульсные и цифровые устройства: Учеб. для студентов электрорадиоприборостроительных сред. спец. учеб. заведений. / Ю.А.Браммер, И.Н.Пащук. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2002.
Нелинейная радиолокационная станция (РЛС) с синтезированной апертурой антенны, состоящая из передатчика, передающей антенны и двух идентичных каналов обработки сигналов на частотах второй 2ω 0 и третьей 3ω 0 гармоник зондирующего сигнала (ЗС), каждый из которых содержит последовательно соединенные приемную антенну и приемник, а также устройство индикации, отличающаяся тем, что дополнительно введены опорный генератор, синтезатор частот и блок компенсации траекторных нестабильностей, предназначенный для формирования соответствующего корректирующего сигнала рассогласования на основании измеренной средней скорости движения и случайных отклонений носителя нелинейной РЛС от заданной траектории, а в каждый из каналов - устройство сдвига фазы, первый и второй фазовые детекторы, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, первый вычислитель опорной функции, предназначенный для формирования синусной составляющей опорной функции, второй вычислитель опорной функции, предназначенный для формирования косинусной составляющей опорной функции, цифровая система обработки, предназначенная для формирования радиолокационного изображения объекта с нелинейными электрическими свойствами, при этом выход опорного генератора подключен ко входу синтезатора частот и ко вторым входам приемников первого и второго канала, первый выход синтезатора частот подключен ко входу передатчика, выход которого соединен со входом передающей антенны, второй выход синтезатора частот подключен в каждом канале ко второму входу первого фазового детектора и входу устройства сдвига фазы, выход устройства сдвига фазы каждого канала соединен со вторым входом второго фазового детектора соответствующего канала, выход приемника каждого канала подключен к первым входам первого и второго фазовых детекторов соответствующего канала, выходы которых соединены соответственно со входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей соответствующих каналов, выходы которых в каждом из каналов подключены соответственно к первому и второму входам цифровой системы обработки соответствующего канала, входы первого и второго вычислителей опорной функции каждого канала соединены с выходом блока компенсации траекторных нестабильностей, выходы первого и второго вычислителей опорной функции каждого канала подключены соответственно к третьему и четвертому входам цифровой системы обработки соответствующего канала, выходы цифровых систем обработки первого и второго каналов соединены соответственно с первым и вторым входами устройства индикации, а блок компенсации траекторных нестабильностей содержит генератор тактовых импульсов, устройство масштабирования, устройство определения направления перемещения по осям прямоугольной системы координат на основании измерений средней скорости движения и случайных отклонений носителя нелинейной РЛС от заданной траектории, таймер, запоминающее устройство, блок ключей, состоящий из трех ключей, устройство вычитания, блок суммирования, состоящий из трех устройств суммирования, блок запоминающих устройств, состоящий из трех запоминающих устройств, блок масштабирования, состоящий из трех устройств масштабирования, блок умножения кодов, состоящий из трех умножителей кодов, сумматор и преобразователь кодов, при этом генератор тактовых импульсов и устройство определения направления перемещения по осям прямоугольной системы координат соединены последовательно, сумматор, преобразователь кодов, устройство масштабирования и запоминающее устройство соединены последовательно, кроме того, первый, второй и третий выходы устройства определения направления перемещения по осям прямоугольной системы координат подключены к первым входам соответствующих ключей блока ключей, вторые входы которых соединены с выходом таймера, первый выход устройства определения направления перемещения по осям прямоугольной системы координат соединен также со вторым входом устройства вычитания, выходы первого, второго и третьего ключей блока ключей соединены с первыми входами соответствующих устройств суммирования блока суммирования, выходы которых подключены ко входам соответствующих запоминающих устройств блока запоминающих устройств, выходы которых соединены со вторыми входами соответствующих устройств суммирования блока суммирования и со входами соответствующих устройств масштабирования блока масштабирования, выход каждого устройства масштабирования блока масштабирования подключен к первому и второму входам соответствующих умножителей кодов блока умножения кодов, выходы первого, второго и третьего умножителей кодов блока умножения кодов соединены с соответствующими входами сумматора, выход запоминающего устройства подключен к первому входу устройства вычитания, а выход устройства вычитания, второй и третий выходы устройства определения направления перемещения по осям прямоугольной системы координат, выход преобразователя кодов являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым выходами блока компенсации траекторных нестабильностей.
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.
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
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.
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.
