Фазовые искажения. Алгоритмы автофокусировки

Введение

Современные бортовые радиолокационные средства представляют одно из наиболее интенсивно развивающихся направлений радиоэлектронной техники. Особое место среди них занимают радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА). Современные радиолокаторы с синтезированной апертурой антенны, установленные на летательных аппаратах, обладая высокой разрешающей способностью по линии пути, позволяют получать детальные радиолокационные изображения объектов и местности в любое время суток, сезона и года, не зависят от климатических условий и наличия облачности.

Радиолокаторы с синтезированной апертурой позволяют решать ряд важнейших народнохозяйственных задач, таких как высокоточная оценка рельефа местности, формирование трехмерных изображений земной поверхности, исследование динамических процессов на земной и морской поверхности. РСА космического и авиационного базирования эффективно используются для военных приложений. Это системы разведки, целеуказания, системы дистанционного обнаружения мин и т. п.

Практическая реализация метода ставит ряд сложных задач, основной из которых является когерентное суммирование тысяч сигналов на траектории полета одновременно. Поэтому требования к цифровым системам обработки траекторного сигнала по-прежнему достаточно велики, что ведет к постоянному совершенствованию алгоритмов обработки сигналов РСА.

Принцип работы

Передатчик, установленный на подвижном носителе (космическом аппарате (КА), самолете, беспилотном летательном аппарате и т.п.), формирует зондирующие сигналы и с помощью антенны облучает местность. Принятые отраженные сигналы после усиления в приемнике и преобразования в квадратурные составляющие на выходах фазовых детекторов запоминают в специальном устройстве (например, ОЗУ). После этого осуществляют их когерентное суммирование. В результате сложения принимаемых сигналов осуществляется сжатие антенного луча и существенно повышается разрешающая способность РЛС вдоль линии пути носителя.

В зависимости от того, компенсируются или нет фазовые набеги при суммировании сигналов, различают фокусированные и несфокусированные РСА. В первом случае обработка сводится к перемещению антенны, запоминанию сигналов, компенсации фазовых набегов и суммированию сигналов, во втором — к тем же операциям, но без компенсации фазовых набегов.

Радиолокаторы землеобзора используют импульсный зондирующий сигнал, ширина спектра которого определяет разрешение по наклонной дальности , а также разрешение по горизонтальной дальности на местности поперек линии пути, которое равно

, [1] (1)

где ширина спектра зондирующего импульса, - угол падения, отсчитываемый от местной вертикали.

Разрешение вдоль линии пути зависит от рабочей длины волны и длины участка траектории движения платформы, на котором происходит когерентное запоминание принимаемого сигнала и последующий синтез искусственной апертуры. Для РСА форма ДНА реальной антенны радиолокатора мало влияет на разрешающую способность по азимуту. Она определяется длиной синтезированной апертуры, сформированной после приема сигналов.

, [1] (2)

где - длина синтезированной апертуры, которая может составлять десятки километров (множитель «2» учитывает двойной набег фазы при передаче и приеме сигналов от наблюдаемой местности: приближенное равенство учитывает амплитудное взвешивание при синтезе апертуры).

В настоящее время существуют три основных режима съемки земной поверхности (рис.1): маршрутный (МР), обзорный или широкозахватный режим Скансар (СС) и прожекторный (детальный)

В маршрутном режиме съемка земной поверхности производится непрерывно в полосе захвата. Сигнал накапливается в течение времени, равного расчетному интервалу синтезирования апертуры антенны для данных условий полета носителя РЛС.

Обзорный режим съемки отличается от маршрутного тем, что съемка непрерывно ведется на всей ширине полосы обзора полосами, равными ширине полосы захвата. Несколько лучей последовательно переключаются по углу места для просмотра всей полосы обзора. Накопление сигнала осуществляется в течение времени, равного расчетному интервалу синтезирования апертуры антенны для данных условий полета носителя РЛС.

При съемке в прожекторном режиме накопление сигнала происходит на увеличенном, по сравнению с обзорным режимом, интервале. Расширение интервала достигается перемещением главного лепестка диаграммы направленности антенны, а облучаемый участок постоянно находится в зоне съемки. Это перемещение синхронизировано с движением носителя РЛС.

Рис.1. Основные режимы съемки

Процесс получения выходного изображения в современных РСА включает в себя несколько этапов:

1. принятые отраженные сигналы преобразуются из аналогового вида в цифровую форму. В случае если обработка ведется на наземном комплексе сигнал предварительно сжимается для передачи данных и передается по радиолинии. Результат - упакованная радиолокационная информация (радиоголограмма) с приложением к ней сопроводительной служебной информации о режимах работы и их параметрах, а также баллистической информации о движении платформы, форматов данных и др.

2. данные форматируют для последующей обработки. Проводиться коррекция радиолокационных данных с учетом аппаратурных искажений (амплитудных, частотных, фазовых). В результате этого этапа получают квадратурные составляющие радиоголограмм, а также сопроводительную информацию, по которой рассчитывают опорные функции для синтеза радиолокационного изображения (РЛИ);

3. синтез комплексных радиолокационных изображений (КРЛИ) или их фрагментов с коррекцией миграции дальности и автофокусировкой при необходимости;

Дальнейшей обработкой может быть: вычисление модуля КРЛИ с получением амплитудного РЛИ; некогерентное накопление нескольких независимых наблюдений; привязку первичных РЛИ к географическим координатам; сборка фрагментов КРЛИ с приведением масштабов фрагментов к единому масштабу по наклонной и путевой дальностям; коррекция геометрических и радиометрических искажений (калибровка РЛИ); преобразование РЛИ к картографическим проекциям (геокодирование) и др.

Общим принципом получения РЛИ в РСА авиационного и космического базирования является согласованная фильтрация принятого сигнала. Параметры сигналов и выходного РЛИ имеют различия в зависимости от режима работы РСА, что приводит к необходимости применения разных алгоритмов синтеза РЛИ.

Радиолокаторы с синтезированной апертурой являются динамической системой, в которых искажающие факторы могут меняться со временем. Далее рассмотрим ряд факторов, влияющих на окончательное изображение, а также пути их устранения.

Фазовые искажения. Алгоритмы автофокусировки

Одним из основных деструктивных факторов может быть искажение и нестабильность фаз.

Устранение фазовых искажений возможно при использовании автофокусировки. Проблема автофокусировки была вызвана тем, что навигационные системы самолета не могли с необходимой точностью обеспечить измерение траектории перемещения фазового центра антенны РСА, что является необходимым условием получения высокого пространственного разрешения. Методы автофокусировки предлагались и строились с первых дней развития РСА. К настоящему времени создано большое количество алгоритмов восстановления изображений, поэтому ниже будут рассмотрены лишь некоторые из них.

· Энтропийный алгоритм автофокусировки [2]

В основе энтропийного алгоритма лежит идея минимизации некоторой функции качества изображения. В качестве такой целевой функции, например, используют энтропию изображения

, где (3)

Работа алгоритма заключается в итерационном процессе минимизации целевой функции энтропии в пространстве фазы опорной функции. Фактически, алгоритм пытается получить наиболее контрастное изображение, подобрав соответствующую фазу опорной функции.

· Фазово-градиентный алгоритм автофокусировки [3]

Одним из наиболее эффективных и широко используемых при синтезе РЛИ алгоритмов автофокусировки является фазово-градиентный алгоритм автофокусировки, основанный на извлечении некомпенсированной фазовой ошибки непосредственно из ярких точечных целей. Входным процессом для работы алгоритма в этом случае является предварительно сжатая по дальности (с коррекцией миграции) радиоголограмма, в которой скомпенсирован закон ЛЧМ с остаточными отклонениями, требующими устранения. Получаемое в каждом канале дальности комплексное РЛИ представляет собой спектр радиоголограммы. Применения обратное быстрое преобразование Фурье (ОБПФ) перейдем от КРЛИ к радиоголограмме с частично скомпенсированными отклонениями.

Алгоритм базируется на вычислении градиента фазы спектра КРЛИ за вычетом постоянной фазы и линейной зависимости фазы от азимутальной координаты.

· Алгоритм автофокусировки по сдвигу изображения [4]

Исходную радиоголограмму деляг на две подапертуры, по каждой из которых делают синтез РЛИ с использованием опорной функции, рассчитанной на основе баллистических параметров. После детектирования каждого из амплитудных РЛИ - АРЛИ1 и АРЛИ2 вычисляют их корреляционную функцию.

· Фазоразностный алгоритм автофокусировки [5]

Алгоритм во многом напоминает алгоритм рассмотренный ранее, но вычислительных затрат в нем гораздо меньше. Входную радиоголограмму также делят на две подапертуры, перемножают сигнал второй подапертуры и сопряженный сигнал первой подапертуры, после чего выполняют быстрое преобразование Фурье (БПФ). Формирующий корреляционную функцию сигналов в подапертурах, детектирование и усреднение результата по каналам дальности. После этого находят максимум корреляционной функции и вычисляют параметры опорной функции для синтеза РЛИ.

Амплитудные искажения

Специфической особенностью радиолокационных сигналов, отраженных от разного типа объектов является наличие спекл-шума. Они вызваны интерференцией сигналов, отраженных от элементарных отражателей, образующих объект. При использовании широкополосных (или сверхширокополосных) сигналов происходит разбиение группового объекта на элементы, взаимное положение которых за время синтеза может меняться под влиянием движения или затенения. Это приводит к нарушению когерентности траекторного сигнала, ухудшению пространственного разрешения РЛИ и возрастанию флюктуаций.

Основным методом снижения спекл-шума является фильтрация (линейная, адаптивная и комбинированные методы) формируемого в результате синтеза амплитудного РЛИ (АРЛИ) или яркостного РЛИ – по энергии (ЭРЛИ), соответствующего квадрату амплитуды. Главная процедура такой фильтрации некогерентное накопление или усреднение независимых наблюдений по площади выбранного окна на РЛИ.

При движении радиолокатора относительно цели наклонная дальность до цели меняется, что приводит не только к изменению фазы принятого от цели сигнала, но и к изменению мгновенного значения сигнала в данном канале дальности. В конечном счете, может появиться амплитудная модуляция в радиоголограмме, которая, не будучи учтена надлежащим образом, может вызвать падение уровня выходного сигнала или появление ложных лепестков синтезированной диаграммы на выходном РЛИ. Это явление - миграция дальности. Существуют алгоритмы как учитывающие миграцию, так и нет.