Радиолокационные системы с синтезированной апертурой

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).

. (6.1)

Ввиду малости второго слагаемого, получим

(6.2)

Ширина диаграммы направленности такой антенны

(6.3)

В этом случае тангенциальная разрешающая способность

(6.4)

улучшилась по сравнению с панорамной антенной

(6.5)

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

= . (6.6)

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 f₀ (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

(6.9)

где - момент времени, когда приемник находиться на кратчайшем расстоянии r₀ 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

(6.12)

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

(6.14)

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.

Затем стандартным методом находится модуль комплексного числа , который является выходным сигналом РЛС.

Относительное перемещение РЛС и разрешаемых по углу объектов существенно повышает возможности углового разрешения. Роль истинного раскрыва (апертуры) антенны в условиях когерентной обработки приобретает синтезированный раскрыв, формируемых относительным перемещением реальной антенны за время когерентного накопления. Синтез называется прямым, когда локатор расположен на борту летательного аппарата, закономерности движения которого хорошо известны по совокупности навигационных и локационных данных. Синтез называют обратным, или инверсным, когда локатор наблюдает за перемещающимися объектами, закономерности движения которых устанавливаются только по располагаемой локационной информации.

Радиолокационные системы с синтезированными антеннами, в том числе и импульсные, обеспечивают весьма высокие разрешающие способности. Например, при скорости =300 м/сек, периоде повторения импульсов Т=10^-2 сек, λ= 3 см, r₀ = 60 км, разрешение вдоль линии пути составляет 3 м.

Мера разрешающей способности поперек линии пути при боковом обзоре определяется выражением

, (6.15)

где – полоса частот сигнала;

- угол между наклонной дальности и наблюдаемой поверхностю.

РЛС с синтезированной апертурой обеспечивают правильное воспроизведение объектов на местности, если они неподвижны. Доплеровская поправка частоты, связанная с движением объекта приводит к временному смещению сжатого импульса на выходе оптимального фильтра и к ошибкам наблюдения. Принципы синтеза раскрыва антенны могут быть использованы для решения отдельных задач наземной радиолокации (дополнительное угловое разрешение группы летательных аппаратов).