Радиолокационные станции обзора земной поверхности

Реферат РЛС обзора земной поверхности РЛС с большими вдольфюзеляжными антеннами При создании РЛС для наблюдения земной поверхности с высокой разрешающей способностью наибольшие трудности встречаются при обеспечении хорошего разрешения по угловым координатам, которое Определяется шириной диаграммы направленности антенны. Для повышения разрешения необходимо либо уменьшать длину волны, либо увеличивать геометрические размеры антенны. Уменьшать длину волны можно лишь до 2−3 см, т.к. при дальнейшем уменьшении возрастают потери энергии электромагнитной волны в атмосфере. Увеличение размеров антенны не

Должно ухудшать аэродинамические характеристики самолета. Кроме того антенна не должна превышать габаритов внутрифюзиляжного пространства. Однако, в некоторых случаях, например в РЛС картографирования и разведки используются антенны больших размеров устанавливаемых неподвижно вдоль фюзеляжа самолета. Луч антенной системы направлен перпендикулярно оси самолета вправо и влево от направления полета. Просмотр участка земной поверхности происходит благодаря перемещению самого летательного аппарата во время полета.

Рис.Обзор земной поверхности РЛС бокового обзора Антенны РЛС бокового обзора могут достигать нескольких метров длины (до 5−8 м). В сантиметровом диапазоне это позволяет получить разрешение по угловым координатам порядка 10−20 угловых минут. Дальнейшее увеличение размеров антенны связано с большими конструктивными трудностями.

Недостатками РЛС с большими антеннами являются ;

— зависимость линейного разрешения в направлении полета от наклонной дальности

— недостаточное линейное разрешение в направлении полета, что не позволяет получать высокое качество изображения при картографировании.

Принцип синтезирования раскрыва В настоящее время эти недостатки устраняются путем использования принципа синтезирования сигналов, или принципа синтезирования антенны.

Аналогом синтезирования является формирование диаграммы направленности обычной линейной многоэлементной антенны (линейной антенной антенной решетки).

Сигналы, отраженные от цели, принимаются практически одновременно всеми элементами антенны. В фидерной системе все сигналы векторно складываются, и результирующая сумма поступает в приемник. Если цель находится в направлении, перпендикулярном антенне, то сигналы, принимаемые элементами, находятся в фазе и векторная сумма по модулю максимальна. При других направлениях на цель сигналы имеют некоторое отличие по фазе и векторная сумма по модулю становится меньше. Таким образом формируется диаграмма направленности антенны. Таким образом для получения высокой направленности необходимо, чтобы элементы антенны были разнесены в пространстве по раскрыву и выполнялось векторное суммирование принятых сигналов.

Однако нет принципиальной необходимости принимать сигналы одновременно на все элементы антенной решетки. Можно принимать сигналы на один элемент, но этот элемент перемещать в пространстве вдоль Некоторого воображаемого раскрыва. Принимаемые при этом последовательно во времени сигналы необходимо запомнить как по амплитуде, так и по фазе и через некоторое время одновременно сложить.

В качестве элемента такой антенны может быть использована обычная антенна, установленная на летательном аппарате. Перемещение этого летательного аппарата в пространстве создает требуемое перемещение эквивалентного элемента антенны. Очевидно, что в этом случае принципиально можно получить сколь угодно большие эквивалентные антенны. Такие антенны называют антеннами с синтезированным раскрывом

Как показано на рисунке самолет с установленной на нем антенной с шириной луча позволяет получить антенну с синтезированным раскрывом, равным по величине отрезку траектории полета самолета

где — время полета самолета

Рис. Принцип формирования искусственного (синтезированного раскрыва.

Результирующая диаграмма направленности в этом случае имеет узкий основной лепесток шириной, который можно было бы получить при обычной антенне только при существенном увеличении ее размеров (см. рис.).

Таким образом, используя движение самолета, можно получать высокую разрешающую способность РЛС по угловым координатам.

Таким образом можно сформулировать требования к РЛС с синтезированным раскрывом ;

— необходимость обеспечения когерентного режима работы, обеспечивающего в каждый момент времени получение необходимых фазовых соотношений

— возможность запоминания принимаемых сигналов по амплитуде и фазе

— обеспечение векторного суммирования принимаемых сигналов.

Формирование траекторных сигналов

Сигналы, отраженные от неподвижной точечной цели, расположенной на поверхности Земли принимаемые на борту при движении летательного аппарата называются траекторными сигналами.

При получении основных закономерностей полагают, что самолет движется горизонтально, равномерно и прямолинейно

Рис. Положение цели относительно траектории полета самолета Излученный сигнал имеет вид: t)=Аeхр (jt)

Принимаемый сигнал, отраженный от цели Ц имеет вид

U (t) = k Аехр[ j (t-)]

— где k-коэффициент, который учитывает затухание радиоволн в пространст-ве, отражающие свойства цели и т. д.

Задержку сигнала можно представить в виде :

Так как обычно х <<, то приближенно можно записать С учетом этих соотношений сигнал, отраженный от цели можно представить в следующем виде :

Или в другом виде Здесь

— фазовый сдвиг сигнала из-за наличия расстояния до цели

фаза сигнала, зависящая только от положения элемента приема по оси х Где

Если учесть, что полет самолета происходит равномерно со скоростью, то

Тогда запишется в виде :

и выражение для входного сигнала примет вид :

Это выражение описывает высокочастотный сигнал с линейной частотной модуляцией с крутизной b, равной :

Учитывая, что фаза сигнала равна, следовательно частота сигнала Таким образом, полезная информация об угловом положении цели при

Движении самолета содержится в основном в фазе сигнала .Эта информация может быть выделена при помощи когерентных детекторов,

c использованием в качестве опорного излучаемое колебание. Сигнал на

выходе когерентного детектора имеет вид :

Или в комплексной форме На рис показан характер изменения фазы сигнала, отраженного от цели. Максимальное значение фазы соответствует точкам, где Х равен Область в пределах облучается основным лепестком диаграммы направленности антенны. Вблизи значения х=0 фаза изменяется мало

Если исходить из критерия Релея, что допустимое изменение фазы по раскрыву антенны не должно быть больше, то участок малого изменении фазы найдется из равенства: или

Рис. Характер изменения сигнала, отраженного от цели в РЛС с синтезированным раскрывом в зависимости от значений переменной Х В результате получаем длину участка, где фаза сигналов изменяется не более, чем на :

На рис. показано, как изменяется частота принимаемого сигнала. скорость изменения фазы или частоты, как следует из формулы, равна

Максимальное значение этой частоты соответствует переменной Х на границе облучаемого участка :

Т.к. обратно пропорционально D, то

Где — раскрыв действительной антенны.

Следовательно, максимальное значение частоты при данном размере раскрыва антенны является величиной постоянной. Крутизна изменения частоты, равная, обратно пропорциональна расстоянию до цели .

Вид выходного сигнала когерентного детектора показан на рис.

Обработка сигналов в РСА

Отраженный сигнал, как было показано выше, имеет линейную частотную модуляцию. Такой сигнал может быть подвержен сжатию во временной области. Коэффициент сжатия определятся длительностью первичного

Сигнала и шириной спектра :

Длительность сигнала по переменной Х равна:

А ширина спектра частотно-модулированного сигнала при большом индексе модуляции равна удвоенной девиации частоты :

Следовательно коэффициент сжатия равен :

Длительность сигнала на выходе устройства обработки равна :

Таким образом, при оптимальной обработке длительность выходного сигнала по переменной Х, а следовательно, и разрешающая способность

По линейной координате равны половине раскрыва реальной антенны РЛС.

К такому выводу можно прийти и непосредственно, определяя форму сигнала на выходе устройства обработки. Как известно сигнал на выходе

Согласованного фильтра во временной области по переменной Х можно представить либо в виде корреляционной функции, или как обратное преобразование Фурье от спектра выходного сигнала.

По определению корреляционная функция записывается в виде Где — опорная функция (импульсная переходная функция)

Принимая во внимание, что выражение для корреляционной функции примет вид :

Где пределы интегрирования равны:

При Х> 0

При Х < 0

Cдвиг изменяется в пределах

Выполнив интегрирование приближенно получим Вид корреляционной функции показан на рис.

Видно, что первые нулевые нулевые значения функции

Соответствуют

что совпадает с ранее полученным результатом.

При выполнении преобразований в частотной области необходимо вначале найти спектр сигнала :

Где — символ преобразования Фурье.

Спектр сигнала представим в следующем виде :

Модуль спектра сигнала может быть аппроксимирован прямоугольной Функцией с шириной, равной. Фазовый спектр равен

(см. рис.)

Рис.Амплитудный (а) и фазовый (б) спектры сигнала

Согласованный фильтр должен иметь передаточную функцию, сопряженную со спектром сигнала :

В этом случае сигнал на выходе согласованного фильтра равен обратному преобразованию Фурье от спектра входного сигнала :

Или, Но это есть корреляционная функция, так как преобразование Фурье от квадрата модуля спектра сигнала (спектра мощности) по теореме Хинчи-на является корреляционной функцией этого сигнала :

Приведенные соотношения относятся как к импульсным РЛС, так и к РЛС с непрерывным излучением. Необходимо только учитывать, что появляющаяся в сигнале частотная модуляция и изменяющийся при этом спектр относятся к той естественной модуляции, которая возникает из-за

движения самолета. При этом в полученные выше соотношения не входит в явном виде спектр самого импульсного сигнала. Однако при импульсном излучении проявляются особенности, связанные с дискретностью при излучении и приеме сигналов. Такая дискретность приводит к неоднозначности при обработке сигналов.

Рис. Формирование синтезированного раскрыва при импульсном характере сигналов РЛС Т.к.сигнал является импульсным, то переменная Х должна быть заменена дискретными точками приема, расположенными друг от друга на расстоянии

Где — период повторения импульсов, а — частота повторения.

В этом случае формула для комплексной корреляционной функции представляется в виде суммы:

Где (2N+1) — общее число точек приема.

Сигналы, принимаемые в этих точках, обрабатываются одновременно.

После преобразований выражение для АКФ можно привести к виду :

Слагаемые суммы в этой формуле представляют собой геометрическую прогрессию. Сумма членов геометрической прогрессии данного вида равна Выходная корреляционная функция тогда имеет вид :

Модуль функции корреляции равен Это выражение имеет вид направленности антенной решетки длиной

с равномерным облучением элементов. График функции

имеет дополнительные ложные ложные максимумы на расстоянии от основного. Расстояние можно определить, положив аргумент

В знаменателе равным :

C учетом того, что, получаем Для обеспечения однозначности необходимо, чтобы диаграмма направленности перекрывала участок по оси Х не не больше. При этом диаграмма направленности антенны (показана на рис пунктиром) выделяет Только один основной максимум. Таким образом должно выполняться условие

или

Рис.Многозначность выходного сигнала РЛС с синтезированным раскрывом при импульсной работе Таким образом, условие однозначной работы может быть записано в виде Следовательно раскрыв антенны должен быть больше участка пути, который пролетает самолет за период повторения импульсов РЛС.

Отметим, что ширина одного лепестка корреляционной функции как и раньше равна

Действительно, следовательно нулевое значение функции корреляции соответствует, откуда с учетом и ,

Получаем .

Полученные неравенства трудно выполнить в случае летательных аппаратов с большой скоростью, а также космических объектов т.к. необходимо иметь антенны с большим раскрывом.

Оптическая обработка сигналов в РСА На первых этапах развития РСА предлагались различные методы запоминания и обработки сигналов как аналоговые, так и цифровые.

Однако на том этапе все они не обладали необходимыми характеристиками как по объему памяти, таки по быстродействию.

Поэтому были предложены новые методы обработки радиолокационных сигналов с помощью когерентных оптических систем. Наиболее эффективным устройством запоминания сигналов оказалась фотографическая пленка, обладающая большой емкостью хранения информации. Кроме того, оптические устройства легко реализуют многоканальную по дальности систему обработки данных. Объясняется это двумерностью оптических систем, при этом одна координатная ось может быть использована для обработки азимутальных данных, а другая — для записи этих данных в различных разрешаемых элементах по дальности.

Рис. Схема оптической обработки сигналов РСА В РСА с оптической системой обработки радиолокационные сигналы с выхода приемника поступают в преобразователь, превращает их в световые сигналы на выходной плоскости когерентного оптического процессора.

Это преобразование осуществляется пространственным модулятором путем освещения его когерентной световой волной лазерного источник излучения с помощью расширителя пучка (линз). В качестве источника когерентного света используются лазеры видимого оптического диапазона

(длина волны 0,4−0,7 мкм). Оптический процессор в общем случае представляет собой набор различных оптических элементов (линз, диафрагм и т. п.), расположенных определенным образом в пространстве.

Необходимый алгоритм обработки обеспечивается в результате прохождения света, модулированного траекторным сигналом РСА, через оптические элементы от входной до выходной плоскости. На выходной плоскости оптической системы формируется РЛИ объектов, которое поступает на индикатор. Благодаря высокой разрешающей способности оптическая система способна одновременно и практически мгновенно (за время распространения сигнала от модулятора до выходной плоскости) обрабатывать большой объем информации при высоком качестве РЛИ.

На рис. представлена оптическая система обработки сигналов в РСА Рис. Структурная схема бортовой м и наземной частей оптической системы записи и обработки сигналов в РСА В оптической системе обработки в качестве запоминающего устройства используется запись траекторных сигналов с экрана электронно;

лучевой трубки на фотопленку. Сигналы в каждом периоде повторения с выхода фазового детектора модулируют яркость экрана электронно-лучевой трубки при однострочной развертке луча по дальности. Объектив фотокамеры проектирует экран трубки на фотопленку таким образом, что развертка по дальности располагается поперек пленки. Фотопленка непрерывно протягивается со скоростью, пропорциональной скорости полета носителя РСА. В результате вдоль пленки записываются траекторные сигналы в каждом разрешаемом по дальности элементе. После фотохимической обработки так называемая первичная пленка поступает воптический процессор. Участок пленки с записью траекторного сигнала на интервале синтезирования освещается параллельным пучком света лазера. Пройдя через оптическую систему процессора световой поток фокусируется на вторичной пленке в виде радиолокационного изображения. Оптическая система обработки использует известные принципы оптической голографии. Запись отраженных сигналов на фотопленку аналогично записи голограммы. Роль опорного луча при записи оптической голограммы в РСА играет опорный сигнал, подаваемый на фазовый детектор. В случае РСА записываются одномерные голограммы, представляющие собой интерференционную картину биений принимаемого и опорного сигналов отдельно в каждом канале дальности. Каждая голограмма представляет собой чередующиеся прозрачные и непрозрачные участки пленки, расстояния между которыми соответству4ют фазовой модуляции траекторного сигнала. В оптическом процессоре при освещении голограммы пучком когерентного света происходит фокусировка света на определенном расстоянии от пленки и формируется изображение целей.

Цифровые методы обработки сигналов РСА Одним из основных требований к РСА является получение изображения в реальном масштабе времени. Для решения этой задачи применяют цифровые методы обработки сигналов

Рис. Цифровая система обработки радиолокационная станция сигнал синтезирование В цифровой системе обработки видеосигналы с выхода фазового детектора в каждом периоде повторения подвергаются дискретизации по времени и квантованию по амплитуде и преобразуются с помощью быстродействующего АЦП в цифровые сигналы. Сигналы, полученные от всех разрешаемых по дальности элементов в зоне обзора, запоминаются на участке траектории, равном длине синтезированной апертуры, на время выполнения алгоритма обработки. Цифровой процессор осуществляет обработку цифровых сигналов, хранящихся в запоминающем устройстве (ЗУ), и поступающих из вычислителя опорной функции. Следует отметить, что сжатие сигналов по дальности для обеспечения соответствующего разрешения, здесь не рассматривается. Вычислитель опорной функции снабжает процессор требуемыми опорными сигналами в соответствии с алгоритмом обработки. В результате на выходе процессора формируется массив цифровых сигналов, соответствующих амплитуде или мощности сигналов, соответствующих амплитуде или мощности сигналов, отраженных от каждого разрешаемого элемента в зоне обзора РСА, т. е. цифровое изображение объекта или участка местности.

Главными характеристиками ЦСО являются разрядность АЦП и процессора, а также объем памяти ЗУ.

Важной особенностью системы обработки является ее двухканальность

которая обеспечивается фазовым детектором. Структура алгоритма обработки траекторного сигнала приведена на рисунке.

Литература

Моделирование тракта формирования отраженных сигналов в задачах подповерхностной радиолокации слоистых земных покровов.

В.Кутев, А.Крайнюков.

Сборник научных трудов РАУ, Рига, 1995, с.17−23.

Magnetohydrodynamic flow in a rectangular duct in a cusped magnetic field.

V.A.Kutev, S. Molokov and D.M.Emmrich

1999, Physics of Fluids, Vol. 11, Issue 4, pp. 931−939.

Математическое моделирование в задачах радиолокационного подповерхностного зондирования слоистых сред.

В.Кутев, А. Крайнюков Тезисы докладов международной научно-технической конференции «Современные научно-технические проблемы ГА». М., МГТУ ГА, 1999, с.210−211.

Цифровая обработка данных георадара на основе структурных особенностей отраженных сигналов.

А.Александров, А. Граковский, В. Кутев, В.Строителев.

Сборник научных трудов РАУ, Рига, 1995, с.24−31.

Методы и средства подповерхностной радиолокации в решении экологических задач.

В.Кутев

Тезисы докладов Международного научного симпозиума <�Экология, авиация, техносфера — взгляд в третье тысячелетие>, Рига, 2−5 дек. 1996 г, Рига, 1996.

Моделирование природных сред в задачах экологического мониторинга.

В.Кутев, А.Крайнюков.

Тезисы докладов Международного научного симпозиума <�Экология, авиация, техносфера — взгляд в третье тысячелетие>, Рига, 2−5 дек. 1996 г, Рига, 1996.с.

Метод обработки данных средств дистанционного зондирования природной среды на основе морфологического анализа отраженных сигналов.

А.Александров, А. Граковский, В. Кутев, В. Строителев Сборник докладов Международного научного симпозиума <�Экология, авиация, техносфера — взгляд в третье тысячелетие>, Рига, 1997, с.128−133.

РЛС для измерения толщины льда и глубины промерзания грунта.

Jakkula Pekka, Jlinen Pekka, Tinki Martti.

Measurement of ice and frost thickenes with FM-CW radar. «10 th Eur. Micriwave Conf. Warszawa» 1980, Sevenoaks, s. a, 584−589 (англ.)