Литература / Гришин Ю.П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы (1990)

высокой корреляции — разрешаемым интервалом Av =

со

= f |T(v')|2dv', который численно равен площади функ­

ции |T(v')|2.

Значение Av обратно пропорционально эффективной ширине обобщенного спектра:

[ f |S(p)|2dp]2

= ™, т. е. Av=l/Ap3.

f|S(n)|4dp

—00

При подстановке конкретных измеряемых параметров получим разрешающую способность по времени задержки

[ f l<?k.,)l2<4,]2

-------------------- (18.21) f |(7K.r*dv)| x>r

“ 00

достигает максимального значения, равного полной ширине углового спектра Avx у , = Агх y=rfx у/Хя при равномерной функции раскрыва. При этом обеспечивается также и мак­ симальная точность измерения углов, поскольку произ­ ведение (2E/N0)(2nux у э)2 в знаменателе формулы для о2^ достигает максимума. Однако равномерная функция раскрыва дает большой (0,21) уровень боковых лепестков ДНА. Поэтому практически используют функции раскрыва, плавно спадающие к краям, что позволяет уменьшить боковые лепестки при незначительном снижении точности и разрешающей способности в случае измерения углов.

Следует отметить, что разрешающая способность по

С увеличением а0 и р0 уменьшается также и точность измерения аир, поэтому в антеннах с электрическим сканированием углы отклонения а0 и р0 не превышают 60°, что соответствует снижению точности и угловой разрешающей способности в два раза.

391

В антеннах с механическим сканированием (поворотом всей антенны) а0 и р0 всегда равны нулю и, следовательно, обеспечиваются максимальная точность и разрешающая способность при измерении угловых координат.

Обобщенная пространственно-временная теория прие­ ма сигналов позволяет рассматривать РЛС с наиболее общих позиций с учетом взаимосвязи измеряемых парамет­ ров. Однако практическая необходимость учета взаимозави­

сигналах и больших относительных раскрывах антенн. Для наиболее распространенной РЛС кругового обзора

антенна равномерно вращается по азимуту. При этом производится измерение дальности и азимута, а иногда и радиальной скорости. При ограниченных размерах раскрыва антенны dA и простом импульсном сигнале пространственно-временная ФН | T(v')| = |T (т, F, а)| может быть представлена произведением двух функций | Т (т, F) | и |T(ot)|, причем первая определяется параметрами излуча­ емого импульса, а вторая—параметрами антенны. При часто используемой аппроксимации ДНА колоколообраз­ ной функцией Т(а) = ехр( —21п2а2/ад) («а — ширина ре­ зультирующей ДНА при передаче и приеме на уровне половинной мощности) протяженность области высокой корреляции ак, характеризующая разрешающую «способ­

Таким образом, относительный раскрыв антенны dfjk’* ограничивает потенциальные значения точности и разреша­ ющей способности при измерении угловых координат, выполняя функции ширины спектра сигнала при измерении дальности. Поэтому, аналогично сжатию импульсов, при частотной или фазовой модуляции его несущей можно осуществить сжатие ДНА при наличии пространственной фазовой или частотной модуляции.

При фазовой модуляции применяется ФАР, на эле­ менты которой подаются высокочастотные колебания с фа­

392

зами, обеспечивающими равномерное облучение всего заданного сектора обзора. В приемный тракт каждого элемента вводятся фазовращатели, компенсирующие фазо­ вый сдвиг при излучении. В этом случае ДНА сжимается

для сжатия ДНА и повышения угловой разрешающей способности в РЛС бокового обзора с синтезированным раскрывом.

§ 18.3. РЛС БОКОВОГО ОБЗОРА С СИНТЕЗИРОВАНИЕМ АПЕРТУРЫ

Проблема радикального повышения разрешающей способ­ ности в направлении, перпендикулярном оси ДНА, особен­ но актуальна для РЛС обзора поверхности под летатель­ ным или космическим аппаратом, поскольку в направлении оси ДНА достижимо очень высокое разрешение при соответствующем расширении спектра сигнала РЛС. Если излучение антенны направлено перпендикулярно вектору скорости РЛС, т. е. осуществляется боковой обзор, то перемещение антенны относительно облучаемой поверхнос­ ти позволяет получить при оптимальной обработке отра­ женных сигналов очень высокое разрешение и в направле­ нии, перпендикулярном оси ДНА. Таким образом решается задача получения радиолокационного изображения высокой четкости.

Повышение разрешения при боковом обзоре можно рассматривать как результат сжатия ДНА при оптималь­ ной обработке (аналогично сжатию импульса с впутриимпульсной модуляцией) или как формирование диаграммы синтезированной антенной решеткой, образующейся при перемещении антенны РЛС относительно облучаемой по­ верхности.

Рассмотрим принцип действия и потенциальные воз­ можности самолетной РЛС бокового обзора. Антенна станции вытянута вдоль оси самолета и формирует ДНА, узкую в горизонтальной и широкую в вертикальной плоскости, ориентированную перпендикулярно оси самоле­ та. Обычно создаются две идентичных ДНА по обе стороны оси самолета, что в данном случае несущественно.

393

Рис. 18.7

в горизонтальной плоскости аА«Хи/</А. Считая для про­ стоты излучение ограниченным в горизонтальной плоскости углом аА, найдем время облучения точки поверхности на

где V—скорость самолета, которая считается постоянной; L—линейная ширина ДНА на расстоянии D от РЛС. Радиальная составляющая скорости относительно точек облучаемой поверхности (рис. 18.7,a) Kr=Ksina, где a — угол между осью ДНА в горизонтальной плоскости и направлением на рассматриваемую точку а. Таким образом, на оси ДНА К, = 0, а на краях достигает максимального значения Jzrm = Кsin a/2. Так как в РЛС бокового обзора применяются узкие ДНА, то можно считать Vrm~ ± КаА/2. За счет радиальной составляющей скорости возникает доплеровский сдвиг частоты отражен­ ного сигнала, изменяющийся по линейному закону от ^и = 2Гг/Хи=ГаА/Хя до FVm= -2 Г,/Хя= - ГаА/Хя. Таким образом, при пролете расстояния L=4^D принимается

При оптимальной согласованной обработке такой импульс может быть сжат до импульса длительностью, обратной ширине спектра сигнала и приближенно равной

ющего фильтра огибающая импульса имеет форму sinxjx и его длительность тсж (измеряемая на уровне 0,64 максимального значения) определяет предельное разреше­ ние по времени, которое соответствует расстоянию

394

тсжИ=<7А/2, разрешаемому в направлении вектора V, перпендикулярном оси ДНА. Следовательно, при когерент­ ной обработке разрешаемое расстояние не зависит от дальности и ограничено значением, равным <7А/2. Этот вывод, сначала кажущийся парадоксальным, становится понятным при анализе разрешающей способности РЛС бокового обзора с точки зрения синтезирования раскрыва.

Если все отраженные сигналы на протяжении L — akD когерентно (т. е. с учетом фазы) суммировать, то можно

причем коэффициент 2 учитывает набег фазы при прохож­ дении сигналом расстояния D «туда и обратно».

Разрешаемое по направлению полета (перпендикулярно

Отрезок пути L, на котором производится когерентное суммирование отраженных сигналов, определяет размер синтезированного раскрыва LQ = L, так как такое суммиро­ вание аналогично приему сигнала на синфазную антенну с размером раскрыва, равным Lc. Отсюда становится ясно, почему разрешаемое расстояние AZ)ac снижается, т. е. разрешение растет при уменьшении раскрыва реальной антенны dA и не зависит от D. Это объясняется увеличением синтезированного раскрыва Lc прямо пропорционально ширине ДНА РЛС ад = Хн/</А и дальности рассматриваемой точки D.

Однако с увеличением Lc растут и трудности обеспе­ чения когерентности при обработке сигналов. Поэтому антенны РЛС бокового обзора для получения малых значений аА должны иметь значительные размеры раскрыва </А, что позволяет реализовать когерентную обработку, обеспечивающую приближение к потенциальной разре­ шающей способности системы с синтезированным раскры­ вом, определяемой формулой (18.27).

При переходе от непрерывного сигнала к импульсному с периодом Т„ синтезированная антенна аналогична антен­ ной решетке, расстояния между элементами которой равны AJ= VTn. В РЛС бокового обзора обычно применяется импульсное излучение, поэтому такие РЛС называют

станциями с синтезированной антенной решеткой.

С излучением каждого импульса антенна РЛС стано­ вится элементом синтезированной решетки, дальность

395

которого от рассматриваемой точки поверхности равна кратчайшему расстоянию Do (рис. 18.7, а) только в тот момент, когда рассматриваемая точка оказывается на оси ДНА. На краях синтезированной решетки расстояние отличается от Do на

Этой разности расстояний соответствует максимальная

* 2л фазовая задержка сигнала Д<рт =—2ДШ. Если в процессе

А'И полета изменяющиеся фазовые задержки Дср(г) фиксируются

и учитываются при обработке, то синтезированные решетки называются фокусированными. Система обработки сигнала в этом случае получается сложной, поэтому необходимо выяснить, к каким потерям разрешающей способности приводит отказ от «фокусировки», т. е. переход к нефокусированиой обработке без учета фазовых сдвигов. В этом случае допустима разность хода на концах синтезирован­ ного раскрыва Д^Хя/8, что соответствует максимальному

— анф^о — ч/^-й-^оМ-

Для обработки сигнала без коррекции (фокусировки) пригоден обычный экспоненциальный накопитель с линией задержки на период повторения импульсов т3=Гп. Ясно, что названия фокусированная и нефокусированная системы

появились по аналогии с оптической системой, в которой

396

при полностью открытой диафрагме необходима фокуси­ ровка объектива (наводка на резкость). При сильном диафрагмировании достаточная четкость (резкость) обеспе­ чивается без фокусировки при постоянной установке объек­ тива на бесконечность.

Следовательно, при фокусированной обработке сигнала (фокусированный раскрыв) достижимо максимальное ли­ нейное разрешение в направлении, перпендикулярном ДНА, Д£)амяя = </А/2 независимо от дальности Do; при нефокуси-

dA разрешение ^DxxaADo = 'k„DoldA.

Зависимость разрешающей способности Д£>а от даль­ ности D для этих случаев представлена на рис. 18.8.

Таким образом, для полной реализации потенциальных возможностей синтезированной антенны необходима обра­ ботка сигнала с внесением фазовых поправок в соответст­ вии с положением рассматриваемой точки относительно антенны РЛС. В импульсных РЛС сигнал повторяется с периодом Тп и поправки вводятся дискретно в моменты времени Г; = /Тп (z=0, 1, 2, ..., ±N), отсчитываемые от вре­ мени приема среднего импульса, отраженного в тот момент времени, когда данная точка находится на траверсе пролетающего самолета.

Согласованный фильтр для сигнала точечной цели при известной дальности и скорости РЛС относительно цели соответствует схеме когерентного фильтра для пачки импульсов, при этом амплитуды импульсов умножаются на весовые коэффициенты ...а_2, а_1; а0, а{, а2, ...

и смещаются по фазе на значение поправки ..., <р_2, Ф-i, ФоФо Фг> ••• • Такая обработка (фокусировка) требуется для каждого элемента дальности, т. е. необходим фильтр для каждой дальности (дискретность зависит от раз­ решающей способности по дальности, определяемой шири-

Л

Др (Синтезированный

D

Рис. 18.8

397

ной спектра сигнала), причем параметры фильтра должны изменяться при изменении скорости перемещения РЛС.

Требования к устройству обработки задаются прежде всего временем синтезирования, равным в фокусированных

синтезированной апертуры Lc = XBZ)/(2ADa) = 200 м. В этом

которых в полосе обзора по дальности может достигать

zh=104. Число уровней квантования определяет разрядность устройства обработки r = log2«I = 3,32IgnI. Та­ ким образом, общий объем обрабатываемой информации I=rmNc. При наличии квадратурных каналов значение I удваивается и имеет порядок 108 бит. С учетом коррекции фазы в каждом периоде повторения требумое быстро­ действие обработки в подобных системах достигает 1О9-1О10 оп/с.

Несмотря на относительную сложность, цифровая реализация устройств обработки при использовании совре­ менной элементной базы возможна, особенно при осу­ ществлении обработки на видеочастоте. Достоинством цифровой обработки является возможность получения

Если допустима задержка при получении изображения (например, при картографировании), то целесообразно применять оптические методы обработки сигналов при синтезировании раскрыва, поскольку оптические устройства обеспечивают многоканальную когерентную обработку сиг­ налов сразу для всех элементов дальности.

Принцип обработки заключается в следующем. При­ нимаемые сигналы фиксируются на фотопленке, протяги­ ваемой со скоростью, пропорциональной скорости самоле­ та V, при этом строки дальности располагаются поперек пленки. На определенном расстоянии от начала каждой строки, пропорциональном дальности рассматриваемой точки D, записываются отраженные сигналы в течение времени То6л. Эта запись в продольном направлении (вдоль пленки) в соответствующем масштабе передает распределение сигналов вдоль синтезируемого раскрыва Lc.

После проявления (время проявления и определяет задержку в обработке) пленка протягивается перед окном

398

оптического устройства, одновременно облучаясь однород­ ным когерентным световым пучком. Плоская световая волна, проходя через пленку, модулируется по амплитуде и фазе записанным сигналом. Размеры пятна, полученного на оптическом экране или другой фотопленке на выходе оптического фильтра, соответствуют ширине диаграммы направленности синтезированной антенны otc, которая во много раз меньше ширины диаграммы направленности реальной антенны otA. Подбором параметров элементов (линз) оптического фильтра можно обеспечить когерентную обработку и получить высокую четкость синтезированного радиолокационного изображения. Именно с помощью РЛС бокового обзора с синтезированием раскрыва, расположен­ ной на искусственном спутнике Венеры, советским иссле­ дователям удалось получить четкое радиолокационное изображение этой планеты, закрытой для оптического наблюдения.

§ 18.4. СЛЕДЯЩИЕ ИЗМЕРИТЕЛИ НАПРАВЛЕНИЯ

Задачей следящего измерителя направления (СИН) является непрерывное совмещение опорного направления антенны измерителя [a0(z), PoWl с направлением прихода волны [ot(z), (z)] от источника сигнала к измерителю. Таким образом, СИН имеет два канала, осуществляющих слеже­ ние в азимутальной плоскости [по направляющему коси­ нусу ux(z) = cos0x(z) = sina(z) и по углу места (по направ­ ляющему косинусу uJ,(z) = cosO>(z) = sinP(z)].

Каждый канал содержит угловой дискриминатор, экстраполятор и синтезатор поворота, образующие замкнутую следящую систему. Угловой дискриминатор вырабатывает сигнал, пропорциональный рассогласованию между направ­ лением на объект и опорным направлением. Экстраполятор преобразует сигнал рассогласования, обеспечивая требуемое управление синтезатором поворота, совмещающим опорное направление с направлением на объект.

Поворот опорной оси может осуществляться непосред­ ственно поворотом антенной системы или ее элементов с помощью электродвигателя, являющегося в этом случае синтезатором поворота и одновременно последним, а ино­ гда и единственным, интегратором в схеме экстраполятора.

При электронном управлении синтезатор поворота изменяет угол наклона фазовой характеристики антенны относительно раскрыва до совмещения опорной оси

399

с направлением на пеленгуемый объект; оценкой этого направления является направляющий косинус угла смеще­

Дискриминатор является устройством нелинейным, поэтому для упрощения анализа предполагают его работу при больших отношениях сигнал/шум и малых рассогласо­ ваниях измеряемого и опорного значений параметров, что позволяет воспользоваться результатами линейной теории.

Для СИН условия для линеаризации выполняются, поскольку угловые координаты сопровождаемой цели, как правило, изменяются медленно, а отношение сигнал/шум в режиме автоматического сопровождения велико. При этих условиях [8] оптимальная характеристика дискрими­ натора в функции рассогласования по обобщенному па­ раметру (v — v0)

z'(v-v0)

где z'(v —v0), z"(v-v0) — производные корреляционного ин­ теграла.

Формулой (18.29) можно воспользоваться для расчета любого из двух каналов углового дискриминатора, изме­

для характеристики оптимального дискриминатора и за­ меняется иа z(u — u0) в реально используемом модифици­ рованном дискриминаторе. Функция G(v)exp (/2лгн) описы­ вает огибающую входного сигнала, принимаемого с на­ правления и, а функция *(v)exp(G -/2nvu 0) = H0(v) является передаточной функцией согласованного пространственного

400