Литература / бакулев радиолокация распозн

Глава 14. Радиолокаторы

""

с синтезированнои

апертурой

Сиюпезироваиие апертуры (СА) - метод обработки сигналов, по­ зволяющий существенно повысить поперечную линейную разрешаю­ щую способность радиолокатора относительно направления ДНА и улучшить детальность радиолокаuионного изображение местности. Ис­ пользуется СА для получения радиолокаuионной карты (при картогра­ фировании), разведке ледовой обстановки и в других ситуациях. По ка­ честву и детальности такие карты сравнимы с аэрофотоснимками, но в

отлиLJИе от последних могут быть получены в отсутствие оптической

видимости земной поверхности (при полете над облаками и ночью).

14.1. Принцип действия и устройство РЛС с СА

Детальность радиолокационного изображения зависит от линейной разрешающей способности радиолокатора. При использовании поляр­ ных координат (R и а) разрешающая способность по дальности (ради­

альная разрешающая способность) 8R определяется параметрами зон­

дирующего сигнала, а в поперечном направлении (тангенциальная раз­

решающая способность) Ы - шириной ДНА радиолокатора и расстояни­

ния 8/ требует использования узких ДНА, так как 8/ пропорциональна

ширине ДНА, а ч>а = л./dа (л -длина волны; da - длина антенны), кото­

рая не может быть больше продольного размера (длины) летательного аппарата. Основной путь повышения танrенuиальной разрешающей способности - применение в радиолокаторах метода синтезирования

282

свечения пятна. Обработка и воспроизведение информации происхо­ дят позднее, после обработки пленки с запаздыванием во времени (не в реальном масштабе времени).

При цифровой обработке сигналов результирующая информация получается сразу в процессе обработки в реальном масштабе времени.

Принципы обработки сигналов в РСА. При любом виде обра­ ботки необходимо запоминание кадра информации о сигналах целей.

месnюсn1 (а): д~rаrраммы запиройства записи считывается последовательно в

си (6) и считывания (в) сип1шюв

каждом из п каналов дальности (рис. 14.7,в).

Сигнал, обрабатываемый в РСА. Пусть радиолокатор работает в

импульсном режиме. Тогда за период повторения Tn антенна смещается на отрезок Л =VТп (рис. 14.8).

Для исключения пропуска цели при таком смещении антенны по­

требуем чтобы Л < da на рис. 14.8. При

этом формируется соответствующий уLш­ стку местности кадр изображения с раз­

мерами Хк и Rк. Получить информацию об

угловом положении цели, т.е. о координа-

тех, при синтезировании апертуры можно

только при анализе отраженных от этой

Р11с. 14.8. К~шсматика взаимного цели сигналов, записанных на интервале

смешения РЛ и точеч11ой цели

синтезирования LзФ• Поэтому информация

с устройства записи считывается последовательно в каждом из п каналов

дальности (см. рис. 14.7,а). Допустим теперь, что РЛ неподвижен, а цель

286

движется относительно него с той же скоростью V (рис. 14.9,а). Начиная

отсчет времени с момента прохода целью (точка М) середины апертуры

(i = О) и считая Ro >>J,'t, имеем sina ~а= Vt/ R0 , а Vr =V sina.

При проходе цели через диаграмму направленности доплеровский сдвиг частоты (рис. 14.9,6) и фаза (рис. 14.9,в) меняются по законам:

Отметим, что коэффициенты а и б при постоянных в полетел и V зависят от R0 и, следовательно, обработка сиrяалов многоканальна по

дальности.

Комплексную амплитуду отраженных сигналов при синтезирова­

нии апертуры можно представить в виде

U(t) = Um(t)exp{j(J)(t)},

где Uт(t)=И0G;(Vt/R0); (J)(t)=-2лV2t2/л.R0 . Здесь и далее огибающая

сигнала выражена через ДНА реальной антенны G(a) и значение ампли­ туды сигнала равно Ио при а= О.

Р11с. 14.9. Схема формирования вектора радиальной скорости (а); характер измепе1111я до­ нлсровской частоты (6) н фюы (в) сигнала пр11 11ролсте цели

В импульсном радиолокаторе сигнал приходит в дискретные мо­ менты времени, поэтому t = t1 = iТп. Тогда

U(t;) =иO ( G, ( ~;))' ехр{ - /; [ cv;}']}

или

( 14.4)

287

Дискретные составляющие сигнала ( 14.4) необходимо запомнить

на интервале времени NТп, где N = L-Jф/Л .

Алгоритмы обработки сигнала в РСА. Для оптимальной обра­ ботки сигнала (14.4) необходим фильтр с импульсной переходной ха­

оо

или

H(i) =W; exp{jq>;},

(i = О, ± 1, ±2, ... ± N 12).

Устройство обработки сигналов с таким фильтром будет опти­ мальным только для дальности R0 • Это обстоятельство объясняет на-

звание фокусированный РСА: радиолокатор оказывается "сфокусиро­ ванным" на данную дальность. Кроме того, фильтр является оптималь­

ным только при определенной скорости носителя радиолокатора.

Оптимальное устройство обработки сигналов при синтезировании апертуры состоит (рис. 14.10) из фильтра СФ 1, согласованного с оди­

ночным импульсом, устройства запоминания сигналов на N периодов

повторения, весовых усилителей с коэффициентами усиления JV; , фа-

зовращателей (f>, и сумматора сигналов. При нефокусированной обра­

ботке, которая не является оптимальной, фазовращатели отсутствуют.

288

а)

Рнс. 14.10. Коэффициенты ус1rления и фазовые сдвиги в фазовращателях (а); структу­

ра устройстваоmималыюй обработки сигнала в РЛ с СА (6)

Увеличение разрешающей способности 8/ в тангенциальном на­

правлении наталкивается на такие ограничения, как траекторные и ап­

паратурные дестабилизирующие факторы, которые приводят к отклоне­ нию фазы траекторного сигнала от квадратической аппроксимаuии.

Фазовое рассогласование определяется отличиями принятой моде­ ли Ra(t) и реальной траектории Rт(/)

Неравенство ( 14.9), определяет до­

пустимые погрешно­

сти при "фокусиро­ ванной обработке" и

размеры синтезиро­

ванной апертуры.

На рис. 14.11

представлены зависи­

мости аппроксими­

рующей Ra(t) и на- l1 ис. 4.11. Зависимости аппроксимирующей и наклонной

клонной Rт(t) дальнодальностей как функции смеще11ия ЛА по траектории или

времени

стей как функции

смещения ЛА по траектории L = Vt или времени t.

Подставляя в ( 14.9) значения дальностей, выраженные через пара­ метры V, R0 траектории ЛА, и учитывая предельно допустимое значение

ЛR=л/8 и размеры Lc = VTc синтезированной апертуры антенны, прихо­

дим к уравнению

289

Здесь учтено значение синтезированной апертуры при нефокуси­

рованной обработке, для которой допустимая фазовая погрешность оп­

Тангенциальная разрешающая способность, реализуемая РЛС с СА,

л

бLС =aecRo = Ro - .

2Lc

С учетом выражения ( 14.12), находим тангенциальную разрешаю­

щую способность при фокусированной обработке с квадратической ап­

проксимацией наклонной дальности:

Фо J4Ro./RJ.+л 2Jн0Щ. ·

14.2. Цифрова5' обработка сигналов РСА

При аналоговой обработке в РСА с использованием фотопленки информация извлекается с большим запаздыванием относительно мо­

мента записи.

Цифровая обработка сигналов в РСА позволяет получать карто­ графическую информацию в реальном масштабе времени, если обеспе­ чиваются требуемые быстродействие и объем памяти специализирован­

ного вычислителя (процессора).

Структурная схема устройства цифровой обработки сигналов

РСА. С помощью АЦП (рис. 14.12) сигналы фазовых детекторов двух квадратурных каналов преобразуются в цифровой код и подаются в ОЗУ, состоящие JJЗ N+ 1, азимутальных каналов и п каналов дальности.

Кодированные сигналы в каждый период повторения записываются в

соответствующий азимутальный канал, имеющий п ячеек дальности

(см. рис. 14.7). Поэтому в каждой ячейке дальности содержится инфор­

мация о сигнале, отраженном от цели, находящейся на данном расстоя­

нии и наблюдаемой под определенным азимутальным углом к направ­

лению полета. Содержимое ОЗУ считывается с некоторой задержкой

относительно момента записи. При этом в каждом периоде повторения

290