Методика программного формирования траекторного сигнала при решении задачи калибровки радиолокационных систем с синтезированной апертурой антенны

УДК 621.396.96

МЕТОДИКА ПРОГРАММНОГО ФОРМИРОВАНИЯ

ТРАЕКТОРНОГО СИГНАЛА ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧИ КАЛИБРОВКИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ АНТЕННЫ

С.Н. Гусев

Изложены основные принципы работы имитатора сигналов, позволяющего формировать виртуальные отметки на изображениях радиолокационных систем с синтезированной апертурой антенны. Рассмотрены особенности представления объектов наблюдения в виде совокупности эквивалентных точечных отражателей. Предложена методика расчета имитирующего траекторного сигнала сложных сосредоточенных объектов. Приведены результаты экспериментов по формированию виртуальных объектов на радиолокационных изображениях с использованием аппаратно-программных средств моделирования.

Ключевые слова: радиолокационная система с синтезированной апертурой, радиолокационное изображение, эхо-сигнал, траекторный сигнал.

Анализ научных работ, проводимых в зарубежных странах по тематике дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), показывает, что в настоящее время большое внимание уделяется созданию и совершенствованию радиолокационных систем с синтезированной апертурой антенны (РСА), обеспечивающих всепогодный круглосуточный мониторинг интересующих областей земной поверхности с высоким разрешением. Тенденции развития РСА авиационного и космического базирования состоят, в первую очередь, в повышении информативности радиолокационных изображений (РЛИ) за счет совершенствования аппаратуры и методов цифровой обработки сигналов (ЦОС) указанных систем.

Одним из направлений повышения информативности РЛИ является улучшение радиометрических характеристик РСА (радиометрическая чувствительность, радиометрическая разрешающая способность), определяющих возможность различения объектов с близкими значениями удельной эффективной площади рассеяния (ЭПР). Это в свою очередь требует подтверждения достигнутых значений характеристик аппаратуры РСА, что осуществляется при помощи радиометрической калибровки систем в различных режимах функционирования.

Наиболее перспективным методом калибровки является использование имитаторов тестовых сигналов, представляющих собой активные ретрансляторы с программным формированием сигналов, которые, в отличие от типовых радиолокационных калибровочных мир, позволяют реали-зовывать любую сигнатуру. С другой стороны, задача формирования тра-екторного сигнала сложных сосредоточенных и пространственно-

368

распределенных объектов, представляющих наибольший интерес для исследования эффективности алгоритмов ЦОС РСА, на данный момент не реализована. Изложенные соображения определяют актуальность задачи разработки научно-методического аппарата синтеза имитирующего траек-торного сигнала, позволяющего формировать виртуальные объекты на радиолокационных изображениях РСА.

Принцип формирования виртуальных объектов на РЛИ основан на создании на входе приемника РСА пакета когерентных импульсов, отраженных от эквивалентных точечных отражателей (ТО), расположенных в соответствии с заданной моделью имитируемого объекта [1, 2]. Данный принцип лежит в основе разработанной методики программного формирования траекторного сигнала сложных сосредоточенных объектов.

Предлагаемая методика, структурная схема которой представлена на рис. 1, подразумевает выполнение последовательности следующих основных этапов:

- ввод исходных данных по характеристикам РСА, определение порядка и условий проведения эксперимента;

- выбор объекта имитации, формирование цифровой модели имитируемого объекта;

- расчет комплексной огибающей сигнала, отраженного от элементарного ТО;

- формирование имитирующего траекторного сигнала объекта;

- контроль качества формирования виртуального объекта на

РЛИ.

На первом этапе осуществляется выбор носителя РСА и параметров зондирующего сигнала (центральной частоты, вида модуляции, ширины спектра, частоты повторения, поляризации, энергетических параметров и др.), задаются параметры движения (вектор состояния) носителя РСА и имитатора сигналов, определяются характеристики подстилающей поверхности.

На втором этапе осуществляется загрузка из банка данных файла эталонного РЛИ объекта имитации, выбор которого проводится с учетом выбранного сценария проведения калибровочных работ. На основе эталонного комплексного радиолокационного изображения (КРЛИ) формируется цифровая модель объекта наблюдения.

Проводимый на третьем этапе расчет комплексной огибающей траекторного сигнал ТО сводится к расчету амплитудно-частотных характеристик эхо-сигнала, зависящих от характера изменения положения РСА относительно ТО в составе виртуального объекта. Далее выполняется синтез имитирующего траекторного сигнала, формирующего на РЛИ виртуальную отметку.

Рис. 1. Структурная схема методики программного формирования имитирующего траекторного сигнала

На завершающем этапе производится контроль качества формирования виртуального объекта на РЛИ методом корреляционного анализа (рис. 1), который сводится к вычислению коэффициента корреляции между РЛИ реального объекта и изображением, полученным с использованием имитатора. Кроме того, проводится расчет ошибок позиционирования элементов формируемого объекта. При достижении требуемой вели-

370

чины коэффициента корреляции изображений принимается решение об эффективности выбранного способа формирования траекторного сигнала.

Решение задачи синтеза имитирующего траекторного сигнала виртуального объекта реализуется для геометрии обзора РСА, представленной на рис. 2,а, где 0х, 0у - ширина диаграммы направленности антенны РСА

по азимуту и дальности соответственно; НРСА. - высота полета носителя РСА; ^гтт, ^гтах - минимальная и максимальная границы полосы обзора; ун - путевая скорость носителя РСА.

а

б

Рис. 2. Геометрия обзора РСА: а - геометрия обзора в трехмерной декартовой системе координат; б - геометрия обзора в плоскости «азимут - наклонная дальность»

При этом для решения задачи вводятся следующие ограничения:

- РСА работает в режиме бокового обзора, осуществляя маршрутную съемку заданного района наблюдения, при этом на интервале синтезирования Ьс носитель РСА не совершает маневров;

- РСА использует сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), параметры которого не изменяются на интервале синтезирования.

В связи с ограничениями на геометрию обзора носителя РСА система «РСА - имитатор сигналов» может рассматриваться в плоскости «азимут - наклонная дальность» (рис. 2,б), вследствие чего текущие расстояния от РСА до имитатора сигналов ги (£) и до виртуального объекта гв (£) определяются выражениями

Ги (*) = Л1 К + (VГ » К +

гв(*) — VК + )2 » К +

2 Ки 2 К

где Ки =

2 2 2 2 Xи + У и и Кв — д/ Xв + У в - минимальная наклонная дальность в траверзе до имитатора и виртуального объекта соответственно.

Тогда формирование имитирующего траекторного сигнала заключается в определении комплексной огибающей эхо-сигнала ТО, которая в соответствии с моделью траекторного сигнала РСА [3], имеет вид

то (*) — геС

^ Т ТТ 2 Т1

"и

X

х ехр

] 2п/о

2г

А^

* + ,/п-

т

* -

и V

2

- т

+ ]Фо

где А&то - комплексный коэффициент отражения ТО; ти - длительность зондирующего импульса; тз - временная задержка сигнала, принятого от ТО; /о - несущая частота сигнала; г (*) - текущее расстояние от носителя РСА до цели; X - длина волны несущего колебания; А^ - ширина спектра зондирующего сигнала; Фо - начальная фаза сигнала.

Необходимо отметить, что выражение (2) позволяет описать траек-торный сигнал ТО, тогда как сигнал, отраженный от сложного объекта, является суперпозицией эхо-сигналов от совокупности ТО в составе имитируемого объекта, в связи с чем возникает необходимость в представлении объекта имитации в виде цифровой модели.

Существующие в настоящее время подходы к формированию моделей объектов можно разделить на электродинамические, математически описывающие процесс формирования функции отражения реального объекта, и феноменологические, основанные на воспроизведении свойств объектов посредством создания их приближенных моделей [2]. Достоинством первого подхода является наиболее точное воспроизведение отражательных характеристик объектов. С другой стороны, это связано с необходимостью разработки сложных математических моделей, учитывающих множество процессов, происходящих при формировании эхо-сигналов, что, в свою очередь, ведет к существенному повышению требований к вычислительным средствам.

От этих недостатков избавлен метод представления объекта имитации в виде совокупности геометрически распределенных элементарных ТО [2, 4], описываемой двумерными массивами значений интенсивности отклика ТО и координат ТО вида

2

А (', у) =

8то (i, Л) =

Аи 11 Аи 21 Аи 12 • Аи у Аи 1Ny • Аи 2 Ny

Аи Nx 1 Аи Nx 2 • • Аи NxNy _

8 то 11 8 то 21 8 то 12 с °то ZJ ••• 8 то Шу ••• 8 то 2 Ny

8то Ых 1 8то Ых 2 к 8 то Мхму

где Аи - массив нормированных значений интенсивности отклика ТО; 8то = [Ху, у'л ] - массив значений координат ТО относительно опорной точки (X и, 7и); Ых, N у - количество ТО в составе имитируемого объекта

по азимуту и дальности соответственно.

Выражение (2) позволяет описать эхо-сигнал, отраженный от любой точки пространства в заданном секторе обзора, в связи с чем аналогичные расчеты могут быть использованы для расчета сигнала, излучаемого программным имитатором. Однако при расчетах следует учитывать, что отметки виртуального объекта будут вынесены относительно фазового центра антенны имитатора на некоторое расстояние по азимуту и дальности, что влечет за собой необходимость внесения дополнительной временной задержки эхо-сигнала ТО:

Тз «) =

2Гв

с

1 -

2,2 \ 2 Яв у

где с - скорость света.

Кроме того, данное обстоятельство приводит к несоответствию законов изменения фазы принимаемых эхо-сигналов от ТО, расположенных в различных точках зоны обзора (рис. 3), что, в свою очередь, влияет на качество формирования имитирующего траекторного сигнала. Поэтому для достижения подобия имитируемого эхо-сигнала и отклика, полученного при наблюдении реальной цели в заданной точке пространства, наряду с амплитудным взвешиванием и введением дополнительной временной задержки сигнала требуется обеспечить равенство фазы и соответственно доплеровского сдвига частоты данных сигналов.

Так как изменение фазы эхо-сигналов от ТО, расположенных в точках размещения имитатора ф и (г) и виртуального объекта фв (г), описываются соотношениями

с

с

/ ч 4п

Фв (1) = у

Я

2,2\ V I

2Я

/ ч 4п

, ф и (1) = y

Я

22 V I

2 Я

ви

то величина дополнительного сдвига фазы имитирующего траекторного сигнала ТО определяется в соответствии с матрицей корректирующих фазовых сдвигов вида

лф з а /)

АФз 11 ЛФз 21

ЛФз 12 ЛФз Ц

Лф Лф

з

з 2

ЛФз N. 1 ЛФз N. 2 к Лфз ^^ где Лфз и - корректирующий фазовый сдвиг эхо-сигнал для //-го ТО в со ставе имитируемого объекта, рассчитываемый следующим образом:

4п vн2t2

ЛФз у = Ф

в у

Фи

X

2Яв Я

Учитывая выражение для расчета комплексной огибающей эхо-сигнала (2), соотношения (4) и (7), траекторный сигнал //-го ТО в составе сложного имитируемого объекта можно представить в виде

и

отр у

(/) = О ант А и у гей

гг - т /2 - т .. ^

I тз у

X т.

х exp

У 2п/0-

2г/

1

ЛЯ 1 + /п-

ти V

1 -^-т ..

2 тз у

и л2

X

+ /

где (Оант - коэффициент усиления антенны имитатора; тз . задержка сигнала, принятого от у-го ТО.

временная

1

\ \ \ -е -в .............../ / / /

\ \ \ \ \ \ \ V 1 / ; / / /

\ \ \ \ \ \ \ I, / / 1 / / / / /

\ \ А([ ч / г/........ / / ! /

\ N \ \ / / / ^ / / /

\ N X \ / / / / / / /У

\ч

Азимут, м

Рис. 3. Геометрия волнового фронта эхо-сигналов ТО, размещенных на различной наклонной дальности

374

Полученное выражение (8) позволяет рассчитать комплексную огибающую эхо-сигнала от ТО, излучаемого имитатором. Тогда имитирующий траекторный сигнал сложного объекта будет представлен суммой парциальных эхо-сигналов [2]:

N х Nу

иотр (г) X X иотр Л '=1Л=1

Результатом обработки траекторного сигнала (9) является формирование на РЛИ виртуального объекта в заданной точке пространства.

Предложенная методика была апробирована в ходе проведения полунатурных экспериментов по формированию виртуальных объектов на локационных изображениях с помощью локационного акустического комплекса (ЛАК) [5]. При проведении экспериментов использовались масштабные макеты исследуемых радиолокационных систем и имитаторов сигналов, работающих в ультразвуковом диапазоне длин волн и позволяющих с высокой степенью подобия моделировать работу РСА.

На рис. 4 приведены результаты отработки процесса формирования на РЛИ виртуального объекта. В качестве объекта имитации использовалась масштабная модель самолета Боинг-747, внешний вид которой представлен на рис. 4,а. Для построения цифровой модели объекта имитации с использованием ЛАК было получено эталонное локационное изображение, представленное на рис. 4,б. На основе полученной модели по методике, описанной выше, был синтезирован имитирующий траекторный сигнал, в результате обработки которого на выходе системы обработки модели РСА было получено локационное изображение виртуального объекта (рис. 4,в).

2.7

А

£ 2.8

Л ф

......

0.05 0 0.05 Азимут, м

а

б

в

Рис. 4. Результаты моделирования процесса формирования виртуального объекта на ЛИ: а - модель объекта имитации; б - ЛИ модели объекта; в - виртуальное ЛИ объекта

При этом ошибки позиционирования наиболее информативных элементов имитируемого объекта, представленные в таблице, не превысили по значениям потенциальную разрешающую способность ЛАК по дальности (5у = 0.034м) и по азимуту (5х = 0.017м), что говорит о достижении требуемой точности при формировании траекторного сигнала и свидетельствует о работоспособности методики.

Ошибки позиционирования элементов объекта имитации

№ п/п Относительная погрешность определения амплитуды, В Ошибка определения местоположения, м

по дальности по азимуту

1 0,108 0,018 0,003

2 0,080 0,010 0,003

3 0,017 0,005 0,006

4 0 0,013 0,003

Качество формирования траекторного сигнала оценивалось по степени подобия РЛИ, полученного в ходе эксперимента (см.рис. 4, б), и эталонного изображения (см.рис. 4, в) путем расчета двумерной корреляционной функции. Для предложенного варианта формирования траекторного сигнала сложного объекта коэффициент корреляции гкор = 0.59, что свидетельствует о высокой степени подобия имитируемого объекта.

В статье изложен общий подход к программному формированию имитирующего траекторного сигнала РСА, представлены основные аналитические соотношения, используемые при построении радиолокационных изображений РСА авиационного и космического базирования, и рассмотрены различные подходы к имитации эхо-сигналов сложных сосредоточенных и пространственно-распределенных объектов.

По результатам проведенных исследований разработана методика программного формирования имитирующего траекторного сигнала для проведения калибровки космических РСА, в основе которой лежит представление объекта в виде совокупности эквивалентных точечных отражателей и расчет параметров парциальных эхо-сигналов от точечных отражателей, составляющих имитируемый объект. При расчетах определены основные закономерности изменения набега фазы и доплеровского сдвига частоты при формировании сигнала, имитирующего отражение от заданной точки пространства.

Работоспособность методики и разработанных алгоритмов формирования отметок виртуальных объектов подтверждена в ходе проведения полунатурного моделирования с использованием локационного акустического комплекса.

Список литературы

1. Полунатурное моделирование бортовых радиолокационных систем, работающих по земной поверхности: учебное пособие / В. Г. Важенин [и др.]; под общ. ред. В. Г. Важенина. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2015. 208 с.

2. Тырыкин С.В. Модели радиолокационных объектов, построенные из зависимых отражателей, и имитация эхосигналов на их основе: ав-тореф. дис. ... канд. техн. наук. Новосибирск, 2005. 22 с.

3. Авиационные системы радиовидения: монография / под ред. Г.С. Кондратенкова. М.: Радиотехника, 2015. 648 с.

4. Горбунова А.А. Разработка алгоритма получения точечного портрета сложной цели по комплексному радиолокационному изображению // Труды МАИ. Вып. № 45. 20 с.

5. Моделирование многопозиционной радиолокационной системы с синтезированной апертурой антенны с использованием ультразвукового диапазона длин волн / С.Н. Гусев [и др.] // Труды XXVIII Всероссийского симпозиума «Радиолокационное исследование природных сред»; под общ. ред. С.С.Суворова. СПб.: ВКА имени А. Ф.Можайского, 2013. Вып. 10. Т. 1. С. 419 - 429.

Гусев Сергей Николаевич, ст. науч. сотр., gusev_sn@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского

METHODOLOGY OF PROGRAM FORMA TION OF THE TRAJECTORY SIGNAL A T THE SOL VING THE PROBLEM OF THE CALIBRA TION OF SYNTHETIC APERTURE RADAR

S.N. Gusev

The basic principles of signal simulator, forming virtual complex objects in the radar images of synthetic aperture radar are described. The algorithm to convert the radar target model into equivalent point reflectors and considered the methodology of calculating the parameters of the partial echo by point reflectors are proposed. The article presents the results of experiments on the formation of virtual objects on the radar images using software and hardware implementation.

Key words: synthetic aperture radar, radar image, echo signal, target model, trajectory signal.

Gusev Sergey Nikolaevich, senior science master, gusev snaimail.ru, Russia, St. Petersburg, Mozhaisky Military Space Academy