СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДЕТАЛЬНЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ АНТЕННЫ
METHOD OF GENERATING DETAILED RADAR IMAGES IN A RADAR STATION WITH SYNTHESIZED ANTENNA APERTURE FRAME

Изобретение относится к радиолокации и может использоваться в радиотехнических системах непрерывного излучения, установленных на подвижных объектах, для получения радиолокационного изображения (РЛИ) в процессе дистанционного зондирования земной (водной) поверхности.
Известен способ (аналог) формирования радиолокационных изображений с коррекцией миграции отражателей по каналам дальности [Школьный Л.А. Радиолокационные системы воздушной разведки, дешифрирование радиолокационных изображений. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2008. С. 175-193]. Способ включает: зондирование земной (водной) поверхности, прием отраженных сигналов, сжатие по дальности, коррекцию миграции отражателей по дальности, фокусировку, сжатие по азимуту.
Недостаток заключается в снижении качества РЛИ (расфокусировке) по координате путевой дальности относительно центра кадра.
Наиболее близким способом является способ формирования детальных радиолокационных изображений (прототип) [Doerry A., Bishop Е., Miller J. Basics of Backprojection Algorithm for Processing Synthetic Aperture Radar Im-ages. Sandia National Laboratories, 2016], основанный на зондировании земной (водной) поверхности, приеме, оцифровке, интерполяции и сжатии по дальности отраженных сигналов, формировании двумерного дальностного портрета зоны обзора путем запоминания в течение времени синтезирования апертуры сжатых по дальности в каждом периоде зондирования сигналов, формировании выборок отсчетов траекторного сигнала из сформированного двумерного дальностного портрета в соответствии с законами миграции точечных отражателей (ТО) для каждого комплексного отсчета формируемого РЛИ, расчете значений каждого комплексного отсчета РЛИ путем демодуляции сигналов сформированных выборок с последующим суммированием их отсчетов.
Недостаток заключается в том, что для получения детальных РЛИ с низким интегральным уровнем боковых лепестков (ИУБЛ) [Школьный Л.А. Радиолокационные системы воздушной разведки, дешифрирование радиолокационных изображений. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2008. С. 309-310] в способе применяется интерполяция принятого сигнала, увеличивающая количество промежуточных значений между отсчетами сжатого по дальности сигнала. При этом количество промежуточных отсчетов может достигать нескольких десятков, что приводит к существенному увеличению необходимого объема памяти вычислительного устройства и времени формирования РЛИ.
Технический результат данного изобретения состоит в уменьшении требуемого объема памяти вычислительного устройства и времени формирования РЛИ.
Технический результат достигается тем, что в известном способе, заключающемся в зондировании земной (водной) поверхности, приеме, оцифровке, интерполяции и сжатии по дальности отраженных сигналов, формировании двумерного дальностного портрета зоны обзора путем построчного запоминания в течение времени синтезирования апертуры сжатых по дальности в каждом периоде зондирования сигналов, формировании выборок отсчетов траекторного сигнала из сформированного двумерного дальностного портрета в соответствии с законами миграции точечных отражателей для каждого комплексного отсчета формируемого РЛИ, расчете значений каждого комплексного отсчета РЛИ путем демодуляции сигналов сформированных выборок с последующим суммированием их отсчетов, дополнительно осуществляют компенсацию фазовых скачков сигналов каждой выборки путем ее перемножения с корректирующим сигналом.
Сущность способа состоит в следующем. При использовании фацетной модели поверхности (фигура 1) эхо-сигнал m,n-го отражателя (фацеты) на входе приемника (ПРМ) РСА на k-м зондировании описывается выражением
m,n
н
н
c
м
0
c
м
м
x
x
y
y
x
y
б
x
y
x
y
c
м
с
где ; A - амплитуда эхо-сигнала, определяемая рассеивающими свойствами m,n-го отражателя, характеристиками РСА и трассы распространения;  и  - законы изменения времени запаздывания эхо-сигнала и расстояния между РСА и отражателем соответственно (в предположении о равномерном и прямолинейном характере движения носителя на высоте h со скоростью V); с - скорость света; μ=Δf/T; f, Δf, Т - несущая частота, ширина спектра и время модуляции (длительность импульса) зондирующего сигнала соответственно; ,  - смещение отражателя по горизонтальной и путевой дальности относительно фазового центра антенны РСА в момент начала интервала синтезирования (t=0, k=0); Δх=L/N, Δy=L/N - заданные размеры фацет по горизонтальной и путевой дальности, определяемые требуемой детализацией выходного РЛИ; L и L - линейные размеры формируемого кадра РЛИ по горизонтальной и путевой дальности соответственно; х - ближняя граница кадра РЛИ; m=0,1,…,N -1; n=0,1,…,N-1; N, N - количество фацет, определяющее соответствующее количество отсчетов выходного РЛИ по координате горизонтальной и путевой дальности; k=0,1,…,K-1; K=int[T/T] - общее количество зондирований в течение интервала синтезирования апертуры с длительностью Т; int[x] - целая часть х.
Результатом демодуляции принятого сигнала (1) является сигнал, комплексное представление которого без учета шума в приемном канале описывается выражением
x
y
Сигнал на выходе ПРМ можно представить как сумму демодулированных эхо-сигналов всех N × N фацет в пределах зоны обзора РСА
С учетом принятой модели сигнала задачу процедуры формирования РЛИ можно сформулировать как задачу оценки амплитуд эхо-сигналов всех отражателей в зоне обзора РСА, включающую три основных этапа.
На первом этапе формируется двумерный дальностный портрет зоны обзора путем вычисления преобразования Фурье от сигнала (2) в каждом k-м периоде зондирования
где  - оператор преобразования Фурье.
Если принять, что расстояние между РСА и m,n-м отражателем в течение k-го периода зондирования не изменяется, т.е.  (так называемая модель stop-and-go [Doerry A., Bishop Е., Miller J. Basics of Back-projection Algorithm for Processing Synthetic Aperture Radar Images. Sandia National Laboratories, 2016. P. 10]), то сигнал  можно переписать в виде
где  - дальностная частота демодулированного эхо-сигнала, определяемая расстоянием между m,n-м отражателем и носителем в начале k-го периода зондирования и обусловливающая миграцию отметок по дальности от зондирования к зондированию.
С учетом (4) выражение для сжатого по дальности эхо-сигнала отдельного m,n-го отражателяпримет вид
На втором этапе для каждого m,n-го отражателя формируются выборки отсчетов траекторного сигнала
На третьем этапе осуществляется демодуляция выборки траекторного сигнала путем его умножения на выборку отсчетов опорного сигнала с последующим расчетом значений комплексных отсчетов выходного РЛИ путем суммирования всех K отсчетов сформированной выборки
b
На практике обработка сигналов осуществляется в цифровом виде, а формирование дальностного портрета (3) - путем выполнения операции быстрого преобразования Фурье (БПФ). Выборка траекторного сигнала (5) в этом случае осуществляется из дальностного портрета с конечным числом отсчетов. Индекс отсчета b для каждого k и соответствующая ему частота f (k) определяются как
,
где  - оператор округления до ближайшего целого числа;
- шаг изменения дальностной частоты.
чи
чи
Дискретный характер дальностного портрета обусловливает появление скачков фазы в траекторном сигнале (5) в моменты изменения величины b(k) (фигура 2), что приводит к увеличению ИУБЛ отметки точечного отражателя (ТО) на РЛИ. Одним из способов уменьшения величины скачков фазы и, как следствие, снижения ИУБЛ, является частотная интерполяция (ЧИ) дальностного портрета, осуществляемая путем K-кратного дополнения нулевыми отсчетами выборки сигнала  перед выполнением процедуры БПФ. На фигуре 2 показан вид действительной части сигнала (5) и остаточной фазы  при различных K.
Отметки ТО на РЛИ, сформированных с использованием MATLAB (ЭВМ Intel Core i5-3,7 ГГц, 8 ГБ ОЗУ), для различных представлены на фигуре 3, а соответствующие значения ИУБЛ и времени формирования РЛИ - в таблице на фигуре 4.
чи
s
чи
б
s
чи
б
Анализ изображений, приведенных на фигуре 3, и данных таблицы, представленной на фигуре 4, показывает, что для формирования качественных РЛИ необходимо выбирать K>4, что пропорционально увеличивает объем памяти вычислительного устройства, требуемый для хранения комплексного дальностного портрета. Так, например, при K=1176, N=10125, K=8 и представлении комплексных чисел в формате одинарной точности (восемь байт на отсчет) N=8 требуемый объем памяти составляет K × N × K × N ≈ 1,8 Гб.
чи
Уменьшение ИУБЛ и повышение качества формируемых РЛИ может быть достигнуто не только за счет увеличения K, но и за счет устранения скачков фазы в сигнале (5) путем предварительного перемножения выборки траекторного сигала  с корректирующим сигналом вида
м
Величина Δϕm,n (k) определяется разностью частот  и , а также крутизной  фазочастотного спектра простого радиоимпульса длительностью Т (фигура 5)
В этом случае оценка амплитуд отсчетов выходного РЛИ осуществляется как
чи
чи
чи
чи
Вид действительной части комплексного сигнала и остаточной фазы  после его умножения на  представлены на фигуре 6, а фрагменты РЛИ ТО, сформированных в соответствии с (7) при различных K, показаны на фигуре 7. В таблице (фигура 8), приведены соответствующие значения ИУБЛ и времени формирования РЛИ. Их сравнение со значениями, приведенными в таблице, представленной на фигуре 4, показывает, что коррекция скачков фазы траекторного сигнала обеспечивает снижение ИУБЛ до той же величины при значительно меньших значениях K. Так, например, при наличии скачков фазы приемлемая величина ИУБЛ (около 0,7%) достигается при K=4. При их устранении соизмеримое значение ИУБЛ, равное 0,67%, достигается уже при K=2 с одновременным уменьшением времени формирования РЛИ на 23% и двукратным снижением требуемого объема памяти.
Таким образом, в предложенном способе формирования детальных радиолокационных изображений в РЛС с синтезированной апертурой антенны в отличие от аналога и прототипа осуществляется формирование радиолокационных изображений при меньших требованиях к объему памяти и быстродействию вычислительного устройства.
Предложенный способ формирования детальных радиолокационных изображений в РЛС с синтезированной апертурой антенны может быть реализован с помощью устройства, функциональная схема которого приведена на фигуре 9.
Устройство состоит из опорного генератора 1, частотного модулятора 2, передающего устройства 3, передающей антенны 4, приемной антенны 5, приемного устройства 6, аналого-цифрового преобразователя 7, интерполятора 8, вычислителя спектра 9, запоминающего устройства 10, устройства выборки сигнала 11, умножителя 12, формирователя корректирующего сигнала 13, демодулятора 14, сумматора 15, устройства отображения 16, устройство управления и синхронизации 17.
Представленный на фигуре 9 вариант устройства, реализующего предлагаемый способ формирования детальных радиолокационных изображений в РЛС с синтезированной апертурой антенны, функционирует следующим образом.
чи
чи
Опорный генератор 1 вырабатывает стабильное гармоническое колебание на основе которого формируются несущая частота зондирующего сигнала и тактовый сигнал для аналого-цифрового преобразователя 7. Частотный модулятор 1 в начале каждого периода зондирования по сигналу устройства управления и синхронизации 17 формирует сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), который после переноса на несущую частоту в передающем устройстве 3 излучается в пространство передающей антенной 4. Приемная антенна 5 принимает отраженные от поверхности сигналы, которые поступают вход приемного устройства 6, где демодулируются и усиливаются до напряжения, обеспечивающего работу аналого-цифрового преобразователя 7. Сигналы с выхода приемного устройства 6 оцифровываются аналого-цифровым преобразователем 7 и поступают на вход интерполятора 8, в котором осуществляется дополнение нулевыми отсчетами сигнала в конце каждого периода зондирования. Количество нулевых отсчетов определяется заранее заданным коэффициентом частотной интерполяции K. Коэффициент K задается оператором исходя из требуемого качества формируемых РЛИ. С выхода интерполятора 8 отсчеты сигнала поступают на вычислитель спектра 9, в котором осуществляется сжатие сигнала по дальности, после чего сигнал запоминается в запоминающем устройстве 10. По сигналу устройства управления и синхронизации 17 для каждого формируемого комплексного отсчета РЛИ осуществляется выборка траекторного сигнала из запоминающего устройства 10 устройством выборки сигнала 11, отсчеты сигнала с его выхода поступают на первый вход умножителя 12. Одновременно с выхода формирователя корректирующего сигнала на второй вход умножителя 12 поступают отсчеты корректирующего сигнала, рассчитанные в соответствии с выражением (6), после чего отсчеты результата перемножения поступают в демодулятор 14. Демодулятор 14 осуществляет расчет опорного сигнала , его перемножение с сигналом, поступающим на его вход, после чего результат перемножения поступает на сумматор 15, в котором осуществляется суммирование значений отсчетов, поступающих на его вход, в течение интервала синтезирования. Устройство отображения 16 осуществляет отображение сформированного РЛИ, значения отсчетов которого поступают с сумматора 15. Устройство синхронизации 17 осуществляет синхронизацию всех функциональных элементов устройства, реализующего предложенный способ.