Способ формирования изображения земной поверхности в радиолокационной станции с синтезированием апертуры антенны
METHOD FOR GENERATING IMAGE OF THE GROUND SURFACE IN RADAR STATION WITH ANTENNA APERTURE SYNTHESIS

Изобретение относится к радиолокационной технике, в частности к аэрокосмическим бортовым радиолокационным станциям с синтезированием апертуры антенны (РСА), формирующим радиолокационные изображения (РЛИ) земной поверхности с использованием синтезирования антенного раскрыва (САР) в процессе сканирования этой поверхности диаграммой направленности антенны РСА. Изобретение может быть использовано в гражданской и военной авиации, в космической технике.
пк
к
Известен способ формирования радиолокационного изображения (РЛИ) поверхности с помощью синтезированной апертуры (В.Н. Антипов и др. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны. М.: Сов. радио, 1988, стр. 158), основанный на последовательном формировании в системе координат (СК) «дальность-доплеровский сдвиг несущей частоты» радиолокационных сигналов и объединении N парциальных кадров (ПК) радиолокационных изображений N парциальных участков, на которые разбивается область земной поверхности, подлежащая радиолокационному наблюдению с борта летательного аппарата (ЛА) - носителя РСА.
Каждый из парциальных кадров РЛИ формируется путем излучения когерентных импульсных зондирующих сигналов антенной РСА в направлении соответствующего парциального участка земной поверхности, приема и аналого-цифрового преобразования отраженных сигналов, образования двумерных массивов оцифрованных сигналов путем их распределения по каналам дальности и периодам излучения, цифровой обработки данных, содержащихся в образованных массивах данных.
В этом способе ПК РЛИ формируются в виде двумерных цифровых массивов значений амплитуд элементов разрешения, выводимых на индикацию в форме градаций яркости пикселей двумерного видеоизображения. РЛИ парциальных кадров представляются в системе координат «дальность-азимут», при этом азимутальное положение наблюдаемых элементов земной поверхности характеризуется величинами доплеровских сдвигов несущей частоты (величинами доплеровских частот) радиолокационных сигналов, отражаемых этими элементами, зависящими от направления визирования указанных элементов относительно направления вектора скорости носителя РСА.
н
к
пк
к
н
Постоянство разрешения по азимуту (величины различаемых дискретов доплеровских сдвигов частоты) поддерживается соответствующим изменением длин интервалов синтезирования апертуры антенны при разных углах наблюдения. С целью устранения спекл-эффекта N получаемых парциальных кадров РЛИ каждого участка земной поверхности некогерентно накапливаются и поэлементно суммируются, образуя N усредненных (некогерентно накопленных) парциальных кадров (НПК) РЛИ. При этом общее количество парциальных кадров РЛИ: N=NN.
Для формирования парциальных кадров РЛИ парциальных участков области земной поверхности, подлежащей радиолокационному наблюдению с борта ЛА, осуществляется сканирование диаграммой направленности антенны РСА, которая последовательно (дискретно) устанавливается и фиксируется (позиционируется) в направлении на каждый парциальный участок указанной области, подлежащий текущему визированию в режиме синтезирования апертуры антенны.
Аналогичным образом формируются радиолокационные изображения земной поверхности с помощью синтезированной апертуры по способу, описанному в (М. Skolnik, Radar Handbook, th. ed., McGrowHill, 2008, ch. 5.4, fig. 5.34).
Основными недостатками описанного способа формирования радиолокационных изображений земной поверхности в радиолокационной станции с синтезированием апертуры антенны являются:
н
- необходимость позиционирования диаграммы направленности антенны РСА (в направлении каждого подлежащего наблюдению парциального участка земной поверхности), пока осуществляется формирование N подлежащих накоплению синтезированных парциальных кадров РЛИ этого участка;
- трудности совмещения синтезированных парциальных кадров РЛИ, первоначально формируемых в близкой к полярной системе координат «дальность-доплеровская частота», возникающие за счет изменения доплеровских частот радиолокационных сигналов, отражаемых элементами земной поверхности от кадра к кадру, а также изменением положения начала указанной системы координат, обусловленных смещением носителя РСА.
Более универсальным и наиболее близким к предлагаемому способу формирования РЛИ с использованием САР является способ, описанный в патенте РФ №2511216 С1 на изобретение «Способ формирования изображения поверхности в радиолокационной станции с синтезированием апертуры антенны», МПК G01S 13/89, опубл. 10.04.2014 г. Данный способ рассматривается в качестве прототипа.
Сущность этого способа формирования радиолокационного изображения земной поверхности в радиолокационной станции с синтезированием апертуры антенны состоит в объединении радиолокационных изображений, разнесенных по азимуту парциальных кадров, полученных посредством излучения когерентных импульсных зондирующих сигналов, облучения антенной РСА парциальных участков земной поверхности, аналого-цифровом преобразовании принятых сигналов, формировании двумерных массивов оцифрованных принятых сигналов путем их распределения по каналам дальности и периодам излучения и цифровой обработки сформированных двумерных массивов, состоящей из:
а) N-кратного выполнения:
- коррекции расположения по дальности и зависимости фазы от дальности;
- азимутального предсуммирования;
- сжатия по дальности;
- записи результатов сжатия по дальности в буферную память,
- азимутальной фазовой коррекции;
- формирования азимутальных элементов разрешения посредством быстрого преобразования Фурье (БПФ);
- автофокусировки;
- амплитудного детектирования и усреднения;
н
б) наложения полученных раздельно N РЛИ (N=N, см. выше) путем
осуществления скользящего суммирования амплитуд азимутальных элементов разрешения в каждом канале дальности и формирования при этом усредненных (некогерентно накопленных) парциальных кадров для итогового РЛИ;
в) сжатия динамического диапазона амплитуд элементов разрешения, полученного после наложения РЛИ.
Формирование парциальных кадров РЛИ в прототипе осуществляется в системе координат «дальность-доплеровская частота» при скользящем сканировании земной поверхности диаграммой направленности антенны РСА, что позволяет сократить общее время формирования этих кадров.
Как указывалось выше, в реальных условиях в процессе получения полного радиолокационного изображения области земной поверхности, подлежащей обзору со сканированием ДН антенны РСА, парциальные кадры РЛИ участков указанной области формируются на разных отрезках траектории полета носителя РСА (летательного аппарата), как показано на  фиг. 1 (для случая дискретного сканирования) и на  фиг. 2 (для случая скользящего сканирования ДН антенны). В процессе формирования парциальных кадров РЛИ, вследствие движения ЛА (в общем случае по криволинейной траектории, например, при одновременном осуществлении маневра), могут изменяться величина и направление вектора скорости полета ЛА, величины углов визирования наблюдаемых наземных объектов как в азимутальной (горизонтальной), так и в вертикальной плоскостях.
Соответственно, меняются и доплеровские сдвиги несущей частоты принимаемых РСА радиолокационных сигналов, отражаемых наблюдаемыми наземными объектами.
d
g
y
При переднебоковом обзоре доплеровский сдвиг F(ϕ(t), ε(t)) несущей частоты радиолокационных сигналов, отраженных наблюдаемым малоразмерным (точечным) наземным объектом
где:
g
V(t) - горизонтальная (путевая) составляющая скорости полета ЛА;
y
V(t) - вертикальная составляющая скорости полета ЛА;
g
ϕ(t) - отклонение проекции линии визирования наблюдаемого точечного объекта на горизонтальную плоскость от проекции вектора скорости ЛА на эту же плоскость;
y
ε(t) - угол наклона линии визирования наблюдаемого наземного точечного объекта;
λ - длина волны зондирующих сигналов РСА.
Изменение доплеровских сдвигов несущей частоты радиолокационных сигналов, отражаемых наблюдаемыми наземными объектами, влечет за собой, в том числе, смещение радиолокационных отметок этих объектов (от кадра к кадру), в частотных дискретах парциальных кадров РЛИ, формируемых БПФ:
g
g
y
а) при изменении величин путевой скорости V(t) полета ЛА и углов ϕ(t), ε(t) визирования наблюдаемого наземного объекта в горизонтальной и вертикальной плоскостях (первое слагаемое в числителе (1)). Следствием является размывание этих отметок в РЛИ, формируемых при амплитудном суммировании парциальных кадров;
y
y
б) при наличии вертикальной составляющей скорости V(t)движения ЛА и разных величинах углов наклона ε(t) линий визирования объектов, наблюдаемых на земной поверхности. Объектов, находящихся на одном азимутальном пеленге, но на разных дальностях от ЛА (второе слагаемое в числителе (1)).
ЛА
g
В качестве примера на  фиг. 4 приведены радиолокационные изображения квадратного по конфигурации плоского тестового участка местности, показанного  фиг. 3, состоящего из 9-ти точечных отражателей, каждый из которых отстоит от ближайших соседей на 500 метров и наблюдается с борта ЛА на наклонной дальности 15 км до центра участка. Высота полета ЛА 7,5 км. Скорость полета ЛА V=300 м/с. Отклонение вектора путевой скорости ЛА от направления на центр визируемого участка ϕ=-25°.
Радиолокационные изображения, приведенные  на фиг. 4, получены путем математического моделирования и соответствуют: а) отсутствию и б) наличию вертикальной составляющей скорости полета ЛА. В последнем случае угол наклона вектора скорости ЛА θ=-30°.
Указанные смещения радиолокационных отметок наблюдаемых наземных объектов по доплеровской частоте (азимутальной координате парциальных кадров РЛИ в системе координат «дальность-доплеровская частота») могут привести к возникновению искажений формируемого (по  частям - при сканировании ДН антенны) полного РЛИ земной поверхности. При этом данные искажения могут возникать как при некогерентном накоплении (усреднении) парциальных кадров РЛИ парциальных участков земной поверхности, так и при формировании полного РЛИ этой поверхности путем объединения некогерентно накопленных (усредненных) парциальных кадров РЛИ в полное радиолокационное изображение. В последнем случае возможно как наложение некогерентно накопленных парциальных кадров друг на друга, так и появление провалов на их границах в полном РЛИ.
Сокращение общего времени формирования парциальных кадров РЛИ, обеспечиваемое прототипом, позволяет уменьшить величину указанных смещений радиолокационных отметок наблюдаемых наземных объектов по доплеровской частоте в формируемых парциальных РЛИ, но не исключает их появление, а также их отрицательное влияние на формирование РЛИ.
Техническим результатом предлагаемого способа получения радиолокационных изображений земной поверхности бортовыми радиолокационными станциями, формирующими указанные РЛИ с использованием синтезирования апертуры антенны в процессе сканирования этой поверхности диаграммой направленности антенны РСА, является уменьшение искажений РЛИ земной поверхности, формируемых путем получения и объединения парциальных кадров радиолокационных изображений, а именно уменьшение искажений, возникающих за счет межкадрового изменения доплеровских сдвигов несущей частоты радиолокационных сигналов, отражаемых элементами наблюдаемой земной поверхности, а также изменения положения начала близкой к полярной системы координат «дальность-доплеровская частота», в которой формируются парциальные кадры РЛИ, при перемещении носителя РСА.
Сущность предлагаемого способа формирования радиолокационного изображения земной поверхности в радиолокационной станции с синтезированием апертуры при сканировании диаграммой направленности антенны РЛС заключается в объединении парциальных кадров радиолокационных изображений, получаемых посредством излучения когерентных импульсов зондирующих сигналов при облучении антенной РСА парциальных участков области земной поверхности, подлежащей обзору, аналого-цифровом преобразовании принятых сигналов, формировании двумерных массивов оцифрованных принятых сигналов путем их распределения по каналам дальности и периодам излучения и цифровой обработки сформированных двумерных массивов, состоящей из:
а) N-кратного выполнения:
- коррекции расположения по дальности и зависимости фазы от дальности;
- азимутального предсуммирования;
- сжатия по дальности;
- записи результатов сжатия по дальности в буферную память;
- азимутальной фазовой коррекции;
- формирования азимутальных элементов разрешения посредством быстрого преобразования Фурье (БПФ);
- автофокусировки;
- амплитудного детектирования и усреднения;
- преобразования сформированных двумерных массивов, соответствующих полученным РЛИ, из системы координат «дальность-доплеровская частота» в нормальную земную систему координат (НЗСК);
б) наложения (как при скользящем, так и при дискретном сканировании) N парциальных кадров РЛИ, сформированных раздельно в НЗСК, путем суммирования (некогерентного накопления) амплитуд соответствующих элементов разрешения (пикселей) преобразованных двумерных массивов;
в) сжатия динамического диапазона амплитуд элементов разрешения усредненных (некогерентно накопленных) в НЗСК парциальных РЛИ;
г) объединения усредненных (некогерентно накопленных) парциальных РЛИ в полное радиолокационное изображение области земной поверхности, подлежащей обзору.
Отличие предлагаемого способа формирования радиолокационных изображений (РЛИ) земной поверхности с использованием синтезирования апертуры антенны в процессе сканирования этой поверхности диаграммой направленности антенны РСА от прототипа заключается в том, что до сложения (некогерентного накопления) парциальных РЛИ участков земной поверхности, формируемых в процессе сканирования антенной РСА, каждое из этих изображений переводится из системы координат «дальность-доплеровская частота» в нормальную земную систему координат (НЗСК), связанную с областью земной поверхности, подлежащей радиолокационному обзору. При этом горизонтальная плоскость НЗСК совпадает с местной горизонтальной плоскостью, соответствующей области земной поверхности, подлежащей радиолокационному обзору с использованием синтезирования апертуры антенны и сканирования диаграммой направленности антенны РСА.
Этот перевод может осуществляться, например, следующим образом.
1. На горизонтальной плоскости выбранной НЗСК определяется прямоугольная область, включающая в себя район земной поверхности, подлежащий радиолокационному обзору с использованием САР при сканировании диаграммы направленности антенны РСА, как показано на  фиг. 5.
Стороны этой области могут быть ориентированы, например, вдоль (ось X области) и поперек (ось Z области) азимутального направления визирования ее центра из точки, соответствующей середине отрезка траектории полета ЛА, на котором должно осуществляться формирование РЛИ со сканированием ДН антенны РСА (как показано на  фиг. 5).
К
Указанная область разбивается на N непересекающихся парциальных участков, подлежащих обзору с позиционным (дискретным) или скользящим сканированием диаграммой направленности антенны РСА. Определенные в НЗСК парциальные участки земной поверхности соответствуют парциальным кадрам РЛИ, подлежащим формированию с использованием синтезирования апертуры антенны при сканировании диаграммой направленности антенны РСА. Сканирование диаграммой направленности антенны РСА при этом может осуществляться как дискретным способом, так и скользящим в том числе, как указано в прототипе. Предполагается, что сканирование ДН антенны может осуществляться как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.
н
В режиме скользящего азимутального сканирования диаграммой направленности антенны линейная азимутальная протяженность L парциальных участков области земной поверхности, определенной в НЗСК, и подлежащей радиолокационному наблюдению (при равномерном разбиении этой области на участки), число N=N некогерентно накапливаемых (суммируемых) парциальных кадров, соответствующих этим участкам, и азимутальная угловая ширина Θ сканирующей ДН антенны связываются соотношением
,
где:
DS - значение наклонной дальности до ближайшего канала дальности РЛИ, формируемого в СК «дальность-доплеровская частота» (соответствующего ближней границе наблюдаемого парциального участка).
Элементы разрешения каждого (k-го, ) ПК РЛИ, подлежащего формированию в НЗСК, индексируются:
вдоль оси Z:
k
k
k
k
k
i=(i1, …, i2), где i1, i2 - соответственно начальное и конечное значения индексов;
вдоль оси X:
k
k
k
k
k
j=(j1, …, j2), где j1, j2 - также начальное и конечное значения индексов.
k
k
2. По окончании формирования каждого кадра РЛИ земной поверхности в системе координат «дальность-доплеровская частота» (в текущем положении сканирующей ДН антенны РСА) для каждого (i, j)-го элемента ПК РЛИ, соответствующего парциальному участку земной поверхности, полностью накрываемому в текущий момент времени сканирования диаграммой направленности антенны, осуществляются:
k
k
2.1. Расчет текущей расчетной наклонной дальности  до элемента земной поверхности, соответствующего (i, j)-му элементу формируемого в НЗСК (n-го, ) парциального кадра РЛИ k-го участка земной поверхности
,
где:
а
а
а
(n)
(n)
(n)
X, Y, Z - расчетные координаты фазового центра антенны РСА (летательного аппарата) в момент начала формирования n-го парциального кадра РЛИ k-го участка НЗСК;
а
(n)
Y - высота полета ЛА в НЗСК;
k
k
,  - расчетные координаты (i, j)-го элемента k-го ПК РЛИ, соответствующего k-му участку в выбранной НЗСК.
k
k
2.2. Определяется номер  канала дальности РЛИ,сформированного в СК «дальность-доплеровская частота», которому принадлежит (i, j)-й элемент ПК РЛИ, формируемого в НЗСК
,
где:
(n)
DS - значение наклонной дальности до ближайшего канала дальности РЛИ, сформированного в СК «дальность-доплеровская частота»;
Δd - размер дискрета по дальности РЛИ, сформированного в СК «дальность-доплеровская частота».
Round - соответствует операции округления числа, заключенного в скобках, до целого.
k
k
2.3. Рассчитываются значения углов  наклона линии визирования элементов земной поверхности, соответствующих (i, j)-м элементам n-го ПК РЛИ (k-го участка), формируемого в НЗСК.
k
k
2.4. Рассчитываются значения углов  визирования элементов земной поверхности, соответствующих (i, j)-м элементам n-го ПК РЛИ в горизонтальной плоскости НЗСК относительно оси X.
k
k
2.5. Рассчитываются значения углов  визирования элементов земной поверхности, соответствующих (i, j)-м элементам n-го ПК РЛИ в горизонтальной плоскости НЗСК относительно направления вектора путевой скорости
,
где:
- угол пути ЛА (носителя РСА);
(n)
Vx - проекция вектора скорости полета ЛА на ось X выбранной НЗСК;
(n)
Vz - проекция вектора скорости полета ЛА на ось Z выбранной НЗСК.
k
k
2.6. Рассчитываются значения  доплеровских сдвигов несущей частоты сигналов, отраженных элементами земной поверхности, соответствующих (i, j)-м элементам n-го ПК РЛИ, формируемого в НЗСК
где:
- значение горизонтальной составляющей вектора скорости носителя РСА;
(n)
Vy - значение вертикальной составляющей вектора скорости ЛА.
k
k
2.7. Рассчитываются значения доплеровских сдвигов  несущей частоты радиолокационных сигналов, отражаемых элементами земной поверхности, соответствующими (i, j)-м элементам формируемого n-го ПК РЛИ k-го участка. Указанные значения рассчитываются относительно нижней границы  частотного окна, в котором должен осуществляться анализ доплеровских сдвигов частот при формировании n-го кадра РЛИ в СК «дальность-доплеровская частота».
где:
- нижняя граница окна анализа доплеровских сдвигов частот в частотной области;
floor - соответствует операции выделения целой части, числа, заключенного в скобках;
- расчетное значение доплеровского сдвига несущей частоты радиолокационных сигналов, отраженных от точки земной поверхности, относительно которой осуществляется фокусировка траекторного сигнала РСА при формировании n-го парциального кадра РЛИ k-го участка;
p
Т - период повторения зондирующих импульсов РСА.
k
k
2.8. Рассчитываются значения доплеровских сдвигов  несущей частоты сигналов, отраженных от элементов земной поверхности, соответствующих (i, j)-м элементам n-го ПК РЛИ k-го участка, относительно значения  доплеровского сдвига несущей частоты для соответствующей точки фокусировки РЛИ
при
при
где:
k
k
2.9. Определяются номера доплеровских фильтров, соответствующих в парциальном кадре РЛИ земной поверхности, сформированном в системе координат «дальность-доплеровская частота», (i, j)-м элементам n-го парциального кадра РЛИ (k-го участка), формируемого в НЗСК.
,
где:
с
Т - время синтезирования апертуры антенны при формировании одного парциального кадра РЛИ.
k
k
2.10. Осуществляется присвоение (i, j)-му элементу формируемого в НЗСК n-го ПК РЛИ k-го участка, значения уровня (амплитуды) сигнала , соответствующего значению этого уровня в элементе разрешения РЛИ, сформированного в СК «дальность-доплеровская частота» , в  канале дальности и в  доплеровском фильтре.
Данное присвоение может осуществляться также с учетом величин уровней сигналов в соседних элементах разрешения РЛИ, сформированного в СК «дальность-доплеровская частота», с использованием оконной фильтрации.
к
Далее осуществляется некогерентное суммирование (наложение) N парциальных кадров РЛИ, полученных раздельно в НЗСК, путем суммирования амплитуд соответствующих элементов разрешения (пикселей) ПК РЛИ. Совокупность всех (N) сформированных усредненных (некогерентно накопленных) ПК РЛИ, очевидно, формирует полное (результирующее) РЛИ области обзора земной поверхности в НЗСК.
Как следует из приведенного описания, применение предложенного способа по сравнению с прототипом за счет:
- перевода парциальных кадров РЛИ, формируемых РСА при позиционном или скользящем сканировании ДН антенны, из системы координат «дальность-доплеровская частота» в нормальную земную систему координат, связанную с областью земной поверхности, подлежащей радиолокационному наблюдению;
- некогерентного суммирования (наложения) N парциальных кадров РЛИ (соответствующих одному и тому же парциальному участку земной поверхности) после их перевода в НЗСК;
к
- объединения парциальных (просуммированных в НЗСК) N непересекающихся между собой кадров парциальных радиолокационных изображений, непосредственно прилегающих друг к другу парциальных участков местности, в полное (результирующее) радиолокационное изображение области земной поверхности, подлежащей радиолокационному наблюдению, исключает появление искажений в результирующих полных РЛИ, которые могут возникать вследствие:
а) суммирования (некогерентного накопления) в системе координат «дальность-доплеровская частота» парциальных кадров РЛИ, в которых доплеровские сдвиги несущей частоты радиолокационных сигналов, отражаемых одними и теми же элементами земной поверхности, различаются;
б) объединения парциальных кадров РЛИ, накопленных в системе координат «дальность-доплеровская частота» с различающимся положением начала этой системы координат, в полное радиолокационное изображение земной поверхности.
При этом применение предложенного способа возможно как при скользящем, так и при дискретном сканировании ДН антенны РСА при увеличении скорости обзора земной поверхности.
Источники информации
1. В.Н. Антипов и др. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны. М.: Сов. Радио, 1988, стр. 158.
2. М. Skolnik, Radar Handbook, th. ed., McGrowHill, 2008, ch. 5.4, fig. 5.34.
3. Патент РФ №2511216 C1, МПК G01S 13/89, опубл. 10.04.2014.