СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОГО ИЗМЕНЕНИЯ ШИРИНЫ ПОЛОСЫ ЗАХВАТА В РАДАРЕ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С СИНТЕЗИРОВАНИЕМ АПЕРТУРЫ АНТЕННЫ
METHOD OF DYNAMIC VARIATION OF CAPTURE BAND WIDTH IN RADAR OF CONTINUOUS RADIATION WITH SYNTHESIS OF ANTENNA APERTURE

Изобретение относится к системам радиовидения и может быть использовано для динамического изменения ширины полосы захвата по дальности в радаре с синтезированием апертуры антенны. Это позволяет выполнить картографирование объектов сцены, как в обычном режиме, так и широкополосном, для исследования обширной территории. Формируемое радиолокационное изображение имеет высокое разрешение по дальности и азимуту и, в отличие от фотоснимков, не подвержено сильному влиянию метеоусловий и уровня освещенности. Получение высокого разрешения по дальности обеспечивается использованием широкополосных сигналов с линейно-частотной модуляцией, а по азимуту - с помощью синтезирования апертуры антенны во время движения радара при наблюдении за объектами сцены. Система радиовидения представляет собой радиолокационное устройство непрерывного излучения, а в качестве платформы-носителя используются самолетные или беспилотные летающие аппараты. Исследуемой сценой является подстилающая поверхность с расположенными на ней объектами естественного и искусственного происхождения (дороги, лес, здания, автомобили, мосты и т.п.).
В патенте [1] предлагается метод обзора в широкой полосе захвата за счет снижения габаритов передающей антенны (с целью увеличения ширины ее диаграммы направленности в вертикальной плоскости), и одновременном увеличения числа элементов в приемной антенне, но с разделением ее на подрешетки. Сигналы от каждой подрешетки поступают в блок обработки раздельно, но в результате их дальнейшего объединения формируется многолучевая диаграмма направленности, которая позволяет решить проблему неоднозначности оценки дальности/азимута при широком секторе обзора по дальности.
В патенте [2] предлагается похожий метод, только вдобавок излучаемые сигналы подрешеток с линейно-частотной модуляцией смещены между собой по частоте. Это в дальнейшем позволяет при объединении подрешеток увеличить эквивалентную полосу сигнала (синтезировать широкополосный сигнал) и получить улучшенное разрешение по дальности. При этом для синтеза апертуры по азимуту используется алгоритм RMA - Range Migration Algorithm. Недостатком способов, описанных в патентах [2, 3], является усложнение, как аппаратной части, так и блока обработки сигналов. Их использование больше ориентировано на импульсные радиолокационные системы (в частности космического базирования), где неоднозначность оценки дальности связана обратным соотношением с неоднозначностью оценки азимута. В радарах непрерывного излучения такой строгой зависимости нет. Вопрос же стоимости и габаритов изделия очень важен, поскольку должна быть возможность в качестве платформы радара использовать, в том числе, и БПЛА. А его стоимость намного ниже, чем космического аппарата, что накладывает жесткие финансовые рамки на используемое радиолокационное оборудование.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ построения радиолокационного изображения, описанный в статье [3], под названием « Введение в режим широкополосной PCA с использованием принципа частотного сканирования». Он заключается в том, что излучается широкополосный импульсный сигнал, а диаграмма направленности в зависимости от частоты сигнала отклоняется на определенный угол в вертикальной плоскости. Тем самым реализуется широкозахватный режим синтеза апертуры. Недостатком прототипа является использование импульсного режима, который требует большой мощности излучения, а значит его размещение на малогабаритных платформах затруднительно. Кроме того, не рассматривается вариант изменения ширины полосы захвата, что снижает гибкость режимов съемки.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, - регулируемое увеличение мгновенной ширины полосы захвата по дальности в радаре с синтезированной апертурой с целью получения по необходимости радиолокационного изображения поверхности большей или меньшей площади с сохранением относительной простоты устройства радара, малых габаритов и дешевизны для возможности массового использования на базе беспилотных летательных средств, где габариты и стоимость имеют важное значение.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе построения радиолокационного изображения в радиолокационных системах с синтезированной апертурой антенны бокового обзора, заключающимся в том, что излучается широкополосный непрерывный сигнал с линейно частотной модуляцией, принимается отраженный сигнал от цели, он перемножается с опорным сигналом на смесителе, проходит полосовой фильтр для выделения сигнала биений, оцифровывается в аналого-цифровом преобразователе и поступает в блок цифровой обработки синтезирования апертуры антенны, дополнительно осуществляется динамическое управление шириной зоны обзора по дальности путем разделения принятого сигнала на различные каналы по углу места согласно закону частотного сканирования лучом антенной системы в вертикальной плоскости. Для адаптивного расширения полосы захвата по горизонтальной дальности, в каждом канале по углу места осуществляется наложение на сигнал оконной функции по дальности и азимуту, выполняется двумерное преобразование Фурье, осуществляется цифровое диаграммообразование по азимуту для бокового обзора, затем полученные сигналы в каждом канале по углу места умножаются на соответствующую двумерную опорную функцию по азимуту, учитывающую нелинейное изменение дальности до цели путем разложения в ряд Тейлора и сохранения первых трех слагаемых. После этого реализуется обратное преобразование Фурье по азимуту для получения сфокусированного изображения в каждом канале по углу места. На завершающем этапе выполняется объединение каналов по углу места путем соответствующего проецирования полученных точек на горизонтальную дальность путем умножения наклонной дальности на синус угла места для каждого из каналов. В результате формируется итоговое радиолокационное изображение в широкой полосе по дальности, в котором интенсивность цвета изображения пропорциональна отражательной способности целей.
Структурная схема радара с частотным сканированием луча приведена на фиг. 1, на которой приняты следующие обозначения: 1 - передающая антенна (Пер); 2 - усилитель мощности (УМ); 3 - генератор сигнала с линейно-частотной модуляцией (Генератор ЛЧМ); 4 - приемная антенна (ПР); 5 - малошумящий усилитель мощности (МШУ); 6 - смеситель (СМ); 7 - полосовой фильтр (ПФ); 8 - усилитель с переменным усилением (УПУ); 9 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 10 - Блок цифровой обработки сигнала (Блок обработки); 11 - Блок управления параметрами сигнала (Блок управления).
Блок схема алгоритма обработки сигнала представлена на фиг. 2, на которой обозначено: 1 - формирование K каналов принятого сигнала углу места (по горизонтальной дальности вдоль поверхности Земли); 2 - наложение на сигнал оконной функции по дальности и азимуту; 3 - двумерное преобразование Фурье по быстрому (вдоль дальности) и медленному (вдоль азимута) времени; 4 - цифровое диаграммообразование в азимутальной плоскости для бокового обзора; 5 - умножение сигнала на опорную функцию по азимуту; 6 - обратное преобразование Фурье по медленному времени; 8 - объединение каналов углу места (по горизонтальной дальности) для формирования итогового радиолокационного изображения в широкой полосе по дальности.
Подробное описание способа.
В основе способа лежит идея частотного сканирования лучом (ЧКЛ) диаграммы направленности. Принцип ЧКЛ основан на том, что с изменением частоты опорного генератора эквивалентно изменяется электрическое расстояние между излучателями. Это приводит к изменению фазовых сдвигов между ними и, как следствие, к формированию определенного наклона фазового фронта антенной решетки. В результате главный лепесток ДН антенны отклоняется на заданный угол по вертикали и радар подсвечивает разные зоны по дальности вдоль подстилающей поверхности (горизонтальная дальность). При этом предполагается наличие блока управления частотным диапазоном и длительностью излучаемых импульсов с линейно-частотной модуляцией. В результате возможно динамическое изменение режима съема данных - от широкополосного до обычного, в зависимости от текущих стратегических задач. Блок управления может работать либо по заранее запрограммированному сценарию, например, в зависимости от своего местоположения в глобальной системе координат, либо получать сигнал обратной связи с выхода блока обработки текущего режима съема данных. Например, если в течение длительного времени большая часть формируемого изображения однородна (наблюдается высокая корреляция от кадра к кадру) и, соответственно, не представляет интереса, а другая содержит характерные изменяющиеся неоднородности, то резонно перейти от широкозахватного в обычный режим с ориентацией ДН в вертикальной плоскости в нужную полосу съема данных по дальности. Таким образом, изменение частотного диапазона излучаемого сигнала реализует изменение ширины и ориентации ДН по углу места, а изменение периода модуляции сигнала поддерживает сохранение крутизны ЛЧМ, для возможности унифицирования блока первичной обработки сигнала в любом из режимов обзора.
Функциональная схема радара представлена на фиг. 1. Генератор сигнала с линейно-частотной модуляцией формирует непрерывный широкополосный сигнал с периодическим линейным изменением частоты (односторонняя пила). Пройдя усилитель мощности (УМ) он излучается передающей антенной (Пер). Передающая антенна представляет собой антенную решетку, которая формирует узкий луч в вертикальной плоскости и широкий в горизонтальной. При этом за счет изменения частоты сигнала ЛЧМ луч передающей антенны меняет свою ориентацию в вертикальной плоскости, осуществляя сканирование в заданном секторе углов по вертикали. Излученный сигнал с периодом модуляции Т и полосой Δƒ записывается в виде функции от времени
0
где  k=Δƒ/T - крутизна ЛЧМ модуляции, ƒ - несущая частота.
0
Сигнал, отраженный от цели на дальности R, поступает на вход приемной антенны (Пр) и описывается следующим выражением:
где σ характеризует отражательные характеристики цели,  - временная задержка сигнала.
Принятый сигнал проходит малошумящий усилитель мощности (МШУ) и поступает на смеситель (СМ). В смесителе осуществляется перемножение излученного и принятого сигналов, на выходе получается сигнал разностной и суммарных частот. С выхода смесителя сигнал поступает на полосовой фильтр (ПФ), который выполняет фильтрацию сигнала разностной частоты. Получаем сигнал биений:
где А - эквивалентный амплитудный множитель.
s
Этот сигнал усиливается в усилителе с переменным усилением (УПУ), оцифровывается аналого-цифровым преобразователем (АЦП) с частотой ƒ и поступает в блок обработки. Отсчеты оцифрованного сигнала записываются в виде
s
где Δt=1/ƒ - шаг дискретизации по времени.
s
Приемная антенная решетка в вертикальной плоскости формирует узкий луч, положение которого меняется по углу места с изменением частоты сигнала. В горизонтальной плоскости она имеет М каналов. Таким образом, в блок обработки поступает М сигналов биений, которые можно представить матрицей данных размером [М, N], где N - количество точек оцифрованного сигнала биений за один период модуляции сигнала. Следует отметить, что значение М обычно мало, поскольку по азимуту необходимо обеспечить широкую ДН для возможности синтезирования апертуры большого размера. В блоке обработки каждый период принятого сигнала биений делится на K временных отрезка. При этом получается, что каждый отрезок из P=N/K точек соответствует определенному положению луча в вертикальной плоскости (по углу места). Выбор значения K зависит от компромисса между относительной постоянности положения луча по углу места за длительность одного парциального отрезка времени, равного τ=N/(K⋅ƒ), и желаемым сохранением приемлемого разрешения по дальности, которое равно δr≈K⋅c/(2Δƒ). В результате получаем трехмерную матрицу значений оцифрованного сигнала размерностью [М,Р,K]. На эту сигнальную матрицу накладывается оконная функция для снижения уровня боковых лепестков отклика сигнала. Далее в каждом из K каналов по углу места выполняется преобразование Фурье по времени (вдоль М строк сигнальной матрицы) и по азимуту (вдоль Р столбцов). В результате для каждого из K каналов получается радиолокационное изображение с хорошим разрешением по дальности и относительно плохим по азимуту.
При получении пачки из S таких радиолокационных сигналов (изображений), с целью улучшения разрешения по азимуту, осуществляется синтез апертуры антенны для каждого канала по углу места (для каждой зоны по дальности вдоль поверхности Земли). В качестве алгоритма синтезирования используется Range Doppler Algorithm (RDA). Поскольку при этом обрабатывается сразу пачка импульсов, то сигнал биений описывается двумерной функцией (1.1). Для упрощения математических выкладок огибающая сигнала по азимуту полагается прямоугольной формы с амплитудным уровнем равным единице.
с
а
где t - время по дальности (быстрое время), η - время по азимуту (медленное время), η - время наступления нулевого доплера; Т - время синтезирования.
Задержка сигнала зависит от медленного времени и рассчитывается по формуле:
0
где R(η) - мгновенная наклонная дальность; R - кратчайшая дальность между радаром и целью ν - скорость радара.
Геометрия системы представлена на фиг. 3.
Последняя экспонента в (1.1) известна как остаточная видеофаза (RVP). При малой ширине ДН по азимуту и малом угле скоса ею можно пренебречь, а в противном случае устранить. После устранения остаточной видеофазы получаем выражение
В алгоритме RDA на первом шаге выполняется преобразование Фурье вдоль быстрого времени, получается сигнал вида
Затем выполняется преобразование Фурье вдоль медленного времени и получается двумерный сигнал в частотной области
η
Из (1.2) видно, что изображение по дальности сжато, при этом пик функции Котельникова меняет свое положение от азимута (от азимутальной частоты ƒ). Зависимость сдвига по дальности от азимута называется миграцией по дальности (RCM - Range cell migration) и он равен:
При малой ширине ДН по азимуту и малом угле скоса миграцией можно пренебречь, а в противном случае устранить, используя соотношение (1.3).
Для сжатия сигнала по азимуту, его нужно пропустить через согласованный фильтр, который имеет следующую частотную характеристику:
Опорная функция учитывает нелинейное изменение дальности до цели путем разложения в ряд Тейлора и сохранения первых трех слагаемых [4]. В результате получаем сигнал вида:
Обратное преобразование Фурье вдоль медленного времени дает итоговое изображение i-й точечной цели:
Выражение (1.4) характеризует двумерный отклик, который представляет собой произведение двух функций Котельникова. Положение максимума двумерной функции вдоль оси X пропорционально наклонной дальности до цели, а вдоль оси Y - положению, при котором фиксировался нулевой доплер (радар был напротив цели). Последняя экспонента имеет постоянную фазу, но она не влияет на абсолютное значение отклика.
Получая набор двумерных изображений «дальность - азимут» для каждого положения ДН по углу места (в каждой зоне по дальности вдоль поверхности Земли), формируется итоговое изображение «дальность-азимут» в широкой полосе обзора по дальности. При этом проекция наклонной дальности на дальность вдоль поверхности Земли осуществляется с учетом знаний о центральном угловом положении каждого луча:
0
где R - оценка кратчайшей наклонной дальности до цели; γ - центр оси ДН по углу места при текущей ориентации луча в вертикальной плоскости.
Геометрия взаимного расположения РЛС и подсвечиваемой области по дальности от угла в вертикальной плоскости показана на фиг. 4.
0
Таким образом, имея после синтеза апертуры оценки наклонной дальности R до цели и ее положения по азимуту Y, восстанавливается ее координата вдоль поверхности Земли в широком секторе (в зависимости от угла γ) по дальности. Ширина этой зоны может адаптивном меняться согласно командам блока управления, который регулирует используемую полосу сигнала и его длительность. В результате от каждого отражателя получаем точку на плоскости, амплитуда которой пропорциональна отражательной характеристике объекта.
Предлагаемый способ позволяет адаптивно увеличивать и уменьшать ширину полосы захвата по дальности в радаре с синтезированной апертурой антенны, он более прост в реализации, по сравнению с системой, описанной в способе - прототипе, поскольку подразумевает использование радара непрерывного излучения вместо импульсного, а значит радиолокационное устройство имеет меньшие габариты, более низкое энергопотребление и стоимость. Кроме того в отличие от прототипа предлагается адаптивное управление шириной полосы захвата и ее расположением вдоль горизонтальной дальности.
Изменение ширины полосы захвата достигается за счет изменения полосы ЛЧМ сигнала и периода модуляции в радаре непрерывного излучения с частотным сканированием ДН антенны.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент США №6870500 В2, МПК G01S 13/90. Side looking SAR system.
2. Патент EC №2743727 A2, МПК G01S 13/90. Method for implementing high-resolution wide-swath spaceborne SAR system.
3. Roemer C. Introduction to a new wide area SAR mode using the F-Scan principle // IGARSS 2017, 2017. - С 3844-3847
4. Авиационные системы радиовидения. Монография. / Под ред. Г.С. Кондратенкова. - М.: «Радиотехника», 2015.