Способ построения радиолокационного изображения с помощью радиолокационной станции с синтезированной апертурой
METHOD FOR RADAR IMAGING USING THE RADAR STATION WITH THE SYNTHESIZED APERTURE

Изобретение относится к способам построения радиолокационных изображений (РЛИ) земной поверхности при дистанционном зондировании земли (ДЗЗ) с помощью радиолокационной станции с синтезированной апертурой (РСА).
Известны способы, в которых при обработке данных РСА применяются аппроксимации для ограничения необходимого количества вычислений. Алгоритмы построения РЛИ основаны на свертках с опорной функцией для получения фокусированного изображения. Свертки обычно реализуются с использованием прямого и обратного быстрого преобразования Фурье (БПФ). Быстрая свертка требует, чтобы входные данные и точки изображения регулярно распределялись по прямоугольным сеткам. В этом случае основные стадии свертки вынужденно сопровождаются дополнительными этапами компенсации движения и миграции дальности. Кроме того, применяемые аппроксимации ухудшают точность результатов.
В настоящее время особый интерес представляют небольшие тактические беспилотные летательные аппараты (БПЛА), оснащенные РСА. Использование БПЛА в качестве платформы накладывает существенные ограничения на РСА по весу и объему. Ввиду относительно малого размера БПЛА подвержены ветровому воздействию, что негативно сказывается на курсовой устойчивости и, соответственно приводит к некогерентному накоплению эхо-сигналов.
Известны способы [например, патент RU 2614041 от 22.03.2017], использующие некогерентное суммирование парциальных кадров РЛИ с переходом в земную систему координат.
Также известен способ, в котором при обработке сигнала производят сдвиг сигнала в каждом канале дальности по частоте таким образом, что доплеровская частота сигналов, отраженных от элементов, находящихся на оси пятна луча диаграммы направленности антенны на картографируемой поверхности, принимает нулевое значение, а при формировании РЛИ производят пересчет элементов разрешения по доплеровской частоте в каждом канале дальности в азимутальные элементы разрешения в соответствии с зависимостью азимута от доплеровской частоты и дальности, обратной использованной при частотном сдвиге сигнала [патент RU 2617116 от 21.04.2017].
Наиболее близким к изобретению является способ, описанный в заявке на патент RU 2271019 от 27.02.2006 - прототип. Изобретение относится к радиолокационным системам и предназначено для использования в качестве вертолетной или самолетной БРЛС для обзора земной или водной поверхности и обнаружения на ней объектов в режимах радиолокационного картографирования. Техническим результатом является снижение ошибок измерения ускорения, приводящее к существенному повышению характеристик радиолокационного изображения (разрешение, контрастность, динамический диапазон и др.). Для компенсации фазовых набегов при синтезировании используется информация о параметрах движения антенны, полученная инерциальной навигационной системой и датчиками линейных ускорений, при этом применяется процедура обработки сигналов отражений от наземных объектов, при которой величина фазовых набегов за счет ошибок измерения датчиками доводится до допустимой величины, определяемой заданным критерием качества радиолокационной информации.
Недостатками известного способа является то, что он требует отдельной компенсации движения и мер для компенсации миграции дальности в частотной области, что сопряжено с увеличением вычислительной нагрузки и невозможностью естественно использовать распараллеливание алгоритма на многопоточных вычислителях.
Целью настоящего изобретения является повышение качества РЛИ в сравнении с традиционными способами, использующими обработку данных в частотной области, а также адаптация алгоритма построения РЛИ для реализации на многопоточных вычислителях.
Указанная цель достигается за счет того, что для построения радиолокационного изображения используются вычисления на основе фактической геометрии с применением вычислительно эффективной свертки со знаковой опорной функцией во временной области.
Настоящий способ предполагает вычисления на основе фактической геометрии радиолокационной сцены и, следовательно, не требует отдельной компенсации движения или мер для компенсации миграции дальности. Способ требует большого количества вычислений, но очень точен, если геометрия точно известна. Обработка во временной области позволяет предложить оптимизацию, которая частично компенсирует неэффективность алгоритма. Оптимизация выполняется путем распараллеливания обработки, а также бинаризации опорной функции свертки. Отсутствие дополнительных предположений о траектории движения носителя делает настоящий способ пригодным для широкого диапазона приложений при использовании одинаковых базовых вычислений. Это позволяет использовать одно и то же ядро обработки для разных режимов работы РСА.
k
Построение изображения рассматривается как процесс когерентного добавления нескольких наблюдений определенного места в мировых координатах для получения значения, определяющего отражательную способность пятна. Радиолокационное наблюдение s[r] определяется как массив сжатых комплексных откликов, индексированных диапазоном r. Также определяется соотнесенная по времени с каждым наблюдением трехмерная позиция антенны . Все наблюдения (т.е. импульсы) и положения антенн индексируются и формируют последовательность наблюдений s[r], соответствующие положениям антенн . Учитывая позицию, в которой необходимо оценить значение отражения , возможно определить одностороннее расстояние между этим конкретным положением в заданных координатах и позицией антенны
где оператор |⋅| обозначает вторую норму (т.е. евклидово расстояние). Учитывая одностороннее расстояние, сдвиг фазы  можно вычислить как
где λ - длина излучаемой радиолокационной волны. Фазовращатель, соответствующий этому фазовому сдвигу, задается формулой
k
Частичный вклад каждого радиолокационного наблюдения  в реконструкцию значения  определяется принятым отражением  на расстоянии r, сдвинутым по ожидаемой фазе:
Здесь оператор "*" обозначает комплексное сопряжение. Одной из предлагаемых оптимизаций вычисления данной временной свертки является использование знаковой опорной функции:
Бинаризация опорной функции применительно к настоящему алгоритму обработки во временной области приводит к значительному упрощению вычислений на параллельных процессорах, т.к. избавляет от необходимости использования мультипликационных операций. Произведение сигнала и знаковой опорной функции сводится к знаковому сложению комплексных отсчетов.
Предполагая, что радиолокационные отражения складываются когерентно для интересующего пункта, значения отражающей способности в желаемых координатных позициях W могут быть восстановлены как
где  - множество индексов всех соответствующих радиолокационных наблюдений (или положений антенн) для значения .
Используя очень простой алгоритм, основанный на свертках во временной области, можно выполнить построение радиолокационных изображений РСА в реальном времени. Настоящий способ является простым в реализации и использовании, точным и универсальным. Хотя настоящий способ требует гораздо больших вычислений, чем многие известные подходы, но благодаря распараллеливанию вычислений и бинаризации опорной функции свертки во временной области он может быть реализован в режиме реального времени на общедоступном оборудовании.