СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ АНТЕННЫ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ФОКУСИРОВКОЙ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗУЮЩЕЕ
METHOD FOR GENERATION OF RADAR IMAGES IN RADAR STATION WITH SYNTHESIZED ANTENNA APERTURE WITH PRE-FOCUSING AND DEVICE IMPLEMENTING IT

Изобретение относится к радиолокации и может использоваться в радиотехнических системах, установленных на подвижных объектах, для получения радиолокационных изображений (РЛИ) в процессе дистанционного зондирования земной (водной) поверхности.
Известен способ (аналог) автоматической фокусировки радиолокационных изображений по минимуму энтропии [Школьный Л.А. Радиолокационные системы воздушной разведки, дешифрирование радиолокационных изображений. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2008. С. 214-225], в котором автоматический подбор значений скорости полета носителя РЛС и времени синтезирования, обеспечивающих наилучшее разрешение радиолокационных изображений, осуществляется путем формирования набора РЛИ одного и того же участка местности для различных скоростей полета носителя и времени синтезирования апертуры в пределах априорно заданных интервалов, вычислении энтропии полученных изображений, выборе изображения с минимальной энтропией, которое передается потребителю для дальнейшей обработки.
Недостаток заключается в том, что реализация способа связана с большими вычислительными затратами, обусловленными необходимостью формирования большого количества РЛИ для различных значений скорости полета носителя и времени синтезирования, что уменьшает темп выдачи сформированных РЛИ потребителю.
Известен способ (аналог) автофокусировки РЛИ, основанный на компенсации фазовых флуктуаций с помощью систем микронавигации [Кондратенко Г.С. Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования земли М.: Радиотехника, 2005. С. 205-213]. Способ включает измерение скорости и траектории движения фазового центра антенны с помощью систем микронавигации, оценку закона изменения фазы траекторного сигнала, формирование комплексного фазового множителя, умножение которого на траекторный сигнал обеспечивает компенсацию фазовых флуктуаций.
Недостаток заключается в том, что траектория движения фазового центра антенны вычисляется с ограниченной точностью, вследствие чего происходит только частичная компенсация фазовых флуктуаций. Это обусловливает необходимость проведения этапа дополнительной фокусировки при формировании детальных РЛИ. Кроме того, реализация данного способа требует размещения на борту носителя РЛС дополнительных высокоточных навигационных датчиков.
Известно устройство (аналог) осуществляющее формирование, с последующим восстановлением (фокусировкой) РЛИ [Патент RU 2624460 С1, МПК G01S 13/89, опубл. 27.01.2016 г.], включающее: приемник, блок хранения информации, блок точной навигационной информации о географических координатах, блок определения пространственных координат фазового центра антенны, блок рельефометрических баз данных, согласованный фильтр, корректирующий фильтр, блок обеспечения заданного вида обзора, блок формирования РЛИ.
Недостаток устройства заключается в том, что устройство не работает при низком отношении сигнал/шум и при наличии значительных фазовых ошибок в траекторном сигнале.
Наиболее близким по сущности является способ формирования детальных радиолокационных изображений (прототип) [Патент RU 2710961 С1, МПК G01S 13/90, опубл. 14.01.2020 г.], основанный на зондировании поверхности, приеме, оцифровке и сжатии по дальности отраженных сигналов, формировании двумерного дальностного портрета зоны обзора на основе 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 элемента разрешения формируемого РЛИ, фокусировке и расчете значений яркости каждого элемента разрешения РЛИ путем суммирования отсчетов в выборке.
Наиболее близким по сущности является устройство формирования детальных радиолокационных изображений (прототип) [Патент RU 2710961 С1, МПК G01S 13/90, опубл. 14.01.2020 г.], включающее опорный генератор, частотный модулятор, передающее устройство, передающую антенну, приемную антенну, приемное устройство, аналого-цифровой преобразователь, интерполятор, вычислитель спектра, запоминающее устройство, устройство выборки сигнала, умножитель, формирователь опорного сигнала, демодулятор, сумматор, устройство отображения, устройство управления.
Недостаток способа и устройства заключается в том, что качество формируемых РЛИ зависит от продолжительности времени синтезирования апертуры антенны, которое подбирается оператором-дешифровщиком вручную на основе собственного опыта с учетом типа и характера полета носителя РЛС, а также погодных условий. Это связано с тем, что при наличии траекторных нестабильностей полета носителя РЛС увеличение времени синтезирования свыше некоторого оптимального значения не приводит к улучшению РЛИ, а напротив, обусловливает нарушение когерентности сигналов, которое, в свою очередь, приводит к появлению расфокусировки радиолокационных изображений и ухудшению их качества.
Технический результат данного изобретения состоит в повышении качества формируемых РЛИ в условиях траекторных нестабильностей полета носителя за счет автоматического выбора оптимального времени синтезирования апертуры антенны, осуществляемого на основе предварительного анализа статистических характеристик траекторных нестабильностей, без существенного увеличения вычислительных затрат.
Технический результат достигается тем, что в известном способе, заключающемся в зондировании поверхности, приеме, оцифровке и сжатии по дальности отраженных сигналов, формировании двумерного дальностного портрета зоны обзора на основе 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 элемента разрешения формируемого РЛИ, фокусировке и расчете значений яркости для каждого элемента разрешения РЛИ путем суммирования отсчетов в выборке, согласно изобретению, дополнительно перед формированием двумерного дальностного портрета зоны обзора получают показания бортовой инерциально-навигационной системы по скорости, высоте и плановым координатам, с использованием которых рассчитывают статистические характеристики траекторных нестабильностей полета носителя РЛС и в зависимости от их значений определяют оптимальное время синтезирования.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве, содержащем последовательно соединенные вычислитель спектра, запоминающее устройство, устройство выборки сигнала, умножитель, сумматор, а также устройство управления и формирователь опорного сигнала, в котором первый выход устройства управления соединен со вторым входом устройства выборки сигнала, второй его выход через формирователь опорного сигнала соединен со вторым входом умножителя, а второй выход устройства выборки сигнала соединен со вторым входом запоминающего устройства дополнительно введены последовательно соединенные формирователь отсчетов белого гауссовского шума, набор формирующих фильтров, устройство формирования сигнала, коммутатор, а также второе запоминающее устройство, инерциально-навигационная система, вычислитель и второе устройство управления, при этом выход коммутатора соединен со входом вычислителя спектра, первый и второй выходы вычислителя соединены со входом второго запоминающего устройства и вторым входом устройства управления соответственно, а первый, второй и третий входы соединены с выходами второго запоминающего устройства, сумматора и инерциально-навигационной системы соответственно, кроме того, первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы второго устройства управления соединены со вторым входом коммутатора, первым входом устройства управления, четвертым входом вычислителя, а также входами формирователя отсчетов белого гауссовского шума и набора формирующих фильтров соответственно.
Сущность способа состоит в том, что дополнительно перед формированием двумерного дальностного портрета зоны обзора осуществляется выбор оптимального времени синтезирования, в ходе которого осуществляется расчет статистических характеристик траекторных нестабильностей полета носителя РЛС (среднеквадратического отклонения (СКО) и времени корреляции) на основе показаний бортовой инерциально-навигационной системы (ИНС) с последующим выбором на их основе оптимального значения времени синтезирования из заранее сформированных табличных значений.
Порядок выбора оптимального времени синтезирования включает в себя два этапа. На первом этапе заблаговременно перед выполнением радиолокационной съемки рассчитывают значения оптимального времени синтезирования для различных интенсивностей и времени корреляции траекторных нестабильностей носителя, определяемых среднеквадратическим отклонением его полета от прямолинейного равномерного полета по плановым координатам, высоте и скорости, а также шириной спектра их флуктуаций. Рассчитанные значения оптимального времени синтезирования заносят в память бортовой ЭВМ в виде табличных данных. На втором этапе в процессе радиолокационной съемки на основе информации получаемой от ИНС рассчитывают оценки статистических характеристик траекторных нестабильностей носителя и в соответствии с полученными оценками выбирают из памяти бортовой ЭВМ значение оптимального времени синтезирования, которое используют при формировании РЛИ.
Расчет табличных значений оптимального времени синтезирования осуществляют с использованием способа прототипа путем формирования радиолокационных изображений тестовой сцены (фиг. 1), состоящей из точечных отражателей с известными координатами характерными для предполагаемых условий наблюдения, с последующим вычислением усредненной ширины отклика точечных отражателей по путевой дальности, и представляет собой последовательность следующий действий:
расчет импульсных характеристик формирующих фильтров на основе исходных данных для различных статистических характеристик траекторных нестабильностей полета носителя РЛС;
формирование реализаций траекторных нестабильностей с различной интенсивностью и временем корреляции по плановым координатам, высоте и скорости полета носителя путем пропускания белого гауссовского шума через формирующие фильтры;
формирование сигнала на выходе приемного устройства с учетом наличия траекторных нестабильностей различной интенсивности и времени их корреляции, и последующим получением на его основе РЛИ тестовой сцены с использованием способа прототипа;
вычисление средней ширины отклика точечных отражателей на РЛИ (разрешающей способности) по путевой дальности;
расчет оптимального времени синтезирования на основе полученных значений разрешающей способности по путевой дальности для различных значений времени синтезирования, СКО траекторных нестабильностей полета носителя РЛС и их ширины спектра.
Расчет импульсных характеристик формирующих фильтров осуществляют в соответствии с выражением
где  - оператор обратного преобразования Фурье; H(ƒ)=A(ƒ)ехр(jϕ(ƒ)) - частотная характеристика фильтра;  ϕ(ƒ)=-πƒ/Δƒ - линейная фазо-частотная характеристика, обеспечивающая постоянство групповой задержки фильтра;  - спектральная плотность мощности траекторных нестабильностей; Re{ƒ(x)} и  - операторы выделения действительной части и преобразования Фурье функции ƒ{x) соответственно;  - автокорреляционная функция (АКФ) траекторных нестабильностей, определяемая заданными значениями СКО σ и ширины спектра Δƒ по соответствующим координатам, высоте или скорости, усредненные экспериментальные значения которых полученные для различных типов летательных аппаратов представлены в таблице (фиг. 2).
Формирование реализаций траекторных нестабильностей M(t) по соответствующим координатам и скорости полета носителя осуществляется фильтрацией некоррелированного белого гауссовского шума с единичной дисперсией формирующим фильтром с импульсной характеристикой (1)
где * - операция свертки.
Формирование сигнала на выходе приемного устройства с учетом наличия траекторных нестабильностей различной интенсивности и времени их корреляции осуществляют, например, путем проведения натурных экспериментов или для РЛС с непрерывным частотно-модулированным излучением вычисляют с использованием выражения [Купряшкин И.Ф., Лихачев В.П., Рязанцев Л.Б. Малогабаритные многофункциональные радиолокационные станции с непрерывным частотно-модулированным излучением. Монография. - М.: Радиотехника, 2020. - 280 с. С. 64-67]
i
o
м
c
м
с
0i
0i
н
н
k
k
с
м
с
с
м
м
h
x
v
где  A - сигнал на выходе приемного устройства РЛС и его амплитуда для i-го точечного отражателя тестовой сцены; j - мнимая единица; с - скорость света в свободном пространстве; ƒ - начальная частота зондирующего сигнала с линейной частотной модуляцией; μ=T/Δƒ; Т, Δƒ - период модуляции и ширина спектра зондирующего сигнала;  - закон изменения наклонной дальности; x, y - координаты i-го точечного отражателя относительно центра кадра тестовой сцены; h, V - высота и скорость полета носителя РЛС; k=0, 1, …, N-1; N=int[T/T] - общее количество зондирований в течение интервала синтезирования апертуры с длительностью Т; t∈[0,T]; t=frac[t/T] - время в пределах отдельного периода модуляции зондирующего сигнала; int[x] и frac[x] - целая и дробная часть х соответственно; M(t), M(t), M(t) - реализации траекторных нестабильностей носителя РЛС по высоте, горизонтальной дальности и скорости соответственно, сформированные с использованием процедуры (2).
Получение РЛИ тестовой сцены может быть основано на процедуре прямой свертки, которая реализуется в способе прототипе и в общем случае представляет собой операцию согласованной фильтрации для каждого m,n-го элемента разрешения в пределах кадра формируемого радиолокационного изображения:
on
m,n
0m
б
0n
y
б
x
y
x
x
x
v
где S(t,R) - опорный сигнал, представляющий собой сигнал с единичной амплитудой, фаза которого соответствует фазе демодулированного эхосигнала точечного отражателя, расположенного в m,n-й элементе разрешения зоны обзора;  - закон изменения дальности до точечного отражателя, расположенного в m,n-м элементе разрешения; x=x+mΔх, y=nΔy-0,5L - координаты элемента разрешения РЛИ по горизонтальной и путевой дальности соответственно; х - ближняя граница кадра РЛИ; Δх и Δу - расстояние между центрами элементов разрешения по горизонтальной и путевой дальности соответственно; m=0, 1, … N-1, n=0, 1, … N-1; N=int[L/Δy]; L и L - линейные размеры формируемого кадра РЛИ по горизонтальной и путевой дальности соответственно.
На практике также применяются менее ресурсоемкие способы формирования радиолокационных изображений, основанные на процедурах гармонического анализа, быстрой свертки, в том числе с коррекцией миграции точечных отражателей по каналам дальности, и другие.
v
v
опт
v
опт
Вычисление средней ширины отклвыика точечных отражателей на РЛИ по путевой дальности осуществляют по заданному уровню, как правило, равному минус 3 дБ от максимума. При необходимости учета влияния боковых лепестков на расширение отклика точечного отражателя значение уровня может быть уменьшено до минус 10 дБ от максимума. На фиг. 3 представлены примеры рассчитанных зависимостей ширины среднего отклика точечных отражателей δl от времени синтезирования для различных значений СКО траекторных нестабильностей по скорости σ. Так при σ=0,12 м/с значение Т составит 2 с, а при σ=0,24 м/с значение Т составит 1,2 с.
Таким образом, выбор оптимального времени синтезирования обеспечивает повышение качества формируемых РЛИ в условиях траекторных нестабильностей полета носителя за счет предварительного анализа статистических характеристик траекторных нестабильностей, без существенного увеличения вычислительных затрат.
На фиг. 4 представлена структурная схема устройства для осуществления способа формирования радиолокационных изображений в РЛС с синтезированной апертурой антенны с предварительной фокусировкой.
Устройство может быть реализовано с помощью известных радиотехнических элементов, выпускаемых промышленностью.
Устройство, реализующее способ включает: устройство формирования радиолокационных изображений, состоящее из первого запоминающего устройства 1, устройства выборки сигнала 2, первого устройства управления 3, вычислителя спектра 4, умножителя 5, формирователя опорного сигнала 6, сумматора 7, а также коммутатор 8, инерциально-навигационную систему 9, устройство формирования сигнала 10, второе запоминающее устройство 11, вычислитель 12, второе устройство управления 13, набор формирующих фильтров 14, формирователь отсчетов белого гауссовского шума 15.
Коммутатор 8 предназначен для переключения источника входного радиолокационного сигнала для устройства формирования радиолокационных изображений 3 в зависимости от этапа работы устройства. Может быть выполнен на основе цифровых мультиплексоров К555КП11 [Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. М.: Радио и связь, 1987. 352 с. С. 147].
Инерциально-навигационная система 9 предназначена для получения высокоточных оценок скорости, плановых координат и высоты полета носителя РЛС и может быть реализована на модулях спутниковой системы навигации или автономных устройствах, основанных на измерении ускорения и угловых скоростей носителя [Купряшкин И.Ф., Лихачев В.П., Рязанцев Л.Б. Малогабаритные многофункциональные РЛС с непрерывным частотно-модулированным излучением. Монография. М.: Радиотехника, 2020. 280 с. С. 203-209].
Устройство формирования сигнала 10 предназначено для формирования сигнала тестовой сцены на выходе приемника РЛС в соответствии с выражением (3). Может быть выполнено, например, на основе процессора 1892 ВМ14Я или аналогичных [https://multicore.ru/processors-multicore/1892vm14ja].
Запоминающее устройство 11 предназначено для хранения, предоставления доступа для чтения и записи табличных значений, содержащих информацию о времени синтезирования, обеспечивающего минимальную ширину откликов точечного отражателя для различных значений интенсивности и времени корреляции траекторных нестабильностей. Может быть выполнено на устройствах электрически перепрограммируемой памяти [Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. СПб.: БХВ-Петербург, 2007. 800 с. С. 269-287].
Вычислитель 12 предназначен для расчета средней ширины отклика точечных отражателей на первом этапе работы устройства, а также для расчета значений среднеквадратических отклонений и времени корреляции траекторных нестабильностей на втором этапе работы устройства. Может быть выполнен на основе микроконтроллера серии STM32 или AVR32 [Купряшкин И.Ф., Лихачев В.П., Рязанцев Л.Б. Малогабаритные многофункциональные РЛС с непрерывным частотно-модулированным излучением. Монография. М.: Радиотехника, 2020. 280 с. С. 187].
Второе устройство управления 13 предназначено для формирования сигналов управления коммутатором 8, сигналов запуска для устройства формирования радиолокационных изображений, формирователя отсчетов белого гауссовского шума 15 и выбора фильтра из набора формирующих фильтров 14. Может быть выполнено, например, на основе программируемого логического устройства [Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. СПб.: БХВ-Петербург, 2007. 800 с. С. 543-544].
Набор формирующих фильтров 14 предназначен для формирования реализации отсчетов траекторных нестабильностей с требуемой интенсивностью и временем корреляции в соответствии с выражением (2). Может быть выполнен в виде фильтров с конечной импульсной характеристикой, реализованных, например, на программируемых логических интегральных схемах [Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. СПб.: БХВ-Петербург, 2007. 800 с. С. 553-559].
Формирователь отсчетов белого гауссовского шума 15 предназначен для получения отсчетов сигнала со случайным распределением амплитуд по нормальному закону с единичной дисперсией. Может быть выполнен, например, на основе программного генератора [Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов: Второе издание. М.: ООО «Бином-Пресс», 2006. 656 с. С. 509-511].
Работа устройства формирования радиолокационного изображения соответствует описанию, приведенному в прототипе.
Работа устройства, реализующего способ, не отличается от работы прототипа за исключением следующего. На первом этапе заблаговременно перед выполнением радиолокационной съемки, например, по сигналу от оператора, устройство осуществляет расчет значений оптимального времени синтезирования для различных интенсивностей и времени корреляции траекторных нестабильностей носителя. Для этого коммутатор 8 по сигналу от второго устройства управления 13 подключает выход устройства формирования сигнала 10 ко входу устройства формирования радиолокационных изображений, работа которого не отличается от прототипа, после чего по сигналу второго устройства управления 13 запускается формирователь отсчетов белого гауссовского шума 15, сигнал с выхода которого поступает на вход набора формирующих фильтров 14. Импульсные характеристики формирующих фильтров предварительно рассчитывают для различных интенсивностей и времени корреляции траекторных нестабильностей в соответствии с выражением (1). По сигналу от второго устройства управления 13 осуществляется выбор фильтра из набора формирующих фильтров 14, тем самым осуществляется формирование реализации отсчетов траекторных нестабильностей с требуемой интенсивностью и шириной спектра в соответствии с выражением (2). На основе сформированных отсчетов траекторных нестабильностей устройство формирования сигнала 10 осуществляет формирование сигнала, соответствующего сигналу на выходе приемного устройства тестовой сцены при наличии траекторных нестабильностей в соответствии с выражением (3). По сформированному сигналу, поступающему через коммутатор 8 устройство формирования радиолокационных изображений формирует радиолокационные изображения тестовой сцены для различных значений времени синтезирования апертуры и различные интенсивностей траекторных нестабиоьностей. Сформированные радиолокационные изображения поступают на вычислитель 12 для расчета средней ширины отклика точечных отражателей и определения значения времени, при котором обеспечивается их минимальная ширина. Полученные значения времени синтезирования, обеспечивающие минимальную ширину откликов точечного отражателя для различных значений интенсивности и времени корреляции траекторных нестабильностей в виде табличных значений записываются в запоминающее устройство 11.
В процессе радиолокационной съемки, например, по сигналу от оператора второе устройство управления 13 подает сигнал на коммутатор 8, который осуществляет подключение выхода приемного устройства РЛС ко входу устройства формирования радиолокационных изображений. Значения отсчетов координат, высоты и скорости носителя РЛС в процессе полета от инерциально-навигационной системы 9 поступают на вычислитель 12, в котором осуществляется расчет значений среднеквадратических отклонений и времени корреляции траекторных нестабильностей. В соответствии с рассчитанными значениями осуществляется выбор оптимального времени синтезирования из таблицы, находящейся в запоминающем устройстве 11, которое передается в первое устройство управления 3 устройства формирования радиолокационных изображений. Далее устройство формирования радиолокационных изображений на основе выбранного значения оптимального времени синтезирования осуществляет формирование радиолокационного изображения, которое передается потребителю.