От радиолокации к радиовидению

Обладание материальными средствами и информацией является основой любой человеческой деятельности, причем в последнее время обладание информацией становится решающим фактором успеха. Сложность и объемность выполняемых задач, их комплексный характер привели к необходимости сбора информации в глобальном масштабе, т.е. обо всех процессах, происходящих на Земле и в космическом пространстве. Появился термин глобальный мониторинг (разведка), подразумевающий сбор информации непрерывно, независимо от времени суток, погодных и других условий в масштабе всего земного и околоземного пространства.

Разведка (мониторинг) - одно из главных направлений развития вооруженных сил в XXI веке.

Под разведкой понимается сбор детальной информации обо всех воинских подразделениях и объектах в реальном масштабе времени. При этом благодаря созданию новых информационных технологий возможно получение оперативной, детальной и полной информации об определенном участке местности и объектах с генерированием трехмерного изображения с любым нужным разрешением. Интегрированный компьютерный центр обеспечивает сбор данных от всех источников для получения детальной информации о заданном районе ведения боя.

Среди технических средств разведки выделяются системы радиовидения, под которыми обычно понимают активные радиолокационные станции (РЛС) воздушного, наземного и космического базирования со сверхвысокой разрешающей способностью. Это позволяет получать с их помощью радиолокационные изображения наблюдаемых объектов, сравнимые по детальности с фотоизображениями.

Радиовидение — наблюдение объектов в радиодиапазоне волн с детальностью оптических систем. В отличие от оптических систем системы радиовидения дают возможность получать изображения объектов независимо от метеоусловий и естественной освещенности, на значительном удалении и одновременно в широкой зоне обзора, в том числе объектов, невидимых в оптическом диапазоне волн.

Радиовидение позволяет решать новые задачи всепогодной разведки:

обнаружение малоразмерных наземных целей (танки, тактические ракеты, зенитно-ракетные комплексы, самолеты, вертолеты, автотранспорт), в том числе скрытых растительностью, неподвижных и движущихся;

обнаружение скоплений войск, фортификационных сооружений, переправ, новых дорог, минных полей, плотин, дамб, нефтепроводов;

оценка состоян ия аэ родромов, железнодорожных узлов, морских портов;

детальное наблюдение поля боя, определение линии боевого соприкосновения, оценка результатов боевой деятельности.

Наряду с военными задачами (разведка, наведение высокоточного оружия, десантирование, навигация) системы радиовидения используются для картографирования местности, ведения инженерной и геологической разведки, определения ледовой обстановки, составления карт растительности и снежного покрова, определения состояния волнения моря, обнаружения нефтяных пятен, загрязнений и следов кораблей на водной поверхности, оперативного контроля чрезвычайных ситуаций (катастроф транспортных средств, землетрясений, наводнений, пожаров), а также для решения многих других задач.

История развития систем радиовидения началась в 50-х годах прошлого века практически одновременно в СССР (Военно-воздушная инженерная академия имени проф. Н.Е.Жуковского) и США (Мичиганский университет) сначала применительно к задачам воздушной и космической разведки. Такие системы получили название радиолокаторов с синтезированной (искусственной) апертурой антенны (РСА). Первые монографии, обобщающие опыт научных исследований и разработки РСА, опубликованы в 1970 г. [1,2].

Основной задачей для обеспечения радиовидения является получение высокой (сверхвысокой) разрешающей способности РЛС по дальности и углу. Проблема получения высокого разрешения по дальности к тому моменту была решена путем использования широкополосных зондирующих сигналов. А для обеспечения высокого разрешения по углу необходимы были антенны очень больших размеров (сотни метров), размещение которых на летательных аппаратах невозможно.

Идея метода получения высокого разрешения по углу при малых размерах антенны была основана на формировании большой апертуры антенны на борту летательного аппарата - носителя РЛС искусственным способом. Для этого апертура синтезировалась, т.е. формировалась, последовательно во времени при полете самолета по определенной, точно известной (обычно прямолинейной) траектории путем запоминания отраженного от объекта электромагнитного поля — амплитуды и фазы траекторного сигнала. Отсюда название метода — синтезирование апертуры антенны. Иногда такую антенну называли также искусственной или фантомной антенной, подчеркивая ее отличие от реальной антенны малого размера, используемой в бортовой РЛС.

Когерентное (синфазное) суммирование сигналов, принятых и запомненных за время пролета заданного участка траектории (траекторного сигнала), эквивалентно синфазному суммированию сигналов, принимаемых реальной линейной фазированной антенной решеткой такого же большого размера. Поэтому угловая разрешающая способность и, следовательно, детальность радиолокационного изображения объекта повышаются приблизительно во столько раз, во сколько синтезированная апертура больше реальной апертуры антенны РЛС. В настоящее время это улучшение может быть в тысячу и более раз, что обеспечивает высокую детальность (1 м и лучше) радиолокационных изображений (радиовидение).

Создание РЛС с синтезированной апертурой потребовало решения ряда научно-технических проблем, среди которых выделяются своей сложностью две:

обеспечение высокой когерентности траекторного сигнала (время когерентности составляет десятки секунд при ширине полосы частот модуляции 100 МГц и более);

обеспечение когерентного (синфазного) накопления этих сигналов в течение единиц секунд одновременно в большом числе (тысячи) каналов.

В практическом плане наибольшие сомнения вызывала возможность выдерживания заданной прямолинейной траектории носителя Р ЛС в процессе синтезирования апертуры с точностью по боковому отклонению порядка миллиметра на интервале в сотни метров, чтобы обеспечить синфазное (когерентное) сложение сигналов. Это казалось фантастикой. Однако летные эксперименты показали, что самолет, благодаря своей значительной массе, при полете без маневра в невозмущенной атмосфере перемещается строго по прямолинейной траектории на значительное расстояние (до 100 м). При использовании специальных методов измерения и компенсации отклонений траектории от заданной, так называемых методов микронавигации и автофокусировкщ возможно синтезирование апертуры размером сотни и более метров при маневрировании и полете в турбулентной атмосфере.

Большие успехи были также достигнуты в создании когерентного приемопередающего тракта бортовых РЛС, что в результате обеспечило получение когерентного траекторного сигнала РСА.

Более сложной оказалась проблема обработки траекторного сигнала на борту носителя РСА, что требовало выполнения алгоритмов синтезирования в реальном масштабе времени. Аналоговые электронные устройства не могли решить эту сложную задачу, и все надежды возлагались на цифровую обработку. Однако, хотя прошло более 40 лет с момента начала работ в этом направлении, и сегодня требования к объему памяти и быстродействию вычислительных систем достигают предельных значений возможностей бортовых ЭВМ.

Поэтому на первом этапе развития РСА для решения столь сложной задачи обработки траекторного сигнала пришлось разрабатывать принципиально новые системы с использованием когерентных оптических устройств . Иногда их называют голографическими системами.

Впервые идеи использования когерентных оптических систем с акустооптическим преобразователем радиолокационных сигналов в световые волны были предложены для спектрального анализа радиолокационных сигналов и впоследствии применены в бортовых системах непосредственной радиотехнической разведки.

Тогда же разрабатывались когерентные оптические системы для РСА . В таких системах на борту носителя РСА траекторный сигнал записывается на фотопленку с сохранением его фазовой структуры. Обработка траекторного сигнала и получение радиолокационного изображения объекта осуществляется в наземных оптических устройствах путем освещения проявленной фотопленки с записью траекторного сигнала (радиоголограммы) лазерным светом, формирования изображения объекта с помощью специальной оптики и записи этого изображения на вторичную фотопленку. Естественно, что при этом происходит большая задержка информации, обусловленная временем доставки и обработки фотопленки, достигающая нескольких часов. Однако и в настоящее время, благодаря уникальным свойствам (высокое качество изображений, широкая полоса обзора, регистрация изображения) оптические системы используются в тех случаях, когда задержка информации не играет решающей роли.

В настоящее время радиовидение переживает этап бурного развития: значительно повышаются тактико-технические характеристики, резко расширяются области применения РСА. Практически все новые системы используют цифровые методы обработки сигналов, что позволяет работать в реальном масштабе времени. Значительно (на порядок и более) возросла разрешающая способность РСА. Так, авиационные системы разведки имеют разрешение до 3 м, и ведутся работы по увеличению разрешения до 1 м и даже 10 см.

Космические РСА также имеют максимальное разрешение порядка 1 м, что позволяет обнаруживать и распознавать не только крупные цели, но и большое число малоразмерных целей.

Введение второго, разнесенного по высоте, приемного канала (интер-ферометрические РСА) позволило получать трехмерные изображения (рельеф) земной поверхности.

Остро стоящая задача распознавания целей привела к разработке поляриметрических РСА с полным поляризационным зондированием и приемом. В этом случае используются четыре приемных канала (четыре изображения) для всех видов поляризации (ВВ, ГГ , ВГ и ГВ).

Большинство существующих РСА работают в сантиметровом диапазоне волн. Вследствие высокого поглощения радиоволн этого диапазона листвой деревьев, травой, почвой такие РСА не могут обнаруживать цели, скрытые растительностью или грунтом. Поэтому появились системы, работающие в дециметровом (70 см) и метровом (2,5 м) диапазонах волн. Такие РСА могут наблюдать цели под пологом леса, в районах затоплений, скрытые растительностью и многие другие замаскированные объекты.

В данном учебном пособии изложены принципы построения и использования РЛС авиационного и космического базирования, обеспечивающих детальное наблюдение (радиовидение) наземных и морских объектов естественного и искусственного происхождения - радиолокаторов с синтезированной апертурой антенны.

Учебное пособие не содержит закрытой информации, все числовые примеры носят иллюстративный характер. Характеристики известных авиационных и космических РСА, приведенные в приложении, взяты из открытых опубликованных работ и и рекламных проспектов.

Авторы выражают благодарность за помощь при написании книги своим коллегам А.А. Герасимову, Е.Е. Колтышеву, И.Н. Умнову, И.Н. Червякову, И.А. Юрчику, В.Т. Янковскому.