Основы теории синтезированных апертур

Синтезирование апертуры антенны является одним из наиболее перспективных направлений развития радиолокации, появившееся в конце 50-х годов и сразу привлекшее к себе широкое внимание. Основным преимуществом этого направления является многократное (в 1000 и более раз) увеличение угловой разрешающей способности РЛС. При этом обеспечивается возможность радиовидения объектов радиолокации и обнаружения малоразмерных объектов, повышение точности целеуказания и помехозащищенности РЛС. На первом этапе развития этого направления основные успехи были достигнуты в значительном повышении эффективности воздушной и космической разведки. В дальнейшем методы синтезирования апертуры начали использоваться в разведывательно-ударных комплексах, многофункциональных РЛС самолетов для обнаружения малоразмерных и групповых целей и наведения на них управляемого оружия, в РЛС планового обзора, системах радиотехнической разведки и навигации.

В развитии теории и практики от радиолокации к радиовидению было два этапа.

На первом этапе благодаря использованию широкополосных (100 МГц и более) зондирующих сигналов удалось обеспечить высокое разрешение по задержке сигналов и как следствие высокое разрешение по дальности (единицы метров и лучше). Разрешение по дальности определяется выражением

- ширина спектра зондирующего сигнала.

- длина волны РЛС; с 1 - размер антенны,

Формирование ДН реальной антенны. Для пояснения принципа синтезирования апертуры вначале рассмотрим формирование диаграммы направленности реальной антенны, которая и определяет разрешающую способность по угловой координате обычной РЛС.

Пусть имеется линейная апертура антенны размером d, на которую падает плоская электромагнитная волна под углом 0 (рис. 2.1), т.е. антенна работает на прием.

Под апертурой (раскрывом) понимается та часть антенны, которая участвует в излучении или приеме электромагнитной волны. Фронт волны - это поверхность равных фаз. В рассматриваемом случае это плоскость. Фаза электромагнитной волны вдоль апертуры (ось X) определяется запаздыванием фронта волны относительно центра апертуры:

где г( х) - расстояние от фронта волны до точки х на апертуре.

Диаграмма направленности формируется в результате синфазного суммирования электромагнитной волны, падающей на апертуру:

- напряженность электромагнитной волны.

Нормированная диаграмма направленности в этом случае равна

на уровне 0,7 или, что то же, 0,5 по мощности:

При работе одной антенны не только на прием, но и на передачу ДН определяется как

а эквивалентная ширина ДН на передачу и прием

В более общем случае апертура антенны задает объем анализируемого пространственно-временного сигнала, который представляет собой зависимость напряженности, фазы и поляризации электромагнитного поля от пространственных координат и времени. Таким образом, апертура характеризуется геометрическими размерами анализируемого объема электромагнитной волны, временем анализа, поляризационными и частотными параметрами. В этом случае разрешающая способность по угловой координате определяется изменением пространственно-временного сигнала в апертуре антенны в зависимости от углового положения источника электромагнитной волны.

Известными примерами такого пространственно-временного сигнала могут служить объемные голографические линзы и синтезированные апертуры.

Синтезирование апертуры. Основное отличие синтезированных (искусственных) апертур от обычных (реальных) апертур антенны состоит в том, что синтезированная апертура (СА) формируется последовательно во времени. В каждый данный момент прием электромагнитной волны ведется реальной апертурой, а синтезированная апертура является результатом последовательного во времени приема электромагнитной волны реальной апертурой при различном ее положении относительно источника электромагнитной волны. Рассмотрим процесс синтезирования на примере формирования прямолинейной апертуры РСА (рис. 2.2).

. Ее диаграмма направленности на прием определяется так же, как и ДН реальной апертуры. Набег фазы волны между двумя положениями реальной антенны на траектории

в два раза больше, чем у обычной апертуры, что обусловлено двойным проходом электромагнитной волной расстояния г (при передаче и при приеме). В результате ширина диаграммы направленности у синтезированной апертуры РСА такого типа оказывается меньше, чем у реальной апертуры такого же размера:

Главный результат синтезирования апертуры в том, что размер апертуры увеличился в N раз по сравнению с размером реальной апертуры.

синтезированной апертуры, сформированной в результате

перемещения реальной антенны. В данном случае эффект достигается увеличением объема анализируемого поля в пространстве и времени.

Основные свойства синтезированной апертуры. Рассмотрим основные свойства синтезированной апертуры.

для бортовых самолетных и космических систем. Типовые значения относительных размеров апертур различных систем следующие:

Благодаря большому размеру апертуры РСА возможно получение высокого линейного разрешения по угловой координате на больших дальностях:

Синтезированная апертура формируется в результате приема и обработки отраженных от цели сигналов, т.е. синтезированная апертура определяет ДН только на прием. ДН на передачу при синтезировании апертуры определяется ДН реальной антенны. Поляризационные и частотные свойства СА также определяются реальной антенной.

При синтезировании апертуры одновременно может работать (излучать, принимать) всего один антенный элемент (реальная антенна). В этом случае не возникает электродинамических задач при формировании всей апертуры, так как нет взаимодействия элементов по электромагнитному полю. Задача синтезирования апертуры и формирования диаграммы направленности фактически сводится к разработке алгоритмов и их выполнению процессором обработки траекторного сигнала. Как и для реальной антенны, ДН синтезированной апертуры есть зависимость сигнала на выходе процессора от угловой координаты точечного источника излучения или переизлучения (в случае активной РСА).

ДН может быть однолучевой, многолучевой, моноимпульсной, адаптивной и т.п.

объекты наблюдения РСА в большинстве случаев находятся в промежуточной зоне (зоне Френеля) апертуры, а не в дальней зоне, как у большинства реальных антенн. При приеме в дальней зоне фронт волны на апертуре считается плоским. С увеличением размера апертуры (или уменьшением расстояния до объекта) сферичностью фронта волны уже пренебрегать нельзя. Обычно условие дальней зоны записывается как

Для реальной антенны бортовой РЛС граница дальней зоны порядка 100 м, а при синтезировании она исчисляется тысячами километров. Поэтому в РСА при обработке траекторного сигнала необходимо учитывать сферичность фазового фронта электромагнитной волны. В простейших РСА, когда размер СА небольшой, кривизну фронта электромагнитной волны не учитывают. Такой режим называют доплеровским обужением луча (ДОЛ), и увеличение разрешения при этом невелико (10...30) раз.

Учет сферичности фронта волны при обработке траекторного сигнала называют фокусировкой, а апертуру соответственно фокусированной апертурой. На рис. 2.3 показано распределение поля нефокусированной (ДОЛ) (а) и фокусированной (б) апертур в промежуточной и дальней зонах ДН.

на расстоянии фокусирования, т.е. такое же, как и у обычной антенны в дальней зоне. Можно сказать, что процесс фокусирования переносит свойства направленности апертуры из дальней зоны в промежуточную .

Так как сферичность фронта волны зависит от расстояния до объекта, необходим различный закон фокусирования для разных дальностей, т.е. для обеспечения фокусировки СА нужен многоканальный по дальности алгоритм обработки траекторного сигнала.

Благодаря фокусировке СА обеспечивает в промежуточной зоне разрешение не только по углу, но и по дальности даже при смодулированном сигнале. Однако обычно оно невелико, и разрешение по дальности обеспечивается за счет модуляции зондирующего сигнала.

Основными источниками ошибок - некогерентности траекторного сигнала - являются фазовые нестабильности приемопередающих модулей, траекторные нестабильности носителя РСА и нестабильности среды распространения электромагнитной волны. Так, допустимая ошибка в знании траектории перемещения антенны равна нескольким миллиметрам (в сантиметровом диапазоне электромагнитной волны). Это требует специальных мер компенсации этих ошибок с помощью систем микронавигации и алгоритмов автофокусировки.

Энергетические характеристики СА (отношение сигнал/внутрен ний шум) определяются коэффициентом усиления реальной антенны и временем синтезирования, т.е. временем когерентного накопления сиг налов. Помехозащищенность от внешних активных и пассивных помех определяется как ДН реальной антенны, так и направленными свойствами СА, т.е. пространственной селекцией помех.

Действительно, в каждом положении антенны при синтезировании апертуры мощность принятого сигнала определяется мощностью излучения и коэффициентом усиления антенны, а синфазное сложение этих сигналов при синтезировании эквивалентно накоплению энергии сигнала за время синтезирования при постоянной спектральной мощности внутренних шумов. По отношению к источникам внешних помех, кроме того, возможна угловая селекция, эффективность которой зависит от ДН реальной и синтезированной апертур.

Относительное перемещение антенны и объекта, необходимое для формирования СА, можно выполнить различными методами. Фор мирование СА в результате движения антенны при неподвижном объек те называют прямым синтезированием, а формирование СА при движе нии объекта и неподвижной антенне - обратным синтезированием. При этом возможно формирование СА в результате вращения объекта, что эквивалентно движению антенны вокруг объекта.

Использование в процессе синтезирования одновременно не одной, а многих антенн позволяет синтезировать не только линейные, но и плоские и объемные СА.

что представляет исключительно сложную задачу для бортовых ЦВМ. В наземных условиях эту задачу успешно решает оптический процессор, в котором используется запись траекторного сигнала на фотопленку и аналоговая обработка сигнала с помощью когерентной оптической системы.

Синтезирование апертуры требует определенного времени, что приводит к задержке информации в РСА. Минимальное запаздывание информации определяется временем синтезирования, т.е. временем формирования СА. Обычно оно составляет десятые доли - единицы секунд. Максимальная задержка определяется с учетом времени выполнения алгоритма синтезирования соответствующим процессором обработки тра-екторных сигналов. Наибольшую задержку имеют наземные оптические процессоры. Она состоит из времени полета самолета в зоне работы РСА, времени возвращения на базу, времени доставки фотопленки с записью траекторных сигналов в лабораторию, времени фотохимической обработки пленки, оптической обработки и записи изображения на вторичную фотопленку и, наконец, фотохимической обработки вторичной пленки. Это время может достигать нескольких часов.