Синтезирование апертуры представляет собой технический прием, позволяющий существенно повысить разрешающую способность радиолокатора в поперечном относительно направления полета направлении и получить детальное изображение радиолокационной карты местности, над которой совершает полет ЛА. Режим формирования такой карты называется картографированием и применяется, например, в обзорно-сравнительных навигационных системах, для получения карт местности, и в других ситуациях. По качеству и детальности такие карты сравнимы с аэрофотоснимками, но в отличие от последних могут быть получёны при отсутствии оптической видимости земной поверхности (при полете, над облаками). Детальность радиолокационного изображения зависит от линейной разрешающей способности радиолокатора. В радиальном по отношению к радиолокатору направлении линейная разрешающая способность, т. е. разрешающая способность по дальности δR, определяется зондирующим сигналом, а в поперечном направлении (тангенциальная разрешающая способность) δl — шириной ДНА радиолокатора и расстоянием до цели (рис. 1). Детальность радиолокационного изображения местности тем выше, чем меньше δR и δl.

Рис. 1. Параметры, характеризующие детальность радиолокационного изображения

Рис. 2. Диаграммы направленности радиолокатора бокового обзора

Задача уменьшения HR решается использованием зондирующих сигналов с малой длительностью импульсов или переходом к сложным сигналам (частотно-модулированным или фазоманипулированным). Однако уменьшения δl добиться не так просто. так как δl пропорциональна дальности R до цели и ширине ДНА, а в горизонтальной плоскости , где λ— длина волны, а α_а — продольный размер (длина). Основными путями повышения тангенциальной разрешающей способности являются применение в радиолокаторах вдоль фюзеляжных антенн и синтезирование апертуры антенны при движении ЛА.

Первый путь привел к разработке так называемых радиолокаторов бокового обзора (рис. 2). В таких радиолокаторах тангенциальная разрешающая способность тем выше, чем больше продольный размер d_ф фюзеляжа ЛА. Поскольку lф больше диаметра фюзеляжа d_ф, от которого зависит обычно размер антенны d_a, то и детальность изображения в радиолокаторах с вдольфюзеляжными антеннами улучшается, хотя зависимость от дальности сохраняется.

Второй, более радикальный путь приводит к радиолокаторам с синтезированием апертуры (РСА) при поступательном движении ЛА.

Рис. 3. Фазированная антенная решетка (а) и схема синтезирования апертуры при перемещении облучателя (б)

Принцип синтезирования апертуры. Пусть линейная ФАР размером (апертурой) L (рис. 3, а) состоит из N+1 излучателей. Суммируя принятые облучателями сигналы, можно в каждый момент времени получать диаграмму ФАР с шириной . Если для обеспечения заданной φ_а требуется , то можно синтезировать ФАР, последовательно перемещая один излучатель вдоль этой апертуры с некоторой скоростью V, принимая отраженные от цели сигналы, запоминая их, а затем совместно обрабатывая (рис. 3,6). При этом синтезируется апертура линейной антенны с эффективным размером L и ДНА шириной φ_с=λ/L однако увеличиваются затраты времени на синтезирование t_c = L/V и усложняется аппаратура радиолокатора.

Рис. 4. Взаимное положение цели и ЛА при синтезировании апертуры.

Пусть ЛА движется на некоторой высоте с постоянной скоростью V прямолинейно и параллельно земной поверхности; (рис. 4). Антенна, имеющая ДНА шириной φ_а и повернутая на 90° к линии пути, последовательно проходит ряд положений i = —N/2; ...; —2; —1; 0; +1; +2; . . . +N/2, в которых принимает сигналы, отраженные от цели, находящейся в точке М на земной поверхности. При различных положениях антенны (при различных i) сигналы от одной и той же точки проходят разные расстояния , что приводит к изменению фазовых сдвигов этих сигналов, вызываемых разностью хода сигналов DR. Поскольку сигнал проходит DR дважды; в направлении цели и от нее, то два сигнала, принятые при соседних положениях антенны, отличаются по фазе на

(1)

В зависимости от того, компенсируются или нет при суммировании сигналов фазовые набеги Δφ на отрезках ΔR_i, различают фокусированные и нефокусированные РСА. В первом случае обработка сводится к перемещению антенн, запоминанию сигналов, компенсации фазовых набегов и суммированию сигналов (см. рис. 3, б), а во втором — к тем же операциям, но без компенсации фазовых набегов.

Тангенциальная разрешающая способность РСА. Нефокусированная обработка обеспечивает сложение сигналов U при разности фаз сигналов с крайних и центрального элементов
апертуры φ<90°. Если положить φ=π/2, то максимальное значение ΔR, как видно из (1), составит ΔR=λ/8 Из рис. 4 следует, что . Поэтому если Ro>>λ/8,
то . Таким образом, при суммировании сигналов на участке траектории, равном, ширина синтезированной ДНА составит . При этом тангенциальная разрешающая способность , а при произвольном расстоянии до цели (рис. 5)

При фокусированной обработке сигналы суммируются на
всем том участке смещения реальной, установленной на ЛА антенны, на котором облучается находящаяся в точке М цель: В этом случае ширина синтезированой ДНА , а тангенциальная разрешающая способность .

Рис. 5. Диаграммы направленности (а) и зависимость тангенциальной разрешающей способности от дальности (о) в обычном радиолокаторе (1) а также в нефокусированном (2) и фокусированном (3) РСА

Структурная схема РСА. Основу РСА составляют когерентноимпульсные радиолокаторы, построенные по схеме с внутренней когерентностью (рис. 6). Когерентный генератор КГ на частоте f_п._ч служит для формирования в однополосном модуляторе зондирующего сигнала с частотой fо+fп.ч. Источником колебаний с частотой fо является ГРЧ. Зондирующий сигнал модулируется импульсной последовательностью с модулятора М. Усилитель мощности УМ представляет собой оконечный каскад передатчика. Обработка сигналов (запоминание, компенсация фаз, суммирование) обычно выполняется на низкой частоте. Поэтому в схеме предусматривают квадратурные каналы, каждый из которых начинается с соответствующего фазового детектора. Источником опорного напряжения для фазовых детекторов служит когерентный гетеродин КГ. Сигналы квадратурных каналов (сохраняющих информацию о фазе) подаются либо на устройство аналоговой записи УЗ, либо на устройство обработки в реальном масштабе времени УОС.


Рис. 6. Структурная схема радиолокатора с синтезированием апертуры	Рис. 7. Запоминаемый кадр местности (а), диаграммы записи (б) и считывания (в) сигналов

Принципы обработки сигналов в РСА. При любом виде обработки необходимо покадровое запоминание информации о целях. Размеры кадра задаются по азимуту эффективным значением синтезируемой апертуры L_Эф и дальностью обзора R_min . . . R_max (рис. 7, а). Поскольку принимаемые при каждом положении антенны сигналы поступают на вход приемника с просматриваемой дистанции последовательно во времени, то и записываются они последовательно в каждый из N+1 азимутальных каналов, что условно показано стрелками на рис. 7, б. При этом формируется соответствующий участку местности кадр изображения с размерами х_к и R_x. Получить информацию-j6 угловом положении цели, т. е. о координате х, при синтезировании апертуры можно только при анализе отраженных от этой цели сигналов, записанных на интервале синтезирования L_Эф. Поэтому информация с устройства записи считывается последовательно в каждом из п каналов дальности (рис. 7, в).

Сигнал, обрабатываемый в РСА. Пусть радиолокатор работает в импульсном режиме. Тогда за период повторения Т_п антенна смещается на отрезок Δ=VT_n (рис. 8, а). Для исключения пропуска цели при таком смещении антенны потребуем, чтобы Δ<da. Допустим теперь, что РСА неподвижен, а цель движется относительно него с той же скоростью V (рис. 8, б). Начиная отсчет времени с момента прохода целью (точка М) середины апертуры (i = 0) и считая R₀>>Vt, имеем . При проходе цели через диаграмму направленности доплеровский сдвиг частоты (рис. 8, в) и фаза (рис. 8, г) меняются по законам

(2)

(3)

Комплексную амплитуду отраженных сигналов при синтезировании апертуры можно представить в виде . Здесь и далее огибающая, сигнала выражена через ДНА реальной антенны G_a(a) и значение амплитуды сигнала равно Uo при α=0.

Рис. 8. Схема перемещения антенны (а), формирование вектора радиальной скорости (б) изменения доплеровской. частоты (в) и фазы (г) сигнала при пролете цели

В импульсном радиолокаторе время прихода сигнала является дискретным, т. е. t=ti₌iT_n. Тогда

или

(4)

Дискретные составляющие сигнала (4) необходимо запомнить на интервале времени NT_n , где N=Lэф/Δ.

Алгоритмы обработки сигнала в PCА. Для оптимальной обработки сигнала (4)необходим фильтр с импульсной переходной характеристикой

(5)

(6)

Устройство обработки сигналов с таким фильтром будет оптимальным только для дальности R_c. Это обстоятельство объясняет название соответствующего РСА: он оказывается «сфокусированным» на данную дальность. Кроме того, фильтр является оптимальным только при определенной скорости носителя радиолокатора.

Рис. 9. Коэффициенты усиления и фазовые сдвиги в фазовращателях (а) и функциональная схема устройства оптимальной обработки сигнала в РСА (б) при синтезировании апертуры

Оптимальное устройство обработки сигналов при синтезировании апертуры (рис. 9) состоит из фильтра СФ, согласованного с одиночным импульсом, устройства запоминания сигналов на N периодов повторения, весовых усилителей с коэффициентами усиления W_i фазовращателей φ, и сумматора сигналов. При нефокусированной обработке, которая не является оптимальной, фазовращатели отсутствуют. Следует учитывать что W, и φ зависят от Ro , поэтому система обработки должна быть многоканальной по дальности с числом каналов

Таким образом, алгоритм фокусированной обработки имеет вид

(7)

нефокусированной

(8)

Далее »