|
Консультации / РЛС с синтезированием апертуры антенны Назначение и принцип построения РЛС с синтезированной апертурой антенныНазначение и принцип построения РЛС с синтезированной апертурой антенныСинтезирование 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.
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 αа — 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 dф фюзеляжа ЛА. Поскольку lф больше диаметра фюзеляжа dф, от которого зависит обычно размер антенны da, 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 φа 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 φс=λ/L однако увеличиваются затраты времени на синтезирование tc = 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 φа 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 ΔRi, 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 При фокусированной обработке сигналы суммируются на 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 fп.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.
Принципы обработки сигналов в РСА. При любом виде обработки необходимо покадровое запоминание информации о целях. Размеры кадра задаются по азимуту эффективным значением синтезируемой апертуры LЭф и дальностью обзора Rmin . . . Rmax (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 хк и Rx. 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 LЭф. 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 Тп антенна смещается на отрезок Δ=VTn (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 Ga(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=iTn. Тогда
или (4)
Дискретные составляющие сигнала (4) необходимо запомнить на интервале времени NTn , 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 Rc. Это обстоятельство объясняет название соответствующего РСА: он оказывается «сфокусированным» на данную дальность. Кроме того, фильтр является оптимальным только при определенной скорости носителя радиолокатора.
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 Wi 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) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||