Угловая разрешающая способность – важнейшая характеристика любой телескопической системы. Оптика утверждает, что это разрешение однозначно связано с длиной волны, на которой осуществляется наблюдение, и с диаметром входной апертуры телескопа. С большими диаметрами, как известно, большая проблема. Вряд ли когда-нибудь будет построен телескоп больше этого .
Одним из способов значительного увеличения разрешающей способности является применяемый в радиоастрономии и радиолокации метод синтезирования больших и сверхбольших апертур. В миллиметровом диапазоне самую большую апертуру - 14 км - обещают формировать 66-ю антеннами проекта ALMA в Чили.
Перенос методов апертурного синтеза в оптическую область, где длины волн на несколько порядков меньше, чем у радиолокаторов, связан с развитием техники лазерного гетеродинирования .
1.Физические основы формирования изображений.
Не будет ошибкой сказать, что изображение в любом оптическом устройстве формируется дифракцией света на входной апертуре, и более ничем. Посмотрим на изображение объекта из центра апертуры. Угловое распределение яркости изображения бесконечно удаленного точечного источника света (как, впрочем, и любого другого) будет одинаково для линзы и камеры-обскуры равного диаметра. Отличие линзы от обскуры заключается лишь в том, что линза переносит формируемое своей апертурой изображение из бесконечности в свою фокальную плоскость. Или, говоря иначе, производит фазовое преобразование входного плоского волнового фронта в сферически сходящийся. Для удаленного точечного источника и круглой апертуры изображение - это всем известная картина Эйри с кольцами .
Угловой размер диска Эйри можно в принципе уменьшить и как будто увеличить разрешение (по рэлеевскому критерию), если задиафрагмировать апертуру специальным образом. Существует такое распределение пропускания по радиусу, при котором центральный диск теоретически можно сделать произвольно малым. Однако при этом световая энергия перераспределяется по кольцам и контраст сложного изображения падает до нуля.
С математической точки зрения процедура формирования дифракционного изображения сводится к двухмерному преобразованию Фурье от входного светового поля (в скалярном приближении поле описывается комплексной функцией координат и времени). Любое изображение, регистрируемое глазом, экраном, матрицей или другим квадратичным по интенсивности приемником – не что иное, как двухмерный амплитудный спектр ограниченного апертурой светового поля, испускаемого объектом. Легко получить ту же самую картинку Эйри, если взять квадратную матрицу из одинаковых комплексных чисел (имитирующих плоский волновой фронт от удаленной точки), «вырезать» из нее круглую «апертуру», обнулив края, и сделать Фурье-преобразование всей матрицы.
Короче говоря, если каким-то образом записать поле (синтезировать апертуру) на достаточно большой области без потери амплитудной и фазовой информации, то для получения изображения можно обойтись без гигантских зеркал современных телескопов и мегапиксельных матриц, просто вычисляя Фурье-образ полученного массива данных.
2. Локация спутников и сверхразрешение.
Будем наблюдать движущийся поперек луча зрения стабилизированный объект, подсвеченный непрерывным когерентным лазерным источником. Регистрация отраженного от него излучения производится гетеродинным фотоприемником с небольшой апертурой. Запись сигнала в течение времени t эквивалентна реализации одномерной апертуры длиной vt, где v – тангенциальная скорость движения объекта. Легко оценить потенциальную разрешающую способность такого метода. Посмотрим на околоземный спутник в верхней элонгации, летящий на высоте 500 км со скоростью 8 км/сек. За 0,1 секунды записи сигнала получим «одномерный телескоп» размером 800 метров, теоретически способный рассмотреть в видимом диапазоне детали спутника величиной в доли миллиметра. Неплохо для такого расстояния.
Разумеется, отраженный сигнал на таких расстояниях ослабевает на много порядков. Однако гетеродинный прием (когерентное смешивание с опорным излучением) в значительной степени компенсирует это ослабление. Ведь, как известно, выходной фототок приемника в этом случае пропорционален произведению амплитуд опорного излучения и приходящего сигнала. Будем увеличивать долю опорного излучения и тем самым усиливать весь сигнал.
Можно посмотреть с другой стороны. Спектр записанного сигнала с фотоприемника представляет собой набор доплеровских компонент, каждая из которых есть сумма вкладов от всех точек объекта, имеющих одинаковую лучевую скорость. Одномерное распределение отражающих точек на объекте определяет распределение спектральных линий по частоте. Полученный спектр и является по сути одномерным «изображением» объекта по координате «доплеровский сдвиг». Две точки нашего спутника, расположенные на расстоянии 1 мм друг от друга в плоскости, перпендикулярной лучу зрения, имеют разность лучевых скоростей порядка 0,01-0,02 мм/сек. (Отношение этой разности к скорости спутника равно отношению расстояния между точками к расстоянию до спутника). Разность доплеровских частот этих точек для видимой длины волны 0,5 мк составит (f=2V/λ) порядка 100 Гц. Спектр (доплеровское изображение) от всего микроспутника, скажем, размером 10 см, уложится в диапазон 10 кГц. Вполне измеримая величина.
Можно посмотреть и с третьей стороны. Эта технология представляет собой не что иное, как запись голограммы, т.е. интерференционной картины, возникающей при смешивании опорного и сигнального полей. Она содержит в себе амплитудную и фазовую информацию, достаточную для восстановления полного изображения объекта.
Таким образом, подсвечивая спутник лазером, регистрируя отраженный сигнал и смешивая его с опорным лучом от того же лазера, получим на фотоприемнике фототок, зависимость которого от времени отражает структуру светового поля вдоль «одномерной апертуры», длину которой, как уже было сказано, можно сделать достаточно большой.
Двухмерная апертура, конечно, гораздо лучше и информативнее. Расставим равномерно несколько фотоприемников поперек движения спутника и запишем таким образом отраженное поле на площади vt*L, где L – расстояние между крайними фотоприемниками, которое в принципе ничем не ограничено. Например, те же 800 метров. Тем самым мы синтезируем апертуру «двухмерного телескопа» размером 800*800 метров. Разрешение по поперечной координате (L) будет зависеть от количества фотоприемников и расстояния между ними, по другой, «временной» координате (vt) – от ширины полосы излучения лазера и частоты оцифровки сигнала с фотоприемника.
Итак, мы имеем записанное световое поле на очень большой площади и можем делать с ним все, что угодно. Например, получить двухмерное изображение очень маленьких объектов на очень большом расстоянии без всяких телескопов. Или можно восстановить трехмерную структуру объекта путем цифровой перефокусировки по дальности.
Разумеется, реальная трехмерная конфигурация отражающих точек на объекте не всегда совпадает с их «доплеровским» распределением по лучевым скоростям. Совпадение будет, если эти точки находятся в одной плоскости. Но и в общем случае из «доплеровского изображения» можно извлечь много полезной информации.
3. Что было раньше.
Американская DARPA некоторое время назад финансировала программу , суть которой состояла в реализации подобной технологии. Предполагалось с летящего самолета лоцировать со сверхвысоким разрешением объекты на земле (танки, например), были получены некие обнадеживающие данные. Однако эту программу то ли закрыли, то ли засекретили в 2007 году и с тех пор про нее ничего не слышно. В России тоже кое-что делалось. Вот можно посмотреть картинку, полученную на длине волны 10,6 мк.
4.Трудности технической реализации на длине волны 1,5 мк.
По зрелом размышлении я решил здесь ничего не писать. Слишком много проблем.
5. Кое-какие первичные результаты.
Пока с трудом удалось «рассмотреть» с расстояния 300 метров детали плоского диффузно отражающего металлического объекта размером 6 на 3 мм. Это был кусочек какой-то печатной платы, вот фотка:
Объект вращался вокруг оси, перпендикулярной лучу зрения, регистрация отраженного сигнала происходила примерно в момент максимального отражения (блика). Пятно от лазера, освещающее объект, имело размер около 2 см. Использовались всего 4 фотоприемника, разнесенные на 0,5 метра. Размер синтезированной апертуры оценивается величиной 0,5 м на 10 м.
Собственно, на всякий случай сами записанные сигналы (слева) и их спектры (справа) в относительных единицах:
Из предыдущей фотки объекта фотошопом выделены только интересующие нас освещаемые и отражающие участки, которые требуется увидеть:
Изображение, восстановленное двухмерным фурье-преобразованием из 4 сигналов и смасштабированное для сравнения: 
Эта картинка вообще-то состоит всего из 4 строк (и около 300 столбцов), вертикальное разрешение изображения, соответственно, около 0,5 мм, однако темный уголок и обе круглые дырки вроде как видны. Горизонтальное разрешение – 0,2 мм, такова ширина токопроводящих дорожек на плате, видны все пять штук. (Обычный телескоп должен быть двухметрового диаметра, чтобы увидеть их в ближнем ИК).
По правде говоря, полученное разрешение пока далеко от теоретического предела, так что неплохо бы довести до ума эту технологию. Дьявол, как известно, кроется в деталях, а деталей здесь очень много.
Спасибо за внимание.
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 дR, определяется зондирующим сигналом, а в поперечном направлении (тангенциальная разрешающая способность) дl -- шириной ДНА радиолокатора и расстоянием до цели (рисунок 2.1) . Детальность радиолокационного изображения местности тем выше, чем меньше дR и дl.
Рисунок 2.1 Параметры, характеризующие детальность радиолокационного изображения
Рисунок 2.2 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 дl добиться не так просто. так как дl пропорциональна дальности R до цели и ширине ДНА, а в горизонтальной плоскости, где л-- длина волны, а ба -- 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 (рисунок 2.2). 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 РСА при поступательном движении ЛА.
Принцип синтезирования апертуры. Пусть линейная ФАР размером (апертурой) L (рисунок 2.3, а) состоит из N+1 излучателей. Суммируя принятые облучателями сигналы, можно в каждый момент времени получать диаграмму ФАР с шириной . Если для обеспечения заданной ца 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 (рисунок 3,6). При этом синтезируется апертура линейной антенны с эффективным размером L и ДНА шириной цс=л/L однако увеличиваются затраты времени на синтезирование tc = L/V и усложняется аппаратура радиолокатора.
Рисунок 2.3 Фазированная антенная решетка (а) и схема синтезирования апертуры при перемещении облучателя (б)
Пусть ЛА движется на некоторой высоте с постоянной скоростью V прямолинейно и параллельно земной поверхности (рисунок 2.4).
Рисунок 2.4 Взаимное положение цели и ЛА при синтезировании апертуры.
Антенна, имеющая ДНА шириной ца 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?R. Поскольку сигнал проходит R дважды; в направлении цели и от нее, то два сигнала, принятые при соседних положениях антенны, отличаются по фазе на:
В зависимости от того, компенсируются или нет при суммировании сигналов фазовые набеги Дц на отрезках ДRi, различают фокусированные и нефокусированные РСА. В первом случае обработка сводится к перемещению антенн, запоминанию сигналов, компенсации фазовых набегов и суммированию сигналов (см. рисунок 2.3, б) , а во втором -- к тем же операциям, но без компенсации фазовых набегов.
Структурная схема РСА. Основу РСА составляют когерентноимпульсные радиолокаторы, построенные по схеме с внутренней когерентностью (рисунок 2.5). 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.
Рисунок 2.5 Структурная схема радиолокатора с синтезированием апертуры
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 (рисунок 2.6, 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 рисунке 2.6, 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 (рисунок 2.6, в).
Рисунок 2.6 Запоминаемый кадр местности (а), диаграммы записи (б) и считывания (в) сигналов
17.РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СТАНЦИИ С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ АНТЕНЫ (РСА)
Радиолокаторы с длинной вдольфюзеляжной антенной позволяют получать детальные радиолокационные изображения только на относительно небольших дальностях. При выносе полосы разведки на десятки километров от самолета необходимо использовать антенны длиной в десятки и сотни метров, размещение которых на самолете невозможно.
Для преодоления этого затруднения используется метод синтезирования апертуры антенны, заключающийся в запоминании отраженных от целей сигналов на участке траектории полета, длина которого равна требуемой длине антенны. Последующая обработка зарегистрированных сигналов в бортовой или наземной аппаратуре позволяет получить радиолокационное изображение с высокой детальностью.
В настоящее время наибольшее распространение получили оптические системы обработки. В их основе лежит голографический метод, при котором записанные на пленку радиолокационные сигналы (радиоголограммы) используются для формирования радиолокационного изображения.
В РСА принцип голографии используется как при регистрации отраженных радиоволн, так и в оптических устройствах ООС.
Опорная волна, проходя через голограмму, создает изображение объекта точно в том месте, где он находился в момент записи голограммы. Изображение
(точки) не будет точечным, а несколько размытым. Размер пятна δ x, определяющий детальность создаваемого изображения, можно найти из выражения, имеющего следующий вид:
δ x = λ R/X;
где λ - длина облучающей волны; R - Расстояние от голограммы до объекта; X - линейный размер голограммы.
Сформулируем основные особенности голографического процесса:
- необходимо наличие когерентных опорной и сигнальной волн;
- в процессе голографирования происходит перекодирование амплитуднофазового распределения поля сигнальной волны в амплитудное распределение сигнала и регистрация этого сигнала в виде голограммы (интерференционной картины);
- для восстановления изображения необходимо облучить голограмму опорной волной.
Глограммы обладают рядом интересных свойств. Одно из них состоит в возможности изменения масштаба изображения.Если одновременно изменить в одно и то же число раз линейный размер голограммы и длину волны восстанавливающего изображение пучка света, то в соответствующее число раз
изменится и масштаб создаваемого изображения. Если изменения длины волны и масштаба голограммы непропорциональны, то изображение также будет сформировано, однако в нем возникнут масштабные искажения. Во многих практических применениях эти искажения не играют существенной роли.
Это свойство позволяет записывать голограммы на одной длине волны, например в радиодиапазоне, а восстанавливать волновой фронт и наблюдать изображение на другой волне, в оптическом диапазоне.
Рассмотрим радиолокационную систему бокового обзора, установленную на борту самолета, как показано на рис.17.1. Предположим, что последовательность импульсных радиолокационных сигналов направлена на местность от радарной системыы на самолете и что отраженные сигналы, зависящие от отражательной способности местности, принимаются с площадки, близлежащей к курсу самолета. Назовем координату радиолокационного изображения, поперечную направлению полета, "дальностью", а совпадающую с трассой полета -"азимутом". Удобно также назвать координату, соединяющую траекторию радиолокатора на самолете с любой рассматриваемой целью, "наклонной дальностью". Если используется радиолокационная система обычного типа, то разрешение по азимуту будет иметь величину порядка λ r1 /D, где λ - длина волны радиолокационных сигналов, r1 - наклонная дальность, D - размер апертуры антены вдоль трассы полета. Однако длина волны радиолокационного сигнала на несколько порядков больше оптической волны и, следовательно, для того, чтобы получить угловое разрешение, сравнимое с разрешением системы фоторазведки, требуется очень большая величина апертуры антены D. Требуемая длина антены может составлять десятки и даже сотни метров. Очевидно, что на самолете это трудно реализовать.
Однако это затруднение можно преодолеть, применяя метод синтезированной апертуры. Основной принцип синтезирования апертуры состоит в том,что различные элементы решетки не обязательно должны существовать одновременно в пространстве. Предположим, что на самолете установлена маленькая антена бокового обзора и что относительно широкий луч радара сканирует местность за счет движения самолета. Положения самолета, в которых излучаются радиолокационные импульсы, можно рассматривать как элементы линейной антенной решетки. Тогда принимаемый сигнал в каждом из этих положений регистрируется когерентно как функция времени, поскольку на радиолокационный приемник подается опорный сигнал, позволяющий одновременно регистрировать и амплитудную, и фазовую информацию. Затем различные записанные комплексные волны соответствующим образом обрабатываются для синтеза действительной апертуры.
Чтобы изучить более подробно, как реализуется этот метод синтезирования антены, рассмотрим сначала задачу с точечной целью и затем распространим полученные результаты методом суперпозиции на более сложный случай. Предположим, что точечная цель находится в точке x1 .
Радиолокационный импульс формируется путем периодической прямоугольной модуляции синусоидального сигнала с угловой частотой равной ω .
Азимут Область обзора
где A1 - соответствующая комплексная постоянная. Комплексная величина A1 включает такие факторы, как излучаемая мощность, отражательная способность цели, фазовый сдвиг и закон распространения (обратно пропорционально четвертой степени мощности). Воспользовавшись параксиальным приближением, дальность r можно записать так:
где k = 2π /λ . Выражение (17.3) зависит от t и x, причем пространственные и временные переменные связаны между собой соотношением
где v - скорость самолета. Если теперь предположим, что местность на расстоянии r1 состоит из набора n точечных целей, то, воспользовавшись методом суперпозиции, запишем полный отраженный сигнал в виде
S(t) = ∑ An (xn ,r1 )exp{i[ω t-2kr1 -k(vt-xn )2 /r1 ]}. (17.5) n=1
Если отраженный радиолокационный сигнал, описывается (17.5),демодулируется с помощью синхронного детектора, то демодулированный сигнал можно записать так:
S(t) = ∑ An (xn ,r1 ) cos[ω c t-2kr1 -k(vt-xn )2 /r1 +ϕ n ], (17.6) n=1
где ω c - произвольная несущая частота, а ϕ n - произвольный фазовый угол. Для запоминания отраженного радиолокационного сигнала применяют
электронно-лучевую трубку. Подаваемый на нее демодулированный сигнал модулирует интенсивность электронного луча, который развертывается в вертикальном направлении синхронно с отраженными радиолокационными импульсами. Если изображение сигнала с экрана трубки спроектировать на фотопленку, которая перемещается в горизонтальном направлении с постоянной скоростью, то будет зарегистрирована последовательность трасс дальности, которые сформируют двумерное изображение (рис.17.2). Вертикальные линии описывают развертку по дальности, а по горизонтали откладываются положения азимута. Таким образом, зарегистрированное изображение представляет собой набор выборок сигнала S(t). Эта выборка осуществляется таким образом, что к моменту окончания записи сигналов на пленке она оказывается существенно неразличимой от первоначального сигнала. При такой регистрации очевидно, что переменные во времени преобразуются в переменные по пространству в значениях расстояния вдоль линии записи. При правильной экспозиции прозрачность регистрирующей пленки представляет изменение отраженного радиолокационного сигнала по азимуту. Таким образом, если рассматривать только данные, зарегистрированные в направлении y = y1 , амплитудное пропускание можно представить в виде
)2 +ϕ |
||||||||||||||
∑ A (x |
) cos[ω x-2kr |
|||||||||||||
r 1 v f |
||||||||||||||
Дальность (у)
След модулированногоАзимут (х) по яркости электронного луча
где K1 и K2 - смещение и коэффициент пропорциональности, x=vf t - координата пленки; vf - скорость перемещения пленки; ω x =ω c /vf . Поскольку косинус можно представить в виде суммы двух комплексно-сопряженных экспонент, то сумму в (7.75) можно записать в виде двух сумм T1 и T2 :
) exp{i[ω x-2kr |
)2 (x-x |
/v)2 +ϕ |
|||||||||||||||||||||||
)=---- ∑ A |
|||||||||||||||||||||||||
)2 (x-x |
/v)2 +ϕ |
||||||||||||||||||||||||
)=---- ∑ A |
) exp{-i[ω x-2kr |
||||||||||||||||||||||||
Для простоты ограничимся задачей для одной цели. Тогда для n = j уравнение (17.8) принимает вид
) = Cexp(iω x)[-i--- (----)2 (x - x |
/v)2 ], |
||||||
где C - соответствующая комплексная постоянная. Первая экспонента описывает линейную фазовую функцию, т.е. просто наклон излученной волны. Угол наклона к плоскости пленки определяется выражением
Таким образом, за исключением линейной фазовой функции, (7.76) является суперпозицией N положительных цилиндрических линз, центрированных в точках, определяемых выражением
x = vj xn /v, |
n = 1, 2, ..., N. |
Аналогично (17.9) содержит линейный фазовый множитель - 0 и описывает суперпозицию N отрицательных цилиндрических линз с центрами, определяемыми (17.14), и с фокусными расстояниями, описываемыми (17.13).
Для восстановления изображения транспарант, соответствующий (17.7), освещают монохроматической плоской волной, как показано на рис.17.3. Тогда можно показать, применяя теорию Френеля-Кирхгофа или принцип Гюйгенса, что действительные изображения, создаваемые T1 (x,y1 ), и мнимые изображения, создаваемые T2 (x,y1 ), будут восстанавливаться в передней и задней фокальных плоскостях пленки. Относительные положения изображений точечных рассеивателей распределяются вдоль линии фокусов, так как многочисленные центры линзоподобной структуры пленки определяются положением точечных рассеивателей. Однако восстановленное изображение будет размазано в направлениии y; вот почему эта пленка является по существу реализацией одномерной функции вдоль y = y1 и, следовательно, в этом направлении не оказывается никакого фокусирующего действия.
Поскольку нашей целью является восстановление изображения не только в азимутальном направлении, но и в направлении дальности, необходимо отображать координату y непосредственно на фокальной плоскости азимутального изображения. Чтобы выполнить это, необходимо напомнить, что оно прямо пропорционально дальности r1 . В свою очередь, фокусное расстояние прямо пропорционально рассматриваемой координате y. Таким образом, чтобы создать карту местности, мы должны отобразить координату y передаваемого сигнала на плоскость, положение которой определяется фокусными расстояниями азимутального направления. Это легко осуществить, установив положительную коническую линзу непосредственно за регистрирующей пленкой, как показано на рис.17.4. Очевидно, что если коэффициент пропускания конической линзы равен
x2 /2f), |
||||||
f - линейная функция от r1 , как показано в (17.13), то можно полностью удалить всю названную плоскость всей мнимой дифракции в бесконечность, при этом оставить коэффициент пропускания в направлении y неизменным. Таким образом, если цилиндрическую линзу поместить на фокусном расстоянии от пленочного транспаранта, мнимое изображение в направлении y получится в бесконечности. Пусть азимутальное изображение и изображение в направлении дальности (т.е. в направлениях x и y) совпадают, но в бесконечно удаленной точке. Их можно перенести обратно на конечное расстояние с помощью сферической линзы. При этой операции действительное изображение координат местности по азимуту и по дальности будет сфокусировано на выходной плоскости системы. Однако на практике желаемое изображение регистрируется через щель в выходной плоскости.
Проявленную вторичную пленку можно рассматривать и дешифрировать.
Методы обратного (инверсного) синтезирования апертуры
При использовании единой антенны на передачу
Обеспечивается такое же
разрешение, как и при синтезировании апертуры за счет движения приемопередающей антенны РЛС:
, что обеспечивает угловое разрешение
Методы синтезирования, основанные на использовании перемещения и (или) вращения цели, получили название обратное (инверсное) синтезирование. Характерными примерами использования обратного синтезирования являются:
получение радиолокационных портретов морских целей (кораблей) за счет использования их качки и рыскания по курсу;
распознавания групповых воздушных целей;
оценка ЭПР элементов цели, разрешаемых за счет их вращения на стенде и др.
Рассмотрим траекторный сигнал РЛС при обратном синтезировании апертуры. Фаза и задержка траекторного сигнала как основные источники информации о цели определяются изменением расстояния до элементов цели в процессе синтезирования апертуры. В общем случае расстояние изменяется вследствие перемещения цели относительно РЛС и вращения цели. При этом цель может одновременно вращаться в различных плоскостях с различной угловой скоростью.
Радиальная скорость цели в направлении РЛС.
А доплеровская частота
, без учета начальной фазы
Образуется вследствие радиального перемещения одновременно всех элементов цели относительно РЛС. Обычно производится оценка и компенсация этой частоты в сигнале.
Образуется в результате линейной
относительно центра вращения цели. Разрешение элементов цели по частотной модуляции траекторных сигналов при малом размере синтезирования апертуры невелико. Поэтому разрешение по дальности обеспечивается модуляцией зондирующего сигнала. При этом в алгоритме обработки траекторного сигнала необходимо учитывать изменение как частоты сигнала, так и его задержки
будут связаны следующим условием
(8.59)
А координата
Для методов обратного синтезирования применительно к РЛС землеобзора характерны следующие основные особенности:
цель движется как единый объект, т.е. отдельные элементы цели перемещаются по взаимосвязанным траекториям;
при наблюдении одиночных объектов, например кораблей, размер зоны обзора определяется размером объекта;
разрешение по угловой координате определяется углом поворота цели относительно направления на РЛС за время синтезирования;
угловой размер апертуры обычно не превышает десятка градусов, так как при этом уже достигается разрешение порядка нескольких длин волн;
разрешение по дальности обеспечивается, как и при прямом синтезировании, за счет модуляции зондирующего сигнала;
параметры траекторного сигнала определяются параметрами движения цели (векторами линейной и угловой скоростей), которые в большинстве случаев неизвестны наблюдателю. Это требует адаптивной к параметрам движения цели обработки траекторного сигнала и большого объема априорных сведений о цели.
Полоса доплеровских частот траекторного сигнала и, следовательно, требуемая частота повторения зондирующих импульсов определяются размером цели (зоны обзора) по азимуту:
Образованный одновременным перемещением цели в различных плоскостях, не перпендикулярен направлению наблюдения. Тогда вектор скорости
Масштаб изображения цели по азимуту, как и ранее, определяется угловой скоростью вращения цели
(8.61)
Применение метода обратного синтезирования в РЛС землеобзора. В РЛС землеобзора этот метод используется для получения изображений морских целей (кораблей). Он дает возможность получения высокого разрешения в передней зоне обзора РСА, так как необходимый угловой размер синтезированной апертуры обеспечивается за счет собственного движения (перемещения и вращения) корабля. Кроме того, обратное синтезирование апертуры позволяет получить высокое разрешение не только в плоскости дальность - азимут, но и в плоскости дальность - угол места. Применительно к наблюдению кораблей это позволяет получить изображение вертикального контура надстроек кораблей, что особенно важно при решении задачи распознавания морских целей.
Одновременно с перемещением по курсу при волнении моря корабль испытывает также колебания корпуса вокруг центра масс. Для задач обратного синтезирования обычно используют рыскание по курсу, килевую и бортовую качку корабля. Рыскание по курсу (рис. 8.23,а) соответствуют вращению корабля относительно вертикальной оси. Килевая качка (попеременный дифферент на нос и на корму) соответствует вращению корабля относительно поперечной горизонтальной оси (рис. 8.23,6). Попеременный крен (бортовая качка) на левый и правый борт соответствует вращению корабля относительно продольной горизонтальной оси (рис. 8.23,в). На рис. 8.23 все оси вращения перпендикулярны плоскости рисунка.
Вращение корабля (качка, рыскание) носят периодический характер, т.е. угол отклонения корабля от равновесного (нормального) положения изменяется в соответствии с гармоническим законом:
Период колебаний. Угловая скорость вращения изменяется по гармоническому закону:
Максимальное значение скорости
достигается в момент прохождения равновесного (как при отсутствии волнения моря) положения корабля.
Определяется многими факторами: высотой волн, направлением бега волн относительно курса корабля, скоростью движения и конструкцией корабля. Большой корабль как колебательная система эквивалентен узкополосному фильтру, и параметры его колебаний (амплитуду и период) можно считать постоянными за время синтезирования порядка долей секунд, С уменьшением водоизмещения корабля (менее 1000 т) амплитуда и период отклонения уже зависят от характеристик волнения моря и носят случайный характер. Обычно считают, что угол р является узкополосным нормальным процессом.
В табл. 8.3 даны оценочные значения характеристик колебаний кораблей различного типа при волнении моря 5-6 баллов.
Если линия визирования корабля перпендикулярна оси угловых колебаний (вращения), возможно получение изображения корабля в различных плоскостях. Килевая качка обеспечивает получение изображения вдоль корабля и его надстроек, качка по крену - изображение в боковом направлении корабля и надстроек, рыскание по курсу - изображение корабля в горизонтальной плоскости. Движение корабля с постоянными скоростью и курсом эквивалентно движению РЛС при неподвижном корабле и обеспечивает изображение в горизонтальной плоскости. В реальной ситуации одновременно существуют все виды колебаний корабля, что затрудняет определение положения плоскости изображения относительно корабля. В то же время, наблюдая динамическое изображение корабля, т.е. изображение, изменяющееся в зависимости от фазы колебаний корабля во время синтезирования, можно эффективно распознавать его класс.
Расстояния
от надстройки на высоте Ь до РЛС (рис. 8.24) определяется выражением
где Ь - высота элемента надстройки, отсчитываемая от оси вращения корабля.
(в радианах), изменение расстояние до РЛС и, следовательно, фазы отраженного сигнала можно представить в виде
Через ноль, когда угловая скорость отклонения максимальна (см. 8.64):
Изменяется незначительно и каждому элементу надстройки по высоте соответствует своя доплеровская частота
за время синтезирования
получим разрешение по высоте надстройки корабля
Алгоритм обработки сигналов сводится к доплеровской фильтрации в каждом элементе разрешения по наклонной дальности. Полученные зависимости справедливы и при килевой качке корабля и радиолокационном наблюдении в передней зоне обзора РЛС на встречных курсах самолета - носителя РСА и корабля (рис. 8.25). Разрешение по доплеровской частоте в этом случае соответствует разрешению по высоте надстройки Ь, а разрешение по задержке зондирующего импульса соответствует разрешению вдоль корабля.
При увеличении времени синтезирования начинают сказываться изменения доплеровской частоты и задержки сигнала, что необходимо учитывать в алгоритме обработки. Предельное разрешение без учета изменений задержки и частоты ограничено величиной (8.59)
При постоянном времени синтезирования разрешение будет ухудшаться.
можно получить, измеряя характеристики сигнала в каждом доплеровском канале на выходе моноимпульсной антенны.
Упрощенная структурная схема РСА при обратном синтезировании по морским целям представлена на рис. 8.26. Антенная система формирует три пространственных канала приема: суммарный и два разностных (в горизонтальной и вертикальной плоскостях). После преобразования на промежуточной частоте принимаемые сигналы с помощью фазовых детекторов и АЦП превращаются в цифровые сигналы. Система слежения по частоте определяет среднюю доплеровскую частоту принимаемых сигналов и ее изменение для компенсации в процессе обработки сигналов (автофокусировка), а также измеряет изменение задержки огибающей сигналов для ее компенсации при синтезировании апертуры. Система измерения вектора угловой скорости вращения (колебания) корабля обеспечивает определение масштаба и ориентации в пространстве изображения корабля.
Перемещение цели, так же как и движение носителя РЛС, создает эффект синтезирования апертуры, угловой размер которой определяется взаимным угловым перемещением РЛС и цели. Покажем это на примере разрешения элементов групповой цели (рис, 8.27), состоящей из двух синхронно движущихся малоразмерных объектов (точечных целей).
Доплеровская частота изменяется так, что разница частот сигналов двух целей, движущихся с одинаковой скоростью, составляет
Соответственно тангенциальные составляющие скорости РЛС и целей.
- угловая скорость вращения линии визирования
РЛС - цель.
Алгоритм обработки траекторного сигнала при наблюдении груп новой цели определяется фазовой структурой сигнала, которая в свою очередь зависит от взаимного перемещения (траекторий) РЛС и целей.
При прямолинейных траекториях и постоянных скоростях движения относительное расстояние РЛС - цель (см. рис. 8.27)
Фазовая функция траекторного сигнала (без учета несущественной начальной фазы)
Соответственно доплеровская частота траекторного сигнала
Для цели, смещенной на угол А 6 , доплеровская частота траекторного сигнала
В общем случае неизвестны, требуется
адаптивная к этим параметрам система обработки, например с помощью автофокусировки.
При энергичном маневре самолетов
см время синтезирования может изменяться от 0,5 до 0,05 с. При адаптивной обработке, например автофокусировке, это время может быть значительно увеличено.
Проблема радикального повышения разрешающей способности в направлении, перпендикулярном оси ДНА, особенно актуальна для РЛС обзора поверхности под летательным или космическим аппаратом, поскольку в направлении оси ДНА достижимо очень высокое разрешение при соответствующем расширении спектра сигнала РЛС. Если излучение антенны направлено перпендикулярно вектору скорости РЛС, т. е. осуществляется боковой обзор, то перемещение антенны относительно облучаемой поверхности позволяет получить при оптимальной обработке отраженных сигналов очень высокое разрешение и в направлении, перпендикулярном оси ДНА. Таким образом решается задача получения радиолокационного изображения высокой четкости.
Повышение разрешения при боковом обзоре можно рассматривать как результат сжатия ДНА при оптимальной обработке (аналогично сжатию импульса с внутриим-пульсной модуляцией) или как формирование диаграммы синтезированной антенной решеткой, образующейся при перемещении антенны РЛС относительно облучаемой поверхности.
Рассмотрим принцип действия и потенциальные возможности самолетной РЛС бокового обзора. Антенна станции вытянута вдоль оси самолета и формирует ДНА, узкую в горизонтальной и широкую в вертикальной плоскости, ориентированную перпендикулярно оси самолета. Обычно создаются две идентичных ДНА по обе стороны оси самолета, что в данном случае несущественно.
При длине волны излучаемых РЛС колебаний и продольном размере антенны ширина ДНА в горизонтальной плоскости . Считая для простоты излучение ограниченным в горизонтальной плоскости углом , найдем время облучения точки поверхности на расстоянии D от РЛС:
где - скорость самолета, которая считается постоянной; - линейная ширина ДНА на расстоянии D от РЛС. Радиальная составляющая скорости относительно точек облучаемой поверхности (рис. 18.7,а), где - угол между осью ДНА в горизонтальной плоскости и направлением на рассматриваемую точку . Таким образом, на оси ДНА , а на краях достигает максимального значения . Так как в РЛС бокового обзора применяются узкие ДНА, то можно считать . За счет радиальной составляющей скорости возникает доплсровский сдвиг частоты отраженного сигнала, изменяющийся по линейному закону от до . Таким образом, при пролете расстояния принимается частотно-модулированный импульс длительностью (рис. 18.7,б) с девиацией частоты .
При оптимальной согласованной обработке такой импульс может быть сжат до импульса длительностью, обратной ширине спектра сигнала и приближенно равной . Следовательно, . Так как , то . Заметим, что на выходе сжимающего фильтра огибающая импульса имеет форму и его длительность (измеряемая на уровне 0,64 максимального значения) определяет предельное разрешение по времени, которое соответствует расстоянию , разрешаемому в направлении вектора V, перпендикулярном оси ДНА.
Следовательно, при когерентной обработке разрешаемое расстояние не зависит от дальности и ограничено значением, равным . Этот вывод, сначала кажущийся парадоксальным, становится понятным при анализе разрешающей способности РЛС бокового обзора с точки зрения синтезирования раскрыва.
Если все отраженные сигналы на протяжении когерентно (т. е. с учетом фазы) суммировать, то можно сформировать (синтезировать) ДНА шириной
причем коэффициент 2 учитывает набег фазы при прохождении сигналом расстояния D «туда и обратно».
Разрешаемое по направлению полета (перпендикулярно оси ДНА) расстояние
Отрезок пути L, на котором производится когерентное суммирование отраженных сигналов, определяет размер синтезированного раскрыва , так как такое суммирование аналогично приему сигнала на сннфазную антенну с размером раскрыва, равным . Отсюда становится ясно, почему разрешаемое расстояние снижается, т. е. разрешение растет при уменьшении раскрыва реальной антенны и не зависит от D. Это объясняется увеличением синтезированного раскрыва прямо пропорционально ширине ДНА РЛС и дальности рассматриваемой точки .
Однако с увеличением растут и трудности обеспечения когерентности при обработке сигналов. Поэтому антенны РЛС бокового обзора для получения малых значений должны иметь значительные размеры раскрыва , что позволяет реализовать когерентную обработку, обеспечивающую приближение к потенциальной разрешающей способности системы с синтезированным раскрывом, определяемой формулой (18.27).
При переходе от непрерывного сигнала к импульсному с периодом синтезированная антенна аналогична антенной решетке, расстояния между элементами которой равны . В РЛС бокового обзора обычно применяется импульсное излучение, поэтому такие РЛС называют станциями с синтезированной антенной решеткой.
С излучением каждого импульса антенна РЛС становится элементом синтезированной решетки, дальность которого от рассматриваемой точки поверхности равна кратчайшему расстоянию (рис. 18.7, а) только в тот момент, когда рассматриваемая точка оказывается на оси ДНА. На краях синтезированной решетки расстояние отличается от на
Этой разности расстояний соответствует максимальная азовая задержка сигнала . Если в процессе полета изменяющиеся фазовые задержки фиксируются и учитываются при обработке, то синтезированные решетки называются фокусированными. Система обработки сигнала в этом случае получается сложной, поэтому необходимо выяснить, к каким потерям разрешающей способности приводит отказ от «фокусировки», т. е. переход к нефокусированной обработке без учета фазовых сдвигов. В этом случае допустима разность хода на концах синтезированного раскрыва , что соответствует максимальному фазовому сдвигу . Из этого условия можно найти размер эффективного раскрыва синтезированной антенны. Из рис. 18.7, в видно, что и, следовательно,
Таким образом, при отсутствии фокусировки ширина ДНА синтезированного раскрыва размером , а соответствующее линейное разрешение
Для обработки сигнала без коррекции (фокусировки) пригоден обычный экспоненциальный накопитель с линией задержки на период повторения импульсов . Ясно, что названия фокусированная и сированная системы появились по аналогии с оптической системой, в которой при полностью открытой диафрагме необходима фокусировка объектива (наводка на резкость).
При сильном диафрагмировании достаточная четкость (резкость) обеспечивается без фокусировки при постоянной установке объектива на бесконечность.
Следовательно, при фокусированной обработке сигнала (фокусированный раскрыв) достижимо максимальное линейное разрешение в направлении, перпендикулярном ДНА, независимо от дальности при нефокуси-рованной обработке (нефокусированный раскрыв) для обычной антенны с размером раскрыва разрешение .
Зависимость разрешающей способности от дальности D для этих случаев представлена на рис. 18.8.
Таким образом, для полной реализации потенциальных возможностей синтезированной антенны необходима обработка сигнала с внесением фазовых поправок в соответствии с положением рассматриваемой точки относительно антенны РЛС. В импульсных РЛС сигнал повторяется с периодом и поправки вводятся дискретно в моменты времени , отсчитываемые от времени приема среднего импульса, отраженного в тот момент времени, когда данная точка находится на траверсе пролетающего самолета.
Согласованный фильтр для сигнала точечной цели при известной дальности и скорости РЛС относительно цели соответствует схеме когерентного фильтра для пачки импульсов, при этом амплитуды импульсов умножаются на весовые коэффициенты и смещаются по фазе на значение поправки . Такая обработка (фокусировка) требуется для каждого элемента дальности, т. е. необходим фильтр для каждой дальности (дискретность зависит от разрешающей способности по дальности, определяемой шириной спектра сигнала), причем параметры фильтра должны изменяться при изменении скорости перемещения РЛС.
Требования к устройству обработки задаются прежде всего временем синтезирования, равным в фокусированных системах . Так, при скорости самолета , заданном разрешении на дальности при работе РЛС на волне требуемый размер синтезированной апертуры . В этом случае . При частоте повторения импульсов число суммируемых при обработке сигналов для каждого элемента дальности, число которых в полосе обзора по дальности может достигать . Число уровней квантования определяет разрядность устройства обработки . Таким образом, общий объем обрабатываемой информации . При наличии квадратурных каналов значение удваивается и имеет порядок 108 бит. С учетом коррекции фазы в каждом периоде повторения требумое быстродействие обработки в подобных системах достигает .
Несмотря на относительную сложность, цифровая реализация устройств обработки при использовании современной элементной базы возможна, особенно при осуществлении обработки на видеочастоте. Достоинством цифровой обработки является возможность получения изображения местности под самолетом или спутником в реальном времени.
Если допустима задержка при получении изображения (например, при картографировании), то целесообразно применять оптические методы обработки сигналов при синтезировании раскрыва, поскольку оптические устройства обеспечивают многоканальную когерентную обработку сигналов сразу для всех элементов дальности.
Принцип обработки заключается в следующем. Принимаемые сигналы фиксируются на фотопленке, протягиваемой со скоростью, пропорциональной скорости самолета V, при этом строки дальности располагаются поперек пленки. На определенном расстоянии от начала каждой строки, пропорциональном дальности рассматриваемой точки D, записываются отраженные сигналы в течение времени запись в продольном направлении (вдоль пленки) в соответствующем масштабе передает распределение сигналов вдоль синтезируемого раскрыва .
После проявления (время проявления и определяет задержку в обработке) пленка протягивается перед окном оптического устройства, одновременно облучаясь однородным когерентным световым пучком. Плоская световая волна, проходя через пленку, модулируется по амплитуде и фазе записанным сигналом. Размеры пятна, полученного на оптическом экране или другой фотопленке на выходе оптического фильтра, соответствуют ширине диаграммы направленности синтезированной антенны , которая во много раз меньше ширины диаграммы направленности реальной антенны . Подбором параметров элементов (линз) оптического фильтра можно обеспечить когерентную обработку и получить высокую четкость синтезированного радиолокационного изображения. Именно с помощью РЛС бокового обзора с синтезированием раскрыва, расположенной на искусственном спутнике Венеры, советским исследователям удалось получить четкое радиолокационное изображение этой планеты, закрытой для оптического наблюдения.