СПОСОБ ОБРАБОТКИ РАДИОЛОКАЦИОННОГО СИГНАЛА ИМПУЛЬСНОГО КОГЕРЕНТНОГО РАДИОЛОКАТОРА БОКОВОГО ОБЗОРА Российский патент 2004 года по МПК G01S13/90 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано при формировании радиолокационных изображений (РЛИ) земной поверхности с помощью импульсных когерентных радиолокаторов бокового обзора (радиолокаторов с синтезируемой апертурой - РСА), размещаемых на летательных аппаратах авиационного или космического типа.

Применение РСА позволяет получать РЛИ местности с расположенными на ней объектами с высоким пространственным разрешением. При этом разрешающая способность по наклонной дальности и путевой дальности (азимуту) обеспечивается за счет использования в качестве зондирующего сигнала последовательности радиоимпульсов (в том числе и с внутриимпульсной частотной либо фазовой модуляцией) и когерентного сложения сигналов, отраженных от земной поверхности, полученных на участке траектории носителя РСА (интервале синтезирования - синтезированной апертуре).

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является способ обработки радиолокационного сигнала импульсного когерентного радиолокатора бокового обзора, заключающийся в синтезировании на участке траектории движения летательного аппарата антенной решетки, фокусированной на точечный элемент земной поверхности (Теоретические основы радиолокации. Под ред. В.Е. Дулевича. М.: Сов. радио, 1978, стр. 274-281). Выходной сигнал такой фокусированной синтезированной антенной решетки является комплексным сигналом радиолокационного изображения элемента земной поверхности.

Дискретный характер синтезируемой апертуры антенны приводит к тому, что в радиолокационном изображении помимо полезного сигнала, формируемого наблюдаемым элементом земной поверхности, присутствуют специфические помехи - т.н. сигналы неоднозначности. В формировании сигналов неоднозначности участвуют элементы земной поверхности, отстоящие от визируемого элемента по наклонной дальности и азимуту на расстояния, значительно превышающие размеры элемента разрешения РСА. Подавление сигнала неоднозначности в РСА осуществляется согласованным выбором параметров диаграммы направленности антенны и значения периода повторения импульсного зондирующего сигнала. Для обеспечения приемлемого уровня подавления помех неоднозначности, формируемых по азимуту, период повторения зондирующих импульсов Т должен удовлетворять соотношению

где d - продольный (вдоль траектории носителя) размер антенны, V - скорость носителя РСА (Теоретические основы радиолокации. Под ред. В.Е. Дулевича. М.: Сов. радио, 1978, стр. 278).

Таким образом, недостатком данного способа обработки радиолокационного сигнала является то, что приемлемый уровень сигналов неоднозначности в радиолокационных изображениях, получаемых с его помощью, обеспечивается за счет применения в составе импульсного РСА антенны с ярко выраженными направленными свойствами в азимутальной плоскости.

Изобретением решается техническая задача улучшения качества формируемого радиолокационного изображения земной поверхности, выражающегося в дополнительном подавлении азимутальных сигналов неоднозначности без использования направленных свойств антенны РСА.

Названный технический результат достигается тем, что в способе обработки радиолокационного сигнала импульсного когерентного радиолокатора бокового обзора, заключающемся в том, что синтезируют первую антенную решетку, фокусированную на первую точку, дополнительно синтезируют вторую антенную решетку, имеющую фазовый центр и фазовую характеристику направленности, совпадающие соответственно с фазовым центром и фазовой характеристикой направленности первой антенной решетки, и фокусированную на вторую точку, отстоящую от первой на расстояние, не превышающее среднего линейного разрешения решеток, и формируют разность выходных сигналов синтезированных антенных решеток.

Предлагаемый способ поясняется фиг. 1-6.

На фиг. 1 показана геометрия визирования РСА в радиолокационных координатах.

На фиг. 2 и 3 представлены форма и пространственное расположение областей формирования полезного сигнала и сигнала азимутальных помех неоднозначности для РСА с умеренным и высоким пространственным разрешением соответственно.

На фиг. 4 изображено азимутальное сечение амплитуды функции импульсного отклика синтезированной антенной решетки.

Фиг. 5 иллюстрирует взаимное положение областей формирования выходных сигналов двух синтезированных антенных решеток.

На фиг. 6 показаны азимутальные сечения амплитуды функций импульсного отклика первой и второй синтезированных антенных решеток и системы обработки РСА в целом.

При проведении радиолокационной съемки участка земной поверхности радиолокатор перемещается вдоль участка траектории носителя АВ, представляющего собой синтезированную апертуру (см. фиг. 1). На фиг. 1 точка С представляет собой точку фокусировки синтезированной апертуры, расположенную на расстоянии R₀ от фазового центра апертуры, расположенного в точке О. Луч OPQ характеризует направление дифракционного максимума синтезированной антенной решетки, ориентированного под азимутальным углом θ_q относительно направления движения носителя РСА (оси Ох).

Комплексный сигнал радиолокационного изображения элемента земной поверхности представляется в виде (см., например, [1], стр. 344-351)

где - комплексный коэффициент отражения (функция радиолокационного рельефа);

- двумерная импульсная характеристика РСА;

(R, θ) - полярные координаты точек земной поверхности (R – наклонная дальность, θ - азимутальный угол, начало координат совпадает с фазовым центром синтезируемой апертуры);

dΩ - элемент поверхности интегрирования.

В соответствии с (2) отсчет комплексного радиолокационного изображения представляет собой взвешенную оценку значения коэффициента отражения земной поверхности в точке с координатами (R₀, θ₀), причем роль весовой функции в интегральном соотношении (2) играет двумерная импульсная характеристика радиолокатора с синтезированной апертурой - отклик РСА на одиночную точечную цель или функция импульсного отклика. Значение функции импульсного отклика характеризует собой величину комплексного сигнала радиолокационного изображения точечной цели с единичным коэффициентом отражения, расположенной в точке земной поверхности с координатами (R, θ), полученного в результате фокусировки синтезированной антенной решетки на точечную цель, имеющую координаты (R₀, θ₀).

Процедура синтезирования антенной решетки, фокусированной на заданную точку земной поверхности, заключается в проведении согласованной обработки траекторного сигнала точечной цели, расположенной в точке фокусировки. В этом случае функция импульсного отклика РСА, рассматриваемая без учета влияния направленности антенного устройства радиолокатора, совпадает с функцией неопределенности синтезированной антенны (в терминологии, принятой в [2]).

Помехи неоднозначности, присущие импульсным радиолокаторам с синтезируемой апертурой, проявляются в функции импульсного отклика в виде наличия дополнительных пиков (лепестков), сравнимых по величине с основным.

В процессе приема отраженного сигнала в каждый момент времени в РСА на выходе приемного устройства радиолокатора регистрируется радиолокационный сигнал, сформированный участком земной поверхности, размер которого по наклонной дальности определяется пространственной протяженностью сжатого зондирующего импульса δr=c/2ΔF, где с - скорость света, ΔF - ширина спектра зондирующего импульса, в общем случае с внутриимпульсной модуляцией. Величина δr определяет разрешающую способность РСА по наклонной дальности. При фокусировке синтезируемой апертуры на точку С (см. фиг. 1) в системе обработки РСА обеспечивается когерентное суммирование радиолокационных сигналов, сформированных окрестностью точки фокусировки. Дискретность синтезируемой апертуры приводит к тому, что когерентное суммирование будет выполняться и для сигналов, сформированных участками земной поверхности, расположенными по направлениям побочных дифракционных максимумов синтезированной антенной решетки, обусловливающих неоднозначность по азимуту. Угловое положение дифракционных максимумов θq определяется известным соотношением

где λ - рабочая длина волны;

q=±1, ±2... - номер дифракционного максимума.

Форма функции импульсного отклика РСА в областях формирования азимутальных сигналов неоднозначности зависит от соотношения между размерами элемента разрешения по наклонной дальности δr и протяженности участка PQ (см. фиг. 1).

Для РСА с умеренным пространственным разрешением (для которых выполняется соотношение δr≥PQ) в каждом акте излучения и приема радиолокационного сигнала в процессе перемещения КА вдоль участка траектории АВ эффективный рассеивающий центр, формирующий сигнал неоднозначности, остается неизменным. Это обстоятельство приводит к тому, что пространственные области формирования помех неоднозначности имеют поперечное сечение, примерно равное сечению основного лепестка, а их расположение на местности определяется периодом повторения зондирующих импульсов (фиг.2). На фиг.2 изображена проекция функции импульсного отклика РСА на местность, представленная в полярных координатах (R,Θ), причем полярный угол Θ связан с азимутальной координатой соотношением Θ=θ-π/2. Величина δθ представляет собой ширину функции импульсного отклика РСА по азимуту.

Для РСА с высоким пространственным разрешением δr<PQ и характер зон формирования сигнала неоднозначности существенно меняется, так как эффективный центр рассеивания, формирующий сигнал неоднозначности, покрывает небольшую часть участка PQ (см. фиг. 1) и, при перемещении носителя РСА, мигрирует вдоль прямой PQ. Это приводит к увеличению относительного размера области неоднозначности в направлении наклонной дальности по сравнению с сечением основного пика функции импульсного отклика. С другой стороны, угловое направление дифракционного максимума в соответствии с (3) является функцией рабочей длины волны, и, следовательно, с ростом ширины спектра зондирующего сигнала РСА будет происходить относительное расширение области формирования сигнала неоднозначности и по азимуту (см. фиг. 3). Коэффициент расширения к в соответствии с [3] приблизительно равен

где М - число элементов синтезированной антенной решетки;

f - несущая частота зондирующего сигнала.

При этом амплитуда функции импульсного отклика в области неоднозначности обратно пропорциональна к.

Азимутальные сечения амплитуды функции импульсного отклика синтезированной антенной решетки для РСА с умеренным и с высоким пространственным разрешением изображены на фиг. 4.

Техническая задача улучшения качества формируемого с помощью предлагаемого способа радиолокационного изображения, выражающегося в дополнительном подавлении азимутальных сигналов неоднозначности без использования направленных свойств антенного устройства РСА, решается путем формирования разностного сигнала двух синтезированных антенных решеток. При этом в качестве точек фокусировки решеток выбираются центры смежных элементов разрешения. На фиг. 5 условно изображены соответствующие пространственные сечения функций импульсного отклика решеток. Области формирования азимутальных сигналов неоднозначности первой и второй синтезированных антенных решеток, обозначенные на фиг. 5 индексами I и II, частично перекрываются. Вклад элементарного рассеивателя в выходной сигнал антенной решетки в соответствии с (2) определяется значениями комплексного коэффициента отражения рассеивателя и функции импульсного отклика РСА для данной пространственной точки. Поэтому при совпадении фазовых центров и идентичности фазовых характеристик функций импульсного отклика синтезированных решеток выходные сигналы решеток будут частично коррелированы, причем весь эффект корреляции обусловлен наличием сигналов неоднозначности. Формирование разностного сигнала двух синтезированных антенных решеток устраняет коррелированную часть и тем самым обеспечивает подавление помеховых азимутальных сигналов неоднозначности.

Фиг. 6 иллюстрирует основные этапы обработки траекторного сигнала для варианта реализации способа, в котором смежные разрешаемые элементы земной поверхности разнесены по азимуту θ. На фиг. 6а зависимости u_1,2(Θ) представляют собой сечения функций импульсного отклика первой и второй синтезированных антенных решеток соответственно. Функция импульсного отклика системы обработки, осуществляющей формирование разностного сигнала решеток, показана на фиг. 6б, а на фиг. 6в представлено азимутальное сечение амплитуды результирующей функции импульсного отклика, характеризующей избирательные свойства РСА в азимутальной плоскости.

Элемент разрешения конечного радиолокационного изображения при данном способе обработки радиолокационного сигнала представляет собой объединение смежных элементов разрешения первой и второй синтезированных антенных решеток.

Конкретная реализация предлагаемого способа обработки радиолокационного сигнала импульсного когерентного радиолокатора бокового обзора может быть осуществлена в радиолокаторах с цифровой системой обработки информации, таких как РСА космического базирования "Кондор-Э" (Россия), "Radarsat-2" (Канада) и им аналогичных [5].

Радиолокационные сигналы, принимаемые радиолокатором в каждом периоде повторения в течение приемного строба, расположенного между зондирующими импульсами, подвергаются дискретизации по времени и квантованию по амплитуде и преобразуются в цифровые комплексные сигналы с помощью быстродействующего аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Для радиолокаторов космического базирования полученная информация, как правило, передается на наземные станции приема по радиолинии передачи данных. Обработка радиолокационного сигнала может быть проведена с помощью любых наземных стандартных или специализированных вычислительных средств. Обработка цифрового радиолокационного сигнала в процессоре ЭВМ состоит из следующих этапов:

1. Сжатие сигнала по дальности (при использовании зондирующих сигналов с внутриимпульсной модуляцией).

2. Сжатие траекторного сигнала первого точечного объекта наблюдения (синтезирование антенной решетки, фокусированной на первую точку).

3. Сжатие траекторного сигнала второго точечного объекта наблюдения, смещенного относительно первого на расстояние, меньшее или равное среднему линейному пространственному разрешению синтезированной апертуры (синтезирование антенной решетки, фокусированной на вторую точку).

4. Формирование комплексного отсчета разностного сигнала.

Алгоритм процессора определяется принятым алгоритмом обработки траекторного сигнала при синтезировании апертуры и сжатии сигнала по дальности (при использовании зондирующих сигналов с внутриимпульсной частотной либо фазовой модуляцией).

Так как математические операции, выполняемые над цифровым сигналом в рамках этапов 1-4, являются линейными, то изменение порядка их выполнения не влияет на конечный результат - значение отсчета комплексного радиолокационного изображения. Реализация процедур сжатия сигнала по дальности и согласованной обработки траекторного сигнала может быть проведена во временной либо частотной области хорошо известными методами корреляционной обработки и согласованной фильтрации соответственно (см., например, [4]).

Для инженерных оценок интегрального уровня помех неоднозначности у, представляющего собой отношение мощности сигнала, формируемого областью неоднозначности, к мощности сигнала, формируемого главным лепестком функции импульсного отклика, при применении предлагаемого способа обработки радиолокационного сигнала достаточно хорошим приближением служит соотношение

Приведем оценку эффективности метода для перспективного космического радиолокационного комплекса детального наблюдения Земли, имеющего следующие численные значения параметров радиолокатора и геометрии визирования:

- рабочая частота f=9650 МГц;

- высота орбиты H=350 км;

- скорость носителя V=7700 м/сек;

- угол визирования (отсчитываемый от местной вертикали) 57°;

- ширина спектра зондирующего сигнала ΔF=300 МГц;

- продольный размер антенны РСА – 2 м;

- линейное разрешение конечного РЛИ – 1 м;

- число когерентно суммируемых импульсов М ≅2800.

При значении периода повторения зондирующих импульсов 500 мкс, примерно втрое превосходящего максимально допустимый (выбранный в соответствии с (1)), уровень помехи неоднозначности для первого бокового пика функции импульсного отклика (q=1) составляет -20,1 дБ.

Таким образом, из описания способа обработки радиолокационного сигнала импульсного когерентного радиолокатора бокового обзора следует, что формирование разностного сигнала первой и второй синтезированных антенных решеток, фокусированных на точки земной поверхности, разнесенные на расстояние, не превышающее среднего линейного разрешения решеток, при совпадении фазовых центров решеток и идентичности их фазовых характеристик направленности позволяет обеспечить улучшение качества формируемого радиолокационного изображения земной поверхности за счет дополнительного подавления азимутальных сигналов неоднозначности без использования направленных свойств диаграммы направленности антенны РСА.

Источники информации

1. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника, т. 2, М.: Сов. радио, 1977.

2. Радиолокационные станции обзора Земли. Под ред Г.С. Кондратенкова, М.: Радио и связь, 1983.

3. А.И. Коваленко, В.В. Риман. Особенности формирования радиолокационных изображений в высокодетальных радиолокаторах с синтезированной апертурой. XIX Всероссийский симпозиум "Радиолокационное исследование природных сред". Сборник докладов, С.-Петербург, 2001.

4. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны. Под ред. В.Т. Горяинова. М.: Радио и связь, 1988.

5. Спутники радиолокационного зондирования Земли. Приложение №1 к Ежегоднику "Спутниковые системы связи и вещания". М., ИПРЖР, 2000.

Изобретение относится к радиолокации. Областью применения изобретения может быть получение радиолокационных изображений земной поверхности с помощью радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА). Достигаемым техническим результатом изобретения является улучшение качества формируемого радиолокационного изображения земной поверхности за счет дополнительного подавления азимутальных сигналов неоднозначности без использования направленных свойств диаграммы направленности антенны РСА. Сущность изобретения заключается в том, что при обработке радиолокационного сигнала синтезируют две фокусированные антенные решетки, имеющие общий фазовый центр и идентичные фазовые характеристики направленности, причем точки фокусировки решеток разнесены в пространстве на расстояние, не превышающее среднего линейного разрешения решеток. Затем формируют разность выходных сигналов синтезированных антенных решеток, представляющую собой сигнал комплексного радиолокационного изображения. 6 ил.

Способ обработки радиолокационного сигнала импульсного когерентного радиолокатора бокового обзора, заключающийся в том, что синтезируют первую антенную решетку, фокусированную на первую точку, отличающийся тем, что синтезируют вторую антенную решетку, имеющую фазовый центр и фазовую характеристику направленности, совпадающие соответственно с фазовым центром и фазовой характеристикой направленности первой антенной решетки, и фокусированную на вторую точку, отстоящую от первой на расстояние, не превышающее среднего линейного разрешения решеток, и формируют разность выходных сигналов синтезированных антенных решеток.