СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 2016 года по МПК G01S13/00 

Изобретение относится к радиолокации и может использоваться в радиотехнических системах, установленных на подвижных объектах, для получения радиолокационного изображения (РЛИ) в процессе дистанционного зондирования земной поверхности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу формирования радиолокационных изображений (прототипом предлагаемого изобретения) является способ формирования радиолокационного изображения объектов [см. например Michael I. Duersch A very small, low-power LFM-CW synthetic aperture radar. - Brigham Young University, 2004, c. 21-29].

Способ обработки радиолокационных данных, описанный в прототипе, включает в себя следующие основные этапы формирования РЛИ: приема эхо-сигналов отраженных от всех объектов в зоне обзора радиолокационной станции с синтезированной апертурой (РСА) при симметричном непрерывном линейном частотном модулированном (ЛЧМ) зондирующем сигнале, усиления и сдвига в область видеочастот, формирования двух квадратурных составляющих сигнала, преобразования в цифровой вид, поиска начальных отсчетов сигнала для восходящего и нисходящего участка изменения частоты ЛЧМ, формирования массива данных, отдельно содержащего отсчеты эхо-сигнала на этих участках, раздельного сжатия этих данных по дальности и азимуту, автофокусировки каждого из полученных РЛИ и некогерентного суммирования этих изображений.

Основным недостатком способа - прототипа является низкая вероятность правильного распознавания малоразмерных и распределенных объектов на РЛИ вследствие высокого контраста спекл-структуры формируемого радиолокационного изображения.

Одной из причин этого является то, что происходит изменение начальной фазы регистрируемого эхо-сигнала из-за некратности частоты следования зондирующих импульсов к частоте оцифровки принимаемого сигнала. Дополнительное изменение начальной фазы приводит к эффекту смещения отметок объектов по азимуту, причем значение смещения Δх линейно растет с увеличением дальности до объекта (увеличением разностной частоты). Видимым результатом такого смещения является линейное пространственное искажение выходного изображения по азимуту.

Кроме того, опорные функции, используемые при сжатии сигнала, принятого на восходящем и нисходящем участках изменения частоты ЛЧМ сигнала, отличаются в способе-прототипе только знаком мнимой составляющей, что допустимо лишь в тех случаях, когда значение ширины спектра зондирующего сигнала как минимум на два порядка меньше значения несущей частоты зондирующего сигнала. Последнее условие не выполняется в случае, когда несущая частота зондирующего сигнала РСА находится, например, в L-диапазоне, в котором для радиолокации выделена полоса частот около 185 МГц (1215…1400 МГц) [Постановление правительства РФ от 21.12.2011 №1049-34]. Эта особенность приводит к рассогласованию системы обработки по частоте и, как следствие, при некогерентном накоплении возникает размытие получаемого итогового РЛИ и контраст спекл-структуры не уменьшается.

Техническим результатом изобретения способа формирования радиолокационных изображений является повышение вероятности правильного распознавания малоразмерных и распределенных объектов на местности за счет снижения контраста спекл-структуры РЛИ в РСА вследствие компенсации пространственного искажения и расфокусировки изображений на восходящем и нисходящем участке изменения линейного частотного модулированного широкополосного сигнала.

Данный результат достигается за счет того, что в известном способе формирования радиолокационных изображений, заключающемся в раздельном выделении данных получаемых параллельно по двум участкам изменения частоты симметричного ЛЧМ зондирующего сигнала (восходящему r_up и нисходящему r_down), сжатии этих данных по дальности и азимуту, автофокусировки полученной пары изображений и некогерентном суммировании этих радиолокационных изображений одного и того участка земной поверхности, после сжатия принятых эхо-сигналов r_up и r_down по дальности их обработку по азимуту и получение РЛИ производят, используя отличные друг от друга опорные функции с учетом изменения несущей частоты для восходящего f_up и нисходящего f_down участков изменения частоты ЛЧМ сигнала, определяют взаимную корреляционную функцию этих РЛИ и вычисляют линейную ошибку дискретизации эхо-сигналов ST; производят дополнительную фокусировку двух радиолокационных изображений с учетом вычисленной оценки линейной ошибки дискретизации ST и производят геометрическую коррекцию РЛИ полученных на восходящем и нисходящем участках изменения частоты ЛЧМ сигнала перед некогерентным суммированием.

Сущность заявляемого способа состоит в том, что при формировании РЛИ осуществляется компенсация линейного пространственного искажения изображений на восходящем и нисходящем участке изменения ЛЧМ сигнала и дополнительная фокусировка изображений, учитывающая свойства широкополосности ЛЧМ. Для этого после стандартной процедуры приема и записи в память эхо-сигналов, отраженных от всех объектов в зоне обзора РСА, осуществляется разделение данных, содержащих отсчеты эхо-сигнала на восходящем и нисходящем участках изменения частоты ЛЧМ зондирующего сигнала. Далее традиционным способом, как в способе-прототипе, производится параллельное сжатие этих данных по дальности и вычисление оценки ошибки фазовых искажений в процессе автофокусировки. На этапе сжатия данных по азимуту формируется пара РЛИ, при этом используются опорные функции, отличающиеся друг от друга несущими частотами для восходящего и нисходящего участков изменения частоты ЛЧМ сигнала. На следующем этапе осуществляется последовательное вычисление коэффициента взаимной корреляции этих РЛИ при различных значениях линейной ошибки дискретизации эхо-сигналов в соответствии с алгоритмом «золотого сечения» [Калиткин Н.Н. Численные методы: в 2 кн. Кн. 1 / Н.Н. Калиткин, Е.А. Алыпина. - М: Издат. центр «Академия», 2013, с. 254-256]. С учетом вычисленной оценки $$\delta \widehat{T}$$ производится дополнительная фокусировка каждого изображения, а после геометрической коррекции пары РЛИ с целью приведения их к единому масштабу, осуществляется их некогерентное суммирование.

Способ формирования радиолокационных изображений может быть реализован, например, с помощью двухканального устройства, схема которого приведена на фигуре, где обозначено: 1 - приемопередающий модуль (ППМ), 2 - блок обработки траекторного сигнала РСА по дальности (БОД), 3 - блок предварительной автофокусировки, 4 - блок обработки траекторного сигнала РСА по азимуту, 5 - блок опорных функций, 6 - устройство сравнения, 7 - блок корреляционной обработки РЛИ, 8 - запоминающее устройство, 9 - вычитающее устройство, 10 - блок поиска ошибки дискретизации эхо-сигналов, 11 - блок геометрической коррекции, 12 - блок некогерентного суммирования.

До блока опорных функций 5 элементы предлагаемого устройства изготавливаются и функционируют в соответствии с прототипом [Michael I. Duersch A very small, low-power LFM-CW synthetic aperture radar. - Brigham Young University, 2004, c. 43-60]. Сам блок опорных функций, выполненный, по прежней схеме, предназначен для формирования опорных функций с разными несущими частотами f_up, f_down и изменяющимся значением параметра δT в соответствии с алгоритмом поиска $$\delta \widehat{T}$$ для двух каналов обработки данных.

Устройство сравнения 6 предназначено для осуществления инициализации и остановки циклической процедуры нахождения оценки ошибки дискретизации эхо-сигналов и может быть выполнено на основе схемы с компаратором [Марченко А.Л. Основы электроники. Учебное пособие для вузов. - М.: ДМК Пресс, 2008, с. 262-264].

Блок корреляционной обработки РЛИ 7, запоминающее устройство 8, вычитающее устройство 9 и блок некогерентного суммирования 12, схемы построения которых хорошо известны на практике, выполняют функции, понятные из их названия [Ширман Я.Д. Теоретические основы радиолокации. Учебное пособие для вузов. - М.: Советское радио, 1970, с. 100-104; Школьный Л.А. Радиолокационные системы воздушной разведки, дешифрирование радиолокационных изображений. - М.: ВВИА, 2008, с. 170-175].

Блок поиска ошибки дискретизации эхо-сигналов 10 предназначен для осуществления выборки возможных значений линейной ошибки дискретизации эхо-сигналов на интервале периода дискретизации эхо-сигнала в соответствии с правилом минимизации величины разности коэффициентов корреляции, на соседних итерациях процедуры поиска. Этот блок может быть реализован, например, на основе алгоритма «золотого сечения», блок-схема которого описана в [Турчак Л.И. Основы численных методов: Учеб. пособие - М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1987, с. 179].

Блок геометрической коррекции 11 может быть реализован на существующей элементной базе и предназначен для пересчета выходных координат, получаемых РЛИ по азимуту, когда вследствие разной несущей частоты опорной функции f_up, f_down один и тот же доплеровский сдвиг f_рли соответствует точкам на РЛИ с различным азимутальным смещением х. Этот блок для каждого объекта РЛИ со своей доплеровской частотой рассчитывает величину сдвига, исходя из равенства $$f_{рли}=\frac{2V{f}_{down}}{c}\cos {\theta }_{рли}=k\frac{2V{f}_{up}}{c}\cos {\theta }_{рли}$$ ,

где θ_рли - величина прямо пропорциональная х, k - коэффициент масштабирования РЛИ.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.

При приеме отраженного сигнала от всех объектов в зоне действия РСА приемо-передающий модуль раздельно выделяет данные отсчетов эхо-сигнала на восходящем и нисходящем участке изменения ЛЧМ сигнала и распараллеливает дальнейшую обработку этих данных по двум каналам. Обработка в этих каналах различается лишь выходными реализациями с НИМ. В первом канале с выхода НИМ 1 данные отсчетов траекторного сигнала РСА на восходящем участке изменения ЛЧМ сигнала совместно с опорным сигналом поступают на вход блока обработки по дальности БОД 2-1. Процедура сжатия сигнала по дальности в блоке обработки по дальности для каждого периода модуляции заключается в умножении принимаемого сигнала на опорный сигнал, представляющий собой комплексно-сопряженный зондирующий сигнал, с последующим преобразованием Фурье. С выхода БОД 2-1 сигнал поступает в блок предварительной автофокусировки 3-1, где на основе метода минимума энтропии [Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. - М.: Радиотехника, 2005 г. - М.: ВВИА, 2008, с. 221-223] вычисляется оценка коэффициента квадратичной фазовой ошибки $${\widehat{c}}_2$$ , обусловленная движением носителя в процессе синтезирования. Эта оценка поступает в блок опорных функций 5.

Далее, так как получение РЛИ в РСА основывается на согласованной обработке траекторного сигнала от точечного объекта [Антипов В.Н. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны / В.Н. Антипов [и др.]; под ред. В.Т. Горяинова. - М.: Радио и связь, 1988, 15-22], на вход блока синтеза РЛИ 4-1 первого канала поступают данные с выхода БОД 2-1, на второй вход 4-1 поступает опорная функция на несущей частоте f_up, сформированная в блоке опорных функций 5 с учетом $${\widehat{c}}_2$$ из блока предварительной автофокусировки 3-1. На выходе блока синтеза РЛИ 4-1 первого канала формируется первичное радиолокационное изображение, полученное на основе данных отсчетов траекторного сигнала РСА на восходящем участке изменения ЛЧМ сигнала.

Аналогично вышеописанной процедуре, во втором канале на выходе блока синтеза РЛИ 4-2 формируется второе первичное радиолокационное изображение, полученное на основе данных отсчетов траекторного сигнала РСА на нисходящем участке изменения ЛЧМ сигнала.

Сформированные первичные РЛИ с выходов 4-1 и 4-2 поступают на входы соответствующих устройств сравнения 6-1 и 6-2, где осуществляется принятие решения об инициализации циклической процедуры нахождения оценки ошибки дискретизации эхо-сигналов $$\delta \widehat{T}$$ . Для этого первичные РЛИ с выходов 4-1 и 4-2 через устройства сравнения 6-1 и 6-2 поступают в блок корреляционной обработки РЛИ 7, где осуществляется вычисление коэффициента взаимной корреляции этих РЛИ К[δT]. С выхода этого блока значение K[δT] поступает в запоминающее устройство 8, записывается в память и подается на вход вычитающего устройства 9, где происходит формирование разности между текущим значением K[δT] и значением на предыдущем шаге операции поиска $$\delta \widehat{T}$$ . С выхода вычитающего устройства 9 это значение поступает на второй вход устройств сравнения 6-1 и 6-2 и в блок поиска ошибки дискретизации эхо-сигналов 10, где с каждым шагом алгоритма поиска осуществляется выборка очередного значения линейной ошибки дискретизации эхо-сигналов на интервале периода дискретизации эхо-сигнала в соответствии с методом золотого сечения. С выхода блока 10 значение δT поступает в блок опорных функций 5, где формируются две корректирующие опорные функции с учетом текущего значения параметра δТ для восходящего и нисходящего участка изменения частоты ЛЧМ сигнала. Далее в блоках 4-1 и 4-2 вновь производится процедура синтеза РЛИ по двум каналам и дополнительная фокусировка изображений с учетом корректирующих опорных функций.

Решение об остановке поисковой процедуры и передачи сигналов с блоков обработки траекторного сигнала РСА по азимуту 4-1 и 4-2 на соответствующие входы блоков геометрической коррекции 11-1 и 11-2 принимается при достижении величины изменения вычисленного коэффициента корреляции, поступающего с выхода вычитающего устройства 9 некоторого заданного значения, выбираемого исходя из требуемой точности оценки параметра δT.

Далее в блоках геометрической коррекции 11-1 и 11-2 РЛИ приводятся к единому масштабу из-за разных геометрических размеров изображений в первом и втором канале и поступают в блок некогерентного суммирования 12, где происходит окончательное формирование итогового РЛИ участка земной поверхности методом некогерентного сложения изображений первого и второго канала.

Объем вычислений, выполняемых в рамках поисковой процедуры, является большим и требует значительных временных затрат. Однако следует помнить, что значение параметра $$\delta \widehat{T}$$ является неизменным от одного сеанса съемки к другому, поэтому поисковую процедуру необходимо выполнять только на начальном этапе настройки и калибровки РСА.

Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из доступных источников неизвестен способ формирования радиолокационных изображений с низким контрастом спекл-структуры РЛИ, заключающийся в раздельном формировании РЛИ для восходящего и нисходящего участков изменения частоты ЛЧМ сигнала, одного и того же участка земной поверхности, учитывающий широкополосность зондирующего излучения и устраняющий эффект смещения отметок по азимуту, обусловленный некратностью частоты следования зондирующих импульсов к частоте оцифровки принимаемого сигнала.

Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявляемый способ формирования радиолокационных изображений при симметричном непрерывном линейном частотном модулированном зондирующем сигнале обеспечивает повышение вероятности правильного распознавания малоразмерных и распределенных объектов на РЛИ, вследствие учета свойства широкополосности ЛЧМ сигнала, при раздельном формировании РЛИ для восходящего и нисходящего участков изменения частоты ЛЧМ сигнала, и за счет дополнительной компенсации линейного изменения начальной фазы регистрируемого эхо-сигнала, обусловленной некратностью частоты следования зондирующих импульсов к частоте оцифровки принимаемого сигнала.

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы элементы, широко распространенные в области электронной и радиотехники.

Изобретение относится к радиолокации и может использоваться в радиотехнических системах, установленных на подвижных объектах, для получения радиолокационного изображения (РЛИ) в процессе дистанционного зондирования земной поверхности. Достигаемый технический результат - повышение вероятности правильного распознавания малоразмерных и распределенных объектов на местности. Сущность заявляемого способа состоит в том, что при формировании РЛИ осуществляется компенсация линейного пространственного искажения изображений на восходящем и нисходящем участке изменения линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) сигнала и дополнительная фокусировка изображений, учитывающая свойства широкополосности ЛЧМ. Для этого после процедуры приема и записи в память эхо-сигналов, отраженных от всех объектов в зоне обзора радиолокационной станции с синтезированной апертурой, осуществляется разделение данных, содержащих отсчеты эхо-сигнала на восходящем и нисходящем участках изменения частоты ЛЧМ зондирующего сигнала. Затем производится параллельное сжатие этих данных по дальности и вычисление оценки ошибки фазовых искажений в процессе автофокусировки. На этапе сжатия данных по азимуту формируется пара РЛИ, при этом используются опорные функции, отличающиеся друг от друга несущими частотами для восходящего и нисходящего участков изменения частоты ЛЧМ сигнала. На следующем этапе осуществляется последовательное вычисление коэффициента взаимной корреляции этих РЛИ при различных значениях линейной ошибки дискретизации эхо-сигналов в соответствии с алгоритмом «золотого сечения». С учетом вычисленной оценки данной ошибки производится дополнительная фокусировка каждого изображения, а после геометрической коррекции пары РЛИ с целью приведения их к единому масштабу, осуществляется их некогерентное суммирование.1 ил.

Способ формирования радиолокационных изображений, заключающийся в раздельном выделении данных, получаемых параллельно по двум участкам изменения частоты симметричного непрерывного линейного частотного модулированного зондирующего сигнала (восходящему r_up и нисходящему r_down), сжатии этих данных по дальности и азимуту, автофокусировке полученной пары изображений и некогерентном суммировании этих радиолокационных изображений одного и того участка земной поверхности, отличающийся тем, что после сжатия принятых эхо-сигналов r_up и r_down по дальности их обработку по азимуту и получение радиолокационных изображений производят, используя отличные друг от друга опорные функции, с учетом изменения несущей частоты для восходящего f_up и нисходящего f_down участков изменения частоты линейного частотного модулированного сигнала, определяют взаимную корреляционную функцию этих радиолокационных изображений и вычисляют линейную ошибку дискретизации эхо-сигналов δT; производят дополнительную фокусировку двух радиолокационных изображений с учетом вычисленной оценки линейной ошибки дискретизации $$\delta \hat{T}$$ и производят геометрическую коррекцию радиолокационных изображений, полученных на восходящем и нисходящем участках, изменения частоты линейного частотного модулированного сигнала перед некогерентным суммированием.