СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕТАЛЬНОГО РАДИОЛОКАЦИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ОГРАНИЧЕННОГО УЧАСТКА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2016 года по МПК G01S13/89 

Изобретение относится к области радиолокации и позволяет получать детальное радиолокационное изображение ограниченных по площади участков земной поверхности в интересах решения народохозяйственных задач.

Радиолокационное изображение (РЛИ) земной поверхности будет высоко детальным, когда линейный размер элемента его разложения δl_x,δl_y (элемента разрешения радиолокационной системы (РЛС), которая его получает) не больше характерного линейного размера l_a наблюдаемого объекта земной поверхности: δl_x, δl_y≤l_a.

В настоящее время для обеспечения высокого разрешения РЛС по дальности δД=:δl_x используют сложные зондирующие сигналы [Бакулев П.А. Радиолокационные системы. Учебник для вузов. - М.: Радиотехника, 2007]. Для обеспечения высокого линейного разрешения РЛС по азимуту δl_аз=δl_x используют режим синтезирования искусственной апертуры [Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для вузов / Под ред. Г.С. Кондратенкова. - М.: Радиотехника, 2005]. В то же время, при небольших дальностях радиолокационного наблюдения получение высокодетального РЛИ наблюдаемой земной поверхности возможно только за счет процедуры синтезирования искусственной апертуры антенны [Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для вузов / Под ред. Г.С. Кондратенкова. - М.: Радиотехника, 2005]. Традиционно, при использовании процедуры синтезирования апертуры обычно полагают, что фазовый центр (ФЦ) реальной антенны РЛС, установленный на подвижном носителе, перемещается по прямолинейной траектории со скоростью носителя, радиолокатор облучает поверхность земли и обеспечивается когерентная обработка принимаемого сигнала, отраженного от наблюдаемой поверхности [Бакулев П.А. Радиолокационные системы Учебник для вузов. - М.: Радиотехника, 2007]. При этом для обеспечения процесса синтеза главный луч (ГЛ) реальной антенны должен быть отклонен относительно линии пути носителя в пределах ± (10…90) градусов (фиг. 1). Радиолокатор, установленный на носителе, может работать как в непрерывном, так и импульсном режимах излучения. В результате данного способа синтезирования обеспечивается линейная разрешающая способность по азимуту, равная [Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для вузов / Под ред. Г.С. Кондратенкова. - М.: Радиотехника, 2005]

где λ - длина волны зондирующих колебаний РЛС; Д - дальность до объекта зондирования; V_c - скорость подвижного носителя; Т_н - время обработки отраженного сигнала (время синтезирования); φ_а - угол установки ГЛ диаграмм направленности (ДН) реальной антенны относительно линии пути в плоскости азимута. При этом за счет синтеза искусственной апертуры в плоскости угла места на малых дальностях также обеспечивается высокое линейное разрешение, однако оно будет хуже, чем в плоскости азимута, определяемое выражением (1).

В [Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для вузов / Под ред. Г.С. Кондратенкова. - М.: Радиотехника, 2005] также утверждается, что при полете носителя вокруг наблюдаемого объекта по круговой траектории за счет синтеза апертуры искусственной антенны обеспечивается линейное разрешение равное 0,18 λ.

Получение высокодетального РЛИ возможно также за счет процедуры синтеза искусственной апертуры при механическом вращении ФЦ реальной антенны вокруг центра масс носителя [Татарский Б.Г., Ясенцев Д.А. Анализ особенностей формирования и обработки траекторного сигнала в РЛС с синтезированием апертуры антенны при вращении ее фазового центра // Информационно-измерительные и управляющие системы. - М.: Радиотехника, 2008, №9]. В этом случае ФЦ реальной антенны перемещается по круговой траектории с постоянной скоростью и обеспечивается когерентная обработка принимаемого сигнала в течение времени наблюдения Т_н, равного периоду вращения. Радиолокатор, осуществляющий процесс синтеза искусственной апертуры данным способом, может работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме излучения. В результате данного способа синтеза апертуры обеспечивается линейная разрешающая способность по азимуту, равная [Татарский Б.Г., Ясенцев Д.А. Анализ особенностей формирования и обработки траекторного сигнала в РЛС с синтезированием апертуры антенны при вращении ее фазового центра // Информационно-измерительные и управляющие системы, 2008, Т. 6, №9]

где R - радиус вращающей структуры; Д - дальность до объекта наблюдения.

При малой дальности до объекта наблюдения (поверхности земли) синтезирование искусственной апертуры возможно и в плоскости угла места.

При этом линейная разрешающая способность РЛС в плоскости угла места будет определяться следующим выражением [Татарский Б.Г., Ясенцев Д.А. Особенности синтезирования апертуры при вращении фазового центра антенны в режиме обзора «под собой» // Информационно-измерительные и управляющие системы, 2009, Т. 7, №1]

где ψ - угол визирования объекта наблюдения; Н - высота расположения центра масс носителя.

Из уровня техники известно также изобретение «Наземная обзорная радиолокационная станция аэропорта и радиолокационная установка» по патенту №2115141, МПК G01S 13/91, публ. 10.07.1998 г. (прототип).

Изобретение основывается на радиолокационной станции для зоны поверхности земли, в частности зоны аэропорта, предназначенной для размещения в соответствии с предварительно выполненной геометрической увязкой с данной контролируемой зоной.

В соответствии с общим определением изобретения такая обзорная радиолокационная станция содержит в соответствующей комбинации

- по меньшей мере одну неподвижную антенну, представляющую собой решетку излучающих элементов, выстроенных вертикальными колонками и связанных с системой фазосдвигающих элементов,

- источник излучения, способный выдавать сверхвысокочастотный сигнал предварительно определенной мощности на по меньшей мере одной предварительно определенной частоте,

- средства сверхвысокочастотной передачи и приема,

- по меньшей мере один канал передачи,

- по меньшей мере один канал приема,

- средства обработки цифровых сигналов, поступающих от первого и второго приемных элементов, предназначенные для радиолокационного обнаружения объектов в контролируемой зоне,

- средства управления системой фазосдвигающих элементов.

Недостатком известных способов является их трудоемкость и высокая стоимость.

Заявленный технический результат от использования предложенного технического решения может быть выражен в упрощении возможности получения высокодетального изображения ограниченного по площади участка земной поверхности и снижении затрат на его получение.

Указанный технический результат достигается следующим образом. Способ получения высокодетального радиолокационного изображения ограниченного участка земной поверхности включает прямой синтез апертуры за счет имитации вращения ФЦА при последовательном электронном переключении и когерентной обработке выходных откликов по меньшей мере четырех приемо-передающих элементов, неподвижно установленных по окружности вокруг исследуемого объекта. Главные лучи диаграммы направленности реальной антенны направлены в центр наблюдаемого участка. При этом выходные отклики формируются в течение времени t_o6p, отводимого на работу отдельно взятого приемо-передающего элемента при последовательном их электронном переключении.

Преимущественно количество приемо-передающих элементов определяется из расчета

где Т_вр - время, соответствующее одному полному обороту вращения фазового центра по окружности длиной 2π Д₀ со скоростью Ω_ск; t_oбp - временной интервал, необходимый для излучения и обработки отраженного сигнала от ограниченного участка местности отдельно взятым ПРМ-ПРД элементом распределенной системы; N_m - максимально возможное число ПРМ-ПРД элементов, располагаемых по окружности вокруг ограниченного участка местности;

а линейная разрешающая способность по азимуту распределенной РЛС с синтезированием аппаратуры определяется как

где Д₀ - расстояние от приемо-передающего элемента до центра наблюдаемого участка.*

В предлагаемом способе синтез искусственной апертуры обеспечивается за счет перемещения ФЦ реальной антенны по окружности вокруг ограниченного участка местности, детальное РЛИ которого требуется получить. Причем перемещение ФЦ вокруг наблюдаемого участка местности обеспечивается электронным образом за счет последовательного переключения распределенных в пространстве элементов «прием-передача». Главный луч каждого элемента «прием-передача» направлен на участок местности, РЛИ которого необходимо получить. Формирование высокодетального РЛИ участка земной поверхности осуществляется за счет последовательного электронного перемещения ФЦ антенны в распределенной по окружности системе элементов «прием-передача» при когерентной обработке принимаемых сигналов каждым отдельно взятым элементом в общей для всех распределенных элементов системе обработки.

Сущность изобретения состоит в способе получения высокодетального РЛИ ограниченного участка земной поверхности, основанного на принципе синтезирования апертуры антенны за счет электронного перемещения ФЦ реальной антенны в распределенной системе из совокупности приемо-передающих элементов, размещенных по окружности вокруг участка земной поверхности, представляющего интерес, при когерентной обработке сигналов от каждого элемента в общей для всех элементов системе обработки. Полагается, что ГЛ диаграммы направленности антенны каждого из распределенных элементов «прием-передача» направлен на участок земной поверхности, изображение которого требуется получить, а ширина луча позволяет охватить весь наблюдаемый участок без сканирования (фиг. 3). При таком способе за один оборот ФЦ пробегает расстояние равное 2πД₀, где Д₀ - расстояние до центра наблюдаемого участка земной поверхности. В результате линейная разрешающая способность по азимуту распределенной РЛС с синтезированием апертуры определяется величиной равной

При подъеме элементов «прием-передача» на фиксированную величину h<<Д₀ и малой величине дальности Д (фиг. 4) обеспечивается высокая разрешающая способность при использовании данного метода и в вертикальной плоскости.

Реализация данного способа получения высокодетального РЛИ возможна при работе распределенных приемо-передающих элементов как в непрерывном, так и импульсном режиме излучения.

На Фиг. 1 представлена схема реализации способа синтезирования апертуры искусственной антенны при движении носителя РЛС по линейной траектории с постоянной скоростью V_c. Показаны: линия пути (ЛП) носителя РЛС, угловые сектора (1, 2) возможного расположения ГЛ реальной антенны относительно ЛП в процессе синтезирования апертуры искусственной антенны за счет линейного перемещения ФЦ реальной антенны РЛС, вектор скорости V_c носителя РЛС, определяющий направление его движения вдоль ЛП, положение объекта наблюдения в виде точечной цели ТЦ, расположенного на расстоянии Д₀ относительно ЛП носителя РЛС, текущее расстояние Д между РЛС и ТЦ.

На Фиг. 2 представлена схема реализации способа синтезирования апертуры антенны при вращении ФЦ реальной антенны относительно центра масс носителя РЛС. Показаны: траектория перемещения ФЦ реальной антенны в виде окружности радиусом Д₀; положение ФЦ реальной антенны (ФЦА) на траектории вращения; направление вращения ФЦА с постоянной угловой скоростью Ω_ск по круговой траектории относительно центра вращения О; мгновенное положение ГЛ диаграммы направленности реальной антенны шириной θ_а; положение на поверхности земли объекта наблюдения в виде точечной цели (ТЦ); расстояние Д до ТЦ, соответствующее текущему моменту времени.

На Фиг. 3 представлена схема реализации способа получения высокодетального РЛИ ограниченного участка местности на основе принципа синтезирования искусственной апертуры антенны с помощью распределенной радиолокационной системы, состоящей из совокупности приемо-передающих (ПРМ-ПРД) элементов, при электронном перемещении ФЦ реальной антенны по окружности вокруг участка местности. Показаны: положение ПРМ-ПРД элементов в распределенной системе по окружности 1, радиусом Д₀, вокруг участка местности; ограниченный участок местности 2, представляющий интерес, с центром в точке О; мгновенное положение ФЦА, соответствующее положению произвольного ПРМ_ПРД элемента; положение ГЛ ДН реальной антенны произвольного ПРМ-ПРД элемента, шириной θ_а; направление перемещения ФЦА с постоянной угловой скоростью Ω_c по круговой траектории относительно центра вращения О.

На Фиг. 4 представлена схема расположения одного из ПРМ-ПРД элементов на фиксированной высоте h при реализации предлагаемого способа получения высокодетального РЛИ ограниченного участка земной поверхности на основе принципа синтезирования апертуры искусственной антенны с помощью распределенной системы, состоящей из совокупности ПРМ-ПРД элементов, при электронном перемещении ФЦА и когерентной обработке выходных откликов каждого элемента. Показаны: произвольный ПРМ-ПРД элемент из совокупности распределенных элементов (ФЦА); положение ГЛ ДН реальной антенны ПРМ-ПРД элемента, шириной θ_а; расстояние Д₀ до наблюдаемого участка земной поверхности в вертикальной плоскости; наблюдаемый участок земной поверхности 1, высокодетальное РЛИ которого требуется получить.

Реализация данного способа получения высокодетального РЛИ возможна при использовании распределенной радиолокационной системы, состоящей из совокупности ПРМ-ПРД элементов, расположенных по окружности относительно центра участка земной поверхности, представляющей интерес, которые последовательно включаются в работу и излучают в направлении на участок поверхности зондирующий сигнал и принимают отраженный сигнал от поверхности, переключение ПРМ-ПРД элементов производится электронным образом с периодом Т_п, достаточным для излучения и приема отраженного сигнала произвольным ПРМ-ПРД элементом. Для формирования РЛИ всего участка земной поверхности обеспечивается совместная когерентная обработка принимаемых сигналов произвольным ПРМ-ПРД элементом в общей системе обработки в течение времени одного периода электронного вращения ФЦ реальной по круговой траектории радиусом Д₀ с угловой скоростью Ω_c. При этом обеспечивается линейная разрешающая способность РЛС по угловой координате, определяемая выражением (3). Реализация данного способа возможна при работе ПРМ-ПРД элементов как в непрерывном, так и импульсном режиме излучения.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для решения задач радиолокационного мониторинга ограниченных участков земной поверхности, представляющих интерес. Достигаемый технический результат - упрощение возможности получения высокодетального изображения ограниченного по площади участка земной поверхности и снижение затрат на его получение. Указанный технический результат достигается за счет того, что осуществляют прямой синтез апертуры при когерентной обработке выходных откликов по меньшей мере четырех приемопередатчиков. Приемопередатчики неподвижно установлены по окружности вокруг исследуемого объекта. Главные лучи диаграммы направленности реальной антенны направлены в центр наблюдаемого участка. При этом выходные отклики формируются в течение времени t_обр, отводимого на работу отдельно взятого приемо-передающего элемента при последовательном их электронном переключении. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ получения высокодетального радиолокационного изображения ограниченного участка земной поверхности, включающий прямой синтез апертуры при когерентной обработке выходных откликов распределенной радиолокационной системы, включающей по меньшей мере четыре приемопередатчика, неподвижно установленных по окружности вокруг исследуемого объекта, главные лучи диаграммы направленности реальной антенны которых направлены в центр наблюдаемого участка, при этом выходные отклики формируются в течение времени t_обр, отводимого на работу отдельно взятого приемопередатчика при последовательном их электронном переключении.

2. Способ по п. 1, по которому количество приемопередатчиков определяется из расчета
N_m≤N,
N=Т_вр/t_обр,
где t_обр - временной интервал, необходимый для излучения и обработки отраженного сигнала от ограниченного участка местности отдельно взятым приемопередатчиком распределенной системы; N_m - максимально возможное число приемопередатчиков, располагаемых по окружности вокруг ограниченного участка местности; Т_вр - время, соответствующее одному полному обороту вращения фазового центра по окружности длиной 2π Д₀, где Д₀ - расстояние от приемопередатчика до центра наблюдаемого участка, со скоростью Ω_ск;

3. Способ по п. 1, по которому линейная разрешающая способность по азимуту распределенной радиолокационной системы с синтезированием апертуры определяется как
δl_x=λД/(4πД₀),
где Д₀ - расстояние от приемопередатчика до центра наблюдаемого участка;
Д - дальность до объекта исследования или наблюдения;
λ - длина волны зондирующих колебаний РЛС.