КОСМИЧЕСКИЙ МНОГОРЕЖИМНЫЙ РАДИОЛОКАТОР С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ СО СКАНИРУЮЩЕЙ ГИБРИДНО-ЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННОЙ Российский патент 2024 года по МПК G01S13/90 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано при формировании радиолокационных изображений (РЛИ) земной поверхности с помощью радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА), размещаемых на космических аппаратах (КА).

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).

Современные космические РСА, как правило, обеспечивают возможность реализации нескольких режимов обзора земной поверхности, позволяющих получать РЛИ, отличающиеся различными сочетаниями величин (пространственное разрешение)/(размер полосы захвата).

Для реализации всей номенклатуры таких режимов на одном КА необходимо обеспечить возможность сканирования луча антенны как по углу места (в поперечном направлении относительно направления полета КА), так и по азимуту.

Известен космический многорежимный поляриметрический радиолокатор с синтезированной апертурой со сканирующей зеркальной антенной (патент RU №2310886), выбранный в качестве прототипа предлагаемого изобретения, который содержит (см. фиг. 1): формирователь сигналов и команд (ФСК) (1), вход которого является входом РСА, приемопередающий СВЧ-тракт (2), подключенный к входу-выходу циркулятора (3), и сканирующую зеркальную антенну (4), включающую рефлектор (5) и облучающую систему (6), установленную на ее поворотном узле (на фиг. 1 не показан), вход которой соединен с первым управляющим выходом ФСК (1). Прототип также содержит передатчик (7), выход которого подключен ко входу циркулятора (3) и приемник (8), вход которого подключен к выходу циркулятора (3). На вход ФСК (1) от КА подаются команды, задающие режим работы РСА, номер луча диаграммы направленности антенны (ДНА), а также положение облучающей системы (6). Первый сигнальный выход «Зондирующий сигнал» и второй сигнальный выход «Опорная частота» ФСК (1), содержащего таймер и связанные с ним цифровые формирователи зондирующего сигнала и опорных частот, подключены ко входу передатчика (7) «Зондирующий сигнал» и ко входу приемника (8) «Опорные частоты» соответственно. Положение облучающей системы (6), реализованной в виде линейки из 12 элементарных излучателей, устанавливаемое с помощью поворотного узла, определяет рабочее положение плоскости электронного сканирования луча зеркальной антенны (4). Для реализации детального прожекторного режима съемки облучающая система (6) располагается так, чтобы линейка излучателей была ориентирована в горизонтальной плоскости. Это позволяет осуществлять плавное переключение луча зеркальной антенны (4) по азимуту во время радиолокационной съемки с целью отслеживания центра снимаемого кадра.

Для реализации обзорного режима наблюдения типа Скансар линейка излучателей ориентируется в вертикальной плоскости. Таким образом, изменение ориентации линейной облучающей системы (6) в прототипе реализуется с помощью электромеханического поворотного узла. Его наличие снижает общую надежность аппаратуры РСА и существенно увеличивает время смены режима съемки, что снижает показатели оперативности радиолокационного наблюдения.

Другим недостатком прототипа является протяженный приемопередающий СВЧ-тракт (2), связывающий облучающую систему (6), расположенную в фокусе зеркальной антенны (4), с приемо-передающей аппаратурой, размещаемой в корпусе КА. Так как основное усиление принимаемого сигнала происходит во входных каскадах приемника (8), то потери, вносимые СВЧ-трактом (2), циркулятором (3) и поворотным узлом облучающей системы (6), непосредственно влияют на величину суммарного шум-фактора РСА. Эти элементы также вносят существенные потери и при формировании излучаемого РСА зондирующего сигнала.

Данные обстоятельства ограничивают радиометрическую чувствительность РЛИ, получаемых РСА.

Техническими результатами, которые достигаются предлагаемым изобретением, являются:

1. Повышение радиометрической чувствительности РСА за счет снижения потерь в приемо-передающем СВЧ-тракте при передаче сигнала и снижения суммарного шум-фактора приемного тракта РСА.

2. Повышение оперативности переключения прожекторных и обзорных сканирующих режимов радиолокационной съемки.

3. Повышение энергоэффективности КА.

Для достижения названных технических результатов предлагается космический многорежимный РСА со сканирующей гибридно-зеркальной антенной, содержащий ФСК, вход которого является входом РСА, приемопередающий СВЧ-тракт и сканирующую зеркальную антенну, включающую рефлектор и облучающую систему, вход которой соединен с первым управляющим выходом ФСК. В состав РСА введено устройство формирования и оцифровки сигнала (УФОС), выход которого является выходом РСА, а в сканирующую зеркальную антенну введен параболический контррефлектор, фокус которого совпадает с положением фокуса рефлектора. Облучающая система выполнена в виде плоской активной фазированной антенной решетки (АФАР), ориентированной перпендикулярно оси рефлектора и размещенной между ним и контррефлектором. При этом АФАР выполнена с возможностью двумерного электронного сканирования луча антенны. Второй управляющий выход и сигнальный выход «Опорная частота» ФСК соединены с первым и вторым входами УФОС соответственно. Вход-выход УФОС через приемопередающий СВЧ-тракт соединен со входом-выходом облучающей системы.

Как частный случай реализации, плоская АФАР выполнена в микрополосковом исполнении антенного полотна.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фигурах 1-3.

На фиг. 1 приведена блок-схема прототипа изобретения, состав и функционирование которого были рассмотрены выше.

На фиг. 2 приведена блок-схема предлагаемого изобретения.

На фиг. 3 показан вариант реализации плоской АФАР с микрополосковым излучающим полотном.

На фиг. 2 цифрами обозначены:

1 - формирователь сигналов и команд (ФСК);

2 - приемо-передающий СВЧ-тракт;

4 - сканирующая зеркальная антенна;

5 - рефлектор;

6 - облучающая система;

9 - устройство формирования и оцифровки сигнала (УФОС);

10 - параболический контррефлектор.

Первый управляющий выход ФСК (1), вход которого является входом РСА, соединен со входом облучающей системы (6). Второй управляющий выход и сигнальный выход «Опорная частота» ФСК (1) соединены с первым и вторым входами УФОС (9) соответственно. Выход УФОС (9) является выходом РСА. Вход-выход УФОС (9) через приемо-передающий СВЧ-тракт (2) соединен со входом-выходом облучающей системы (6), расположенной на одной оси между рефлектором (5) и параболическим контррефлектором (10). Облучающая система (6) выполнена в виде плоской АФАР, плоскость которой перпендикулярна оси рефлектора (5).

Предлагаемый космический многорежимный РСА функционирует следующим образом.

На вход ФСК (1) от КА подаются команды, задающие режим работы РСА, значения углов отклонения ДНА от направления оси зеркальной антенны (4), параметры зондирующего импульса и циклограммы излучения/приема радиолокационного сигнала. С первого управляющего выхода ФСК (1) на вход облучающей системы (6), выполненной в виде двумерной плоской АФАР, подаются команды, управляющие амплитудно-фазовым распределением поля на апертуре АФАР. Плоская электромагнитная волна, сформированная АФАР, после отражения от параболического контррефлектора (10), имеющего общий фокус с рефлектором (5) зеркальной антенны (4), преобразуется в сферическую волну. После отражения от рефлектора (5) сферическая волна трансформируется в плоскую волну с равномерным распределением поля по апертуре зеркальной антенны (4). Введение линейного фазового набега вдоль одной из сторон плоской АФАР приводит к отклонению в соответствующем направлении излучения возбуждающей плоской волны, и, как следствие, к поперечному смещению фокуса контррефлектора (10) относительно номинального положения, т.е. фокуса рефлектора (5) зеркальной антенны (4). Этот эффект приводит к отклонению диаграммы направленности зеркальной антенны (4) РСА в заданной (вертикальной или горизонтальной) плоскости. Таким образом, изменение фазового распределения поля в АФАР позволяет сформировать набор лучей ДНА, реализуемых в заданном режиме съемки. В прожекторном режиме съемки лучи зеркальной антенны (4) разнесены по азимуту (вдоль направления полета КА), в обзорном сканирующем режиме съемки - по углу места (в поперечном направлении). Со второго управляющего выхода ФСК (1) на первый вход УФОС (9) выдаются команды, описывающие параметры зондирующего сигнала и циклограммы передачи/приема для каждого положения луча зеркальной антенны (4). Когерентность радиолокационной аппаратуры обеспечивается подачей сигнала высокостабильного опорного генератора с сигнального выхода «Опорная частота» ФСК (1) на второй вход УФОС (9). Переключение рабочих лучей в АФАР и соответствующее изменение параметров передачи/приема радиолокационного сигнала в УФОС (9) происходит синхронно по тактовым импульсам, формируемым в ФСК (1). Радиолокационные сигналы, принятые зеркальной антенной (4) РСА, усиливаются в приемных цепях приемо-передающих модулей АФАР и через приемо-передающий тракт (2) поступают в УФОС (9), где с помощью аналого-цифрового преобразования переводятся в цифровую форму. Каждый зарегистрированный массив отсчетов сигнала, полученный в рамках одного рабочего периода повторения, сопровождается служебной информацией. Набор таких массивов, полученных за время радиолокационной съемки, представляет собой радиоголограмму - выходной информационный продукт бортовой аппаратуры РСА.

На фиг. 3 показан вариант реализации излучающего полотна АФАР в микрополосковом исполнении, содержащей 144 элементарных излучателей и соответствующее количество приемо-передающих модулей.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано при формировании радиолокационных изображений (РЛИ) земной поверхности с помощью радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА), размещаемых на космических аппаратах (КА). Техническими результатами являются: повышение радиометрической чувствительности РСА за счет снижения потерь в приемо-передающем СВЧ-тракте при передаче сигнала и снижения суммарного шум-фактора приемного тракта РСА; повышение оперативности переключения прожекторных и обзорных сканирующих режимов радиолокационной съемки; повышение энергоэффективности КА. Указанные технические результаты достигаются тем, что в космический многорежимный РСА со сканирующей гибридно-зеркальной антенной в состав РСА введено устройство формирования и оцифровки сигнала (УФОС), выход которого является выходом РСА, а в сканирующую зеркальную антенну введен параболический контррефлектор, фокус которого совпадает с положением фокуса рефлектора, облучающая система выполнена в виде плоской активной фазированной антенной решетки (АФАР), ориентированной перпендикулярно оси рефлектора и размещенной между ним и контррефлектором; при этом АФАР выполнена с возможностью двумерного электронного сканирования луча антенны, второй управляющий выход и сигнальный выход «Опорная частота» формирователя сигналов и команд соединены с первым и вторым входами УФОС соответственно, вход-выход УФОС через приемо-передающий СВЧ-тракт соединен со входом-выходом облучающей системы. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Космический многорежимный радиолокатор с синтезированной апертурой (РСА) со сканирующей зеркальной антенной, содержащий формирователь сигналов и команд (ФСК), вход которого является входом РСА, приемо-передающий СВЧ-тракт и сканирующую зеркальную антенну, включающую рефлектор и облучающую систему, вход которой соединен с первым управляющим выходом ФСК, отличающийся тем, что в него введено устройство формирования и оцифровки сигнала (УФОС), выход которого является выходом РСА, а в сканирующую зеркальную антенну введен параболический контррефлектор, фокус которого совпадает с положением фокуса рефлектора, облучающая система выполнена в виде плоской активной фазированной антенной решетки (АФАР) с возможностью двумерного сканирования луча антенны, при этом АФАР расположена между рефлектором и параболическим контррефлектором, а плоскость АФАР перпендикулярна оси рефлектора, второй управляющий выход и сигнальный выход ФСК соединены с первым и вторым входами УФОС соответственно, а вход-выход УФОС через приемо-передающий СВЧ-тракт соединен со входом-выходом облучающей системы.

2. Космический многорежимный РСА со сканирующей зеркальной антенной по п. 1, отличающийся тем, что плоская АФАР выполнена в микрополосковом исполнении антенного полотна.