РОЗ с синтезированием апертуры

Радиолокационная система обзора земной поверхности с синтезированием апертуры (РОЗ СА) предназначена для получения высокоточного изображения местности, располагающейся одновременно ниже и вдоль пути следования самолета. Это означает, что в РОЗ СА обеспечивается весьма малая величина линейной разрешающей способности (рис 3.73) как минимального значения вдоль путевого расстояния между наземными объектами и , при котором объекты и еще воспринимаются радиолокатором раздельно.

Рис 3.73. Пояснение линейной разрешающей способности вдоль пути следования самолета

Принцип получения малой базируется на обязательности наличия поступательного движения самолета и когерентного суммирования принятых от объектов и радиоимпульсов. Рассмотрим этот вопрос более подробно.

Пусть самолет движется со скоростью поступательно вдоль земной поверхности. На борту этого самолета имеется небольшого размера антенна, которая формирует неподвижную (относительно самолета) диаграмму направленности , ориентированную вертикально вниз (рис. 3.74).

Ширина данной диаграммы направленности вычисляется согласно соотношению

, (3.100)

где – длина волны излучаемого колебания.

Рис. 3.74. Поступательное движение самолета вдоль земной поверхности

Например, при см и см величина оказывается равной 1,42º и линейная разрешающая способность вычисляемая по формуле

, (3.101)

где – высота полета, получается для тыс. м равной 250 м.

Это означает, что объекты и (см. рис. 3.73), располагающиеся на расстоянии 240 м друг от друга, будут восприниматься на борту самолета как один объект.

Теперь учтем поступательное (со скоростью ) движение самолета.

Предположим, что радиоимпульсы, излучаемые бортовой антенной с периодом повторения , отражаются от наземной точки и принимаются на борту.

На рис. 3.74 показаны три (I, II, III) произвольных момента расположения самолета и точки . Из этого следует, что прием отраженных от точки радиоимпульсов происходит в пространственно разнесенных точках положения самолета. Поэтому можно в известном смысле отождествить указанные пространственно-разнесенные точки приема с элементами некой виртуальной (синтезированной, созданной) приемной антенны.

На рис. 3.75,а изображена пространственная последовательность данных точек приема (радиоимпульсов, отраженных от точки – рис 3.74) с указанием на ней положений I, II и III самолета. Каждая из точек приема отделена (во времени) от другой периодом повторения , а пространственная протяженность всей последовательности обозначается как ; тогда общее количество точек приема составит величину

. (3.102)

Рис. 3.75. Последовательность пространственных точек (положений самолета) приема (а), эквивалентная (синтезированная) данными точками приема антенна (б), диаграмма направленности эквивалентной (синтезированной) антенны (в)

В этом случае совокупность точек приема можно трактовать как элементов виртуальной (синтезированной) приемной антенны (рис. 3.75,б) обладающей протяженностью (размером раскрыва) . Тогда диаграмма направленности этой эквивалентной антенны с синтезированной апертурой будет иметь ширину , определяемую равенством

. (3.103)

Окончательно величина линейной разрешающей способности для РОЗ СА получится аналогично выражению (3.7.4) и будет иметь вид

. (3.104)

Если в частности см, то соответствующая окажется равной 60 см. Иными словами, объекты и (рис.3.73), разделенные на земной поверхности расстоянием в 1 м, будут на борту восприняты раздельно. Таким образом, как видим, точность РОЗ СА близка к точности обеспечиваемой методом аэрофотосъемки. Однако, если аэрофотосъемка земной поверхности не может вестись ночью или в условиях облачности, то функционирование РОЗ СА происходит независимо т времени суток или погодных метеоусловий. Отметим, что величина не зависит ни от высоты полета, ни от дальностей до объектов. Это обстоятельство объясняется тем, что длина синтезированной апертуры увеличивается с ростом . На практике величина , рассчитанная по формуле (3.104), обычно (из-за неидеальности узлов аппаратуры) не достигается; реальными цифрами являются значения из диапазона 3…15 м.

Рассмотрим упрощенное структурное построение РОЗ СА, приведенное на рис. 3.76,а.

Рис. 3.76. Упрощенные структурные схемы РОЗ СА (а) и устройства обработки (б)

Здесь: – номера временных позиций, соответствующие изображенным на рис. 3.7.11; 3 – синхронизатор; 4 – радиопередающее устройство; 5 – антенный переключатель; 6 – радиоприемное устройство; 7 – устройство обработки; 8 – линия задержки на период повторения ; 9 – фазовращатели; 10 – сумматор (совместно с амплитудным детектором); 11 – бортовая ЭЦВМ; 12 – индикаторы карты местности.

Синхронизатор 3 вырабатывает запускающий импульс, по которому радиопередающее устройство 4 формирует радиоимпульс. Этот импульс проходит через антенный переключатель 5 и с выхода антенны излучается в пространство.

Отраженный от земли радиоимпульс поступает на вход антенны и далее через антенный переключатель подается на радиоприемное устройство 6. Выход радиоприемного устройства подключен к устройству обработки 7, в котором и происходят операции, благодаря которым осуществляется эффект синтезирования апертуры. Упрощенная структурная схема устройства обработки показана на рис 3.76,б.

Радиосигнал, поданный на вход устройства обработки, проходит через цепь из линий задержки 8. Все линии задержки идентичны друг другу, и каждая из них имеет длительность задержки, равную периоду повторения радиоимпульсов. Данная совокупность линий задержки образует память устройства обработки, в которой запоминается радиоимпульсов. Для наглядности на рис 3.76,б указаны моменты (I, II, III) времени, соответствующие аналогичным пространственным положениям (I, II, III) самолета (рис 3.75,а). Далее радиосигналы с входов и выходов линий задержки поступают (кроме радиоимпульса с центрального отвода последовательности линий задержки, соответствующего центральному положению II самолета) на фазовращатели 9. Наличие этих фазовращателей обусловлено требованием когерентной (с учетом фазы) обработки принятых радиоимпульсов, а настройка каждого фазовращателя обусловлена как величиной сдвига фаз между радиоимпульсами, вычисляемой согласно алгоритму

, (3.105)

где – расстояние от самолета, находящегося в -й () точке пространства (рис. 3.74, 3.75), до наземной точки , так и наличием доплеровского смещения (за счет движения самолета относительно точки ) частоты заполнения радиоимпульса. После доворота фазы каждого радиоимпульса на расчетную величину выполняется синфазное суммирование этих радиоимпульсов и амплитудное детектирование полученной суммы в блоке 10. Выходной видеосигнал устройства обработки подается на бортовую электронно-цифровую вычислительную машину (ЭЦВМ) 11.

Бортовая ЭЦВМ работает под воздействием управляющих импульсов, поступающих от других систем самолета и одновременно вырабатывает различного рода (например, по опознанию отдельных наземных объектов или прокладке пути самолета) командные последовательности. Одна из таких командных последовательностей вводится в фазовращатели устройства обработки, перестраивая значения фаз при изменении, скажем длины волны или высоты полета . Кроме этого, бортовая ЭЦВМ формирует, разумеется, цифровую модель того участка земной поверхности, от которого принимаются радиоимпульсы, после чего передает данную модель на индикатор карты местности 12. Указанный индикатор является яркостными и располагается в кабине пилота.

Использование РОЗ СА является весьма перспективным направлением в современных авиационных радиосистемах, однако широкое применение РОЗ СА сдерживается рядом недостатков, основными из них являются:

– постоянство длины волны или высоты полета должны строго выдерживаться;

– наилучшее качество карты местности достигается лишь при перпендикулярности оптической оси антенны и линии полета самолета, поэтому РОЗ СА часто называются в литературе радиолокационными системами бокового обзора; при ориентации оптической оси антенны вдоль линии полета самолета эффект синтезирования апертуры полностью пропадает.

В ряде случаев влияние указанных недостатков удается снизить за счет использования в бортовой ЭЦВМ программ специальной обработки, но реализация РОЗ СА до сих пор остается достаточно сложной технической задачей.