Syntéza anténní apertury je jednou z nejslibnějších oblastí vývoje radarů, která se objevila na konci 50. let a okamžitě přitáhla širokou pozornost. Hlavní výhodou tohoto směru je mnohonásobné (1000 i vícenásobné) zvýšení úhlového rozlišení radaru. Tím je zajištěna možnost rádiového vidění radarových objektů a detekce malých objektů, zvýšení přesnosti určení cíle a odolnost radaru proti rušení. V první fázi rozvoje této oblasti bylo dosaženo hlavních úspěchů ve výrazném zvýšení efektivity vzdušného a kosmického průzkumu. Následně se metody aperturní syntézy začaly používat v průzkumných a úderných komplexech, multifunkčních leteckých radarech pro detekci malých a skupinových cílů a namíření na ně naváděných zbraní, v plánovaných přehledových radarech, elektronických průzkumných a navigačních systémech.
Ve vývoji teorie a praxe od radaru k rádiovému vidění byly dvě etapy.
V první fázi bylo díky použití širokopásmových (100 MHz nebo více) snímacích signálů možné zajistit vysoké rozlišení zpoždění signálu a v důsledku toho vysoké rozlišení v dosahu (několik metrů nebo lepší). Rozlišení rozsahu je dáno
Šířka spektra snímacího signálu.
- vlnová délka radaru; c 1 - velikost antény,
Vytvoření vzoru skutečné antény. Pro vysvětlení principu aperturní syntézy nejprve uvažujeme o vytvoření vyzařovacího diagramu skutečné antény, který určuje rozlišení podél úhlové souřadnice běžného radaru.
Nechť existuje lineární apertura antény o velikosti d, na kterou dopadá rovinná elektromagnetická vlna pod úhlem 0 (obr. 2.1), tzn. Anténa přijímá.
Aperturou (otvorem) rozumíme tu část antény, která se podílí na vysílání nebo příjmu elektromagnetické vlny. Čelo vlny je povrch se stejnými fázemi. V posuzovaném případě se jedná o rovinu. Fáze elektromagnetické vlny podél apertury (osa X) je určena zpožděním čela vlny vzhledem ke středu apertury:
kde r(x) je vzdálenost od čela vlny k bodu x na otvoru.
Vyzařovací diagram je vytvořen jako výsledek součtu fází elektromagnetické vlny dopadající na aperturu:
Intenzita elektromagnetického vlnění.
Normalizovaný vyzařovací diagram je v tomto případě roven
na úrovni 0,7 nebo, což je stejné, 0,5 síly:
Když jedna anténa pracuje nejen pro příjem, ale také pro vysílání, je vzor určen jako
a ekvivalentní šířka paprsku pro vysílání a příjem
V obecnějším případě anténní apertura určuje objem analyzovaného časoprostorového signálu, který představuje závislost síly, fáze a polarizace elektromagnetického pole na prostorových souřadnicích a čase. Apertura je tedy charakterizována geometrickými rozměry analyzovaného objemu elektromagnetické vlny, dobou analýzy, polarizačními a frekvenčními parametry. V tomto případě je rozlišení podél úhlové souřadnice určeno změnou časoprostorového signálu v otvoru antény v závislosti na úhlové poloze zdroje elektromagnetických vln.
Dobře známými příklady takového časoprostorového signálu jsou volumetrické holografické čočky a syntetizované apertury.
Syntéza clony. Hlavní rozdíl mezi syntetizovanými (umělými) aperturami a konvenčními (skutečnými) anténními aperturami je ten, že syntetická apertura (SA) se vytváří postupně v čase. V každém daném okamžiku je příjem elektromagnetické vlny prováděn skutečnou aperturou a syntetizovaná apertura je výsledkem časově sekvenčního příjmu elektromagnetické vlny skutečnou aperturou v její jiné poloze vzhledem ke zdroji elektromagnetická vlna. Uvažujme proces syntézy na příkladu vytvoření přímočaré apertury SAR (obr. 2.2).
Jeho přijímaný vyzařovací diagram je určen stejným způsobem jako obrazec skutečné apertury. Invaze vlnové fáze mezi dvěma pozicemi skutečné antény na trajektorii
dvakrát větší než běžná apertura, což je způsobeno dvojitým průchodem elektromagnetické vlny ve vzdálenosti r (při vysílání a příjmu). Výsledkem je, že šířka vyzařovacího diagramu syntetizované apertury SAR tohoto typu je menší než šířka skutečné apertury stejné velikosti:
Hlavním výsledkem syntézy apertury je, že velikost otvoru se N-krát zvětšila ve srovnání s velikostí skutečného otvoru.
jako výsledek vzniklá syntetizovaná clona
posunutím skutečné antény. V tomto případě je efektu dosaženo zvýšením objemu analyzovaného pole v prostoru a čase.
Základní vlastnosti syntetizované clony. Zvažme hlavní vlastnosti syntetizované clony.
pro palubní letadla a vesmírné systémy. Typické hodnoty pro relativní velikosti otvorů různých systémů jsou následující:
Vzhledem k velké velikosti otvoru SAR je možné získat vysoké lineární rozlišení v úhlových souřadnicích na dlouhé vzdálenosti:
Syntetizovaná apertura vzniká jako výsledek příjmu a zpracování signálů odražených od cíle, tzn. syntetizovaná clona určuje vzor pouze pro příjem. Vzor přenosu během syntézy apertury je určen vzorem skutečné antény. Polarizační a frekvenční vlastnosti SA jsou také určeny skutečnou anténou.
Při syntéze apertury může současně fungovat (vysílat, přijímat) pouze jeden anténní prvek (skutečná anténa). V tomto případě nevznikají elektrodynamické problémy při vytváření celého otvoru, protože nedochází k interakci prvků v elektromagnetickém poli. Úkol syntetizovat aperturu a vytvořit vyzařovací diagram ve skutečnosti spočívá ve vývoji algoritmů a jejich implementaci procesorem pro zpracování trajektorie signálu. Pokud jde o skutečnou anténu, vzor syntetizované apertury je závislost signálu na výstupu procesoru na úhlové souřadnici bodového zdroje záření nebo reemise (v případě aktivní SAR).
Vzor může být jednopaprskový, vícepaprskový, monopulzní, adaptivní atd.
Objekty pozorování SAR se ve většině případů nacházejí ve střední zóně (Fresnelova zóna) otvoru a ne ve vzdálené zóně, jako u většiny skutečných antén. Pro příjem ve vzdáleném poli se předpokládá, že čelo vlny v otvoru je ploché. Jak se zvětšuje velikost otvoru (nebo se zmenšuje vzdálenost k objektu), nelze již zanedbávat kulovitost čela vlny. Typicky je podmínka vzdáleného pole zapsána jako
Pro skutečnou palubní radarovou anténu je hranice vzdálené zóny asi 100 m, a když je syntetizována, činí tisíce kilometrů. Proto je v SAR při zpracování signálu trajektorie nutné vzít v úvahu kulovitost fázové fronty elektromagnetické vlny. V nejjednodušší SAR, kdy je velikost SA malá, se zakřivení čela elektromagnetické vlny nebere v úvahu. Tento režim se nazývá zúžení dopplerovského paprsku (DBT) a zvýšení rozlišení je malé (10...30) krát.
Zohlednění kulovitosti čela vlny při zpracování signálu trajektorie se nazývá zaostřování a clona se podle toho nazývá zaostřená apertura. Na Obr. Obrázek 2.3 ukazuje rozložení pole nezaostřených (DOL) (a) a zaostřených (b) apertur ve střední a vzdálené zóně vzoru.
Na zaostřovací vzdálenost, tzn. stejné jako konvenční anténa pro vzdálené pole. Můžeme říci, že proces zaostřování přenáší směrové vlastnosti clony ze vzdálené zóny do střední zóny.
Vzhledem k tomu, že kulovitost čela vlny závisí na vzdálenosti k objektu, je pro různé vzdálenosti zapotřebí jiný zákon zaostření, tzn. Pro zajištění zaostření SA je zapotřebí vícekanálový rozsahový algoritmus pro zpracování signálu trajektorie.
Díky zaostřování poskytuje SA nejen úhlové, ale i rozsahové rozlišení v mezizóně i při modulovaném signálu. Obvykle je však malý a rozlišení dosahu je zajištěno modulací snímacího signálu.
Hlavními zdroji chyb - nekoherence signálu trajektorie - jsou fázové nestability modulů transceiveru, nestability trajektorie nosiče SAR a nestability média šíření elektromagnetických vln. Přípustná chyba ve znalosti trajektorie antény se tedy rovná několika milimetrům (v centimetrech rozsahu elektromagnetické vlny). To vyžaduje speciální opatření pro kompenzaci těchto chyb pomocí mikronavigačních systémů a algoritmů autofokusu.
Energetické charakteristiky SA (poměr signál/vnitřní šum) jsou určeny ziskem skutečné antény a dobou syntézy, tzn. doba koherentní akumulace signálů. Odolnost proti šumu od vnějšího aktivního a pasivního rušení je dána jak vzorem skutečné antény, tak směrovými vlastnostmi SA, tzn. prostorový výběr interference.
V každé poloze antény během syntézy apertury je výkon přijímaného signálu určen výkonem záření a ziskem antény a souběh těchto signálů během syntézy je ekvivalentní akumulaci energie signálu během syntézy při konstantní spektrální síla vnitřního šumu. Navíc je možná úhlová selekce s ohledem na zdroje vnější interference, jejíž účinnost závisí na vzorech skutečných a syntetizovaných apertur.
Relativní pohyb antény a předmětu potřebného k vytvoření SA může být proveden různými způsoby. Vznik SA v důsledku pohybu antény se stacionárním objektem se nazývá přímá syntéza a vznik SA v důsledku pohybu objektu a stacionární antény se nazývá inverzní syntéza. V tomto případě je možné vytvořit SA jako výsledek rotace objektu, což je ekvivalentní pohybu antény kolem objektu.
Použití ne jedné, ale mnoha antén současně v procesu syntézy umožňuje syntetizovat nejen lineární, ale také ploché a objemové SA.
což pro palubní digitální počítače představuje mimořádně obtížný úkol. V pozemních podmínkách tento problém úspěšně řeší optický procesor, který využívá záznam signálu trajektorie na fotografický film a analogové zpracování signálu pomocí koherentního optického systému.
Syntéza apertury vyžaduje určitý čas, což vede ke zpoždění informace v SAR. Minimální informační zpoždění je určeno dobou syntézy, tzn. doba vzniku SA. Obvykle jsou to desetiny - jednotky sekund. Maximální zpoždění je určeno s přihlédnutím k době provádění syntézního algoritmu odpovídajícím procesorem pro zpracování signálů trajektorie. Pozemní optické procesory mají nejvyšší latenci. Skládá se z doby letu letadla v operačním prostoru SAR, doby návratu na základnu, doby dodání fotografického filmu se záznamem signálů trajektorie do laboratoře, doby fotochemického zpracování filmu, optického zpracování popř. záznam obrazu na sekundární fotografický film a nakonec fotochemické zpracování sekundárního filmu. Tato doba může dosáhnout několika hodin.
Jednou z důležitých oblastí využití radarů je jejich použití na palubě letadla, které provádí průzkum zemského povrchu. V závislosti na úkolech, které mají být řešeny, požadované velikosti zobrazované oblasti a době kontroly se rozlišují následující typy kontroly:
· pohled na pás (anterolaterální pohled);
· sektorový přezkum;
· teleskopický pohled.
Možné jsou i jiné typy recenzí, které jsou buď zvláštními případy výše uvedených recenzí, nebo jejich kombinacemi.
Mírou úhlové polohy emitujícího objektu a parametrem, který umožňuje měřit úhlové souřadnice a poskytovat úhlové rozlišení, je Dopplerova frekvence. Příznivé podmínky pro řešení těchto problémů jsou vytvořeny za podmínky bočního pohledu na zemský povrch letadla, zachování kurzu, frekvence a rychlosti.
Detailnost radarového snímku zemského povrchu závisí na rozlišení ve směru příčném k radaru a také na rozlišení podél dráhy.
Rozlišení v příčném směru (tangenciální rozlišení) závisí na pásmu znějících signálů a elevačním úhlu objektů v příčné rovině.
Rozlišení podél cesty se liší mezi nekoherentním a koherentním zpracováním. V prvním případě je určena šířkou vyzařovacího diagramu odpovídající otvoru antény umístěné na letadle. Při koherentním zpracování ji lze výrazně zvýšit podle syntetizované apertury, určené velikostí pohybu letadla při zpracování.
Při stavbě radarů se syntetizovaným vybavením je na palubě letadla instalována slabě směrová anténa poskytující boční výhled do prostoru (obr. 6.1). Signály přijímané z různých bodů trajektorie se ukládají a zpracovávají jako v anténním poli, kde se sčítají ve fázi a tvoří maximální amplitudu celkového signálu.
Pohybem jednoho prvku vzniká syntetizovaná anténa, jejíž osa vyzařovacího diagramu je orientována kolmo k přímočaré dráze letu (obr. 6.2).
Při použití pulzních signálů jsou přijímány a ukládány v bodech trajektorie vzájemně vzdálených ve vzdálenosti, kde je rychlost letu; - perioda opakování pulsu. Dále se signály sečtou v obvodu znázorněném na obr. 2. Vzdálenost, ve které dochází k součtu, je apertura syntetizované antény (obr. 6.3).
Sčítání signálů se provádí ve zpožďovací lince LZ. Jsou zde nezaostřené (obr. 6.4.) a zaostřené syntetizované antény. Charakteristickým rysem nezaostřené antény je sčítání přijímaných signálů mimo fázi. Ekvivalentní délka je omezena možností sčítání signálů přibližně ve fázi, to znamená, když rozdíl vzdáleností od radaru k cíli nepřesáhne λ/8 (obrázek 6.5).
Vzhledem k malosti druhého termínu získáváme
Šířka vyzařovacího diagramu takové antény
(6.3)
V tomto případě tangenciální rozlišení
(6.4)
vylepšené ve srovnání s panoramatickou anténou
kde je rozlišení azimutu.
Nyní je úměrná ne R, ale .
U fokusovaných antén se do řetězce prvků pole v anténách zavádějí fázové posuny, aby se kompenzoval pohyb radaru vzhledem k cíli (obr. 6.6).
Velikost skutečné antény v horizontální rovině je L, šířka jejího vzoru
Délka syntetizované antény se rovná délce dráhy letu, po které radar ozařuje obvod (obr. 6.7).
Šířka vyzařovacího diagramu antény je
.
Tangenciální rozlišení
. (6.7)
Nezávisí na dosahu a rovná se polovině velikosti skutečné antény.
Není možné postavit radar se syntetizovanou anténou tradičním způsobem, protože to vyžaduje významné: délku zaostřené antény (stovky m); zpoždění signálu ve zpožďovací lince (desítky s); počet sečtených impulsů (desítky tisíc).
V praxi se Dopplerův jev a přizpůsobené filtrování používají k sestavení radaru se syntetizovanou anténou. Informace o Dopplerově frekvenci se používá jako míra úhlové polohy. Nechť jsou zářiče A spojitých monochromatických kmitů o frekvenci f 0 umístěny podél přímky x, rovnoběžné s dráhou letadla, ležící v bočním proužku (obrázek 6.8).
V každém časovém okamžiku lze emitované oscilace rozlišit podle Dopplerovy frekvence
. (6.8)
Pokud vyhodnotíme změny v čase vzdálenosti od přijímače k bodu A, můžeme určit zákon modulace signálu
kde je časový okamžik, kdy je přijímač v nejkratší vzdálenosti r 0 od bodu A. Kvadrátová změna doby zpoždění odpovídá lineární změně okamžité frekvence
(6.10)
Přijímaný signál je tedy frekvenčně modulován. Při zpracování v optimálním filtru přizpůsobeném očekávanému frekvenčně modulovanému signálu je pozorována komprese signálu. Doba trvání komprimovaného signálu je
(6.11)
kde je doba trvání impulsní odezvy filtru. Podobný komprimovaný impuls bude přijat pro signál přicházející z jakéhokoli jiného bodu A; časový interval mezi těmito impulsy bude = kde je rychlost cíle. Minimální povolený časový interval je určen délkou trvání komprimovaného pulzu
Poměr / = lze považovat za míru syntetizovaného úhlového rozlišení
(6.13)
kde = je velikost ekvivalentní syntetizované apertury vytvořené pohybem přijímacího bodu během trvání koherentní akumulace. Komprese umožňuje získat rozlišení podobné rozlišení zaostřené antény.
Pro zajištění rozlišení rozsahu je nutné použít pulzní záření a pulzy musí být vzájemně koherentní.
Takže radar se syntetickou aperturou musí obsahovat
1. koherentní pulsní radar se skutečnou koherencí;
2. systém zpracování signálu, který musí provádět optimální zpracování azimutu (přizpůsobené filtrování) v každém prvku rozlišení rozsahu.
Jedna z možností takového lokátoru je na obr. 6.9.
Lze použít i jiná schémata, ale signály musí být koherentní (například stříhání ze stejného harmonického kmitání).
Výstupním prvkem koherentního pulzního radarového přijímače je fázový detektor, jehož výstupní napětí je určeno následovně
kde jsou amplitudy napětí koherentního lokálního oscilátoru a výstupního signálu;
Počáteční fáze kmitů;
Dopplerův frekvenční posun.
Signál z bodového cíle na výstupu fázového detektoru je pulsní sekvence s obálkou opakující druhou mocninu směrového vzoru skutečné antény a amplitudovou modulací Dopplerovou frekvencí (obr. 6.10). během periody opakování Tp se pak pro každou z nich provádí koordinovaná filtrace.
Pro konstrukci odpovídajícího zařízení existují následující způsoby:
1. Záznam signálů z fázového detektoru na fotografický film s následným optickým zpracováním.
2. Digitální zpracování signálu.
Digitální zpracování je založeno na optimální detekci shluku rádiových pulsů s náhodnou počáteční fází. Optimální zpracování se redukuje na výpočet modulu korelačního integrálu. Ale protože signál není spojitý, ale diskrétní, nepočítá se integrál, ale součet
kde je produkce vstupního signálu;
– podpůrná funkce;
n – číslo vzorku obrazového signálu;
k – referenční číslo referenční funkce;
N – počet diskrétních hodnot podpůrné funkce.
V případě digitálního zpracování má blokové schéma přijímače podobu na Obr. 6.11.
Pro nalezení skutečné a imaginární části reprezentace vstupního signálu je zpracovací zařízení sestaveno s kvadraturními kanály (obr. 6.12). Na Obr. Obrázek 6.13 ukazuje strukturu digitálního zpracování v jednom rozlišovacím prvku.
Obvod provádí operace stanovené podle vzorce pro S out (n): skutečné a imaginární části produktu se nacházejí pod znaménkem součtu pro každou z hodnot N podpůrné funkce a sečtou.
ZAHRANIČNÍ VOJENSKÁ REVIZE č. 2/2009, s. 52-57
Kapitán M. VINOGRADOV,
Kandidát technických věd
Moderní radarová zařízení instalovaná na letadlech a kosmických lodích představují v současnosti jeden z nejrychleji se rozvíjejících segmentů radioelektronické techniky. Identita fyzikálních principů, které jsou základem konstrukce těchto nástrojů, umožňuje zvážit je v jednom článku. Hlavní rozdíly mezi kosmickými a leteckými radary spočívají v principech zpracování radarových signálů spojených s různou velikostí apertury, charakteristikách šíření radarových signálů v různých vrstvách atmosféry, nutnosti brát v úvahu zakřivení zemského povrchu, v návaznosti na zakřivení zemského povrchu. atd. Navzdory těmto rozdílům vyvíjejí vývojáři radarů se syntetickou aperturou (RSA) maximální úsilí, aby dosáhli maximální podobnosti ve schopnostech těchto průzkumných prostředků.»
V současné době palubní radary se syntetickou aperturou umožňují řešit problémy vizuálního průzkumu (snímání zemského povrchu v různých režimech), výběr mobilních a stacionárních cílů, analýzu změn pozemní situace, střelbu na objekty skryté v lesích a detekci zasypaných a malých objektů. -velké mořské předměty.
Hlavním účelem SAR je detailní průzkum zemského povrchu.
Umělým zvětšením apertury palubní antény, jejímž hlavním principem je koherentní akumulace odražených radarových signálů v průběhu intervalu syntézy, je možné získat vysoké úhlové rozlišení. V moderních systémech může rozlišení dosahovat desítek centimetrů při provozu v centimetrovém rozsahu vlnových délek. Podobných hodnot rozlišení rozsahu je dosaženo použitím intrapulzní modulace, například lineární frekvenční modulací (chirp). Interval syntézy apertury antény je přímo úměrný výšce letu nosiče SAR, což zajišťuje, že rozlišení střelby je nezávislé na výšce.
Rýže. 3. Pohled na obrázky v různých úrovních detailů
V současné době existují tři hlavní režimy průzkumu zemského povrchu: přehledový, skenovací a detailní (obr. 1). V režimu průzkumu je zaměřování zemského povrchu prováděno kontinuálně v snímacím pásmu, přičemž jsou odděleny laterální a frontlaterální režimy (v závislosti na orientaci hlavního laloku vyzařovacího diagramu antény). Signál je akumulován po dobu rovnající se vypočítanému intervalu pro syntézu apertury antény pro dané letové podmínky radarového nosiče. Režim snímání snímání se od režimu průzkumu liší tím, že snímání probíhá po celé šířce záběru, v pruzích rovných šířce záběru záběru. Tento režim se používá výhradně ve vesmírných radarech. Při fotografování v detailním režimu se signál shromažďuje ve větším intervalu oproti režimu přehledu. Interval se prodlužuje pohybem hlavního laloku vyzařovacího diagramu antény synchronně s pohybem nosiče radaru tak, aby ozařovaná oblast byla neustále v prostoru střelby. Moderní systémy umožňují získat snímky zemského povrchu a objektů na něm umístěných s rozlišením řádově 1 m pro přehled a 0,3 m pro detailní režimy. Společnost Sandia oznámila vytvoření SAR pro taktické UAV, které má schopnost průzkumu s rozlišením 0,1 m v podrobném režimu. Výsledné metody digitálního zpracování přijímaného signálu, jejichž důležitou součástí jsou adaptivní algoritmy pro korekci zkreslení trajektorie, mají významný vliv na výsledné charakteristiky SAR (z hlediska průzkumu zemského povrchu). Právě neschopnost dlouhodobě udržet přímočarou trajektorii nosiče neumožňuje získat rozlišení srovnatelná s detailním režimem v režimu kontinuálního snímání s přehledem, přestože v režimu přehledu neexistují žádná fyzická omezení rozlišení.
Režim inverzní syntézy apertury (ISA) umožňuje syntetizovat aperturu antény nikoli díky pohybu nosiče, ale díky pohybu ozařovaného cíle. V tomto případě nemusíme mluvit o translačním pohybu, charakteristickém pro pozemní objekty, ale o kyvadlovém pohybu (v různých rovinách), charakteristickém pro plovoucí zařízení houpající se na vlnách. Tato schopnost určuje hlavní účel IRSA - detekci a identifikaci mořských objektů. Charakteristiky moderního IRSA umožňují s jistotou detekovat i malé objekty, jako jsou podmořské periskopy. V tomto režimu jsou schopna natáčet všechna letadla ve výzbroji ozbrojených sil Spojených států a dalších zemí, jejichž mise zahrnují hlídkování pobřežních oblastí a vodních ploch. Vlastnosti snímků získaných při fotografování jsou podobné těm, které byly získány při fotografování s přímou (neinverzní) syntézou clony.
Režim interferometrického průzkumu (Interferometric SAR - IFSAR) umožňuje získat trojrozměrné snímky zemského povrchu. Moderní systémy mají zároveň schopnost provádět jednobodové natáčení (to znamená používat jednu anténu) pro získání trojrozměrných snímků. Pro charakterizaci obrazových dat se kromě obvyklého rozlišení zavádí další parametr zvaný přesnost výšky nebo rozlišení výšky. V závislosti na hodnotě tohoto parametru se určí několik standardních gradací trojrozměrných snímků (DTED - Digital Terrain Elevation Data):
DTEDO........................900m
DTED1 ........................90 m
DTED2........................ 30m
DTED3.........................10m
DTED4........................ Zm
DTED5 ........................ 1 m
Typ snímků urbanizované oblasti (model), odpovídající různým úrovním detailu, je uveden na Obr. 3.
Úrovně 3-5 se oficiálně nazývají „data ve vysokém rozlišení“(HRTe - Vysoký Rozlišení Terén Nadmořská výška data). Umístění pozemních objektů na snímcích úrovní 0-2 je určeno v souřadnicovém systému WGS 84, výška je měřena vzhledem k nulové značce. Souřadnicový systém pro obrázky s vysokým rozlišením není v současné době standardizován a je předmětem diskuse. Na Obr. Obrázek 4 ukazuje fragmenty skutečných oblastí zemského povrchu získané jako výsledek stereofotografie s různým rozlišením.
V roce 2000 provedl americký Space Shuttle v rámci projektu SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), jehož cílem bylo získání rozsáhlých kartografických informací, interferometrické průzkumy rovníkové části Země v pásmu od 60. ° N w. na 56° jižně sh., výsledkem je trojrozměrný model zemského povrchu ve formátu DTED2. Vyvíjí se v USA projekt NGA HRTe pro získání podrobných 3D dat? v rámci kterého budou dostupné obrázky úrovní 3-5.
Kromě radarového průzkumu otevřených oblastí zemského povrchu má vzdušný radar schopnost získávat obrazy scén skrytých před zraky pozorovatele. Zejména vám umožňuje odhalit objekty skryté v lesích i ty, které se nacházejí pod zemí.
Penetrační radar (GPR, Ground Penetrating Radar) je systém dálkového průzkumu Země, jehož princip činnosti je založen na zpracování signálů odražených od deformovaných nebo kompozičně odlišných oblastí umístěných v homogenním (nebo relativně homogenním) objemu. Systém sondování zemského povrchu umožňuje detekovat dutiny, praskliny a skryté objekty umístěné v různých hloubkách a identifikovat oblasti s různou hustotou. V tomto případě energie odraženého signálu silně závisí na absorpčních vlastnostech půdy, velikosti a tvaru cíle a na stupni heterogenity hraničních oblastí. V současné době se GPR kromě vojenských aplikací vyvinul v komerčně životaschopnou technologii.
Sondování zemského povrchu probíhá ozařováním pulzy o frekvenci 10 MHz - 1,5 GHz. Vyzařovací anténa může být umístěna na zemském povrchu nebo umístěna na palubě letadla. Část energie záření se odráží od změn v podpovrchové struktuře země, zatímco většina proniká dále do hlubin. Odražený signál je přijat, zpracován a výsledky zpracování se zobrazí na displeji. Jak se anténa pohybuje, generuje se souvislý obraz, který odráží stav podpovrchových vrstev půdy. Vzhledem k tomu, že k odrazu skutečně dochází v důsledku rozdílů v dielektrických konstantách různých látek (nebo různých skupenství jedné látky), může sondování detekovat velké množství přirozených i umělých defektů v homogenní mase podpovrchových vrstev. Hloubka průniku závisí na stavu půdy v místě ozařování. Pokles amplitudy signálu (absorpce nebo rozptylu) do značné míry závisí na řadě vlastností půdy, z nichž hlavní je její elektrická vodivost. Pro sondování jsou tedy optimální písčité půdy. Mnohem méně vhodné jsou k tomu jílovité a velmi vlhké půdy. Dobré výsledky ukazuje sondování suchých materiálů, jako je žula, vápenec a beton.
Rozlišení snímání lze zlepšit zvýšením frekvence vyzařovaných vln. Zvýšení frekvence má však negativní vliv na hloubku pronikání záření. Signály s frekvencí 500-900 MHz tak mohou proniknout do hloubky 1-3 m a poskytují rozlišení až 10 cm a s frekvencí 80-300 MHz pronikají do hloubky 9-25 m , ale rozlišení je asi 1,5 m.
Hlavním vojenským účelem podpovrchového snímacího radaru je odhalovat miny. Zároveň radar instalovaný na palubě letadla, například vrtulníku, umožňuje přímo otevírat mapy minových polí. Na Obr. Obrázek 5 ukazuje snímky získané pomocí radaru instalovaného na palubě vrtulníku, odrážející umístění protipěchotních min.
Vzdušný radar určený k detekci a sledování objektů skrytých v lesích (F.O.- PERO - Listy Pronikání), umožňuje detekovat malé předměty (pohybující se i nehybné) skryté korunami stromů. Focení objektů skrytých v lesích probíhá podobně jako běžné focení ve dvou režimech: přehledový a detailní. Průměrně je v režimu průzkumu šířka pořizovacího pásma 2 km, což umožňuje získat výstupní snímky oblastí zemského povrchu 2x7 km; v podrobném režimu je zaměření prováděno v úsecích 3x3 km. Rozlišení snímání závisí na frekvenci a pohybuje se od 10 m při frekvenci 20-50 MHz do 1 m při frekvenci 200-500 MHz.
Moderní metody analýzy obrazu umožňují s poměrně vysokou pravděpodobností detekovat a následně identifikovat objekty ve výsledném radarovém snímku. V tomto případě je detekce možná v obrazech s vysokým (méně než 1 m) i nízkým (do 10 m) rozlišením, zatímco rozpoznávání vyžaduje obrazy s dostatečně vysokým (asi 0,5 m) rozlišením. A i v tomto případě můžeme z velké části mluvit pouze o rozpoznání nepřímými znaky, protože geometrický tvar předmětu je velmi zkreslený přítomností signálu odraženého od listů a také vzhledem signály s frekvenčním posunem v důsledku Dopplerova jevu, ke kterému dochází v důsledku kývání listů ve větru.
Na Obr. Obrázek 6 ukazuje snímky (optické a radarové) stejné oblasti. Objekty (kolona aut), neviditelné na optickém snímku, jsou jasně viditelné na radarovém snímku, nelze však tyto objekty identifikovat, abstrahovat od vnějších znaků (pohyb na silnici, vzdálenost mezi auty atd.), protože při tomto rozlišení zcela chybí informace o geometrické struktuře objektu.
Detailnost výsledných radarových snímků umožnila uvést do praxe řadu dalších vlastností, které zase umožnily vyřešit řadu důležitých praktických problémů. Jedním z těchto úkolů je sledování změn, ke kterým došlo na určité oblasti zemského povrchu za určité časové období – koherentní detekce. Délka období je obvykle určena četností obchůzek v dané oblasti. Sledování změn se provádí na základě analýzy souřadnicově kombinovaných snímků dané oblasti, získaných postupně jeden po druhém. V tomto případě jsou možné dvě úrovně podrobností analýzy.
První úroveň zahrnuje detekci významných změn a je založena na analýze amplitudových odečtů obrazu, které nesou základní vizuální informace. Nejčastěji tato skupina zahrnuje změny, které může člověk vidět současným prohlížením dvou generovaných radarových snímků. Druhá úroveň je založena na analýze fázových odečtů a umožňuje detekovat změny neviditelné pro lidské oko. Patří mezi ně výskyt stop (auta nebo osoby) na silnici, změny stavu oken, dveří („otevřeno - zavřeno“) atd.
Rýže. 5. Mapy minových polí v trojrozměrném zobrazení při střelbě v různých polarizacích: model (vpravo), příklad obrazu skutečné oblasti zemského povrchu se složitým podpovrchovým prostředím (vlevo), získaný pomocí radaru instalovaného na nastoupit do vrtulníku
Další zajímavou schopností SAR, kterou rovněž oznámila Sandia, je radarové video. V tomto režimu je diskrétní vytváření otvoru antény od sekce k sekci, charakteristické pro režim kontinuálního průzkumu, nahrazeno paralelním vícekanálovým vytvářením. To znamená, že v každém okamžiku není syntetizován jeden, ale několik (počet závisí na řešených úkolech) apertur. Jakousi obdobou počtu vytvořených clon je snímková frekvence při běžném natáčení videa. Tato funkce umožňuje implementovat výběr pohyblivých cílů na základě analýzy přijatých radarových snímků s použitím principů koherentní detekce, což je ze své podstaty alternativa ke standardním radarům, které vybírají pohyblivé cíle na základě analýzy Dopplerových frekvencí v přijímaném signálu. .
Efektivita implementace takových selektorů pohyblivých cílů je velmi sporná kvůli značným nákladům na hardware a software, takže tyto režimy s největší pravděpodobností nezůstanou ničím jiným než elegantním způsobem, jak vyřešit problém výběru, navzdory nově vznikajícím příležitostem vybrat cíle pohybující se velmi nízkou rychlostí. (méně než 3 km/h, což není dostupné pro Doppler SDC). Přímý záznam videa v dosahu radaru se také v současnosti nepoužívá, opět kvůli vysokým nárokům na výkon, takže neexistují žádné provozní modely vojenské techniky, které by tento režim v praxi implementovaly.
Logickým pokračováním zdokonalování technologie průzkumu zemského povrchu v dosahu radaru je vývoj subsystémů pro analýzu přijímaných informací. Důležitým se stává zejména vývoj systémů pro automatickou analýzu radarových snímků, které umožňují detekovat, izolovat a rozpoznávat pozemní objekty v oblasti průzkumu. Obtížnost vytváření takových systémů je spojena s koherentní povahou radarových snímků, jevy interference a difrakce, při kterých vedou ke vzniku artefaktů - umělého oslnění, podobných těm, které se objevují při ozařování cíle s velkým účinným rozptylovým povrchem. Navíc kvalita radarového snímku je poněkud nižší než kvalita podobného (z hlediska rozlišení) optického snímku. To vše vede k tomu, že v současné době neexistují účinné implementace algoritmů pro rozpoznávání objektů na radarových snímcích, ale množství práce provedené v této oblasti, určité úspěchy dosažené v poslední době naznačují, že v blízké budoucnosti bude možné mluvit o inteligentních bezpilotních průzkumných prostředcích, které mají schopnost vyhodnotit situaci na zemi na základě výsledků analýzy informací získaných jejich vlastním palubním radarovým průzkumným zařízením.
Dalším směrem vývoje je integrace, tedy koordinovaná integrace s následným společným zpracováním informací z více zdrojů. Mohou to být radary, které provádějí průzkum v různých režimech, nebo radary a další průzkumné prostředky (optické, IR, multispektrální atd.).
Moderní radary se syntetickou aperturou antény tak umožňují řešit širokou škálu problémů spojených s prováděním radarových průzkumů zemského povrchu bez ohledu na denní dobu a povětrnostní podmínky, což z nich činí důležitý prostředek pro získávání informací o stavu Země. zemského povrchu a objektů na něm umístěných.
Chcete-li komentovat, musíte se zaregistrovat na webu.
ZPRACOVÁNÍ A KONTROLA INFORMACÍ X
MDT 621.396.96
SMĚRY VÝVOJE VESMÍRNĚ ZALOŽENÉ SYNTÉZY APERTURY RADAR
O. L. Polonchik,
Ph.D. tech. vědy, docent
Severní (arktická) federální univerzita pojmenovaná po. M. V. Lomonosova, Archangelsk
Jsou analyzovány hlavní směry vývoje kosmických radarových systémů pro sledování zemského povrchu. Byla vymezena předmětná oblast používání radarových technických prostředků, včetně řešení aplikovaných problémů hospodářského rozvoje v severních a arktických oblastech Ruska. Bylo provedeno srovnávací posouzení existujících metod prohlížení zemského povrchu. Je navržena nová metoda pro konstrukci palubních radarových systémů založených na rotačně stabilizované kosmické lodi. Zvažují se způsoby, jak zlepšit technické vlastnosti palubního radaru.
Klíčová slova - boční radar, vyzařovací diagram, mechanické skenování, aperturní syntéza.
Úvod
Moderní palubní radarové vybavení představuje jednu z nejrychleji se rozvíjejících oblastí radioelektronické techniky. Zvláštní místo mezi nimi zaujímají vzdušné radary se syntetickou aperturou. Tyto technické prostředky provádějí sondování zemského povrchu v kteroukoli denní, roční a roční dobu, nejsou závislé na klimatických podmínkách a přítomnosti oblačnosti, což je důležité zejména pro oblasti s malým počtem slunečných dnů v roce. V Ruské federaci k nim patří rozsáhlé oblasti na severu země a v Arktidě, tvořící téměř třetinu území našeho státu, velmi bohaté na různé nerostné suroviny, ropu a plyn.
Řešení nejdůležitějších národohospodářských problémů, jako je vysoce přesné hodnocení terénu, vytváření trojrozměrných obrazů zemského povrchu a studium dynamických procesů na zemském a mořském povrchu, je svěřeno perspektivním prostředkům dálkového průzkumu Země.
Pro řešení problémů udržitelného rozvoje severních a arktických oblastí je relevantní zejména pořízení radarových průzkumných materiálů s vysokými měřicími vlastnostmi, zajištění tvorby a aktualizace státních topografických map,
plány a kartografický podklad státního katastru nemovitostí.
Získávání informací o stavu těchto prostor je úkol mimořádné důležitosti a pomůže minimalizovat materiální ztráty.
Historie vývoje radarového dálkového průzkumu Země
Rozvoj palubních radarových stanic (radarů) vedl k vytvoření všestranných radarových systémů, jejichž hlavní nevýhodou bylo nízké rozlišení. Další výzkum pro zlepšení radaru pro průzkum zemského povrchu byl zaměřen na překonání hlavního omezení ve zvýšení rozlišení spojeného s velikostí anténních zařízení.
Detailnost radarového snímku závisí na lineárním rozlišení (rozlišení dosahu) radaru, které je v radiálním směru určeno znějícím signálem, v příčném směru (tangenciální rozlišení) - šířkou vyzařovacího diagramu (DP) a vzdálenost k cíli.
Problém zvýšení rozlišení dosahu je vyřešen použitím zvukových signálů s krátkou dobou trvání impulsu.
Letadlo
impulsy nebo přechod na komplexní signály - frekvenčně modulované nebo klíčované fázovým posuvem.
Zvýšení tangenciálního rozlišení je dosaženo použitím antény v palubním radaru umístěném podél trupu letadla nebo syntézou otvoru antény za pohybu letadla.
První cesta vedla k vývoji radarů s bočním skenováním. Schéma implementace metody je na Obr. 1. U takových radarů platí, že čím větší je podélná velikost trupu letadla, tím vyšší je tangenciální rozlišení, i když závislost na dosahu zůstává.
Rozlišení tohoto typu radaru bylo zvýšeno přibližně 10x ve srovnání s panoramatickými všestrannými radary. A přesto jsou tyto stanice svými možnostmi stále výrazně horší než optická zařízení.
Druhým, radikálnějším způsobem je vytvoření radarů se syntetickou aperturou (SAR) při dopředném pohybu letadla.
Obrovský přínos k rozvoji teorie SAR přinesli slavní domácí vědci A. P. Reutov, G. S. Kondratenkov, P. I. Dudnik, Yu L. Feoktistov, N. I. Burenin, Yu.
Radary se syntetickou aperturou
Podstatou metody je vyzařování radaru instalovaného na mobilním nosiči (letadlo, kosmická loď (SC) nebo bezpilotní prostředek), koherentní znějící signály, příjem odpovídajících odražených signálů po přímočaré dráze letu nosiče, jejich uložení a sčítání. V důsledku přidání přijatých
signálů, paprsek antény je komprimován a rozlišovací schopnost radaru podél linie nosné dráhy se výrazně zvyšuje.
V závislosti na tom, zda jsou fázové posuny při sčítání signálů kompenzovány nebo ne, se rozlišují zaostřené a nezaostřené SAR. V prvním případě zpracování spočívá v pohybu antény, ukládání signálů, kompenzaci fázových posunů a sčítání signálů, ve druhém - ke stejným operacím, ale bez kompenzace fázových posunů.
Potenciální rozlišení takových stanic se blíží charakteristikám optických sledovacích zařízení. Tyto radary umožňují realizovat vysoké lineární rozlišení, nezávislé na pozorovacím dosahu a vlnové délce snímaného signálu.
V současné době existují tři hlavní režimy průzkumu zemského povrchu (obr. 2): trasa, průzkum a světlomet (podrobně).
Moderní systémy umožňují získat snímky zemského povrchu a objektů na něm umístěných s rozlišením asi 1 m pro režimy průzkumu a 0,3 m pro režimy bodového osvětlení. Aplikované metody číslicového zpracování přijímaného signálu mají významný vliv na výsledné charakteristiky SAR.
V režimu trasy je zemský povrch fotografován nepřetržitě v zóně snímání. Signál je akumulován po dobu rovnající se vypočítanému intervalu pro syntézu apertury antény pro dané letové podmínky radarového nosiče.
Režim přehledového snímání se od režimu snímání trasy liší tím, že snímání probíhá nepřetržitě po celé šířce řádku v pruzích rovných šířce záběru. Šest paprsků se postupně přepíná podle výšky pro zobrazení celého řádku (obrázek 3).
Laterální a anterolaterální modus se dělí v závislosti na orientaci hlavního laloku
Světlomet
Vzor antény. Signál je akumulován po dobu rovnající se vypočítanému intervalu pro syntézu apertury antény pro dané letové podmínky radarového nosiče.
Při fotografování v režimu bodového světla dochází k akumulaci signálu ve větším intervalu než v režimu přehledu. Rozšíření intervalu je dosaženo posunutím hlavního laloku anténního obrazce a ozařovaná oblast se neustále nachází v oblasti střelby. Tento pohyb je synchronizován s pohybem nosiče radaru.
Aby se místo vzoru udrželo na stejné ploše, čtyři paprsky se postupně přepínají v azimutu (obr. 4).
Analýza hlavních způsobů průzkumu zemského povrchu metodou SAR tedy ukazuje, že:
1) u způsobu bočního pohledu je maximální šířka proužku spodního povrchu, který je prohlížen, podobná šířce pohledu;
2) zvýšení lineárního rozlišení v režimu bodového světla je dosaženo zvětšením clony, zatímco sledované pásmo se zužuje;
3) zvýšení lineárního rozlišení v režimu průzkumu se provádí pomocí sady vysoce cílených vzorů.
Minimální lineární rozlišení azimutu 8хш1п pro antény s nezaostřenou umělou aperturou je určeno vztahem
Rozlišení lineárního azimutu radaru se zaostřenou umělou aperturou je určeno výrazem
5х - ©Р0 - ^,
kde ya je velikost otvoru antény v dané rovině.
Radar se zaostřenou umělou aperturou umožňuje na rozdíl od nezaostřeného získat lineární rozlišení v azimutu, nezávislé na dosahu a vlnové délce snímacího signálu. Rozlišení takových radarů se zvyšuje se zmenšující se velikostí skutečné antény. To je značná výhoda SAR oproti jiným metodám snímání zemského povrchu.
Boční skenovací radary. Základní vztahy
Určení polohy cíle při bočním pohledu se provádí v souřadnicovém systému: rozsah stopy x, rozsah sklonu R.
Při pohledu ze strany je vzor antény kolmý k vektoru pozemní rychlosti nosné. Určení polohy cílů na zemi se provádí v pravoúhlém souřadnicovém systému xY. Oblast pohledu je pruh rovnoběžný s dráhou letu nosičů (obr. 5, a). Šířka pásma je určena dosahem radaru.
Je možné orientovat anténní obrazec pod úhlem k vektoru rychlosti země, který se liší od l/2.
■ Obr. 4. Režim reflektoru
■ Obr. 5. Schéma bokorysu v pravoúhlém (a) a šikmém (b) souřadnicovém systému
Zároveň se zužuje zorné pole, cíle lze detekovat proaktivně (obr. 5, b). V tomto případě se terén zaměří v šikmém souřadnicovém systému.
Je známo, že rozlišovací schopnost radaru pro pozorování zemského povrchu v horizontálním rozsahu přímo pod nosičem se zhoršuje ve srovnání s limitem určeným délkou trvání snímacího impulsu. Proto je výška letu nosiče obvykle brána jako nejbližší hranice řádku, kde se rozlišení dosahu nevýznamně zhoršuje.
Metoda je popsána následujícími vlastnostmi:
doba ozařování;
Rozsah detekce radaru;
Rozlišení.
Doba ozařování
Ttyo _ Ш '
kde © je úhlová šířka vzoru radarové antény v horizontální rovině; W - projekce rychlosti ve směru dráhy.
Charakteristickým znakem metody bočního pohledu je jednorázové ozáření cílů. Když je směr pozorování kolmý na vektor rychlosti země, je obraz vytvořen pouze ve směru dráhy letu.
Druhým znakem je prodloužení doby ozařování cíle v poměru k dosahu. To vede k tomu, že energie signálů odražených od cílů roste s rostoucím dosahem cíle.
Stanovme rozsah radarové detekce pro případ laterálního skenování.
Je známo, že detekční rozsah cíle (terénního pozadí) D0 s účinnou odraznou plochou st při použití jedné antény transceiveru má tvar
64l k0kGots
kde E je cílová energie záření; b - koeficient směrovosti antény; X je vlnová délka radarového vysílače; £ш - šumové číslo přijímacího zařízení; £ - Boltzmannova konstanta; T0 - absolutní teplota (obvykle 280 K); "L = Es tt/^sh je požadovaná hodnota koeficientu rozlišitelnosti radarového přijímacího zařízení. Zde Es t1n je prahová hodnota energie přijímaného odraženého signálu, charakterizující citlivost radarového přijímacího zařízení; Ysh je spektrální hustota šumu na vstupu přijímače: Ysh = £sh £ T0.
Energie záření cíle (terénního prvku) je určena vztahem
V - £Pe^tayo>
kde Рср je průměrný výkon emitovaného signálu.
Vezmeme-li v úvahu vztah pro energii ozáření cíle, získáme vzorec pro rozsah v metodě bočního pohledu
Рpa©0С2стХ2
64l 1Ak0k7O"str
Analýza výrazu ukazuje, že je možné zvýšit dosah uvažované metody ve srovnání s všestrannou viditelností.
Všestranný radar se syntetickou aperturou na bázi kosmické lodi se stabilizací rotace. Základní vztahy
K realizaci tohoto způsobu pozorování zemského povrchu je potřeba kosmická loď se stabilizací rotace a radar s parabolickou anténou. Vzor antény má úhel sklonu vzhledem k místní vertikále.
Radarová anténa díky kruhové rotaci těla kosmické lodi, ke kterému je pevně připojena, snímá pod ní zemský povrch. Průmět anténního obrazce v azimutální a elevační rovině na zemský povrch je na Obr. 6 a 7.
Energie radaru v této metodě je lepší ve srovnání s SAR, protože se používá užší obrazec paprsku zkreslené antény. Je určen volbou minimálního a maximálního elevačního úhlu anténního obrazce.
Uvažujme polohu antény radaru v různých časech (obr. 8). Anténa at
Anténní projekce
■ Obr. 6. Pohled na průměty obrazce radarové antény na zemský povrch v azimutální rovině: Oa je úhlová rychlost rotace radarové antény kosmické lodi v azimutální rovině; Yatah - maximální vzdálenost k cíli Ts^ V - rychlost kosmické lodi
■ Obr. 7. Prohlížení záběru radarové antény kosmické lodi
■ Obr. 8. Polohy radarové antény kosmické lodi v rovině rotace v různých časech s přihlédnutím k translačnímu pohybu a rotaci: I - vzdálenost, kterou kosmická loď uletí během poloviny periody rotace
rotace kolem místní vertikály, s přihlédnutím k pozemní rychlosti, postupně zaujímá tyto polohy (body 1, 2, 3 atd.). Poloměr otáčení antény je nevýznamný (řádově několik metrů). Kosmická loď se pohybuje první únikovou rychlostí a křivka pohybu antény se v časovém intervalu rovnajícím se polovině periody otáčení změní téměř na přímku.
V každém bodě této křivky bude elektrická osa antény k ní kolmá. Je možné syntetizovat umělou clonu.
Umístění je definováno v polárním souřadnicovém systému. Měří se rozsah R a azimut ß. Stanoví se výška letu H a výškový úhel y. Cílový azimut se měří ze směru pohybu (viz obr. 6).
Radarový dohled se provádí v určité oblasti prostoru, která se nazývá pracovní oblast nebo radarová pozorovací oblast. Rozměry pracovní plochy jsou určeny intervaly pohledu z hlediska rozsahu Rmax - Rmin, azimutu "max - amin, elevačního úhlu ßmax - ßmin a radiální rychlosti Vr max - Vr min. Délka každého specifikovaného intervalu je určena počtem prvků radarového rozlišení, které obsahuje podél odpovídající souřadnice.
Informace o přítomnosti cílů v různých prvcích rozlišení pracovní plochy se získávají při kontrole (prohlížení) těchto prvků. Pořadí a čas sledování různých prvků, stejně jako intenzita signálů vyzařovaných radarem při sledování každého prvku, jsou určeny metodou (programem) použitým pro sledování pracovní oblasti.
Přezkoumání prvků pracovní oblasti může být prováděno postupně v čase nebo současně.
Při postupném přezkoumání nelze vždy zajistit požadovanou rychlost získávání informací o přítomnosti a souřadnicích cílů v pozorovací oblasti. To je způsobeno skutečností, že cílová doba ozařování T musí překročit maximální dobu zpoždění signálu tmax:
T> "^kontrola 2^kontrola/s
kde Yatah je maximální dosah radaru; c je rychlost světla.
Podmínce musí vyhovovat čas pro jednu kontrolu celé zóny T0
T0 - T^a, p > (2^Shax / c)^a, p,
kde Na p je počet směrových rozlišovacích prvků.
Při všestranném pohledu se syntetickou clonou musí být splněn určitý poměr
T - 2 l/Oa.
Počet impulzů odražených cílem během této doby bude
P - Ш - ©Гё/Оа,
kde je frekvence opakování pulzu v dávce.
Doba prověřování pracovního prostoru určuje míru příjmu informace o přítomnosti cíle v prostoru a nesmí překročit určitou přípustnou hodnotu T0 max. Pokud je tato hodnota uvedena, pak
Oa - 2l / ^Oshakh.
Tento poměr určuje minimální úhlovou rychlost otáčení vzoru radarové antény při všestranném pozorování se syntetickou aperturou.
Volbou rychlosti rotace lze prohlížet zemský povrch bez mezer.
Hlavní charakteristiky kruhové zobrazovací metody se syntetickou clonou:
Cílová doba ozařování;
Období kontroly a počet cyklů kontroly na cíl.
Porovnání metody kruhového pozorování se syntézou apertury s jinými metodami nám umožňuje vyvodit následující závěry.
1. Skenování vzoru přijímací antény zajišťuje sledování celé země pod zemí
povrch bez mezer. V tomto případě bude úhlové rozlišení výsledného obrázku srovnatelné s rozlišením SAR v režimu vyhledávání.
2. Doba ozařování je prakticky nezávislá na cílovém dosahu.
3. Zobrazení podložního zemského povrchu během jedné rotační periody probíhá dvakrát a závisí na úhlové rychlosti, která určuje počet cyklů.
4. Energie radaru je výrazně vyšší ve srovnání s metodou SAR, protože se používá užší obrazec. Cíl (terénní prvek) je umístěn ve směru pozorování kolmo na vektor úhlové rychlosti.
5. Volbou úhlu sklonu antény je vyloučen horizontální pohled na zemský povrch
1. Sollogub A.V et al. Posouzení účinnosti shluku malých kosmických lodí pro dálkový průzkum Země z hlediska účinnosti a spolehlivosti plnění funkčních úkolů // Informační a řídicí systémy. 2012. č. 5(60). s. 24-28.
2. Verba V. S., Neronsky L. B., Osipov I. G., Turuk V. E. Space-based land survey radar systems / ed. V. S. Verba. - M.: Radiotechnika, 2010. - 680 s.
3. Vinogradov M. Schopnosti moderních radarů se syntézou anténní apertury // Foreign Military Review. 2009. č. 2. S. 52-56.
dosah přímo pod nosičem, kde je rozlišení radaru extrémně nízké.
Závěr
Tento příspěvek zkoumá hlavní směry vývoje kosmických radarových systémů pro sledování zemského povrchu a historii vzniku těchto prostředků. Jsou analyzovány stávající metody a je provedeno srovnávací posouzení hlavních technických charakteristik. Je navržen způsob syntézy apertury založený na kruhovém pohybu přijímací antény pomocí rotačně stabilizované kosmické lodi. Byly identifikovány způsoby, jak zlepšit technické vlastnosti palubního radaru pro řešení aplikovaných problémů.
4. Sesin A. E., Shepeta D. A. Matematický model echo signálů mořské hladiny pozorovaných palubními lokátory letadel // Informační a řídicí systémy. 2010. č. 2. S. 21-25.
5. Zakharova L.N. a kol. 2011. T. 56. č. 1. S. 5-19.
Úhlové rozlišení je nejdůležitější charakteristikou každého teleskopického systému. Optika uvádí, že toto rozlišení jednoznačně souvisí s vlnovou délkou, při které se pozorování provádí, a s průměrem vstupního otvoru dalekohledu. Jak víte, velké průměry jsou velkým problémem. Je nepravděpodobné, že by kdy byl postaven dalekohled větší než tento.
Jednou z cest, jak výrazně zvýšit rozlišení, je metoda syntézy velkých a ultravelkých apertur, používaná v radioastronomii a radaru. V milimetrovém rozsahu největší aperturu – 14 km – slibuje tvořit 66 antén projektu ALMA v Chile.
Přenos metod aperturní syntézy do optické oblasti, kde jsou vlnové délky o několik řádů kratší než u radarů, je spojen s rozvojem technologie laserové heterodyny.
1.Fyzikální základy tvorby obrazu.
Nebude chybou tvrdit, že obraz v jakémkoli optickém zařízení vzniká difrakcí světla na vstupní cloně a ničím jiným. Podívejme se na obraz objektu ze středu clony. Úhlové rozložení jasu obrazu nekonečně vzdáleného bodového zdroje světla (jako ostatně kteréhokoli jiného) bude stejné pro čočku a dírkovou komoru stejného průměru. Rozdíl mezi čočkou a dírkou je pouze v tom, že čočka přenáší obraz tvořený její clonou z nekonečna do své ohniskové roviny. Nebo, jinak řečeno, vytváří fázovou transformaci vlnoplochy vstupní roviny na sféricky konvergující. Pro vzdálený bodový zdroj a kruhovou clonu je obrazem dobře známý vzor Airy ring pattern. 
Úhlová velikost disku Airy může být v zásadě zmenšena a rozlišení se zdá být zvýšeno (podle Rayleighova kritéria), pokud je clona aperturována zvláštním způsobem. Existuje radiální rozdělení přenosu, takže centrální disk může být teoreticky libovolně malý. V tomto případě se však světelná energie přerozdělí mezi prstence a kontrast komplexního obrazu klesne na nulu.
Z matematického hlediska je postup tvorby difrakčního obrazu redukován na dvourozměrnou Fourierovu transformaci vstupního světelného pole (ve skalární aproximaci je pole popsáno komplexní funkcí souřadnic a času). Jakýkoli obraz zaznamenaný okem, obrazovkou, maticí nebo jiným přijímačem kvadratické intenzity není nic jiného než dvourozměrné amplitudové spektrum světelného pole vyzařovaného předmětem, omezeného aperturou. Je snadné získat stejný Airy obrázek, pokud vezmete čtvercovou matici identických komplexních čísel (simulující rovinné čelo vlny ze vzdáleného bodu), „vyříznete“ z ní kruhovou „aperturu“, vynulujete okraje a provedete Fourierova transformace celé matice.
Stručně řečeno, pokud nějakým způsobem zaznamenáte pole (syntetizujete aperturu) na dostatečně velké ploše, aniž byste ztratili informace o amplitudě a fázi, pak se pro získání obrazu můžete obejít bez obřích zrcadel moderních dalekohledů a megapixelových matric, jednoduše výpočtem Fourierovy transformaci výsledného datového pole.
2. Umístění satelitu a super-rozlišení.
Budeme pozorovat stabilizovaný objekt pohybující se napříč zorným polem, osvětlený spojitým koherentním laserovým zdrojem. Záření od něj odražené zaznamenává heterodynový fotodetektor s malou aperturou. Záznam signálu během času t je ekvivalentní implementaci jednorozměrné apertury o délce vt, kde v je tangenciální rychlost objektu. Je snadné vyhodnotit potenciální rozlišení takové metody. Podívejme se na blízkozemní satelit v horní elongaci, letící ve výšce 500 km rychlostí 8 km/s. Za 0,1 sekundy záznamu signálu získáme „jednorozměrný dalekohled“ měřící 800 metrů, teoreticky schopný prohlížet detaily satelitů ve viditelném rozsahu o velikosti zlomku milimetru. Na takovou vzdálenost to není špatné.
Odražený signál na takové vzdálenosti je samozřejmě oslaben o mnoho řádů. Heterodynní příjem (koherentní míšení s referenčním zářením) však tento útlum do značné míry kompenzuje. Ostatně, jak známo, výstupní fotoproud přijímače je v tomto případě úměrný součinu amplitud referenčního záření a příchozího signálu. Zvýšíme podíl referenčního záření a tím zesílíme celý signál.
Můžete se podívat z druhé strany. Spektrum zaznamenaného signálu z fotodetektoru je souborem dopplerovských složek, z nichž každá je součtem příspěvků všech bodů objektu, které mají stejnou radiální rychlost. Jednorozměrné rozložení reflexních bodů na předmětu určuje frekvenční rozložení spektrálních čar. Výsledné spektrum je v podstatě jednorozměrným „obrazem“ objektu podél souřadnice „Dopplerova posunu“. Dva body našeho satelitu, umístěné ve vzdálenosti 1 mm od sebe v rovině kolmé k přímce pohledu, mají rozdíl v radiálních rychlostech řádově 0,01-0,02 mm/s. (Poměr tohoto rozdílu k rychlosti satelitu se rovná poměru vzdálenosti mezi body ke vzdálenosti k satelitu). Rozdíl v Dopplerových frekvencích těchto bodů pro viditelnou vlnovou délku 0,5 μm bude (f=2V/λ) řádově 100 Hz. Spektrum (Dopplerův snímek) z celého mikrosatelitu, řekněme o velikosti 10 cm, bude spadat do rozsahu 10 kHz. Docela měřitelné množství.
Můžete se také podívat ze třetí strany. Tato technologie není nic jiného než záznam hologramu, tzn. interferenční vzor, ke kterému dochází při smíchání referenčního a signálového pole. Obsahuje informace o amplitudě a fázi dostatečné k rekonstrukci úplného obrazu objektu.
Osvětlením satelitu laserem, záznamem odraženého signálu a jeho smícháním s referenčním paprskem z téhož laseru tedy získáme na fotodetektoru fotoproud, jehož závislost na čase odráží strukturu světelného pole podél „ jednorozměrná clona“, jejíž délku, jak již bylo řečeno, lze určit dostatečně velkou.
Dvourozměrná clona je samozřejmě mnohem lepší a informativní. Uspořádejme několik fotodetektorů rovnoměrně napříč pohybem družice a zapišme tak odražené pole na plochu vt*L, kde L je vzdálenost mezi vnějšími fotodetektory, která v zásadě není ničím omezena. Například stejných 800 metrů. Syntetizujeme tedy aperturu „dvourozměrného dalekohledu“ o rozměrech 800*800 metrů. Rozlišení podél příčné souřadnice (L) bude záviset na počtu fotodetektorů a vzdálenosti mezi nimi a na druhé, „časové“ souřadnici (vt) - na šířce pásma laserového záření a frekvenci digitalizace signálu z fotodetektor.
Máme tedy zaznamenané světelné pole na velmi velké ploše a můžeme si s ním dělat, co chceme. Získejte například dvourozměrný obraz velmi malých objektů na velmi velkou vzdálenost bez použití dalekohledů. Nebo můžete rekonstruovat trojrozměrnou strukturu objektu digitálním přeostřením na dálku.
Skutečná trojrozměrná konfigurace odrážejících bodů na objektu se samozřejmě ne vždy shoduje s jejich „dopplerovským“ rozložením radiální rychlosti. Pokud budou tyto body ve stejné rovině, bude to náhoda. Ale v obecném případě lze z „Dopplerova obrazu“ získat mnoho užitečných informací.
3. Co se stalo předtím.
Americká DARPA před časem financovala program, jehož podstatou bylo implementovat takovou technologii. Měla lokalizovat objekty na zemi (například tanky) z létajícího letadla s ultravysokým rozlišením. Tento program byl však v roce 2007 buď uzavřen nebo klasifikován a od té doby o něm nebylo nic slyšet. Něco se udělalo i v Rusku. Zde můžete vidět obrázek získaný při vlnové délce 10,6 mikronů.
4. Obtíže při technické realizaci při vlnové délce 1,5 mikronu.
Po zralé úvaze jsem se rozhodl sem nic psát. Příliš mnoho problémů.
5. Některé primární výsledky.
Doposud bylo obtížné „vidět“ ze vzdálenosti 300 metrů detaily plochého, difúzně reflexního kovového předmětu o rozměrech 6 x 3 mm. Byl to kus nějaké desky s plošnými spoji, tady je fotka: 
Objekt se otáčel kolem osy kolmé na linii pohledu a odražený signál byl zaznamenán přibližně v okamžiku maximálního odrazu (vzplanutí). Laserová skvrna osvětlující objekt byla velká asi 2 cm. Byly použity pouze 4 fotodetektory, vzdálené od sebe 0,5 metru. Velikost syntetizovaného otvoru se odhaduje na 0,5 m x 10 m.
Vlastně, pro případ, samotné zaznamenané signály (vlevo) a jejich spektra (vpravo) v relativních jednotkách: 
Z předchozí fotografie objektu Photoshop vybral pouze osvětlené a reflexní oblasti, které nás zajímají a které chceme vidět: 
Obrázek rekonstruovaný 2D Fourierovou transformací ze 4 signálů a zmenšený pro srovnání: 
Tento obrázek se ve skutečnosti skládá pouze ze 4 řad (a asi 300 sloupců), vertikální rozlišení obrázku je tedy asi 0,5 mm, ale tmavý roh a oba kulaté otvory se zdají být viditelné. Horizontální rozlišení je 0,2 mm, to je šířka vodivých drah na desce, všech pět je vidět. (Běžný dalekohled by musel mít průměr dva metry, aby je viděl v blízké infračervené oblasti).
Po pravdě řečeno, získané rozlišení je stále daleko od teoretického limitu, takže by bylo hezké dovést tuto technologii k realizaci. Ďábel, jak víme, se skrývá v detailech a těch je zde hodně.
Děkuji za pozornost.