Sinteza deschiderii antenei este una dintre cele mai promițătoare domenii în dezvoltarea radarului, care a apărut la sfârșitul anilor 50 și a atras imediat atenția pe scară largă. Principalul avantaj al acestei direcții este o creștere multiplă (de 1000 sau de mai multe ori) a rezoluției unghiulare a radarului. Acest lucru asigură posibilitatea de vizualizare radio a obiectelor radar și de detectare a obiectelor mici, crescând precizia desemnării țintei și imunitatea la zgomot a radarului. În prima etapă de dezvoltare a acestei zone, principalele succese au fost obținute în creșterea semnificativă a eficienței recunoașterii aeriene și spațiale. Ulterior, metodele de sinteză a diafragmei au început să fie utilizate în complexele de recunoaștere și lovitură, radare multifuncționale pentru avioane pentru detectarea țintelor mici și de grup și îndreptarea armelor dirijate către acestea, în radarele de supraveghere planificate, sistemele electronice de recunoaștere și navigație.
Au existat două etape în dezvoltarea teoriei și practicii de la radar la viziunea radio.
În prima etapă, datorită utilizării semnalelor de sondare în bandă largă (100 MHz sau mai mult), a fost posibil să se asigure o rezoluție ridicată în întârzierea semnalului și, în consecință, o rezoluție mare în rază (câțiva metri sau mai bine). Rezoluția intervalului este dată de
Lățimea spectrului a semnalului de sondare.
- lungimea de unda radar; c 1 - dimensiunea antenei,
Formarea modelului unei antene reale. Pentru a explica principiul sintezei deschiderii, luăm în considerare mai întâi formarea modelului de radiație al unei antene reale, care determină rezoluția de-a lungul coordonatei unghiulare a unui radar convențional.
Să existe o deschidere liniară a antenei de mărimea d pe care o undă electromagnetică plană cade la un unghi de 0 (Fig. 2.1), adică. Antena primește.
Prin deschidere (deschidere) înțelegem acea parte a antenei care este implicată în emisia sau recepția unei unde electromagnetice. Frontul de undă este o suprafață cu faze egale. În cazul în cauză, acesta este un avion. Faza undei electromagnetice de-a lungul deschiderii (axa X) este determinată de întârzierea frontului de undă în raport cu centrul deschiderii:
unde r(x) este distanța de la frontul de undă la punctul x de pe deschidere.
Modelul de radiație se formează ca rezultat al însumării în fază a unei unde electromagnetice incidente pe deschidere:
Intensitatea undelor electromagnetice.
Modelul de radiație normalizat în acest caz este egal cu
la un nivel de 0,7 sau, ceea ce este același, 0,5 în putere:
Când o antenă funcționează nu numai pentru recepție, ci și pentru transmisie, modelul este determinat ca
și lățimea fasciculului echivalent pentru transmisie și recepție
Într-un caz mai general, deschiderea antenei determină volumul semnalului spațiu-timp analizat, care reprezintă dependența intensității, fazei și polarizării câmpului electromagnetic de coordonatele spațiale și de timp. Astfel, deschiderea se caracterizează prin dimensiunile geometrice ale volumului analizat al undei electromagnetice, timpul de analiză, parametrii de polarizare și frecvență. În acest caz, rezoluția de-a lungul coordonatei unghiulare este determinată de modificarea semnalului spațiu-timp în deschiderea antenei în funcție de poziția unghiulară a sursei de unde electromagnetice.
Exemple binecunoscute ale unui astfel de semnal spațiu-timp sunt lentilele holografice volumetrice și deschiderile sintetizate.
Sinteza diafragmei. Principala diferență între deschiderile sintetizate (artificiale) și deschiderile antenei convenționale (reale) este că deschiderea sintetică (SA) se formează secvenţial în timp. În orice moment, recepția unei unde electromagnetice este realizată de o deschidere reală, iar deschiderea sintetizată este rezultatul unei recepții secvențiale în timp a unei unde electromagnetice de către o deschidere reală în poziția sa diferită față de sursa unde electromagnetice. Să luăm în considerare procesul de sinteză folosind exemplul formării unei deschideri SAR rectilinie (Fig. 2.2).
Modelul său de radiație de recepție este determinat în același mod ca modelul deschiderii reale. Incursiune în faza de undă între două poziții ale unei antene reale pe o traiectorie
de două ori mai mare decât o deschidere convențională, ceea ce se datorează trecerii duble a undei electromagnetice la distanța r (în timpul transmisiei și recepției). Ca urmare, lățimea modelului de radiație al unei deschideri SAR sintetizate de acest tip este mai mică decât cea a unei deschideri reale de aceeași dimensiune:
Principalul rezultat al sintezei deschiderii este că dimensiunea diafragmei a crescut de N ori în comparație cu dimensiunea deschiderii reale.
ca rezultat deschiderea sintetizată
mutând antena reală. În acest caz, efectul se realizează prin creșterea volumului câmpului analizat în spațiu și timp.
Proprietățile de bază ale unei deschideri sintetizate. Să luăm în considerare principalele proprietăți ale deschiderii sintetizate.
pentru aeronavele de bord și sistemele spațiale. Valorile tipice pentru dimensiunile relative ale deschiderilor diferitelor sisteme sunt următoarele:
Datorită dimensiunii mari a deschiderii SAR, este posibil să se obțină o rezoluție liniară mare în coordonate unghiulare la distanțe mari:
Diafragma sintetizată se formează ca urmare a recepționării și procesării semnalelor reflectate de la țintă, adică diafragma sintetizată determină modelul numai pentru recepție. Modelul de transmisie în timpul sintezei deschiderii este determinat de modelul antenei reale. Proprietățile de polarizare și frecvență ale SA sunt determinate și de antena reală.
Când sintetizați o deschidere, doar un element de antenă (antena reală) poate funcționa (emite, recepționa) la un moment dat. În acest caz, problemele electrodinamice nu apar în timpul formării întregii deschideri, deoarece nu există nicio interacțiune a elementelor în câmpul electromagnetic. Sarcina de a sintetiza deschiderea și de a forma modelul de radiație se reduce de fapt la dezvoltarea algoritmilor și implementarea lor de către procesorul de procesare a semnalului de traiectorie. În ceea ce privește o antenă reală, modelul unei deschideri sintetizate este dependența semnalului de la ieșirea procesorului de coordonatele unghiulare a unei surse punctuale de radiație sau reemisie (în cazul SAR activ).
Modelul poate fi cu un singur fascicul, cu mai multe fascicule, monopuls, adaptiv etc.
Obiectele de observare SAR sunt în majoritatea cazurilor situate în zona intermediară (zona Fresnel) a deschiderii, și nu în zona îndepărtată, ca în cazul majorității antenelor reale. Pentru recepția în câmp îndepărtat, frontul de undă la deschidere se presupune a fi plat. Pe măsură ce dimensiunea deschiderii crește (sau distanța până la obiect scade), sfericitatea frontului de undă nu mai poate fi neglijată. De obicei, condiția de câmp îndepărtat este scrisă ca
Pentru o antenă radar reală la bord, limita zonei îndepărtate este de aproximativ 100 m, iar atunci când este sintetizată, se ridică la mii de kilometri. Prin urmare, în SAR, la procesarea unui semnal de traiectorie, este necesar să se țină cont de sfericitatea frontului de fază al undei electromagnetice. În cel mai simplu SAR, când dimensiunea SA este mică, curbura frontului de unde electromagnetice nu este luată în considerare. Acest mod se numește îngustarea fasciculului Doppler (DBT), iar creșterea rezoluției este mică (10...30) ori.
Luând în considerare sfericitatea frontului de undă la procesarea semnalului de traiectorie se numește focalizare, iar deschiderea, în consecință, se numește deschidere focalizată. În fig. Figura 2.3 prezintă distribuția câmpului deschiderilor nefocalizate (DOL) (a) și focalizate (b) în zonele intermediare și îndepărtate ale modelului.
La distanța de focalizare, de ex. la fel ca o antenă convențională cu câmp îndepărtat. Putem spune că procesul de focalizare transferă proprietățile direcționale ale deschiderii din zona îndepărtată în zona intermediară.
Deoarece sfericitatea frontului de undă depinde de distanța până la obiect, este necesară o lege de focalizare diferită pentru diferite distanțe, de exemplu. Pentru a asigura focalizarea SA, este necesar un algoritm multicanal pentru procesarea semnalului de traiectorie.
Datorită focalizării, SA oferă nu numai rezoluție unghiulară, ci și gamă în zona intermediară, chiar și cu un semnal modulat. Cu toate acestea, este de obicei mic, iar rezoluția intervalului este furnizată prin modularea semnalului de sondare.
Principalele surse de erori - incoerența semnalului de traiectorie - sunt instabilitățile de fază ale modulelor transceiver, instabilitățile de traiectorie ale purtătorului SAR și instabilitatea mediului de propagare a undelor electromagnetice. Astfel, eroarea admisibilă în cunoașterea traiectoriei antenei este egală cu câțiva milimetri (în intervalul centimetric al undei electromagnetice). Acest lucru necesită măsuri speciale pentru a compensa aceste erori folosind sisteme de micro-navigație și algoritmi de focalizare automată.
Caracteristicile energetice ale SA (raportul semnal/zgomot intern) sunt determinate de câștigul antenei reale și de timpul de sinteză, i.e. timp de acumulare coerentă a semnalelor. Imunitatea la zgomot la interferența activă și pasivă externă este determinată atât de modelul antenei reale, cât și de proprietățile direcționale ale SA, adică selecția spațială a interferenței.
Într-adevăr, la fiecare poziție a antenei în timpul sintezei deschiderii, puterea semnalului recepționat este determinată de puterea radiației și câștigul antenei, iar adăugarea în fază a acestor semnale în timpul sintezei este echivalentă cu acumularea de energie a semnalului în timpul sintezei la un puterea spectrală constantă a zgomotului intern. În plus, selecția unghiulară este posibilă în ceea ce privește sursele de interferență externă, a căror eficacitate depinde de modelele deschiderilor reale și sintetizate.
Mișcarea relativă a antenei și a obiectului necesar formării SA poate fi realizată prin diferite metode. Formarea unui SA ca rezultat al mișcării unei antene cu un obiect staționar se numește sinteză directă, iar formarea unui SA ca rezultat al mișcării unui obiect și a unei antene staționare se numește sinteză inversă. În acest caz, formarea unui SA este posibilă ca urmare a rotației obiectului, ceea ce este echivalent cu mișcarea antenei în jurul obiectului.
Utilizarea nu a uneia, ci a mai multor antene simultan în procesul de sinteză face posibilă sintetizarea SA nu numai liniare, ci și plate și volumetrice.
ceea ce reprezintă o sarcină extrem de dificilă pentru calculatoarele digitale de bord. În condiții de sol, această problemă este rezolvată cu succes de un procesor optic care utilizează înregistrarea semnalului de traiectorie pe film fotografic și procesarea semnalului analogic folosind un sistem optic coerent.
Sinteza diafragmei necesită un anumit timp, ceea ce duce la întârzierea informațiilor în SAR. Întârzierea minimă a informației este determinată de timpul de sinteză, adică. momentul formării SA. De obicei, este vorba de zecimi - unități de secunde. Întârzierea maximă este determinată ținând cont de timpul de execuție al algoritmului de sinteză de către procesorul corespunzător pentru procesarea semnalelor de traiectorie. Procesoarele optice de la sol au cea mai mare latență. Se compune din timpul de zbor al aeronavei în zona de operare SAR, timpul de întoarcere la bază, timpul de livrare a filmului fotografic cu înregistrarea semnalelor de traiectorie către laborator, timpul de prelucrare fotochimică a filmului, procesare optică și înregistrarea imaginii pe filmul fotografic secundar și, în final, prelucrarea fotochimică a filmului secundar. Acest timp poate ajunge la câteva ore.
Unul dintre domeniile importante de utilizare a radarelor este utilizarea lor la bordul unei aeronave care supraveghează suprafața pământului. În funcție de sarcinile care se rezolvă, de dimensiunea necesară a zonei de vizualizare și de timpul de revizuire, se disting următoarele tipuri de revizuire:
· vedere în bandă (vedere anterolaterală);
· revizuire sectorială;
· vedere telescopică.
Sunt posibile și alte tipuri de recenzii, care sunt fie cazuri speciale ale recenziilor de mai sus, fie combinații ale acestora.
O măsură a poziției unghiulare a obiectului care emite și un parametru care permite măsurarea coordonatelor unghiulare și furnizarea rezoluției unghiulare este frecvența Doppler. Condițiile favorabile pentru rezolvarea acestor probleme sunt create în condiția unei vederi laterale a suprafeței pământului a aeronavei, menținând cursul, frecvența și viteza.
Detaliul unei imagini radar a suprafeței pământului depinde de rezoluția în direcția transversală față de radar, precum și de rezoluția de-a lungul căii.
Rezoluția în direcția transversală (rezoluția tangențială) depinde de banda de semnale sonore și de unghiul de elevație al obiectelor din planul transversal.
Rezoluția de-a lungul căii este diferită între procesarea necoerentă și cea coerentă. În primul caz, este determinat de lățimea diagramei de radiație corespunzătoare deschiderii antenei plasate pe aeronavă. Cu o procesare coerentă, aceasta poate fi crescută semnificativ în funcție de deschiderea sintetizată, determinată de cantitatea de mișcare a aeronavei în timpul procesării.
La construirea radarelor cu echipamente sintetizate, la bordul aeronavei este instalată o antenă slab direcțională, oferind o vedere laterală a spațiului (Fig. 6.1). Semnalele primite din diferite puncte ale traiectoriei sunt stocate și procesate, ca într-o matrice de antene, unde sunt adăugate în fază, formând amplitudinea maximă a semnalului total.
O antenă sintetizată este formată prin deplasarea unui element, axă a modelului de radiație al căruia este orientată perpendicular pe calea de zbor rectilinie (Fig. 6.2).
Când se utilizează semnale de impuls, acestea sunt recepționate și stocate în puncte de traiectorie distanțate unul față de celălalt la o distanță unde este viteza de zbor; - perioada de repetare a pulsului. În continuare, semnalele sunt rezumate în circuitul prezentat în Fig. 2. Distanța la care are loc însumarea este deschiderea antenei sintetizate (Fig. 6.3).
Însumarea semnalelor se realizează în linia de întârziere LZ. Există antene sintetizate nefocalizate (Fig. 6.4.) și focalizate. O caracteristică a unei antene nefocalizate este însumarea semnalelor primite defazate. Lungimea echivalentă este limitată de posibilitatea însumării semnalelor aproximativ în fază, adică atunci când diferența de distanțe de la radar la țintă nu depășește λ/8 (Figura 6.5).
Datorită micimii termenului al doilea, obținem
Lățimea diagramei de radiație a unei astfel de antene
(6.3)
În acest caz, rezoluția tangențială
(6.4)
îmbunătățit în comparație cu antena panoramică
unde este rezoluția azimutală.
Acum este proporțional nu cu R, ci cu .
În antenele focalizate, schimbările de fază sunt introduse în lanțul de elemente ale matricei din antene pentru a compensa mișcarea radarului față de țintă (Fig. 6.6).
Dimensiunea unei antene reale în plan orizontal este L, lățimea modelului său
Lungimea antenei sintetizate este egală cu lungimea traiectoriei de zbor de-a lungul căreia radarul iradiază circuitul (Fig. 6.7).
Lățimea modelului de radiație al antenei este
.
Rezoluție tangențială
. (6.7)
Nu depinde de rază și este egal cu jumătate din dimensiunea unei antene reale.
Este imposibil să construiești un radar cu antenă sintetizată în mod tradițional deoarece necesită semnificative: lungimea antenei focalizate (sute de m); întârzierea semnalului în linia de întârziere (zeci de s); numărul de impulsuri însumate (zeci de mii).
În practică, efectul Doppler și filtrarea potrivită sunt folosite pentru a construi un radar cu o antenă sintetizată. Informațiile de frecvență Doppler sunt folosite ca măsură a poziției unghiulare. Fie emițătorii A de oscilații monocromatice continue de frecvență f 0 să fie amplasați de-a lungul liniei drepte x, paralele cu traiectoria aeronavei, situate în banda laterală (Figura 6.8).
În fiecare moment de timp, oscilațiile emise pot fi distinse prin frecvența Doppler
. (6.8)
Dacă evaluăm modificările în timp ale distanței de la receptor la punctul A, putem determina legea modulației semnalului
unde este momentul în care receptorul se află la cea mai scurtă distanță r 0 de punctul A. Modificarea pătrată a timpului de întârziere corespunde unei modificări liniare a frecvenței instantanee
(6.10)
Astfel, semnalul primit este modulat în frecvență. Când este procesat într-un filtru optim potrivit cu semnalul modulat în frecvență așteptat, se observă compresia semnalului. Durata semnalului comprimat este
(6.11)
unde este durata răspunsului la impulsul filtrului. Un impuls comprimat similar va fi primit pentru un semnal care vine din orice alt punct A; intervalul de timp dintre aceste impulsuri va fi = unde este viteza țintei. Intervalul de timp minim admis este determinat de durata pulsului comprimat
Raportul / = poate fi considerat ca o măsură a rezoluției unghiulare sintetizate
(6.13)
unde = este dimensiunea diafragmei echivalente sintetizate formată prin deplasarea punctului de recepție pe durata acumulării coerente. Compresia vă permite să obțineți o rezoluție similară cu cea a unei antene focalizate.
Pentru a asigura rezoluția intervalului, este necesar să folosiți radiații pulsate, iar impulsurile trebuie să fie coerente între ele.
Astfel, un radar cu deschidere sintetică trebuie să conțină
1. radar cu puls coerent cu coerență adevărată;
2. un sistem de procesare a semnalului care trebuie să efectueze o procesare optimă a azimutului (filtrare potrivită) în fiecare element de rezoluție de gamă.
Una dintre opțiunile pentru un astfel de localizator este prezentată în Fig. 6.9.
Se pot folosi și alte scheme, dar semnalele trebuie să fie coerente (de exemplu, tăierea din aceeași oscilație armonică).
Elementul de ieșire al receptorului radar cu impuls coerent este un detector de fază, a cărui tensiune de ieșire este determinată după cum urmează
unde , sunt amplitudinile tensiunii ale oscilatorului local coerent și ale semnalului de ieșire;
Fazele inițiale ale oscilațiilor;
Schimbarea frecvenței Doppler.
Semnalul de la o țintă punctuală la ieșirea detectorului de fază este o secvență de impulsuri cu o anvelopă care repetă pătratul modelului de directivitate al unei antene reale și modularea amplitudinii prin frecvența Doppler (Fig. 6.10). în timpul perioadei de repetiție T p, apoi se efectuează filtrarea coordonată pentru fiecare dintre ele.
Există următoarele metode pentru construirea echipamentului corespunzător:
1. Înregistrarea semnalelor de la un detector de fază pe film fotografic cu procesare optică ulterioară.
2. Procesarea digitală a semnalului.
Procesarea digitală se bazează pe detectarea optimă a unei explozii de impulsuri radio cu o fază inițială aleatorie. Prelucrarea optimă se reduce la calcularea modulului integralei de corelație. Dar, deoarece semnalul nu este continuu, ci discret, nu integrala este calculată, ci suma
unde este producerea semnalului de intrare;
– functie de suport;
n – numărul eșantionului de semnal de imagine;
k – numărul de referință al funcției de referință;
N – numărul de valori discrete ale funcției suport.
În cazul prelucrării digitale, schema bloc a receptorului are forma prezentată în Fig. 6.11.
Pentru a găsi părțile reale și imaginare ale reprezentării semnalului de intrare, dispozitivul de procesare este construit cu canale în cuadratura (Fig. 6.12). În fig. Figura 6.13 prezintă structura procesării digitale într-un element de rezoluție.
Circuitul efectuează operațiunile prevăzute conform formulei pentru S out (n): părțile reale și imaginare ale produsului se găsesc sub semnul sumei pentru fiecare dintre cele N valori ale funcției suport și se însumează.
REVISTA MILITARĂ STRĂINĂ Nr. 2/2009, p. 52-57
Căpitan M. VINOGRADOV,
Candidat la Științe Tehnice
Echipamentele radar moderne instalate pe aeronave și nave spațiale reprezintă în prezent unul dintre segmentele de cea mai rapidă dezvoltare ale tehnologiei radio-electronice. Identitatea principiilor fizice care stau la baza construcției acestor instrumente face posibilă luarea în considerare a acestora într-un singur articol. Principalele diferențe dintre radarele spațiale și cele de aviație constă în principiile procesării semnalului radar asociate cu diferite dimensiuni de deschidere, caracteristicile propagării semnalelor radar în diferite straturi ale atmosferei, necesitatea de a lua în considerare curbura suprafeței pământului, etc. În ciuda acestor diferențe, dezvoltatorii radarelor cu deschidere sintetică (RSA) depun toate eforturile pentru a obține o similaritate maximă în capacitățile acestor mijloace de recunoaștere.»
În prezent, radarele de bord cu deschidere sintetică fac posibilă rezolvarea problemelor de recunoaștere vizuală (împușcarea suprafeței pământului în diferite moduri), selectarea țintelor mobile și staționare, analizarea schimbărilor în situația solului, fotografierea obiectelor ascunse în păduri și detectarea obiecte marine îngropate și de dimensiuni mici.
Scopul principal al SAR este un studiu detaliat al suprafeței pământului.
Prin creșterea artificială a deschiderii antenei de bord, al cărei principiu principal este acumularea coerentă a semnalelor radar reflectate pe intervalul de sinteză, este posibilă obținerea unei rezoluții unghiulare ridicate. În sistemele moderne, rezoluția poate atinge zeci de centimetri atunci când funcționează în intervalul de lungimi de undă de centimetri. Valori similare de rezoluție ale intervalului sunt obținute prin utilizarea modulației intrapulse, de exemplu, modulația liniară a frecvenței (chirp). Intervalul de sinteză a deschiderii antenei este direct proporțional cu altitudinea de zbor a purtătorului SAR, ceea ce asigură că rezoluția de fotografiere este independentă de altitudine.
Orez. 3. Vizualizarea imaginilor la diferite niveluri de detaliu
În prezent, există trei moduri principale de supraveghere a suprafeței pământului: vedere de ansamblu, scanare și detaliată (Fig. 1). În modul sondaj, suprafața terestră este efectuată continuu în banda de achiziție, în timp ce modurile lateral și frontal-lateral sunt separate (în funcție de orientarea lobului principal al modelului de radiație al antenei). Semnalul este acumulat pe o perioadă de timp egală cu intervalul calculat pentru sintetizarea deschiderii antenei pentru condițiile de zbor date ale purtătorului radar. Modul de fotografiere prin scanare diferă de modul sondaj prin aceea că fotografierea se efectuează pe toată lățimea benzii de vizualizare, în dungi egale cu lățimea benzii de captură. Acest mod este utilizat exclusiv în radarele spațiale. Când fotografiați în modul detaliat, semnalul se acumulează pe un interval mai mare în comparație cu modul de prezentare generală. Intervalul este mărit prin deplasarea lobului principal al modelului de radiație al antenei sincron cu mișcarea purtătorului radar, astfel încât zona iradiată să fie constant în zona de tragere. Sistemele moderne fac posibilă obținerea de imagini ale suprafeței pământului și ale obiectelor situate pe acesta cu rezoluții de ordinul a 1 m pentru vedere de ansamblu și 0,3 m pentru modurile detaliate. Compania Sandia a anunțat crearea unui SAR pentru UAV-uri tactice, care are capacitatea de a sonda cu o rezoluție de 0,1 m într-un mod detaliat. Metodele rezultate de procesare digitală a semnalului recepționat, o componentă importantă a cărora sunt algoritmii adaptivi pentru corectarea distorsiunilor traiectoriei, au un impact semnificativ asupra caracteristicilor rezultate ale SAR (în ceea ce privește suprafața terestră). Este incapacitatea de a menține o traiectorie rectilinie a purtătorului pentru o perioadă lungă de timp care nu permite obținerea de rezoluții comparabile cu modul detaliat în modul de fotografiere continuă, deși nu există restricții fizice privind rezoluția în modul de vedere generală.
Modul de sinteză a deschiderii inverse (ISA) permite ca deschiderea antenei să fie sintetizată nu datorită mișcării purtătorului, ci datorită mișcării țintei iradiate. În acest caz, s-ar putea să nu vorbim despre mișcarea de translație, caracteristică obiectelor de la sol, ci despre mișcarea pendulului (în diferite planuri), caracteristică echipamentelor plutitoare care se balansează pe valuri. Această capacitate determină scopul principal al IRSA - detectarea și identificarea obiectelor marine. Caracteristicile IRSA moderne fac posibilă detectarea cu încredere chiar și a obiectelor de dimensiuni mici, cum ar fi periscoapele submarine. Toate aeronavele aflate în serviciu cu Forțele Armate ale Statelor Unite și ale altor țări ale căror misiuni includ patrularea zonei de coastă și a zonelor de apă sunt capabile să filmeze în acest mod. Caracteristicile imaginilor obținute în urma fotografierii sunt similare cu cele obținute în urma fotografierii cu sinteză directă (non-inversă) a diafragmei.
Modul de sondaj interferometric (Interferometric SAR - IFSAR) vă permite să obțineți imagini tridimensionale ale suprafeței pământului. În același timp, sistemele moderne au capacitatea de a efectua fotografierea într-un singur punct (adică de a folosi o antenă) pentru a obține imagini tridimensionale. Pentru a caracteriza datele imaginii, pe lângă rezoluția obișnuită, este introdus un parametru suplimentar, numit acuratețea înălțimii sau rezoluția înălțimii. În funcție de valoarea acestui parametru, se determină mai multe gradații standard ale imaginilor tridimensionale (DTED - Digital Terrain Elevation Data):
DTEDO......................... 900m
DTED1.........................90m
DTED2........................ 30m
DTED3...........................10m
DTED4........................ Zm
DTED5........................ 1 m
Tipul de imagini ale unei zone urbanizate (model), corespunzătoare diferitelor niveluri de detaliu, este prezentat în Fig. 3.
Nivelurile 3-5 sunt denumite oficial „date de înaltă rezoluție”(HRTe - Înalt Rezoluţie Teren Altitudinea date). Locația obiectelor de la sol în imaginile nivelurilor 0-2 este determinată în sistemul de coordonate WGS 84, înălțimea este măsurată în raport cu marcajul zero. Sistemul de coordonate pentru imagini de înaltă rezoluție nu este în prezent standardizat și este în discuție. În fig. Figura 4 prezintă fragmente de zone reale ale suprafeței pământului obținute ca urmare a fotografierii stereo cu rezoluții diferite.
În anul 2000, naveta spațială americană, în cadrul proiectului SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), al cărui scop era obținerea de informații cartografice la scară largă, a efectuat sondaje interferometrice ale părții ecuatoriale a Pământului în banda de la 60. ° N. w. la 56° sud sh., rezultând un model tridimensional al suprafeței pământului în format DTED2. Proiectul NGA HRTe este dezvoltat în SUA pentru a obține date 3D detaliate? în cadrul cărora vor fi disponibile imagini de la nivelurile 3-5.
Pe lângă imaginile radar ale zonelor deschise ale suprafeței pământului, radarul aeropurtat are capacitatea de a obține imagini cu scene ascunse de ochii observatorului. În special, vă permite să detectați obiectele ascunse în păduri, precum și pe cele situate sub pământ.
Radar de penetrare (GPR, Ground Penetrating Radar) este un sistem de teledetecție, al cărui principiu de funcționare se bazează pe procesarea semnalelor reflectate din zone deformate sau compozițional diferite situate într-un volum omogen (sau relativ omogen). Sistemul de sondare a suprafeței pământului face posibilă detectarea golurilor, fisurilor și a obiectelor îngropate situate la adâncimi diferite și identificarea zonelor cu densități diferite. În acest caz, energia semnalului reflectat depinde puternic de proprietățile de absorbție ale solului, de dimensiunea și forma țintei și de gradul de eterogenitate al regiunilor de limită. În prezent, GPR, pe lângă aplicațiile militare, s-a dezvoltat într-o tehnologie viabilă din punct de vedere comercial.
Sondarea suprafeței pământului are loc prin iradiere cu impulsuri cu o frecvență de 10 MHz - 1,5 GHz. Antena de iradiere poate fi amplasată pe suprafața pământului sau amplasată la bordul unei aeronave. O parte din energia radiației este reflectată de modificările în structura subterană a pământului, în timp ce cea mai mare parte pătrunde mai mult în adâncime. Semnalul reflectat este primit, procesat, iar rezultatele procesării sunt afișate pe afișaj. Pe măsură ce antena se mișcă, este generată o imagine continuă care reflectă starea straturilor de sol subterane. Deoarece reflexia are loc de fapt datorită diferențelor de constante dielectrice ale diferitelor substanțe (sau stări diferite ale unei substanțe), sondarea poate detecta un număr mare de defecte naturale și artificiale într-o masă omogenă a straturilor subterane. Adâncimea de penetrare depinde de starea solului la locul de iradiere. Scăderea amplitudinii semnalului (absorbție sau împrăștiere) depinde în mare măsură de o serie de proprietăți ale solului, principala dintre acestea fiind conductivitatea sa electrică. Astfel, solurile nisipoase sunt optime pentru sondare. Solurile argiloase și foarte umede sunt mult mai puțin potrivite pentru aceasta. Sondarea materialelor uscate precum granitul, calcarul și betonul arată rezultate bune.
Rezoluția de detectare poate fi îmbunătățită prin creșterea frecvenței undelor emise. Cu toate acestea, o creștere a frecvenței are un efect negativ asupra adâncimii de penetrare a radiațiilor. Astfel, semnalele cu o frecvență de 500-900 MHz pot pătrunde la o adâncime de 1-3 m și oferă o rezoluție de până la 10 cm, iar cu o frecvență de 80-300 MHz pătrund până la o adâncime de 9-25 m. , dar rezoluția este de aproximativ 1,5 m.
Principalul scop militar al radarului de detectare subterană este detectarea minelor. În același timp, un radar instalat la bordul unei aeronave, de exemplu un elicopter, vă permite să deschideți direct hărți ale câmpurilor minate. În fig. Figura 5 prezintă imagini obținute cu ajutorul unui radar instalat la bordul unui elicopter, care reflectă locația minelor antipersonal.
Radar aeropurtat conceput pentru a detecta și urmări obiectele ascunse în păduri (F.O.- PIX - Frunziş Penetrant), vă permite să detectați obiecte mici (în mișcare și staționare) ascunse de coroanele copacilor. Fotografierea obiectelor ascunse în păduri se efectuează similar fotografierii obișnuite în două moduri: vedere de ansamblu și detaliat. În medie, în modul sondaj, lățimea de bandă de achiziție este de 2 km, ceea ce face posibilă obținerea de imagini de ieșire ale unor zone ale suprafeței terestre de 2x7 km; în modul detaliat, topografia se efectuează în secțiuni de 3x3 km. Rezoluția de fotografiere depinde de frecvență și variază de la 10 m la o frecvență de 20-50 MHz până la 1 m la o frecvență de 200-500 MHz.
Metodele moderne de analiză a imaginii fac posibilă detectarea și identificarea ulterioară a obiectelor din imaginea radar rezultată cu o probabilitate destul de mare. În acest caz, detectarea este posibilă atât în imagini cu rezoluție mare (mai puțin de 1 m) și scăzută (până la 10 m), în timp ce recunoașterea necesită imagini cu o rezoluție suficient de mare (aproximativ 0,5 m). Și chiar și în acest caz, putem vorbi în cea mai mare parte doar despre recunoașterea prin semne indirecte, deoarece forma geometrică a obiectului este foarte distorsionată din cauza prezenței unui semnal reflectat din frunziș, precum și din cauza apariției semnale cu o schimbare de frecvență datorită efectului Doppler care apare în ca urmare a balansării frunzelor în vânt.
În fig. Figura 6 prezintă imagini (optice și radar) din aceeași zonă. Obiectele (o coloană de mașini), invizibile pe o imagine optică, sunt clar vizibile pe o imagine radar, cu toate acestea, este imposibil să se identifice aceste obiecte, făcând abstracție de la semnele externe (mișcare pe drum, distanța dintre mașini etc.), întrucât la această rezoluție lipsesc cu desăvârșire informații despre structura geometrică a obiectului.
Detaliile imaginilor radar rezultate au făcut posibilă implementarea în practică a unui număr de alte caracteristici, care, la rândul lor, au făcut posibilă rezolvarea unui număr de probleme practice importante. Una dintre aceste sarcini include urmărirea modificărilor care au avut loc pe o anumită zonă a suprafeței pământului într-o anumită perioadă de timp - detectarea coerentă. Durata perioadei este de obicei determinată de frecvența patrulelor într-o zonă dată. Urmărirea modificărilor se realizează pe baza analizei imaginilor combinate în funcție de coordonate ale unei zone date, obținute secvenţial una după alta. În acest caz, sunt posibile două niveluri de detaliere a analizei.
Primul nivel implică detectarea modificărilor semnificative și se bazează pe analiza citirilor de amplitudine ale imaginii, care poartă informații vizuale de bază. Cel mai adesea, acest grup include modificări pe care o persoană le poate vedea prin vizualizarea simultană a două imagini radar generate. Al doilea nivel se bazează pe analiza citirilor de fază și vă permite să detectați modificări invizibile pentru ochiul uman. Acestea includ apariția urmelor (ale unei mașini sau unei persoane) pe drum, modificări ale stării ferestrelor, ușilor („deschise - închise”) etc.
Orez. 5. Hărți ale câmpurilor minate în reprezentare tridimensională la filmarea în diferite polarizări: model (dreapta), exemplu de imagine a unei zone reale a suprafeței pământului cu un mediu complex subteran (stânga), obținut cu ajutorul unui radar instalat pe la bordul unui elicopter
O altă capacitate SAR interesantă, anunțată și de Sandia, este video radar. În acest mod, formarea discretă a deschiderii antenei de la secțiune la secțiune, caracteristică modului de sondare continuă, este înlocuită cu formarea paralelă multicanal. Adică, în fiecare moment, se sintetizează nu una, ci mai multe (numărul depinde de sarcinile care se rezolvă) deschideri. Un fel de analog cu numărul de deschideri formate este rata de cadre în filmările video obișnuite. Această caracteristică vă permite să implementați selecția țintelor în mișcare pe baza analizei imaginilor radar primite, aplicând principiile de detecție coerentă, care este în mod inerent o alternativă la radarele standard care selectează ținte în mișcare pe baza analizei frecvențelor Doppler din semnalul primit. .
Eficacitatea implementării unor astfel de selectoare de ținte în mișcare este foarte discutabilă din cauza costurilor semnificative de hardware și software, astfel încât astfel de moduri vor rămâne, cel mai probabil, doar o modalitate elegantă de a rezolva problema de selecție, în ciuda oportunităților emergente de a selecta ținte care se mișcă la viteze foarte mici. (mai puțin de 3 km/h, care nu este disponibil pentru Doppler SDC). Înregistrarea video directă în domeniul radar nu și-a găsit nicio aplicație în prezent, din nou din cauza cerințelor de înaltă performanță, așa că nu există modele de funcționare ale echipamentelor militare care să implementeze acest mod în practică.
O continuare logică a îmbunătățirii tehnologiei de supraveghere a suprafeței pământului în domeniul radar este dezvoltarea subsistemelor pentru analiza informațiilor primite. În special, devine importantă dezvoltarea sistemelor de analiză automată a imaginilor radar care să permită detectarea, izolarea și recunoașterea obiectelor de la sol din zona de inspecție. Dificultatea creării unor astfel de sisteme este asociată cu natura coerentă a imaginilor radar, fenomenele de interferență și difracție în care duc la apariția unor artefacte - strălucire artificială, similară cu cele care apar la iradierea unei ținte cu o suprafață mare de împrăștiere efectivă. În plus, calitatea imaginii radar este oarecum mai scăzută decât calitatea unei imagini optice similare (din punct de vedere al rezoluției). Toate acestea duc la faptul că în prezent nu există implementări eficiente ale algoritmilor de recunoaștere a obiectelor din imaginile radar, dar volumul de muncă depus în acest domeniu, anumite succese obținute recent, sugerează că în viitorul apropiat se va putea vorbi despre vehiculele inteligente de recunoaștere fără pilot care au capacitatea de a evalua situația la sol pe baza rezultatelor analizei informațiilor primite de propriile echipamente de recunoaștere radar de la bord.
O altă direcție de dezvoltare este integrarea, adică integrarea coordonată cu prelucrarea ulterioară în comun a informațiilor din mai multe surse. Acestea pot fi radare care supraveghează în diferite moduri, sau radare și alte mijloace de recunoaștere (optice, IR, multispectrale etc.).
Astfel, radarele moderne cu deschidere de antenă sintetică fac posibilă rezolvarea unei game largi de probleme asociate cu efectuarea de sondaje radar ale suprafeței pământului, indiferent de ora din zi și de condițiile meteorologice, ceea ce le face un mijloc important de obținere a informațiilor despre stare. a suprafeței pământului și a obiectelor aflate pe acesta.
Pentru a comenta trebuie să vă înregistrați pe site.
PROCESAREA ȘI CONTROLUL INFORMAȚIILOR X
UDC 621.396.96
DIRECȚII DE DEZVOLTARE A RADARULUI DE SINTEZĂ BAZAT SPAȚIAL
O. L. Polonchik,
Ph.D. tehnologie. Științe, conferențiar
Universitatea Federală de Nord (Arctic) numită după. M. V. Lomonosova, Arhangelsk
Sunt analizate principalele direcții de dezvoltare a sistemelor radar spațiale pentru monitorizarea suprafeței terestre. A fost definită domeniul utilizării mijloacelor tehnice radar, inclusiv pentru rezolvarea problemelor aplicate de dezvoltare economică în regiunile nordice și arctice ale Rusiei. A fost efectuată o evaluare comparativă a metodelor existente de vizualizare a suprafeței pământului. Este propusă o nouă metodă de construire a sistemelor radar la bord bazate pe nave spațiale stabilizate în rotație. Sunt luate în considerare modalități de îmbunătățire a caracteristicilor tehnice ale unui radar aeropurtat.
Cuvinte cheie - radar cu vedere laterală, model de radiație, scanare mecanică, sinteza diafragmei.
Introducere
Echipamentele moderne de radar aeropurtat reprezintă unul dintre domeniile cele mai rapide în dezvoltare ale tehnologiei radio-electronice. Un loc special printre ele îl ocupă radarele cu deschidere sintetică aeropurtată. Aceste mijloace tehnice efectuează sondarea suprafeței pământului în orice moment al zilei, sezonului și anului, nu depind de condițiile climatice și de prezența norilor, ceea ce este deosebit de important pentru zonele cu un număr mic de zile însorite pe an. În Federația Rusă, acestea includ zone vaste din nordul țării și din Arctica, constituind aproape o treime din teritoriul statului nostru, foarte bogat într-o varietate de minerale, petrol și gaze.
Rezolvarea celor mai importante probleme economice naționale, cum ar fi evaluarea de înaltă precizie a terenului, formarea de imagini tridimensionale ale suprafeței pământului, studiul proceselor dinamice de pe suprafața pământului și a mării, este încredințată unor mijloace promițătoare de teledetecția Pământului.
Deosebit de relevantă pentru rezolvarea problemelor de dezvoltare durabilă a regiunilor nordice și arctice este achiziționarea de materiale de sondaj radar cu proprietăți de măsurare ridicate, asigurând realizarea și actualizarea hărților topografice de stat,
planurile şi baza cartografică a cadastrului imobiliar de stat.
Obținerea de informații despre starea acestor zone este o sarcină de o importanță excepțională și va contribui la minimizarea pierderilor materiale.
Istoria dezvoltării teledetecției radar a Pământului
Dezvoltarea stațiilor radar aeropurtate (radare) a condus la crearea unor sisteme radar universale, al căror dezavantaj principal a fost rezoluția scăzută. Cercetările ulterioare pentru îmbunătățirea radarului de cercetare a suprafeței pământului au avut ca scop depășirea principalei limitări în creșterea rezoluției asociate cu dimensiunea dispozitivelor de antenă.
Detaliul imaginii radar depinde de rezoluția liniară (rezoluția de gamă) a radarului, care în direcția radială este determinată de semnalul de sunet, în direcția transversală (rezoluția tangențială) - de lățimea modelului de radiație (DP) și distanța până la țintă.
Problema creșterii rezoluției intervalului este rezolvată prin utilizarea semnalelor sonore cu durate scurte de impuls.
Avioane
impulsuri sau tranziție la semnale complexe - modulate în frecvență sau cu defazare.
O creștere a rezoluției tangențiale se realizează prin utilizarea unei antene în radarul de bord situată de-a lungul fuselajului aeronavei sau prin sintetizarea deschiderii antenei în timp ce aeronava se mișcă.
Prima cale a dus la dezvoltarea radarelor cu scanare laterală. Diagrama de implementare a metodei este prezentată în Fig. 1. În astfel de radare, cu cât dimensiunea longitudinală a fuselajului aeronavei este mai mare, cu atât rezoluția tangențială este mai mare, deși dependența de rază de acțiune rămâne.
Rezoluția acestui tip de radar a fost mărită de aproximativ 10 ori în comparație cu radarele panoramice. Și totuși, aceste stații sunt încă semnificativ inferioare în capabilitățile lor față de dispozitivele optice.
Al doilea mod, mai radical, este de a crea radare cu deschidere sintetică (SAR) în timpul mișcării înainte a aeronavei.
O contribuție uriașă la dezvoltarea teoriei SAR a fost făcută de celebrii oameni de știință A. P. Reutov, G. S. Kondratenkov, P. I. Dudnik, Yu L. Feoktistov, N. I. Burenin, V. A. Potekhin și colab.
Radar cu deschidere sintetică
Esența metodei este emisia unui radar instalat pe un transportator mobil (aeronava, nava spațială (SC) sau vehiculul aerian fără pilot), semnale sonore coerente, recepția semnalelor reflectate corespunzătoare de-a lungul traiectoriei de zbor rectilinie a transportatorului, stocarea acestora si adaos. Ca urmare a adăugării celor acceptate
semnale, fasciculul antenei este comprimat și rezoluția radarului de-a lungul liniei de cale purtătoare este semnificativ crescută.
În funcție de dacă schimbările de fază sunt compensate sau nu la însumarea semnalelor, se disting SAR focalizat și nefocalizat. În primul caz, procesarea se reduce la mutarea antenei, stocarea semnalelor, compensarea schimbărilor de fază și însumarea semnalelor, în al doilea - la aceleași operațiuni, dar fără compensarea defazărilor.
Rezoluția potențială a unor astfel de stații se apropie de caracteristicile echipamentelor de supraveghere optică. Aceste radare fac posibilă realizarea unei rezoluții liniare ridicate, independent de intervalul de observare și lungimea de undă a semnalului de sondare.
În prezent, există trei moduri principale de supraveghere a suprafeței pământului (Fig. 2): traseu, sondaj și reflector (detaliat).
Sistemele moderne fac posibilă obținerea de imagini ale suprafeței pământului și ale obiectelor situate pe acesta cu rezoluții de aproximativ 1 m pentru modurile de sondare și 0,3 m pentru modurile reflectoare. Metodele aplicate de procesare digitală a semnalului primit au un impact semnificativ asupra caracteristicilor SAR rezultate.
În modul traseu, suprafața pământului este fotografiată continuu în zona de achiziție. Semnalul este acumulat pe o perioadă de timp egală cu intervalul calculat pentru sintetizarea deschiderii antenei pentru condițiile de zbor date ale purtătorului radar.
Modul de fotografiere cu privire de ansamblu diferă de modul de fotografiere pe traseu prin aceea că fotografierea este efectuată continuu pe toată lățimea benzii în dungi egale cu lățimea bandei de captură. Şase fascicule sunt comutate secvenţial în funcţie de altitudine pentru a vizualiza întreaga bandă (Figura 3).
Modurile lateral și anterolateral sunt împărțite în funcție de orientarea lobului principal
Reflector
Model de antenă. Semnalul este acumulat pe o perioadă de timp egală cu intervalul calculat pentru sintetizarea deschiderii antenei pentru condițiile de zbor date ale purtătorului radar.
Când fotografiați în modul reflectoare, acumularea semnalului are loc la un interval mai mare în comparație cu modul de prezentare generală. Extinderea intervalului se realizează prin deplasarea lobului principal al modelului antenei, iar zona iradiată este situată constant în zona de tragere. Această mișcare este sincronizată cu mișcarea purtătorului radar.
Pentru a menține locul modelului pe aceeași suprafață, patru fascicule sunt comutate secvenţial în azimut (Fig. 4).
Astfel, o analiză a principalelor moduri de supraveghere a suprafeței pământului folosind metoda SAR arată că:
1) cu metoda vederii laterale, lățimea maximă a benzii suprafeței subiacente care este vizualizată este similară cu lățimea de vizualizare;
2) o creștere a rezoluției liniare în modul reflector se realizează prin creșterea diafragmei, în timp ce banda vizualizată se îngustează;
3) o creștere a rezoluției liniare în modul sondaj este realizată prin utilizarea unui set de modele foarte țintite.
Rezoluția minimă de azimut liniar 8хш1п pentru antene cu o deschidere artificială nefocalizată este determinată de relația
Rezoluția azimut liniară a unui radar cu o deschidere artificială focalizată este determinată de expresie
5х - ©Р0 - ^,
unde ya este dimensiunea deschiderii antenei într-un plan dat.
Un radar cu deschidere artificială focalizată face posibilă, spre deosebire de unul nefocalizat, să se obțină o rezoluție liniară în azimut, independentă de intervalul și lungimea de undă a semnalului de sondare. Rezoluția unor astfel de radare crește pe măsură ce dimensiunea antenei reale scade. Acesta este un avantaj semnificativ al SAR în comparație cu alte metode de detectare a suprafeței pământului.
Radar de scanare laterală. Relații de bază
Determinarea locației țintei în timpul unei vederi laterale se realizează în sistemul de coordonate: intervalul de urmărire x, intervalul înclinat R.
Când este privit din lateral, modelul antenei este perpendicular pe vectorul viteză la sol a purtătorului. Determinarea poziției țintelor pe sol se realizează într-un sistem de coordonate dreptunghiular xY. Zona de vizualizare este o bandă paralelă cu calea de zbor a transportatorilor (Fig. 5, a). Lățimea de bandă este determinată de raza de acțiune a radarului.
Este posibil să se orienteze modelul antenei la un unghi față de vectorul viteză la sol diferit de l/2.
■ Fig. 4. Modul Spotlight
■ Fig. 5. Diagrama unei vederi laterale într-un sistem de coordonate dreptunghiular (a) și oblic (b).
În același timp, câmpul vizual se îngustează, țintele pot fi detectate proactiv (Fig. 5, b). În acest caz, terenul este supravegheat într-un sistem de coordonate oblic.
Se știe că rezoluția unui radar pentru vizualizarea suprafeței pământului pe un interval orizontal direct sub purtător se deteriorează în comparație cu limita, determinată de durata impulsului de sondare. Prin urmare, altitudinea de zbor a transportatorului este de obicei considerată ca limită cea mai apropiată a bandei, unde rezoluția intervalului se deteriorează nesemnificativ.
Metoda este descrisă de următoarele caracteristici:
Timp de iradiere;
Raza de detectare a radarului;
Rezoluţie.
Timp de iradiere
Ttyo _ Ш ’
unde © este lățimea unghiulară a modelului antenei radar în plan orizontal; W - proiecția vitezei de-a lungul direcției traseului.
O trăsătură caracteristică a metodei de vedere laterală este iradierea unică a țintelor. Atunci când direcția de observare este perpendiculară pe vectorul viteză la sol, imaginea se formează numai deasupra traiectoriei de zbor.
A doua caracteristică este o creștere a timpului de iradiere țintă proporțional cu intervalul. Acest lucru duce la faptul că energia semnalelor reflectate de la ținte crește odată cu creșterea intervalului țintei.
Să determinăm raza de detectare a radarului pentru cazul scanării laterale.
Se știe că raza de detecție a unei ținte (fond de teren) D0 cu o suprafață reflectorizantă eficientă st atunci când se utilizează o antenă transceiver are forma
64l k0kGots
unde E este energia de iradiere țintă; b - coeficientul de directivitate al antenei; X este lungimea de undă a emițătorului radar; £ш - cifra de zgomot a dispozitivului receptor; £ - constanta Boltzmann; T0 - temperatura absolută (de obicei 280 K); „L = Es tt/^sh este valoarea necesară a coeficientului de discernabilitate al dispozitivului de recepție radar. Aici Es t1n este valoarea de prag a energiei semnalului reflectat recepționat, care caracterizează sensibilitatea dispozitivului de recepție radar; Ysh este densitatea zgomotului spectral la intrarea receptorului: Ysh = £sh £ T0.
Energia de iradiere a unei ținte (element de teren) este determinată de relație
V - £Pe^tayo>
unde Рср este puterea medie a semnalului emis.
Luând în considerare relația pentru energia de iradiere țintă, obținem o formulă pentru interval în metoda vederii laterale
Рpa©0С2стХ2
64l 1Ak0k7O"p
Analiza expresiei arată că este posibil să se mărească raza de acțiune a metodei luate în considerare în comparație cu vizibilitatea generală.
Radar universal cu deschidere sintetică bazat pe o navă spațială cu stabilizare a rotației. Relații de bază
Pentru a implementa această metodă de vizualizare a suprafeței pământului, sunt necesare o navă spațială cu stabilizare a rotației și un radar cu antenă parabolică. Modelul antenei are un unghi de înclinare față de verticala locală.
Antena radar, datorită rotației circulare a corpului navei spațiale de care este atașată rigid, scanează suprafața terestră subiacentă. Proiecția modelului antenei în planul azimutal și al elevației pe suprafața pământului este prezentată în Fig. 6 și 7.
Energia radarului din metodă este mai bună în comparație cu SAR, deoarece este utilizat un model de fascicul mai îngust al antenei polarizate. Se determină prin alegerea unghiului de elevație minim și maxim al modelului de antenă.
Să luăm în considerare poziția antenei radar în momente diferite (Fig. 8). Antena la
Proiectie antena
■ Fig. 6. Vedere a proiecțiilor modelului antenei radar pe suprafața pământului în plan azimutal: Oa este viteza unghiulară de rotație a antenei radar a navei spațiale în plan azimutal; Yatah - distanța maximă până la țintă Ts^ V - viteza navei spațiale
■ Fig. 7. Vizualizarea benzii antenei radar a navei spațiale
■ Fig. 8. Pozițiile antenei radar a navei spațiale în planul de rotație în momente diferite, ținând cont de mișcarea de translație și de rotație: I - distanța pe care o parcurge nava în timpul unei jumătăți de rotație
rotația în jurul verticalei locale, ținând cont de viteza la sol, ocupă secvențial aceste poziții (punctele 1, 2, 3 etc.). Raza de rotație a antenei este nesemnificativă (de ordinul a câțiva metri). Nava spațială se mișcă la prima viteză de evacuare, iar curba de mișcare a antenei se transformă aproape într-o linie dreaptă într-un interval de timp egal cu jumătate din perioada de rotație.
În fiecare punct al acestei curbe, axa electrică a antenei va fi perpendiculară pe aceasta. Devine posibil să se sintetizeze o deschidere artificială.
Locația este definită într-un sistem de coordonate polare. Se măsoară intervalul R și azimutul ß. Se determină altitudinea de zbor H și unghiul de elevație y. Azimutul țintă este măsurat din direcția de mișcare (vezi Fig. 6).
Supravegherea radar este efectuată într-o anumită zonă a spațiului, care se numește zonă de lucru sau zonă de vizualizare radar. Dimensiunile zonei de lucru sunt determinate de intervalele de vizualizare în ceea ce privește intervalul Rmax - Rmin, azimut "max - amin, unghi de elevație ßmax - ßmin și viteza radială Vr max - Vr min. Lungimea fiecărui interval specificat este determinată de numărul de elemente de rezoluție radar pe care le conține de-a lungul coordonatei corespunzătoare.
Informațiile despre prezența țintelor în diferite elemente ale rezoluției zonei de lucru sunt obținute în timpul revizuirii (vizualizării) acestor elemente. Ordinea și timpul de vizualizare a diferitelor elemente, precum și intensitatea semnalelor emise de radar la vizualizarea fiecărui element sunt determinate de metoda (programul) utilizat pentru vizualizarea zonei de lucru.
Revizuirea elementelor zonei de lucru poate fi efectuată secvenţial în timp sau simultan.
Cu o revizuire secvențială, rata necesară de obținere a informațiilor despre prezența și coordonatele țintelor în zona de vizualizare nu poate fi întotdeauna asigurată. Acest lucru se datorează faptului că timpul de iradiere țintă T trebuie să depășească timpul maxim de întârziere a semnalului tmax:
T> "^verificare 2^verificare / s
unde Yatah este raza maximă a radarului; c este viteza luminii.
Timpul pentru o singură revizuire a întregii zone T0 trebuie să îndeplinească condiția
T0 - T^a, p > (2^Shax / c)^a, p,
unde Na p este numărul de elemente de rezoluție direcțională.
În vizionarea integrală cu deschidere sintetică, trebuie îndeplinit un anumit raport
T - 2l/Oa.
Numărul de impulsuri reflectate de țintă în acest timp va fi
P - Ш - ©Гё/Оа,
unde este rata de repetare a pulsului în explozie.
Perioada de revizuire a zonei de lucru determină rata de primire a informațiilor despre prezența unei ținte în zonă și nu poate depăși o anumită valoare admisă T0 max. Dacă această valoare este dată, atunci
Oa - 2l / ^Oshakh.
Acest raport determină viteza unghiulară minimă de rotație a modelului antenei radar în timpul vizionării integrale cu deschidere sintetică.
Selectând viteza de rotație, se poate vizualiza suprafața pământului fără goluri.
Principalele caracteristici ale metodei de vizualizare circulară cu deschidere sintetică:
Timpul de iradiere țintă;
Perioada de revizuire și numărul de cicluri de revizuire per obiectiv.
Compararea metodei de vizualizare circulară cu sinteza deschiderii cu alte metode ne permite să tragem următoarele concluzii.
1. Scanarea modelului antenei de recepție asigură vizualizarea întregului pământ subiacent
suprafata fara goluri. În acest caz, rezoluția unghiulară a imaginii rezultate va fi comparabilă cu rezoluția SAR în modul reflector.
2. Timpul de iradiere este practic independent de domeniul țintă.
3. Vizualizarea suprafeței pământului subiacent în timpul unei perioade de rotație are loc de două ori și depinde de viteza unghiulară, care determină numărul de cicluri.
4. Energia radarului este semnificativ mai mare în comparație cu metoda SAR, deoarece este utilizat un model mai îngust. Ținta (elementul de teren) este situat pe direcția de observare perpendiculară pe vectorul viteză unghiulară.
5. Prin alegerea unghiului de înclinare a antenei, o vedere orizontală a suprafeței pământului este exclusă
1. Sollogub A.V et al. Evaluarea eficacității unui cluster de nave spațiale mici pentru teledetecția Pământului în ceea ce privește eficiența și fiabilitatea îndeplinirii sarcinilor funcționale // Sisteme de informare și control. 2012. Nr 5(60). pp. 24-28.
2. Verba V. S., Neronsky L. B., Osipov I. G., Turuk V. E. Sisteme radar pentru sondaje terestre spațiale / ed. V. S. Verba. - M.: Inginerie radio, 2010. - 680 p.
3. Vinogradov M. Capabilitățile radarelor moderne cu sinteza deschiderii antenei // Foreign Military Review. 2009. Nr 2. P. 52-56.
rază direct sub purtător, unde rezoluția radarului este extrem de scăzută.
Concluzie
Această lucrare examinează principalele direcții de dezvoltare a sistemelor radar spațiale pentru monitorizarea suprafeței pământului și istoria creării acestor mijloace. Sunt analizate metodele existente și se efectuează o evaluare comparativă a principalelor caracteristici tehnice. Este propusă o metodă pentru sintetizarea unei deschideri bazată pe mișcarea circulară a antenei de recepție folosind o navă spațială stabilizată la rotație. Au fost identificate modalități de îmbunătățire a caracteristicilor tehnice ale unui radar la bord pentru a rezolva problemele aplicate.
4. Sesin A. E., Shepeta D. A. Model matematic al semnalelor de ecou ale suprafeței mării observate de localizatorii la bordul aeronavelor // Sisteme de informare și control. 2010. Nr 2. P. 21-25.
5. Zakharova L.N et al. Analiza comună a datelor de la senzori optici și radar: capacități, limitări și perspective // Inginerie radio și electronică. 2011. T. 56. Nr. 1. P. 5-19.
Rezoluția unghiulară este cea mai importantă caracteristică a oricărui sistem telescopic. Optica afirmă că această rezoluție este legată în mod unic de lungimea de undă la care se face observația și de diametrul deschiderii de intrare a telescopului. După cum știți, diametrele mari reprezintă o mare problemă. Este puțin probabil să se construiască vreodată un telescop mai mare decât acesta.
Una dintre modalitățile de a crește semnificativ rezoluția este metoda de sinteză a diafragmelor mari și ultra-mari utilizate în radioastronomie și radar. În intervalul milimetrilor, cea mai mare deschidere - 14 km - este promisă a fi formată din 66 de antene ale proiectului ALMA din Chile.
Transferul metodelor de sinteză a deschiderii în regiunea optică, unde lungimile de undă sunt cu câteva ordine de mărime mai scurte decât cele ale radarelor, este asociat cu dezvoltarea tehnologiei de heterodyning cu laser.
1. Baza fizică a formării imaginii.
Nu va fi o greșeală să spunem că imaginea din orice dispozitiv optic este formată prin difracția luminii la deschiderea de intrare și nimic altceva. Să ne uităm la imaginea obiectului din centrul diafragmei. Distribuția unghiulară a luminozității imaginii unei surse de lumină punctiforme la infinit de distanță (ca, într-adevăr, a oricărei alte) va fi aceeași pentru un obiectiv și o cameră pinhole de diametru egal. Diferența dintre o lentilă și un orificiu este doar că obiectivul transferă imaginea formată de deschiderea sa de la infinit în planul său focal. Sau, altfel spus, produce o transformare de fază a frontului de undă al planului de intrare într-unul convergent sferic. Pentru o sursă punctuală îndepărtată și o deschidere circulară, imaginea este bine-cunoscutul model de inel Airy. 
Dimensiunea unghiulară a discului Airy poate fi, în principiu, redusă, iar rezoluția pare să fie mărită (după criteriul Rayleigh) dacă deschiderea este deschisă într-un mod special. Există o distribuție de transmisie radială astfel încât discul central poate fi, teoretic, făcut arbitrar mic. Cu toate acestea, în acest caz, energia luminii este redistribuită între inele și contrastul imaginii complexe scade la zero.
Din punct de vedere matematic, procedura de formare a unei imagini de difracție se reduce la o transformată Fourier bidimensională a câmpului luminos de intrare (în aproximarea scalară, câmpul este descris printr-o funcție complexă de coordonate și timp). Orice imagine înregistrată de un ochi, ecran, matrice sau alt receptor de intensitate pătratică nu este altceva decât un spectru bidimensional de amplitudine a unui câmp luminos emis de un obiect, limitat de o deschidere. Este ușor să obțineți aceeași imagine Airy dacă luați o matrice pătrată de numere complexe identice (simulând un front de undă plan dintr-un punct îndepărtat), „decupați” o „apertura” circulară din ea, reducând la zero marginile și efectuați o transformată Fourier a întregii matrice.
Pe scurt, dacă înregistrați cumva câmpul (sintetizați diafragma) pe o suprafață suficient de mare fără a pierde informații despre amplitudine și fază, atunci pentru a obține o imagine vă puteți descurca fără oglinzile gigantice ale telescoapelor moderne și matricele de megapixeli, prin simplul calcul al lui Fourier. transformarea matricei de date rezultate.
2. Locație prin satelit și super-rezoluție.
Vom observa un obiect stabilizat mișcându-se pe linia vizuală, iluminat de o sursă laser continuă coerentă. Radiația reflectată de acesta este înregistrată de un fotodetector heterodin cu o deschidere mică. Înregistrarea unui semnal în timpul t este echivalentă cu implementarea unei deschideri unidimensionale de lungime vt, unde v este viteza tangențială a obiectului. Este ușor de evaluat rezoluția potențială a unei astfel de metode. Să ne uităm la un satelit din apropierea Pământului în alungire superioară, care zboară la o altitudine de 500 km cu o viteză de 8 km/sec. În 0,1 secunde de înregistrare a semnalului, obținem un „telescop unidimensional” care măsoară 800 de metri, teoretic capabil să vizualizeze detaliile satelitului în intervalul vizibil care au o dimensiune de o fracțiune de milimetru. Nu-i rău pentru o asemenea distanță.
Desigur, semnalul reflectat la astfel de distanțe este slăbit de multe ordine de mărime. Cu toate acestea, recepția heterodină (amestecarea coerentă cu radiația de referință) compensează în mare măsură această atenuare. La urma urmei, după cum se știe, fotocurentul de ieșire al receptorului în acest caz este proporțional cu produsul dintre amplitudinile radiației de referință și semnalul de intrare. Vom crește ponderea radiației de referință și, prin urmare, vom amplifica întregul semnal.
Puteți privi din cealaltă parte. Spectrul semnalului înregistrat de la fotodetector este un set de componente Doppler, fiecare dintre acestea fiind suma contribuțiilor din toate punctele obiectului care au aceeași viteză radială. Distribuția unidimensională a punctelor reflectorizante pe un obiect determină distribuția de frecvență a liniilor spectrale. Spectrul rezultat este în esență o „imagine” unidimensională a obiectului de-a lungul coordonatei „deplasare Doppler”. Două puncte ale satelitului nostru, situate la o distanță de 1 mm unul de celălalt într-un plan perpendicular pe linia de vedere, au o diferență de viteze radiale de ordinul a 0,01-0,02 mm/sec. (Raportul dintre această diferență și viteza satelitului este egal cu raportul dintre distanța dintre puncte și distanța până la satelit). Diferența de frecvențe Doppler a acestor puncte pentru o lungime de undă vizibilă de 0,5 μm va fi (f=2V/λ) de ordinul a 100 Hz. Spectrul (imagine Doppler) de la un întreg microsatelit, să zicem 10 cm în dimensiune, se va încadra în intervalul de 10 kHz. O cantitate destul de măsurabilă.
Puteți privi și din a treia parte. Această tehnologie nu este altceva decât înregistrarea unei holograme, de exemplu. model de interferență care apare atunci când câmpurile de referință și semnal sunt amestecate. Conține informații de amplitudine și fază suficiente pentru a reconstrui imaginea completă a obiectului.
Astfel, prin iluminarea unui satelit cu un laser, înregistrând semnalul reflectat și amestecându-l cu un fascicul de referință de la același laser, obținem un fotocurent la fotodetector, a cărui dependență în timp reflectă structura câmpului luminos de-a lungul „ deschidere unidimensională”, a cărei lungime, după cum sa menționat deja, poate fi determinată suficient de mare.
Diafragma bidimensională este, desigur, mult mai bună și mai informativă. Să aranjam mai multe fotodetectoare uniform pe mișcarea satelitului și să notăm astfel câmpul reflectat pe zona vt*L, unde L este distanța dintre fotodetectoarele exterioare, care în principiu nu este limitată de nimic. De exemplu, aceiași 800 de metri. Astfel, sintetizăm deschiderea unui „telescop bidimensional” care măsoară 800*800 de metri. Rezoluția de-a lungul coordonatei transversale (L) va depinde de numărul de fotodetectoare și de distanța dintre ele, iar de-a lungul celeilalte, coordonatele „temporale” (vt) - de lățimea de bandă a radiației laser și de frecvența de digitizare a semnalului de la fotodetectorul.
Deci, avem un câmp de lumină înregistrat pe o suprafață foarte mare și putem face ce vrem cu el. De exemplu, obțineți o imagine bidimensională a obiectelor foarte mici la o distanță foarte mare, fără telescoape. Sau puteți reconstrui structura tridimensională a unui obiect prin refocalizarea digitală în rază.
Desigur, configurația tridimensională reală a punctelor reflectorizante de pe un obiect nu coincide întotdeauna cu distribuția lor radială „Doppler”. Va exista o coincidență dacă aceste puncte sunt în același plan. Dar, în cazul general, din „imaginea Doppler” pot fi extrase o mulțime de informații utile.
3. Ce sa întâmplat înainte.
DARPA americană a finanțat cu ceva timp în urmă un program, a cărui esență a fost implementarea unei astfel de tehnologii. Trebuia să localizeze obiecte la sol (tancuri, de exemplu) dintr-o aeronavă zburătoare cu rezoluție ultra-înaltă s-au obținut câteva date încurajatoare. Cu toate acestea, acest program a fost fie închis, fie clasificat în 2007 și de atunci nu s-a mai auzit nimic despre el. S-a făcut ceva și în Rusia. Aici puteți vedea o imagine obținută la o lungime de undă de 10,6 microni.
4. Dificultăți în implementarea tehnică la o lungime de undă de 1,5 microni.
După o reflecție matură, am decis să nu scriu nimic aici. Prea multe probleme.
5. Câteva rezultate primare.
Până acum, a fost dificil să „vezi” de la o distanță de 300 de metri detaliile unui obiect metalic plat, reflectorizant difuz, care măsoară 6 pe 3 mm. Era o bucată dintr-un fel de placă de circuit imprimat, iată o fotografie: 
Obiectul s-a rotit în jurul unei axe perpendiculare pe linia de vedere, iar semnalul reflectat a fost înregistrat aproximativ în momentul reflectării maxime (flare). Punctul laser care ilumina obiectul avea o dimensiune de aproximativ 2 cm au fost utilizate doar 4 fotodetectoare, distanțate la 0,5 metri. Dimensiunea deschiderii sintetizate este estimată la 0,5 m pe 10 m.
De fapt, pentru orice eventualitate, semnalele înregistrate în sine (în stânga) și spectrele lor (în dreapta) în unități relative: 
Din fotografia anterioară a obiectului, Photoshop a selectat doar zonele iluminate și reflectorizante de interes pentru noi pe care dorim să le vedem: 
Imagine reconstruită prin transformată Fourier 2D din 4 semnale și scalată pentru comparație: 
Această imagine constă de fapt din doar 4 rânduri (și aproximativ 300 de coloane), rezoluția verticală a imaginii este, în consecință, de aproximativ 0,5 mm, dar colțul întunecat și ambele găuri rotunde par să fie vizibile. Rezoluția orizontală este de 0,2 mm, aceasta este lățimea pistelor conductoare de pe placă, toate cele cinci fiind vizibile. (Un telescop obișnuit ar trebui să aibă doi metri în diametru pentru a le vedea în IR apropiat).
Într-adevăr, rezoluția obținută este încă departe de limita teoretică, așa că ar fi bine să aducem această tehnologie la bun sfârșit. Diavolul, după cum știm, este în detalii și există o mulțime de detalii aici.
Vă mulțumim pentru atenție.