Способ и устройство формирования поляризационного портрета земной или морской поверхности в двухчастотной цифровой рса

 

Изобретение относится к радиолокации. Областью применения изобретения могут быть бортовые радиолокационные станции с синтезированной апертурой. Техническим результатом изобретения является улучшение качества формируемого радиолокационного изображения земной или морской поверхности в бортовой РЛС. Сущность изобретения заключается в том, что формируют две искусственно создаваемые антенные решетки (апертуры) на различных частотах излучения зондирующих импульсов. Апертуры формируют каждую со своей антенны с разнесенными в пространстве фазовыми центрами по направлению полета носителя РСА, причем поляризации антенн ортогональны друг другу. Каждую апертуру формируют со своим интервалом синтезирования, величина которых рассчитывается исходя из условия неизменного разрешения по азимуту. Отраженный от подстилающей поверхности сигнал поступает на антенные системы, каждая из которых позволяет принимать сигналы обеих несущих частот. Таким образом, отраженные сигналы принимают раздельно по четырем каналам и определяют модули и фазы компонент поляризационной матрицы рассеяния участка поверхности, которые и являются поляризационным портретом. Далее из этих компонент различными способами формируют радиолокационное изображение земной или морской поверхности. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в бортовых радиолокаторах с синтезированной апертурой антенны (РСА) при мониторинге земной или морской поверхности.

Известен способ, обеспечивающий получение радиолокационного изображения (РЛИ) земной поверхности с неподвижными и движущимися целями в трехчастотной цифровой РСА (Патент N 2084920, МКИ 5 G 01 S 13/52. Способ селекции движущихся наземных целей / Н.А. Сазонов, В.Н.Щербинин. Приоритет 26.01.94).

Этот способ формирования РЛИ заключается в том, что в качестве сигнала РЛИ используется модуль суммы сигналов всех частотных каналов РСА.

Недостатком такого способа является то, что не учитывается поляризационная структура принимаемого электромагнитного поля (ЭМП), что ведет к потерям в энергетике и информационным потерям при формировании РЛИ, а так же не используется информация, заключенная в фазовых характеристиках переотраженного ЭМП.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ, обеспечивающий обнаружение наземных малоразмерных целей в поляризационной РЛС (Патент США N 5334981, G 01 S 13/04. Приоритет 9.04.1992).

Сущность этого способа заключается в том, что передающая антенна - излучает сигнал на основной поляризации. Этот сигнал распространяется с летательного аппарата до цели и обратно. Приемники связаны с основной и кросс-поляризованной приемными антеннами. Цель обнаруживается путем обработки выходных сигналов двух приемников. Такая РЛС содержит передатчик, три антенны, два приемника и процессор обработки.

Недостатками такого способа являются низкая разрешающая способность по азимутальной и дальностной координате, а так же обработка сигналов только на основной и кроссовой поляризациях. В этом случае полного поляризационного приема осуществить не удается.

Техническим результатом предлагаемого способа является улучшение качества формируемого РЛИ.

Сущность предлагаемого способа формирования поляризационного портрета (ПП) заключается в том, что формируют две синтезированные апертуры антенны на разных несущих частотах зондирующих импульсов, каждую апертуру формируют со своим интервалом синтезирования, величину которого рассчитывают исходя из неизменного разрешения по азимуту, разрешение по дальности в каждом канале поддерживается постоянным, апертуры формируют каждую со своей антенной решеткой с разнесенными в пространстве фазовыми центрами по направлению полета носителя РЛС, причем поляризации антенных решеток ортогональны друг другу и определяют два поляризационных канала, полоса пропускания каждой из них позволяет принимать сигналы обеих несущих частот, величина разноса по частоте поляризационных каналов определяется шириной спектра зондирующего сигнала и допустимыми изменениями характеристик переотражения лоцируемых объектов, принимают отраженные сигналы раздельно по четырем каналам (на каждой частоте два поляризационных канала) и определяют модули и фазы компонент поляризационной матрицы рассеяния участка поверхности.

Сущность способа поясняется следующими рассуждениями.

Антенная система РСА представляет собой совокупность двух антенных решеток с разнесенными в пространстве фазовыми центрами на расстояние d по направлению полета носителя РСА (см. фиг. 1). Поляризации антенн ортогональны друг другу и определяют два поляризационных канала. Используется частотное разнесение в системе сигналов [1]. Выбор величины разноса по частоте поляризационных каналов обусловливается шириной спектра зондирующего сигнала и допустимыми изменениями характеристик переотражения лоцируемых объектов.

Для того, чтобы разрешение по азимуту в различных частотных каналах исследуемой РСА было одинаковым необходимо выбирать длину интервалов синтезирования (ИС) в частотных каналах (ЧК) исходя из известных требований [2]. Так, если условно принять, что ω₁ > ω₂, то при чисто боковом обзоре накопление сигнала на частоте ω₁ начнется после начала накопления сигнала на частоте ω₂ через время где q = (ω₁-ω₂)/Δω; Δω - ширина спектра зондирующего импульса, обеспечивающая требуемое разрешение по дальности (q≥1); ω₁ и ω₂ круговые несущие частоты сигналов каналов основных поляризаций; λ₂ - длина волны, соответствующая частоте ω₂; ; R₀ - дальность до картографируемой полоски дальности (ПД); δ_x - линейное разрешение по азимуту; W - скорость полета носителя РСА. Следует учесть тот факт, что при относительно небольшом разносе частот каналов (q=1...2), необходимо синхронизировать моменты излучения передатчиков, для того, чтобы бланкирующие импульсы не приводили к потере информации в соседнем частотном канале.

Таким образом, излучаемый антенной системой сигнал можно представить в виде (2) где A_и - амплитуда зондирующих импульсов; N₁, N₂ - число накапливаемых импульсов на первом и втором ИС соответственно; сигнал единичной мощности, описывающий законы амплитудной и фазовой модуляции; T_и - период повторения зондирующих импульсов; ϕ₁ и ϕ₂ начальные фазы сигналов каналов основных поляризаций.

Модель радиолокационного рельефа (РЛР) разрешаемой полоски дальности удобно представить набором L элементарных в поляризационном смысле отражателей, расположенных через расстояние, равное разрешению по азимуту δ_x, на дальности R₀ где поляризационная матрица рассеивания (ПМР) 1-го элемента разрешения; В этом случае сигнал, отраженный от рассматриваемой полоски дальности, на выходе антенной системы поляризационной РСА может быть представлен в виде где R^ω₁2(t) - расстояние между 1-м элементом разрешения в полоске дальности (ПД) и фазовым центром антенны i-го частотного канала; с - скорость света.

В качестве критерия оптимальности в условиях отсутствия априорной информации о характере распределения поляризационной функции РЛР целесообразно использовать критерий максимума функционала правдоподобия. Разработка алгоритмов формирования ПП в РСА сводится к синтезу алгоритмов оценки ПМР для каждого элемента разрешения. Следует отметить, что в рассматриваемом случае однопозиционной РСА соблюдается равенство диагональных элементов ПМР, т.е. [1].

Шумы на выходе антенной системы РСА аппроксимируются комплексным пространственно-временным белым шумом со следующими характеристиками

где N₀ - математическая спектральная плотность комплексного шума частотного канала; δ_ij- - символ Кронекера; δ(t₁-t₂) - дельта-функция Дирака; i, j - номера поляризационных каналов (ПК).

Учитывая, что входной сигнал поляризационной РСА (ПРСА) является аддитивной смесью полезного сигнала (4) и шума с характеристиками (5) функционал правдоподобия оцениваемых параметров поляризационной функции РЛР (3) можно представить в виде

где c₀ - постоянный коэффициент, (T_с) - область интегрирования, равная наибольшему интервалу синтезирования; Z(t) - вектор-столбец сигналов на выходе антенной системы РСА; ^Э - операция эрмитова сопряжения.

Оценки фаз и модулей компонент ПМР 1-го элемента РЛР по критерию максимума функционала правдоподобия определяются согласно следующим равенствам




где n = 0, 1, 2...i=1, 2; - сигнал на выходе фильтра, настроенного на частоту ω_j, приемника i-го ПК после стробирования по дальности, гетеродинирования и сжатия по дальности; - суть k-й импульс опорной функции i-го ЧК;
Структурная схема РСА в режиме формирования ПП представлена на фиг. 2. Она содержит антенные устройства 1 АУ1 и 2 АУ2, соединенные с антенными переключателями 3 АП1 и АП2. Вторые входы антенных переключателей соединены с выходами передатчиков 4 ПРД1 и ПРД2, входы которых соединены с выходами генераторов опорного сигнала 5 ГОС1 и ГОС2, а входы ГОС1 и ГОС2 соединены с выходами синхронизатора 6 СИНХ. Выходы антенных переключателей 3 АП1 и АП2 соединены со входами широкополосных усилителей радиочастоты 7 УРЧ1 и УРЧ2. Выход УРЧ1 соединен со входами полосовых фильтров 8Ф_ω1 и 9Ф_ω2, и выход УРЧ2 соединен со входами полосовых фильтров 9Ф_ω2 и 8Ф_ω1. Выходы полосовых фильтров соединены со входами приемников 10 ПРМ₁₁, ПРМ₂₁, ПРМ₁₂ и ПРМ22, вторые входы которых соединены с выходами генераторов опорного сигнала 5 ГОС1 и ГОС2. Выходы приемников соединены с входами каналов цифровой обработки 11 КЦ01, КЦ02, КЦ03 и КЦ04, вторые входы которых одновременно являются выходами и соединены с запоминающим устройством 12 ЗУ. Другие выходы каналов цифровой обработки соединены со входами 13 ЭВМ отображения информации. Выход ЭВМ соединен со входом индикатора 14 ИНД.

РЛС работает следующим образом. В направлении подстилающей поверхности излучается одновременно два ортогонально поляризованных зондирующих сигнала на частотах ω₁ и ω₂, сформированных, соответственно, в передатчиках ПРД1 и ПРД2. Отраженные от целей и фона местности сигналы принимаются антенными устройствами 1 и 2, причем каждое антенное устройство принимает основную поляризационную компоненту на одной частоте, а кроссовую - на другой, и поступают на входы широкополосных усилителей радиочастоты УРЧ1 и УРЧ2. Таким образом, селекция отраженных сигналов по поляризации осуществляется в антенных устройствах. Фильтрация отраженных сигналов с помощью полосовых фильтров _ω1 и Ф_ω2 позволяет разделить разно поляризованные компоненты принимаемого сигнала. С выходов фильтров сигналы поступают на приемники ПРМ₁₁, ПРМ₂₁, ПРМ₁₂ и ПРМ₂₂, где происходит стробирование по дальности, гетеродинирование и сжатие по дальности принимаемых компонент. Сигналы с выходов приемников поступают на первые входы каналов цифровой обработки КЦ01, КЦ02, КЦ03 и КЦ04, на вторые входы которых подаются отсчеты опорной функции из ЗУ. В КЦ01-КЦ04 по выражениям (7)-(10) происходит формирование синтезированных антенн в пространстве. Промежуточные результаты вычислений поступают из КЦ01-КЦ04 в ЗУ и на следующем шаге вычислений вновь в каналы цифровой обработки. Окончательные результаты вычислений по выражениям (7)-(10) из каналов цифровой обработки поступают на ЭВМ отображения радиолокационной информации, где формируется радиолокационное изображение одним из возможных способов. Сформированное изображение выводится на индикатор ИНД.

Таким образом, данная РЛС позволяет улучшить качество радиолокационного изображения, так как в ней учитывается полная поляризационная структура обрабатываемого электромагнитного поля.

Источники информации
1. Сарычев В.А. - Радиотехника, 1996, N 10.

2. Сазонов Н.А., Щербинин В.Н. - Радиотехника, 1995, N 11.

Формула изобретения

1. Способ формирования поляризационного портрета земной или морской поверхности, заключающийся в том, что формируют две синтезированные апертуры антенны на разных несущих частотах зондирующих импульсов, каждую апертуру формируют со своим интервалом синтезирования, величину которого рассчитывают исходя из неизменного разрешения по азимуту, разрешение по дальности в каждом канале поддерживается постоянным, отличающийся тем, что апертуры формируют каждую со своей антенной решетки с разнесенными в пространстве фазовыми центрами по направлению полета носителя РЛС, причем поляризации антенных решеток ортогональны друг другу и определяют два поляризационных канала, полоса пропускания каждой из них позволяет принимать сигналы обеих несущих частот, величина разноса по частоте поляризационных каналов определяется шириной спектра зондирующего сигнала и допустимыми изменениями характеристик переотражения лоцируемых объектов, принимают отраженные сигналы раздельно по четырем каналам, на каждой частоте два поляризационных канала, и определяют модули и фазы компонент поляризационной матрицы рассеяния участка поверхности по формулам




где сигнал на выходе фильтра, настроенного на частоту ω_i приемника i-го поляризационного канала после стробирования по дальности, гетеродинирования и сжатия по дальности;
λ_i - длина волны, соответствующая частоте ω_i;
суть К-й импульс опорной функции i-го частотного канала;
разность расстояний между l-м элементом разрешения и фазовым центром антенны i-го частотного канала и наклонной дальности до участка земной поверхности, поляризационный портрет которого формируется,
n = 0, 1, 2, ...;
j - мнимая единица;
N_i - число импульсов зондирования в i-м частотном канале.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее первое и второе антенные устройства, соединенные, соответственно, с первым и вторым антенными переключателями, вторые входы которых соединены, соответственно, с выходами первого и второго передатчиков, входы которых, соответственно соединены с выходами первого и второго генераторов опорного сигнала, входы которых соединены с выходами синхронизатора, выходы первого и второго антенных переключателей соединены, соответственно, со входами первого и второго широкополосных усилителей радиочастоты, отличающееся тем, что поляризации антенных устройств ортогональны друг другу, каждое устройство принимает сигналы обеих несущих частот, выход первого широкополосного усилителя радиочастоты соединен со входами первого и второго полосовых фильтров, а выход второго широкополосного усилителя радиочастоты соединен со входами третьего и четвертого полосовых фильтров, выходы полосовых фильтров соединены, соответственно, со входами первого, второго, третьего и четвертого приемников, вторые входы которых соединены с выходами первого и второго генераторов опорного сигнала, выходы приемников соединены с входами первого, второго, третьего и четвертого каналов цифровой обработки, вторые входы которых одновременно являются их выходами и соединены с запоминающим устройством, другие выходы каналов цифровой обработки соединены со входами ЭВМ, предназначенной для отображения информации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2