Способ формирования изображения поверхности в бортовой радиолокационной станции с синтезированием апертуры антенны с электронным управлением лучом



Способ формирования изображения поверхности в бортовой радиолокационной станции с синтезированием апертуры антенны с электронным управлением лучом
Способ формирования изображения поверхности в бортовой радиолокационной станции с синтезированием апертуры антенны с электронным управлением лучом
Способ формирования изображения поверхности в бортовой радиолокационной станции с синтезированием апертуры антенны с электронным управлением лучом
Способ формирования изображения поверхности в бортовой радиолокационной станции с синтезированием апертуры антенны с электронным управлением лучом

 


Владельцы патента RU 2617116:

Акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" (RU)

Изобретение относится к области радиолокации, в частности к бортовым радиолокационным станциям, устанавливаемым на летательных аппаратах, и позволяет формировать радиолокационное изображение (РЛИ) поверхности Земли. Достигаемый технический результат - устранение затемненных областей в РЛИ, полученном из нескольких парциальных кадров, вызванных искривлением пятна диаграммы направленности антенны на поверхности Земли при электронном сканировании. Указанный результат достигается за счет того, что при обработке сигнала производят сдвиг сигнала в каждом канале дальности по частоте таким образом, что доплеровская частота сигналов, отраженных от элементов, находящихся на оси пятна луча диаграммы направленности антенны на картографируемой поверхности, принимает нулевое значение, а при формировании РЛИ производят пересчет элементов разрешения по доплеровской частоте в каждом канале дальности в азимутальные элементы разрешения в соответствии с зависимостью азимута от доплеровской частоты и дальности, обратной использованной при частотном сдвиге сигнала. 5 ил.

 

Изобретение относится к области радиолокации, в частности к бортовым радиолокационным станциям (БРЛС), устанавливаемым на летательных аппаратах, и позволяет формировать радиолокационное изображение (РЛИ) поверхности Земли.

Известен способ картографирования земной поверхности [«Многофункциональные радиолокационные системы» под ред. Б.Г. Татарского, М.: Дрофа, 2007 г., стр. 197-203, рис. 8.2], основанный на объединении РЛИ разнесенных по азимуту парциальных кадров, каждое из которых получено путем излучения когерентного импульсного зондирующего сигнала, облучения антенной БРЛС соответствующего парциального участка картографируемой поверхности, аналогово-цифрового преобразования принятого сигнала и последующей цифровой обработки. Синтезирование апертуры антенны позволяет искусственно более чем на порядок обострить луч, используя зависимость доплеровского смещения частоты отраженного сигнала от углового положения отражающего элемента поверхности, что обеспечивает азимутальное разрешение целей, находящихся внутри луча.

Наиболее близким аналогом является «Способ формирования изображения поверхности в радиолокационной станции с синтезированием апертуры антенны» [RU 2511216, опубликовано 10.04.2014, МПК G01S 13/89]. Способ основан на объединении радиолокационных изображений разнесенных по азимуту парциальных кадров, каждое из которых получено излучением когерентного импульсного зондирующего сигнала и облучением антенной БРЛС парциальных участков зоны обзора картографируемой поверхности скользящим способом, причем азимутальный шаг скольжения диаграммы направленности антенны (ДНА) выбирается равным или близким к ее азимутальной полуширине. Далее осуществляется аналого-цифровое преобразование принятых отраженных сигналов, образование двумерных массивов оцифрованных сигналов и цифровая обработка содержащихся в массивах данных путем N-кратного выполнения коррекции расположения по дальности и зависимости фазы от дальности, азимутального предсуммирования, сжатия по дальности, записи результатов сжатия по дальности в буферную память, азимутальной фазовой коррекции. Затем осуществляется формирование азимутальных элементов разрешения посредством быстрого преобразования Фурье (БПФ), автофокусировка, амплитудное детектирование и усреднение, далее - наложение полученных раздельно N РЛИ суммированием амплитуд азимутальных элементов разрешения в каждом канале дальности и сжатие динамического диапазона амплитуд элементов разрешения РЛИ, полученного после суммирования амплитуд азимутальных элементов. Причем указанное выше сложение амплитуд сигналов N РЛИ, N=3, 4, производится поэлементно в массивах размером MN-2/2, где M - число формируемых быстрым преобразованием Фурье азимутальных элементов, со скольжением массивов на шаг MN-2/2.

Описанные в аналогах способы, реализованные в БРЛС, в составе которых используется антенна с электронным управлением лучом (пассивная или активная фазированная антенная решетка), формируют РЛИ с выраженными затемненными областями. Это вызвано тем, что ось пятна луча на земной поверхности имеет искривленную форму. Так, основная энергия расширенного по углу места луча, который используется при картографировании протяженных по дальности участков поверхности, сосредоточена, при отсутствии электронного отклонения по азимуту, вокруг участка вертикальной плоскости. Если же луч ДНА отклонен по азимуту посредством фазирования антенной решетки (электронное отклонение), основная его энергия будет сосредоточена вокруг участка конуса с вершиной в фазовом центре антенны, осью, лежащей горизонтально в плоскости антенной решетки, и образующей, проходящей через направление луча. Соответственно, геометрия оси пятна луча на поверхности будет определяться формой сечения конуса этой поверхностью. Для плоской поверхности данная ось будет представлять собой, как правило, участок гиперболы.

Формирование азимутальных элементов без учета искривленности пятна луча ДНА приводит к возникновению затемненных областей в ближней и дальней частях каждого парциального кадра, что заметно снижает качество РЛИ. При этом следует отметить, что в большинстве современных многофункциональных БРЛС применяются антенны с электронным управлением лучом (БРЛС «БАРС» истребителя Су-30МКИ, БРЛС «Ирбис» истребителя Су-35С, AN/APG-77 истребителя F-22 и многие другие).

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа, обеспечивающего формирование качественного РЛИ без затемненных областей при использовании БРЛС с антеннами с электронным управлением лучом.

Техническим результатом предлагаемого способа формирования изображения поверхности в радиолокационной станции с синтезированием апертуры с электронным управлением лучом антенны является устранение затемненных областей в РЛИ, полученном из нескольких парциальных кадров, вызванных искривлением пятна ДНА на поверхности Земли при электронном сканировании.

Сущность предлагаемого способа формирования изображения поверхности в радиолокационной станции с синтезированием апертуры с электронным управлением лучом антенны состоит в объединении радиолокационных изображений разнесенных по азимуту парциальных кадров, полученных посредством излучения когерентного импульсного зондирующего сигнала, облучения антенной БРЛС парциальных участков поверхности скользящим способом с величиной азимутального шага скольжения диаграммы направленности антенны БРЛС, равной или близкой к ее азимутальной полуширине, аналого-цифрового преобразования принятых сигналов, формировании двумерных массивов оцифрованных принятых сигналов и цифровой обработке, состоящей из:

а) N-кратного выполнения (N≥1):

- коррекции расположения по дальности и зависимости фазы от дальности,

- сжатия по дальности,

- автофокусировки,

- амплитудного детектирования и усреднения.

б) сжатия динамического диапазона амплитуд элементов разрешения, полученного после наложения РЛИ.

Новым в предлагаемом способе является то, что после сжатия сигнала по дальности и до автофокусировки производится сдвиг сигнала в каждом канале дальности по частоте, таким образом, что доплеровская частота сигналов, отраженных от элементов, находящихся на оси пятна луча диаграммы направленности антенны на картографируемой поверхности, принимает нулевое значение. Далее формируют элементы разрешения по доплеровской частоте посредством быстрого преобразования Фурье, а после амплитудного детектирования и усреднения и до сжатия динамического диапазона производится наложение полученных раздельно радиолокационных изображений в координатах «дальность - доплеровская частота» суммированием амплитуд элементов разрешения по доплеровской частоте в каждом канале дальности скользящим способом поэлементно в массивах размером MN-2/2, где M - число формируемых быстрым преобразованием Фурье элементов разрешения по доплеровской частоте, со скольжением массивов на шаг MN-2/2. Далее в каждом канале дальности производится пересчет элементов разрешения по доплеровской частоте в азимутальные элементы разрешения в соответствии с зависимостью азимута от доплеровской частоты и дальности, обратной использованной при частотном сдвиге сигнала.

На фиг. 1 представлены а) вид пятна луча ДНА на поверхности для антенн с механическим сканированием, б) вид пятна луча ДНА на поверхности для антенн с электронным сканированием.

На фиг. 2 показано распределение отраженного от поверхности сигнала в координатах «дальность - доплеровская частота».

На фиг. 3 показано распределение отраженного от поверхности сигнала в координатах «дальность - доплеровская частота» после операции сдвига сигнала в частотной области.

На фиг. 4 схематично показано изображение, состоящее из парциальных кадров в координатах «дальность - азимут», полученное а) по прототипу; б) по заявляемому способу.

На фиг. 5 приведен фрагмент РЛИ, построенного из 30 интервалов когерентного накопления а) по способу прототипа б) по заявляемому способу.

Способ формирования изображения поверхности в радиолокационной станции с синтезированием апертуры с электронным управлением лучом антенны осуществляется следующим образом.

Антенна начинает сканирование зоны обзора для формирования парциальных кадров, выставляя биссектрису ДНА, например, на левую азимутальную границу назначенной зоны обзора. В каждом азимутальном положении (парциальном кадре) БРЛС облучает картографируемый участок необходимым числом радиоимпульсов и принимает отраженные сигналы, переводя их в цифровой вид посредством аналого-цифрового преобразования. Из оцифрованных сигналов формируются двумерные массивы путем их распределения по каналам дальности и периодам излучения. Далее сигнал, накопленный в каждом азимутальном положении ДНА, подвергается цифровой обработке путем выполнения следующих операций: коррекции расположения по дальности и зависимости фазы от дальности сигнала, сжатия сигнала по дальности.

Формирование азимутальных элементов в соответствии с изложенной в ближайшем аналоге методикой приводит к возникновению затемненных областей в ближней и дальней частях каждого парциального кадра. Такой эффект вызван отличием геометрии реальной области (фиг. 1б), подсвеченной лучом БРЛС, от расчетной (фиг. 1а). На фиг. 2 схематически показано распределение отраженного от поверхности сигнала в координатах «дальность (D) - доплеровская частота (fДоп)» после процедуры амплитудного детектирования и усреднения в одном интервале когерентного накопления (синтеза апертуры). Через Fп обозначена частота повторения импульсов.

Пунктирными линиями показаны границы, в которых формируются азимутальные элементы. Из фигуры 2 видно, что существенная часть точек, в которых присутствует отраженный от поверхности сигнал, оказывается за пределами зоны формирования азимутальных элементов, в то время как в данную зону попадают области, не подсвеченные лучом БРЛС.

Устранение затемненных областей радиолокационного изображения в заявляемом способе производится посредством изменения границ формирования азимутальных элементов в каждом парциальном кадре. Для этого в каждом интервале когерентного накопления рассчитывается геометрия оси пятна луча: в каждом канале дальности определяется направление на соответствующую точку, лежащую на оси пятна луча, относительно направления движения фазового центра антенны. Для расчета направления необходима информация о высоте носителя БРЛС над поверхностью, угловой ориентации антенны (рассчитывается из параметров угловой ориентации носителя и углов механического поворота антенны) и углах электронного отклонения луча. Из путевой скорости движения фазового центра антенны и вычисленного направления на точку оси определяется скорость сближения с этой точкой, а затем из скорости сближения и длины волны излучаемого сигнала определяется доплеровская частота сигнала и соответствующий ей фазовый набег.

После процедуры сжатия по дальности сигнал в каждом канале дальности сдвигают в частотной области с помощью умножения на гармоническую функцию, компенсирующую фазовый набег вследствие сближения с точкой, лежащей на оси пятна луча ДНА и находящейся в данном канале дальности. Сдвиг сигнала осуществляют таким образом, что доплеровская частота сигналов, отраженных от элементов, находящихся на оси пятна луча диаграммы направленности антенны на картографируемой поверхности, принимает нулевое значение. Описанная процедура приводит сигнал в координатах «дальность - доплеровская частота» к виду, схематически представленному на фиг. 3 (ср. с видом сигнала на фиг. 2).

Далее формируются элементы разрешения по доплеровской частоте посредством быстрого преобразования Фурье (БПФ) сигнала, производятся автофокусировка, амплитудное детектирование и усреднение сигнала. Результатом является изображение в координатах «дальность - доплеровская частота», полученное в одном интервале когерентного накопления (интервале синтеза апертуры).

Далее производится перевод ДНА по азимуту на угол скольжения, составляющий около полуширины ДНА по азимуту, и повторно формируются элементы разрешения по доплеровской частоте и заносятся в буферную память, тем самым формируется изображение в координатах «дальность - доплеровская частота» в следующем интервале когерентного накопления.

Указанные выше операции проводят для всех N≥1 интервалов когерентного накопления, образующих парциальный кадр. Затем осуществляют суммирование записанных в буферной памяти амплитуд элементов разрешения по доплеровской частоте в каждом канале дальности скользящим способом поэлементно в массивах размером MN-2/2, где M - число формируемых быстрым преобразованием Фурье элементов разрешения по доплеровской частоте, со скольжением массивов на шаг MN-2/2.

Для получения полного РЛИ, состоящего из нескольких парциальных кадров, осуществляют перевод полученного изображения из координат «дальность - доплеровская частота» в координаты «дальность - азимут» следующим образом: формируют сетку «дальность - азимут», в которой должно быть сформировано радиолокационное изображение, далее, в соответствии с использованной ранее зависимости величины частотного сдвига от номера канала дальности и номера интервала когерентного накопления, для каждой точки сетки «дальность - азимут» определяют номер парциального кадра, канала дальности и доплеровского фильтра, соответствующие данной точке. Амплитуда сигнала в данной точке сетки «дальность - азимут» в формируемом итоговом радиолокационном изображении принимается равной амплитуде сигнала в найденной точке (точке с найденными номерами парциального кадра, канала дальности и доплеровского фильтра) исходного изображения. В результате такой процедуры, вместо радиолокационного изображения, в котором границы парциальных кадров лежат вдоль радиальных прямых, как показано на Фиг. 4а (β - азимутальный угол), формируется изображение, в котором границы парциальных кадров имеют криволинейную форму и соответствуют реальным границам пятен луча при сканировании антенной. Структура такого радиолокационного изображения проиллюстрирована на фиг. 4б.

Завершающей операцией является сжатие динамического диапазона амплитуд элементов разрешения РЛИ для всего изображения, состоящего из парциальных кадров, осуществляющее преобразование амплитуд сигнала в градации яркости элементов разрешения индикатора.

Преимущество заявляемого способа перед прототипом продемонстрировано на фиг. 5: на фиг. 5а приведен фрагмент радиолокационного изображения поверхности, составленного по результатам примерно 30 интервалов когерентного накопления, в соответствии с методикой прототипа (на изображении хорошо видны затемненные области в нижней и верхней частях, вследствие чего оно имеет характерную полосатую структуру), а на фиг. 5б - аналогичный фрагмент, но полученный с помощью заявляемого способа.

Способ формирования изображения поверхности в бортовой радиолокационной станции с синтезированием апертуры антенны с электронным управлением лучом, основанный на объединении радиолокационных изображений разнесенных по азимуту парциальных кадров, каждое из которых получено излучением когерентного импульсного зондирующего сигнала, облучением антенной радиолокационной станции парциальных участков зоны обзора картографируемой поверхности скользящим способом, с величиной азимутального шага скольжения диаграммы направленности антенны радиолокационной станции, равной или близкой к ее азимутальной полуширине, аналого-цифровым преобразованием принятых отраженных сигналов, образовании двумерных массивов оцифрованных сигналов и цифровой обработке содержащихся в массивах данных путем N-кратного выполнения коррекции расположения по дальности и зависимости фазы от дальности, сжатия по дальности, автофокусировки, амплитудного детектирования и усреднения, где N - целое число, большее либо равное единице, и сжатия динамического диапазона амплитуд элементов разрешения радиолокационного изображения, отличающийся тем, что после сжатия по дальности производят сдвиг сигнала в каждом канале дальности по частоте таким образом, что доплеровская частота сигналов, отраженных от элементов, находящихся на оси пятна луча диаграммы направленности антенны на картографируемой поверхности, принимает нулевое значение, формируют элементы разрешения по доплеровской частоте посредством быстрого преобразования Фурье, затем проводят упомянутую выше автофокусировку, а после N-кратного амплитудного детектирования и усреднения производят наложение полученных раздельно радиолокационных изображений в координатах «дальность - доплеровская частота» суммированием амплитуд элементов разрешения по доплеровской частоте в каждом канале дальности скользящим способом поэлементно в массивах размером MN-2/2, где М - число формируемых быстрым преобразованием Фурье элементов разрешения по доплеровской частоте, со скольжением массивов на шаг MN-2/2, затем производят пересчет элементов разрешения по доплеровской частоте в каждом канале дальности в азимутальные элементы разрешения в соответствии с зависимостью азимута от доплеровской частоты и дальности, обратной использованной при частотном сдвиге сигнала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиолокационной технике, в частности к аэрокосмическим бортовым радиолокационным станциям с синтезированием апертуры антенны (РСА), формирующим радиолокационные изображения (РЛИ) земной поверхности с использованием синтезирования антенного раскрыва (САР) в процессе сканирования этой поверхности диаграммой направленности антенны РСА.

Изобретение относится к области космического радиолокационного зондирования Земли, в частности к способу двумерного развертывания фазы при получении цифровых моделей рельефа земной поверхности по интерферометрическим парам радиолокационных изображений.

Изобретение относится к космическим радиоканалам передачи цифровой информации. Сущность заявленного радиокомплекса заключается в организации радиоканала передачи оперативной управляющей информации (ОУИ) «Земля - КА» введением в бортовые и наземные программно-аппаратные средства на пунктах приема целевой информации радиокомплекса устройств формирования и передачи ОУИ на Земле и приема и выделения ОУИ на КА, что позволит минимизировать взаимодействие с центром управления полетами и сокращать время от приема заявок на дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) от потребителей и формирования программы зондирования до получения результатов ее реализации на КА, в течение текущего сеанса связи адаптировать во введенных на КА перестраиваемых блоках кодирования и модуляции сигнально-кодовую структуру информации к его условиям, избирательно запрашивать из всего объема информации наиболее информационно емкие данные зондирования (ДЗ) с помощью введенных на КА устройств анализа ДЗ и каталога ДЗ, а в наземную аппаратуру - устройств восстановления структуры бортового информационного потока.

Сканирующее устройство формирования трехмерного голографического изображения, в миллиметровом диапазоне волн, которое обеспечивает реализацию способа исследования объекта, включает в себя модуль трансивера миллиметрового диапазона, содержащий антенную решетку, направляющее устройство рельсового типа, с которым соединен модуль трансивера.

Изобретение относится к радиолокационным методам и предназначено для извлечения из доплеровских портретов воздушных объектов (ДпП ВО) признаков идентификации, а именно частоты и амплитуды спектральных откликов, соответствующих рассеивающим центрам (РЦ) ВО.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для определения высоты полета летательного аппарата над земной, водной поверхностью, над поверхностью различных планет, а также при взлете и посадке.

Изобретение относится к радиолокации и предназначено для проверки идентификационных возможностей векторных одночастотных признаков распознавания объектов, к которым, в частности, относятся и доплеровские портреты воздушных объектов (ДП ВО).

Изобретение относится к радиолокации, а именно к бортовым радиолокационным системам (РЛС) наблюдения за земной поверхностью на базе доплеровской радиолокационной станции с линейной антенной решеткой.

Изобретение относится к радиолокации, в частности к бортовым радиолокационным средствам навигации летательных аппаратов (ЛА). Достигаемый технический результат - повышение вероятности правильного определения положения ЛА по радиолокационным изображениям (РЛИ) земной поверхности и расширение условий возможного применения бортовых радиолокационных средств ЛА, обеспечивающих возможность навигации ЛА по РЛИ земной поверхности.

Изобретение относится к многопозиционным бортовым радиолокационным станциям (РЛС) и может быть использовано для формирования радиолокационного изображения (РЛИ) наблюдаемого участка земной поверхности.

Изобретение относится к радиолокации и может использоваться в радиотехнических системах, установленных на подвижных объектах, для получения радиолокационного изображения (РЛИ) в процессе дистанционного зондирования земной (водной) поверхности. Достигаемый технический результат – повышение разрешения радиолокационного изображения по наклонной дальности и расширение его динамического диапазона за счет синхронизации момента начала записи эхо-сигнала с началом очередного зондирования. Указанный результат достигается за счет того, что устройство формирования радиолокационного изображения в радиолокационной станции с синтезированной апертурой антенны содержит передающее устройство и устройство расширения импульсов, а также соединенные последовательно приемное устройство, устройство размыкания, аналого-цифровой преобразователь, запоминающее устройство, устройство управления, устройство выборки отсчетов, устройство определения модуля сигнала, интегратор, устройство определения положения минимума, устройство построчного формирования двумерной матрицы, устройство сжатия по дальности, устройство сжатия по азимуту, устройство отображения РЛИ, при этом запоминающее устройство первым и вторым выходами соединено с первым входом устройства построчного формирования двумерной матрицы и вторым входом устройства выборки отсчетов соответственно, а вторым и четвертым входами - с вторым выходом устройства построчного формирования двумерной матрицы и вторым выходом устройства выборки отсчетов соответственно, кроме того, передающее устройство через устройство расширения импульсов соединено с вторым входом устройства размыкания. 1 ил.
Наверх