Радары с синтезированной апертурной решеткой (SAR) - реальность и мифы

Kaa

Активный участник
Сообщения
5.545
Здесь будем разбирать тот самый пресловутый режим картографирования с уклоном в тематику ФАР РЛС в частности.
Обещаю много материала, кучу формул и интересные подробности.

Для затравки, что такое режим SAR (РСА) с точки зрения науки и радиолокации.

Synthetic aperture radar technology key part of space-based radar

The technology of synthetic aperture radar, which has been used to map the Earth from space, will play an integral role in the U.S. Department of Defense’s space-based radar programs.

By John McHale

Visitors to Windsor Castle in Windsor, England, often marvel at the detailed world maps created by 15th and 16th century cartographers for the 400-year-old books on display at the castle’s cathedral. The maps are detailed and uncannily close in accuracy to the satellite map imagery easily downloadable from the Internet today.
Despite all that skill and hard work, those talented mapmakers would probably kill to get their hands on satellite payloads and synthetic aperture radar (SAR).

SAR has been used by the military, NASA, and other government agencies for years for mission-critical applications ranging from mapping planets to battlefield intelligence, surveillance and reconnaissance (ISR) applications.

According to Sandia National Labs environmental monitoring, Earth-resource mapping, and military systems require broad-area imaging at high resolutions. Often the imagery must be acquired in inclement weather or during night as well as day.

SAR systems take advantage of the long-range propagation characteristics of radar signals and the complex information processing capability of modern digital electronics to provide high resolution imagery,î states the Sandia web site. Synthetic aperture radar complements photographic and other optical imaging capabilities because of the minimum constraints on time-of-day and atmospheric conditions and because of the unique responses of terrain and cultural targets to radar frequencies.

How SAR works (обращаю Ваше внимание на этот абзац)

According to Sandia National Labs SAR typically produces a two-dimensional (2-D) image. One dimension in the image is called range (or cross track) and is a measure of the “line-of-sight” distance from the radar to the target. Range measurement and resolution are achieved in synthetic aperture radar in the same manner as most other radars: range is determined by precisely measuring the time from transmission of a pulse to receiving the echo from a target and, in the simplest SAR, range resolution is determined by the transmitted pulse width; for example, narrow pulses yield fine range resolution.

The second dimension is azimuth, or along track, and is perpendicular to range. It is the ability of SAR to produce relatively fine azimuth resolution that differentiates it from other radars.

“To obtain fine azimuth resolution, a physically large antenna is needed to focus the transmitted and received energy into a sharp beam,” Sandia’s Web site notes. The sharpness of the beam defines the azimuth resolution. Similarly, optical systems, such as telescopes, require large apertures (mirrors or lenses which are analogous to the radar antenna) to obtain fine imaging resolution. Since SARs are much lower in frequency than optical systems, even moderate SAR resolutions require an antenna physically larger than can be practically carried by an airborne platform: antenna lengths several hundred meters long are often required. However, airborne radar could collect data while flying this distance and then process the data as if it came from a physically long antenna. The distance the aircraft flies in synthesizing the antenna is known as the synthetic aperture. A narrow synthetic beamwidth results from the relatively long synthetic aperture, which yields finer resolution than is possible from a smaller physical antenna.

Sandia experts caution that SARs are not simple and that transmitting short pulses to provide range resolution is generally not practical. Typically, longer pulses with wide-bandwidth modulation are transmitted which complicates the range processing but decreases the peak power requirements on the transmitter. For even moderate azimuth resolutions, a target’s range to each location on the synthetic aperture changes along the synthetic aperture. The energy reflected from the target must be “mathematically focused” to compensate for the range dependence across the aperture prior to image formation. Additionally, for fine-resolution systems, the range and azimuth processing is coupled (dependent on each other), which greatly increases the computational processing.

Введение.

Бортовые радиолокационные станции с синтезированием апертуры антенны (РСА) формируют радиолокационное изображение (РЛИ) местности путем когерентной обработки отраженных от подстилающей поверхности сигналов. Принцип синтезирования основан на перемещении бортовой антенны РЛС для последовательного формирования антенной решетки больших размеров на траектории полета [1–2]. Амплитуда и фаза отраженного от подстилающей поверхности колебания, регистрируемого приемным устройством вдоль траектории полета носителя РСА, содержит информацию об участках местности и объектах на ней. Такой принцип землеобзора эффективно используется в РСА космического и самолетного базирования для решения важных научных и практических задач. При этом радиолокационные изображения местности при цифровой обработке можно оперативно получать непосредственно на борту носителя с высоким пространственным разрешением.

Отклонения от заданной траектории полета носителя РСА, которые не учтены в алгоритме обработки сигнала в виде соответствующих корректирующих функций, приводят к искажениям результирующего радиолокационного изображения. В частности, это расфокусировка по азимутальной и дальностной координатам, смещение объектов относительно их истинного положения, потеря яркости изображения, увеличение боковых лепестков синтезированной диаграммы направленности, что влечет за собой повторы целей, и ряд других искажений. Поэтому для получения радиолокационных изображений приемлемого качества приходится ограничивать интервал синтезирования или применять различные методы компенсации траекторных ошибок.

Коррекция траекторных ошибок при синтезировании апертуры в РСА осуществляется на основе целого ряда различных методов [3–8]. Всю совокупность методов можно разделить на три группы:
¾ методы, использующие информацию о положении носителя в каждой точке его траектории от специальных бортовых датчиков различного типа;
¾ методы, использующие информацию об отклонении реальной траектории полета от расчетной, извлеченную из траекторного сигнала;
¾ комбинированные методы.
Создание радиолокационной аппаратуры, инвариантной к типу и характеристикам бортовых навигационных средств и одновременно обеспечивающей автоматическую коррекцию радиолокационных изображений, возможно благодаря извлечению информации о траекторных ошибках непосредственно из отраженного сигнала.

Т.е. грубо говоря, РЛС самолета работающая в таком режиме, создает как бы виртуальную антенную решетку огромного размера за счет перемещения радара на борту л/а или ИСЗ относительно облучаемого объекта. Далее все сигналы, отраженные от объекта, собираются, по определенными алгоритмам расчитываются и на основе этих данных синтезируется 2-х мерное изображение объекта на местности (включая все выступы, низины и т.п.). Полученное изображение может дополнительно обрабатываться для уточнения контуров объектов либо выводиться на экран монитора для определения типа объекта/целеуказания.

При этом самолет облучатель должен лететь параллельно или под небольшим углом (а не в лоб) относительно цели и минимально маневрировать, в противном случае, как указано выше:

"Ошибки в определении ускорения и скорости изменения ускорения приводят к увеличению ширины главного лепестка синтезированной антенны (что эквивалентно потере разрешающей способности РСА в азимутальном направлении), повышению уровня боковых лепестков и асимметрии главного лепестка. На радиолокационном изображении такого рода траекторные ошибки проявляются в виде геометрических искажений, повторов, пятнистости, потере потенциала локатора, что, в свою очередь, приводит к искажениям контрастов отдельных участков и расфокусировке изображения в целом."

Продолжение следует.

Интернет источники:
http://mae.pennnet.com/
http://jre.cplire.ru/iso/apr08/1/text.html
http://kunegin.narod.ru/ref3/far/intro.htm
http://fdc.seua.am/text/avtor/avtor_20060325_124952.pdf
Отличное изложение материала по РЛС и режимам работы (подробно рассмотрены ФАР/АФАР и режимы работы РЛС с синтезированной апертурой).
Авторы О.Д. Вендик, М.Д. Парнес, под редакцией Л.Д. Бахраха. 2001г.

Список рекомендуемой литературы.
Основная

1. Фельд Я.Н., Бененсон Л.С. Основы теории антенн. М.: Дрофа, 2007.
2. Излучение и рассеяние электромагнитных волн. Под ред. В.А. Обуховца. М.: Радиотехника, 2007.
3. Чебышев В.В. Микрополосковые антенны в многослойных средах. М.: Радотехника, 2007.
4. Обуховец В.А., Касьянов А.О. Микрополосковые отражательные антенные решетки.Методы проектирования и численное моделирование. М.: Радиотехника, 2006.
5. Климачев И.И., Иовдальский В.А. СВЧ ГИС. Основы технологии и конструирования. М.: Техносфера, 2006.
6. Неганов В.А., Яровой Г.П. Теория и применение устройств СВЧ. М.: Радио и связь, 2006.
7. Зелкин Е.Г., Кравченко В.Ф., Гусевский В.И. Конструктивные методы аппроксимации в теории антенн. М.: САЙНС-ПРЕСС, 2005.
8. Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. М.: Горячая линия-Телеком, 2004.
9. Кравченко В.Ф. Лекции по теории атомарных функций и некоторым их приложениям. М.: Радиотехника, 2003.
10. Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А.Д. Техническая электродинамика. М.: Радио и связь, 2000.
11. Справочник по антенной технике. Том 1. Под ред. Я.Н.Фельда, Е.Г.Зелкина. М.: Радиотехника, 1997.
12. Проблемы антенной техники. Под ред. Л.Д.Бахраха, Д.И.Воскресенского. М.: Радио и связь, 1989.
13. Красюк Н.П., Коблов В.Л., Красюк В.Н. Влияние тропосферы и подстилающей поверхности на работу РЛС. М.: Радио и связь, 1988.
14. Воскресенский Д.И., Кременецкий С.Д., Гринев А.Ю., Котов Ю.В. Автоматизированное проектирование антенн и устройств СВЧ. М.: Радио и связь, 1988.
15. Самойлов Л.К .Электронное управление характеристиками направленности антенн. Л.: Судостроение, 1987.
16. Кураев А.А. Мощные приборы СВЧ. Методы анализа и оптимизации параметров. М.: Радио и связь, 1986.
17. Зелкин .Г., Соколов В.Г. Методы синтеза антенн. М.: Сов. Радио, 1980.
18. Шифрин Я.С. Вопросы статистической теории антенн. М.: Сов. Радио, 1970.
19. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны / Под ред. В.Т. Горяинова – М.: Радио и связь, 1988
20. Томиясу К.. Радиолокационные станции с синтезированием апертуры и их применение для отображения поверхности океана // Тр. ин-та инж. по электротехнике и радиоэлектронике. - 1978. - 66, № 5. – С.40 – 67.
21. Ицхоки Я.С., Сазонов Н.А., Толстов Е.Ф. Основные характеристики РСА при произвольном движении летательного аппарата // Радиотехника и электроника. - 1984.-29, №11.
22. Стайнберг Б.Д. Формирование радиолокационного изображения самолета в диапазоне СВЧ. -ТИИЭР, 1988, т.76, №12.
23. Курикша А.А., Панов С.Л. Анализ условий получения радиолокационных изображений искусственных спутников Земли. Вопросы радиоэлектроники. Сер. РЛТ, 2003, вып. 2.
24. Пасмуров А.Я. Получение радиолокационных изображений летательных аппаратов. -Зарубежная радиоэлектроника, 1987, №12.
25. Tolkachev A.A., Levitan В.A., Solavjev O.K. et. al. Power Millimeter-Wave Phased-Array Radar. -IEEE AES Sistems Magazine, 2000, vol. 15, №7.
26. Hounam D. Motion Errors and Compensation Possibilities // AGARD Lecture Series
27. Fundamentals and Special Problems of Synthetic Aperture Radar (SAR). 1992.
28. Moreira J.A. A New Method of Aircraft Motion Error Extraction from Radar Raw Data for Real Time SAR Motion Compensation. // Proc., IGARSS Symposium, Vancover. 1999.

Дополнительная литература по тематике

1. Ямпольский В.Г., Фролов О.П. Оптимизация антенных систем линий связи. М.: радио и связь, 1991.
2. Чаплин А.Ф. Анализ и синтез антенных решеток. Львов: Высшая школа, 1987.
3. Самойлов Л.К. Электронное управление характеристиками направленности антенн. Л.: Судостроение, 1987.
4. Воскресенский Д.И., Гринев А.Ю., Воронин Е.Н. Радиооптические антенные решетки. М.: Радио и связь, 1986.
5. Воскресенский Д.И., Пономарев Л.И., Филиппов В.С. Выпуклые сканирующие антенны. М.: Советское радио, 1978.
6. Шур М.С. Приборы на основе арсенида галлия. М.: Мир, 1984.
7. Антенны и устройства СВЧ. Под ред. Д.И. Воскресенского. М.: Радио и связь, 1981.
8. Фальковский О.И. Техническая электродинамика. М.: Связь, 1978.
9. Цейтлин М.Б., Фурсаев М.А., Бецкий О.В. Сверхвысокочастотные усилители со скрещенными полями. М.: Сов. Радио, 1978.
10. Айзенберг Г.З., Янпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. Ч.1,2. М.: Связь, 1977.
11. Фрадкин А.Л. Антенно-фидерные устройства. М.: Связь, 1977.
12. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. М.: Энергия, 1975.
13. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1973.
14. Кураев А.А. Сверхвысокочастотные приборы с периодическими электронными потоками. Мн.: Наука и техника, 1971.
15. Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика. М.: Связь, 1971.
16. Вайнштейн Л.А., Солнцев В.А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике. М.: Сов. Радио, 1973.

Буду рад увидеть комментарии заинтересованных участников по теме.
 
Сверху