Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ УЧАСТКА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ АНТЕННЫ (ВАРИАНТЫ)

Изобретения относятся к области радиолокации и могут быть использованы при формировании радиолокационных изображений (РЛИ) земной поверхности с помощью радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА), размещаемых на космических аппаратах (КА).

Информационная технология получения радиолокационного изображения Земли из космоса реализуется с разделением по времени и включает в себя следующее.

1. Проведение радиолокационной съемки, результат которой представляет собой цифровой массив зарегистрированных радиолокационных данных (радиоголограмму) (реализуется с помощью бортовой радиолокационной аппаратуры, размещенной на КА).

2. Формирование радиолокационных изображений (осуществляется на наземных программно-технических средствах посредством когерентной обработки радиолокационных данных, учитывающей параметры движения КА в процессе съемки).

Алгоритм формирования радиолокационного изображения участка местности реализуется в виде согласованной фильтрации траекторного радиолокационного сигнала точечной цели, проводимой для каждого элемента земной поверхности, входящего в область радиолокационного наблюдения.

РЛИ характеризуется пространственной разрешающей способностью и геометрическими размерами снимаемого участка местности.

Пространственная разрешающая способность РЛИ обеспечивается за счет использования широкополосного зондирующего сигнала и когерентной обработки радиолокационных сигналов, полученных на участке траектории носителя РСА (интервале синтезирования - синтезированной апертуре) в процессе радиолокационной съемки.

Геометрические размеры РЛИ определяются протяженностью маршрута съемки (по направлению вдоль траектории КА) и размерами полосы съемки (полосы захвата) на поверхности Земли (в поперечном направлении относительно траектории КА).

Аналогом предлагаемого изобретения, относящегося к способу получения РЛИ, является способ, заключающейся в реализации бортовым радиолокационным комплексом пачечного режима излучения, причем пачка зондирующих импульсов имеет фазокодовую модуляцию от импульса к импульсу, а отраженные от Земли сигналы подвергаются согласованной обработке в наземном комплексе [С.Л. Внотченко, В.В. Риман, А.В. Теличев, В.С. Чернышев, А.В. Шишанов. Системные принципы реализации космического радиолокатора «Северянин-М». К 71 Космическая радиолокация [Электронный ресурс]: Всероссийские радиофизические научные чтения-конференции памяти Н.А. Арманда. Сб. докладов научно-практической конференции (Муром, 28 июня - 1 июля 2010 г.). - Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2010, стр.20-29]. При этом азимутальная разрешающая способность РЛИ определяется длительностью пачки зондирующих импульсов. Недостатком данного способа является снижение отношения сигнал/шум в элементе РЛИ, степень которого пропорциональна значению скважности пачки зондирующих импульсов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению, относящемуся к способу получения РЛИ, является способ, заключающийся в излучении модулированного зондирующего импульса, приеме и регистрации отраженных сигналов с помощью радиолокационной станции (РЛС) с синтезированной апертурой антенны, и последующем проведении согласованной фильтрации отраженных сигналов для элементов наблюдаемой поверхности. [Проблемы современной радиотехники и электроники. Отв. ред. В.А. Котельников. М., "Наука", 1987, стр.59-62]. В данном способе зондирующий импульс модулирован по фазе кодом периодически повторяемой М-последовательности (кодом максимальной длины [1]), а параметры диаграммы направленности антенны (ДНА) (ширина основного лепестка и положение электрической оси ДНА относительно местной вертикали) выбираются из условия эффективного подавления помех неоднозначности в РЛИ.

РЛС, выбранная в качестве прототипа заявляемого устройства для проведения радиолокационной съемки, содержит антенну площадью S, подключенную к входу-выходу циркулятора, вход и выход которого подключены, соответственно, к первому выходу и входу когерентного приемопередающего тракта [Радиолокационные станции обзора Земли. Под ред. Г.С. Кондратенкова, М.: "Радио и связь", 1983, стр.203-204].

Эффект неоднозначности, обусловленный использованием периодического зондирующего сигнала, приводит к тому, что в радиолокационном изображении помимо полезного сигнала, формируемого наблюдаемым элементом земной поверхности, присутствуют специфические отражения - т.н. помехи неоднозначности. В формировании помех неоднозначности участвуют элементы земной поверхности, отстоящие от визируемого объекта по наклонной дальности и азимуту на значительные расстояния, определяемые значением периода повторения зондирующих импульсов и параметрами геометрии радиолокационного наблюдения. Подавление помех неоднозначности при реализации технологии получения РЛИ осуществляется выбором параметров диаграммы направленности антенны, согласованным со скоростью носителя РСА V и дальностью наблюдения R. Это приводит к известному ограничению на площадь раскрыва антенны радиолокатора S [2, стр.255-257]:

где l - горизонтальный размер антенны; h - вертикальный размер антенны; k=1-3 - коэффициент, зависящий от распределения поля по апертуре антенны и заданного уровня подавления помехи неоднозначности; λ - рабочая длина волны; R - наклонная дальность до наблюдаемого участка земной поверхности; φ - угол падения электромагнитной волны; c - скорость света.

Из (1) следует, что требования к величине площади раскрыва антенны радиолокатора резко повышаются с ростом рабочего угла падения φ электромагнитной волны. В то же время, для реализации возможности получения РЛИ в широкой полосе обзора необходимо использовать рабочий угловой сектор радиолокационного зондирования, расширенный в сторону больших значений углов падения. При этом реализация широкой полосы съемки (захвата) требует введения электронного сканирования узким лучом антенны по углу места.

Таким образом, недостатком известного способа получения радиолокационного изображения и реализующей этот способ РЛС является необходимость, для обеспечения широкой полосы радиолокационной съемки, размещения на космическом аппарате антенны с большими размерами раскрыва, обеспечивающей электронное сканирование луча антенны.

Предлагаемыми изобретениями решается задача сокращения площади антенны радиолокатора с синтезированной апертурой, размещенного на космическом аппарате.

Также предлагаемыми изобретениями достигается технический результат, заключающийся в увеличении ширины полосы захвата (полосы съемки РЛИ) без усложнения конструкции антенны (введения электронного сканирования), что одновременно приводит к снижению энергопотребления, габаритно-массовых характеристик бортовой аппаратуры КА и повышению ее надежности.

Для получения названных технических результатов в предлагаемом способе получения радиолокационного изображения участка земной поверхности с борта космического аппарата, заключающемся в том, что осуществляют излучение модулированного зондирующего импульса, прием и регистрацию отраженных сигналов с помощью радиолокационной станции с синтезированной апертурой антенны и проведение согласованной фильтрации отраженных сигналов для элементов земной поверхности, зондирующий импульс выбран в виде радиоимпульса с непериодической фазокодовой модуляцией, а вертикальный размер h раскрыва антенны радиолокационной станции выбран в соответствии с требуемым размером L полосы захвата

где λ - рабочая длина волны; R - наклонная дальность до середины полосы захвата; φ - угол падения электромагнитной волны.

Для достижения названных технических результатов предлагается радиолокационная станция с синтезированной апертурой антенны, содержащая антенну с площадью раскрыва S, подключенную к входу-выходу циркулятора, вход и выход которого подключены, соответственно, к первому выходу и входу когерентного приемопередающего тракта. При этом когерентный приемо-передающий тракт выполнен обеспечивающим формирование на первом выходе зондирующего радиоимпульса с непериодической фазокодовой модуляцией. Площадь раскрыва антенны S выбрана из условия

где l - горизонтальный размер антенны.

Для достижения названных технических результатов предлагается второй вариант радиолокационной станции с синтезированной апертурой антенны, содержащий антенну, подключенную к входу-выходу циркулятора, вход и выход которого подключены, соответственно, к первому выходу и входу когерентного приемопередающего тракта. При этом когерентный приемо-передающий тракт выполнен обеспечивающим формирование на первом выходе радиоимпульса с непериодической фазокодовой модуляцией, а антенна выполнена в виде волноводно-щелевой решетки, обеспечивающей диаграмму направленности G(ε) в вертикальной плоскости

где ε - угол места, K=0,1569, k_s=1+H/R_s, H - высота полета космического аппарата, R_s - радиус Земли.

Для обеспечения эффективности использования радиоканала передачи радиолокационной информации на наземные пункты приема в радиолокационную станцию с синтезированной апертурой антенны введено буферное оперативное запоминающее устройство, вход которого соединен со вторым выходом когерентного приемо-передающего тракта, а выход - с выходом радиолокационной станции.

Как пример исполнения, когерентный приемо-передающий тракт содержит задающий генератор, цифроаналоговый преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, формирователь цифрового сигнала, передатчик и приемник, причем первый и второй выходы задающего генератора соединены, соответственно, с первым входом цифроаналогового преобразователя и с первым входом аналого-цифрового преобразователя, выход формирователя цифрового сигнала соединен со вторым входом цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к входу передатчика, выход передатчика соединен с первым выходом когерентного приемо-передающего тракта, вход приемника подключен к входу когерентного приемо-передающего тракта, выход приемника подключен ко второму входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен со вторым выходом когерентного приемо-передающего тракта.

Предлагаемые способ и устройства поясняются чертежами, представленными на фиг.1-6.

На фиг.1 показана геометрия визирования земной поверхности с помощью радиолокатора с синтезированной апертурой.

На фиг.2 показано сечение геометрии радиолокационного визирования в угломестной плоскости с учетом сферичности Земли.

На фиг.3 представлен зондирующий радиоимпульс с несколькими вариантами непериодической фазокодовой модуляции.

На фиг.4 приведена форма нормированной диаграммы направленности антенны по мощности в угломестной плоскости.

На фиг.5 изображена структурная схема радиолокационной станции с синтезированной апертурой антенны.

На фиг.6 показана структурная схема когерентного приемопередающего тракта радиолокационной станции с синтезированной апертурой антенны.

При проведении радиолокационной съемки участка земной поверхности радиолокатор перемещается вдоль участка траектории носителя АВ, представляющего собой синтезированную апертуру (см. фиг.1). На фиг.1 точка С является элементом земной поверхности, принадлежащим полосе захвата шириной L, высота орбиты космического аппарата обозначена через Н, а угол места (отсчитывается от местной вертикали) электрической оси диаграммы направленности антенны (ДНА) - через ε₀.

На фиг.2 показано угломестное сечение геометрии радиолокационного визирования с учетом сферичности Земли. Эффективная ширина ДНА в угломестной плоскости (для двукратного распространения волны) составляет величину Δε, φ - угол падения электромагнитной волны, отсчитываемый от локальной вертикали. Наклонная дальность R(ε) от радиолокатора до произвольной точки, принадлежащей полосе захвата, зависит от текущего значения угла места ε. Связь между углом падения φ и углом места ε задается формулой sin(φ)=k_s sin(ε), где k_s=1+H/R_s; Н - высота орбиты космического аппарата; R_s - радиус Земли.

Задача сокращения площади антенны радиолокатора с синтезированной апертурой, размещенного на космическом аппарате, решается за счет излучения и приема сигнала специального вида.

В радиолокаторе используется импульсный режим излучения (см. фиг.3). Вид зондирующего сигнала - протяженный модулированный радиоимпульс с непериодической фазокодовой модуляцией. Радиоимпульс состоит из N монохроматических субимпульсов, имеющих длительность τ. При реализации фазокодовой модуляции управляемыми параметрами субимпульса могут являться:

1) начальная фаза φ_n, принимающая одно из двух значений 0 или π (см. фиг.3a);

2) начальная фаза, а также амплитуда, которая может принимать нулевое значение (см. фиг.3b и фиг.3c).

В первом случае (фиг.3а) фазокодовая модуляция основывается на бинарных последовательностях [12], у которых при длине кода N длительность зондирующего радиоимпульса равна T_N=τ·N.

Во втором случае фазокодовая модуляция основывается на троичных последовательностях [13] с малым (фиг.3b) или большим (фиг.3c) количеством пропусков (нулевых субимпульсов). При этом длительность зондирующего радиоимпульса, равная T_N, определяется конкретным видом последовательности.

Для исключения «слепой» зоны по дальности максимальная длительность T_N излучаемого зондирующего сигнала ограничивается временем распространения сигнала до ближнего края полосы захвата и обратно, т.е.

где R_min - наклонная дальность до ближнего края полосы съемки, c - скорость распространения электромагнитных волн.

Например, при минимальной высоте орбиты КА 815 км эта длительность составляет TN≤5,9 мс. Следующий зондирующий сигнал излучается только после приема отраженных сигналов со всей полосы съемки.

Величина азимутального разрешения δx радиолокатора обеспечивается за счет когерентной обработки (синтезирования апертуры) на протяженности одного зондирующего сигнала; в этом случае время синтезирования (интервал когерентного накопления сигнала) T_sint=T_N. При таком методе обработки имеется принципиальный предел значения линейного разрешения δx_min по азимуту. При синтезировании апертуры по пачке импульсов фиксированной длины наилучшее азимутальное разрешение δx_min достигается на ближнем краю полосы съемки при R(ε)=R_min:

где λ - длина волны; V - орбитальная скорость КА.

Подстановка условия (4) в (5) дает оценку минимального размера элемента разрешения по азимуту

который в X-диапазоне (длина волны около 3 см) имеет значение порядка 300 м. Таким образом, синтезирование апертуры на интервале длительности T_N одной пачки позволяет в несколько раз повысить азимутальное разрешение по сравнению с некогерентными радиолокационными системами, имеющими разрешение 1,3-2,5 км [9, 10].

Предлагаемый способ осуществляют в следующей последовательности. С помощью радиолокационной станции с синтезированной апертурой антенны осуществляют излучение модулированного зондирующего импульса, прием и регистрацию отраженных от поверхности сигналов, которые передаются на наземные пункты приема. Далее на наземных вычислительных средствах проводят согласованную фильтрацию отраженных сигналов для элементов участка земной поверхности,

Предлагаемая радиолокационная станция с синтезированной апертурой антенны содержит (см. фиг.5) антенну 1, подключенную к входу-выходу циркулятора 2, вход и выход которого подключены, соответственно, к первому выходу и входу когерентного приемопередающего тракта 3, второй выход которого подключен к буферному оперативному запоминающему устройству 4, с выхода которого сигналы подаются в аппаратуру радиолинии.

Когерентный приемо-передающего тракт радиолокационной станции с синтезированной апертурой антенны содержит (см. фиг.6) задающий генератор 5, цифроаналоговый преобразователь 6, аналого-цифровой преобразователь 7, формирователь 8 цифрового сигнала, передатчик 9 и приемник 10. Первый и второй выходы задающего генератора 5 соединены, соответственно, с первым входом цифроаналогового преобразователя 6 и с первым входом аналого-цифрового преобразователя 7. Выход формирователя 8 цифрового сигнала соединен со вторым входом цифро-аналогового преобразователя 6, выход которого подключен к входу передатчика 9. Выход передатчика 9 соединен с первым выходом когерентного приемопередающего тракта. Вход приемника 10 подключен к входу когерентного приемо-передающего тракта, выход приемника 10 подключен ко второму входу аналого-цифрового преобразователя 7, выход которого соединен со вторым выходом когерентного приемо-передающего тракта.

Радиолокационная станция с синтезированной апертурой антенны работает следующим образом. Цифровой массив отсчетов зондирующего сигнала посредством ЦАП и задающего генератора преобразуется в радиосигнал, поступающий на вход передатчика, который осуществляет его усиление и трансляцию через циркулятор, обеспечивающий развязку приемного и передающего трактов, в антенну. Антенна осуществляет излучение зондирующего радиоимпульса с характеристиками направленности, определяемыми формой диаграммы направленности антенны. Отраженные от поверхности земли радиосигналы принимаются антенной в паузах между излучаемыми радиоимпульсами, поступают через циркулятор в приемник; с выхода приемника радиосигнал посредством проведения аналого-цифрового и частотного преобразований, реализуемых с помощью АЦП и задающего генератора, преобразуется в цифровую форму. Полученный цифровой массив записывается в буферное оперативное запоминающее устройство (БОЗУ), из которого цифровые отсчеты сигнала далее транслируются в аппаратуру радиолинии передачи данных на наземные пункты приема.

Конкретная реализация предлагаемого способа получения радиолокационного изображения участка земной поверхности может быть осуществлена при решении задач исследования природных ресурсов Земли и оперативной гидрометеорологии, включая мониторинг ледовой обстановки с помощью радиолокатора космического базирования. До сих пор эти задачи могли решаться двумя способами:

1) с помощью реализации режимов обзорной съемки типа ScanSAR в когерентных РСА космического базирования, размещенных на КА типа RADARSAT-1,2, TerraSAR-X и CosmoSkyMed [3-8] и использующих электронное сканирование луча антенны в угломестной плоскости;

2) некогерентными РЛС бокового обзора (БО) космических аппаратов "Океан" [9] и "Сич-1М" [10], имеющими невысокое линейное разрешение (порядка 1,3÷2,5 км) в полосе обзора 450÷460 км.

Рассмотрим пример, позволяющий сравнить эффективные площади раскрыва антенн при одном значении угла места дальнего края полосы захвата или при одной полосе захвата в случае применения известного метода РСА и предлагаемого способа съемки. Пусть радиолокаторы работают в диапазоне 3,1 см, а высота Н орбиты составляет 500 км. Минимальный угол визирования ε_min принимается равным 20°, что является типовым значением для рассматриваемого класса радиолокаторов, а максимальный угол визирования ε_max принят равным 50°. Тогда угол места центра полосы захвата будет равен

ε₀=(ε_max+ε_min)/2=35°.

Полоса захвата при заданных параметрах для сферической модели Земли равна 450 км. Вертикальный размер h антенны предлагаемого устройства в соответствии с формулой (2) равен 5,5 см. При допустимой конструктивной длине 10÷15 м площадь данной антенны составит 0,55÷0,83 м².

Площадь S антенны РСА для тех же условий (H=500 км, V=7600 м/с) в соответствии с формулой (1) равна 9,6 м². Из этого примера следует, что предлагаемый способ позволяет сократить площадь антенного устройства в 11÷17 раз.

На практике антенны с вертикальным раскрывом порядка 2λ малоэффективны из-за низкого коэффициента усиления (КУ). Для обеспечения приемлемого КУ и широкой полосы захвата можно использовать антенну в виде волноводно-щелевой решетки со специальной (косекансного типа) формой диаграммы направленности (ДН). Требования к форме ДН такой антенны в рабочем секторе углов места ε определяются исходя из постоянства мощности отражений для заданного класса протяженной поверхности. При этом принимаются во внимание следующие факторы, влияющие на изменение мощности радиолокационных отражений в полосе захвата:

1) переменная наклонная дальность , действующая как 1/R³(ε);

2) линейное разрешение по горизонтальной дальности, величина которого пропорциональна 1/sin ε;

3) зависимость удельной эффективной отражающей поверхности (УЭПР) от угла падения, описываемая законом Ламберта [11], т.е. пропорциональная cos²φ.

Аналитическое выражение для рабочего участка угломестной ДН с учетом сферичности земной поверхности (фиг.2) имеет вид

где ε - угол места; K=0,1569 - нормировочный коэффициент; k_s=1+H/R_s;

H - высота полета космического аппарата; R_s - радиус Земли.

Соответствующая форма ДН показана на фиг.4.

Конкретный вид применяемой в зондирующем радиоимпульсе фазокодовой модуляции определяется из требований минимизации боковых лепестков кнопочной функции неопределенности (ФН). При этом могут использоваться сигналы на основе бинарных кодов Баркера, М-последовательностей, а также троичных кодов и др. [12, 13].

Радиолокационные сигналы, принимаемые антенной когерентной радиолокационной станции в течение приемного строба, расположенного между зондирующими радиоимпульсами, подвергаются дискретизации по времени и квантованию по амплитуде и преобразуются в цифровые комплексные сигналы с помощью быстродействующего аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и запоминаются в буферном оперативном запоминающем устройстве (см. фиг.5, 6).

С радиолокаторов космического базирования полученная цифровая информация передается на наземные станции приема по радиолинии передачи данных.

Алгоритм наземного процессора реализует согласованную фильтрацию отраженных сигналов для элементов наблюдаемого участка земной поверхности, что обеспечивает синтезирование апертуры антенны на временном интервале, равном длительности зондирующего сигнала T_N, а также сжатие сигнала по дальности.

Приведем оценку эффективности способа для радиолокационного комплекса наблюдения Земли, имеющего следующие численные значения параметров радиолокатора и геометрии визирования:

- рабочая частота f=9650 МГц;

- высота орбиты H=832 км;

- скорость носителя V=7440 м/с;

- максимальный угол визирования (от местной вертикали) ε_max=50°;

- минимальный угол визирования (от местной вертикали) ε_min=23°;

- полоса съемки L=750 км.

Указанные параметры обеспечиваются предлагаемой радиолокационной станцией с синтезированной апертурой антенны при следующих размерах раскрыва антенны:

- по горизонтали D_x=13,4 м;

- по вертикали D_y,=0,1 м (при равномерном амплитудном распределении поля);

- по вертикали D_y=0,25 м (при использовании косекансной ДН); т.е. площадь антенны S для предлагаемого способа составляет 1,4 м² (для первого варианта РЛС) или 3,3 м² (для второго варианта РЛС).

В то же время в соответствии с формулой (1) площадь антенны РСА S_PCA для указанных выше условий равна 19,4 м², т.е. примерно в 6-13 раз больше.

Следует отметить, что полученные величины площади антенны S заметно меньше, чем у антенн современных космических радиолокаторов. Например, РСА, размещенная на КА «CosmoSkyMed» [8], имеет площадь антенны S_CSM=8 м² при существенно меньшей высоте орбиты H=620 км и, следовательно, меньших рабочих дальностях.

Таким образом, из описания способа и устройств следует, что излучение модулированного зондирующего сигнала, выбранного в виде радиоимпульсов с непериодической фазокодовой модуляцией, прием и регистрация отраженных сигналов с помощью радиолокационной станции с синтезированной апертурой антенны и проведение согласованной фильтрации отраженных сигналов для элементов земной поверхности позволяет существенно сократить эффективную площадь антенны радиолокатора, размещенного на космическом аппарате.

Источники информации

1. Д.Е. Вакман, Р.М. Седлецкий. Вопросы синтеза радиолокационных сигналов. М.: Сов. радио, 1971.

2. Р. Lacomme, J.-P. Hardange, J.-C. Marchais, Е. Normant. Air and Spacebome Radar Systems: An Introduction. William Andrew, N.-Y., 2001.

3. В.С. Верба, Л.Б. Неронский, И.Г. Осипов, В.Э. Турук. Радиолокационные системы землеобзора космического базирования. - М.: Радиотехника, 2010.

4. K. Rokosh. RADARSAT. Reprinted courtesy of Canadian Space Agency Compiled By - IEEE. Http://www.ieee.ca/millennium/radarsat/radarsat.pdf.

5. L.C. Morena, K.V. James, and J. Beck, "An introduction to the RADARSAT-2 mission," Can. J. Remote Sens., vol. 30, no.3, pp.221-234, Jun. 2004.

6. Wolfgang Pitz. The TerraSAR-X Satellite. / EUSAR 2006 - 6th European Conference on Synthetic Aperture Radar, Dresden, Germany, 2006.

7. TerraSAR-X Satellite and Mission / Http://www.infoterra.de/terrasar-x-satellite.

8. Italian Space Agency. COSMO-SkyMed Mission. COSMO-SkyMed System Description & User Guide. Http://www.e-geos.it/products/pdf/csk-user_guide.pdf.

9. Радиолокация поверхности Земли из космоса. / Под ред. Л.М. Митника и С.В. Викторова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990.

10. Прием первого радиолокационного изображения со спутника «Сич-1М». Http://www.ntsomz.ru/news/news_center/sich_29_03_05.

11. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. Том 1. М.: Сов. радио, 1976.

12. Л.Е. Варакин. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985.

13. J.В. Seventline, D. Elizabath Rani, K. Raja Rajeswari. Ternary Chaotic Pulse Compression Sequences. / Radioengineering, vol. 19, No. 3, p.415-420, September 2010.